【正文】 tracing. 2. Detailed analyzed the attribute and the realized process of particle system， had made theoretically the analysis to the randomness of the particle system， unified the particle system behavior model and the geometry model, and had realized the dynamic environment (rain， snow， mist and dust and so on)modeling by using the particle granule system. 3. Demonstrated the technology and theory of the texture mapping， established a reasonable method of texture mapping， and realized the 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III management of texture in use. Utilized the technology to realize the texture mapping of the scene and object in the virtual scene. Key words Virtual Scene graph， OpenGL Texture mapping， Particle system， GBMR， IBMR 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第 1 章 緒論 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概況 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及起源 虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality，簡(jiǎn)稱 VR)，是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互 作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽(tīng)、動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級(jí)的人與計(jì)算機(jī)交互的接口。 圖 虛擬現(xiàn)實(shí)的三角形表示 沉浸感是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境之中的體驗(yàn) 。例如，用戶可以用手直接抓取虛擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有觸摸感，并可以感覺(jué)物體的重量，場(chǎng)景中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。 VR的最主要的技術(shù)特征是沉浸感，即投入感。他感到被虛擬景物所包圍，可以在這一環(huán)境中自由走動(dòng)，與物體相互作用，如同在已有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)世界中一樣。 2. 交互 (Interaction) 虛擬物體與用戶間的交互是三維的，用戶是交互的主體 :用戶能覺(jué)得自己是在虛擬環(huán)境中參與對(duì)物體的控制。如當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物 體會(huì)向力的方向移動(dòng)、翻倒或從桌面落到地面等等。 VR 界面也可以給技術(shù)人員及創(chuàng)作人員提供真實(shí)數(shù)據(jù)，以便正確地創(chuàng)建虛擬 環(huán)境，這樣有助于用戶更快、更全面地分析理解數(shù)據(jù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段，目前己被廣泛應(yīng)用在軍事教學(xué)、體育訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)中，對(duì)于第一次走上手術(shù)臺(tái)的醫(yī)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，他們可以在顯示器上一遍一遍的模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案，這種模擬器顯示的人體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到亂真的程度。再如， 美國(guó)宇航局 Ames 研究中心的科學(xué)家將探索的火星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到了火星的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，研究人員可以看到全方位的火星表面景象 :高山、平川、河流、以及縱橫的溝壑里被風(fēng)化的斑斑的巨石， 都顯得十分清晰逼真，而且不論你從哪個(gè)方向看這些圖，視野中的景象都會(huì)隨著你的頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，就好像真的置身于火星上漫游。 可視化仿真技術(shù)的目標(biāo)是把由數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)按照其自身 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 的物理背景進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，用圖像的方式來(lái)展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容和相互關(guān)系，便于把握過(guò)程的整體演進(jìn)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律 ，豐富科學(xué)研究的途徑，縮短研究周期。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中，用戶是“投入”到這個(gè)環(huán)境中去，讓用 戶在人工合成的環(huán)境 中 獲得“進(jìn)入角色”的休驗(yàn)。美國(guó)宇航局 (NASA)研究的重點(diǎn)放在對(duì)空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真上，他們大量運(yùn)用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)。美國(guó) WrightPatterson 空軍基地的“ 3D 圖像和計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室”是在 SGI4D/400 工作站上建立了空間衛(wèi)星的虛擬環(huán)境來(lái)仿真近地空間和描述 3D 圖形衛(wèi)星模型環(huán)繞地球軌道的運(yùn)行狀態(tài)，使得仿真者對(duì)仿真對(duì)象信息 的把握更加充分 【 5】 。英國(guó)的 Bristol 有限公司發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 用的焦點(diǎn)應(yīng)該集中在軟件與整體綜合技術(shù)上，該公司將 VIZ 分成三大類別 :實(shí)際環(huán)境檢測(cè)、虛擬環(huán)境控制、虛擬環(huán)境顯示。東京大學(xué)的廣獺研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問(wèn)題，現(xiàn)在己經(jīng)有了 4項(xiàng)成果 :一個(gè)類似 CAVE 的系統(tǒng)、用 HMD 在建筑群中漫游、人體測(cè)量和模型隨動(dòng)、飛行仿真器。在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺(jué)接口方面開(kāi)發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算 法及實(shí)現(xiàn)方法 。中視典數(shù)字科技有限公司從事虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真、多媒體技術(shù)、三維動(dòng)畫(huà)研究與開(kāi) 發(fā)也都取的不錯(cuò)的效果，成功開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬場(chǎng)景瀏覽器軟件VRPlatform。 三 維軟件主要 擅長(zhǎng) 對(duì) 三維模型 的建立 ，而沒(méi)有將各種三維建模與虛擬 場(chǎng)景 仿真等高新技術(shù)手段結(jié)合在一起的直觀展示的軟件。文中根據(jù)一定的飛機(jī)運(yùn)動(dòng) 規(guī)律模擬特定飛行器的運(yùn)動(dòng)， 可以進(jìn)行手動(dòng)控制飛機(jī)的飛行， 三維場(chǎng)景繪制主要用來(lái)顯示飛行器飛行的畫(huà)面，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些算法實(shí)時(shí)繪制飛行場(chǎng)面。 每 個(gè)系統(tǒng)又由 一個(gè)或 多個(gè)功能模塊組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。而利用一些專業(yè)的三維建模軟件建模時(shí)不僅不需要編程而且可以很直觀的構(gòu)造模型，模型的外觀也更為 精細(xì)。 坐標(biāo)系統(tǒng) 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件 中，坐標(biāo)系統(tǒng)是場(chǎng)景繪制和管理的基礎(chǔ)。地面坐標(biāo)系原點(diǎn) A 固定在地面的某點(diǎn)，鉛垂軸 AYd 向上為正，橫軸AXd 與縱軸 AZd 為水平面內(nèi)互相垂直的兩軸。立軸 OYt 也在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)并垂直于 OZt，指向座艙蓋為正 。本文采用的是飛機(jī)跟蹤視角，即視點(diǎn)坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)原點(diǎn)固聯(lián)，即兩原點(diǎn)始終保持一段固定的距離，也即視點(diǎn)坐標(biāo)系隨機(jī)體坐標(biāo)系進(jìn)行移動(dòng)，機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)于視點(diǎn)坐標(biāo)系沒(méi)有位移運(yùn)動(dòng)，只有繞各軸的旋轉(zhuǎn) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 運(yùn)動(dòng)，因此在三維圖形仿真視窗中可以看見(jiàn)飛機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)變化，而地面坐標(biāo)系在 XOZ 平面內(nèi)有位移運(yùn)動(dòng)，仿真程序中通過(guò)飛行場(chǎng)景的移動(dòng)來(lái)體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了 OpenGL 強(qiáng)大的渲染功能，如生成紋理，混合操作、紋理映射等，從而將各種環(huán)境背景高效的融合到一起，實(shí)現(xiàn)飛行仿真軟件中環(huán)境背景的模擬。 另外，向場(chǎng)景中添加霧，除了給人帶來(lái)真實(shí)的霧感 之外，它還可以模糊遠(yuǎn)處的物體，使它們隨著觀察者的靠近而逐漸的清晰起來(lái)。 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程 本文開(kāi)發(fā) 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件，其設(shè)計(jì)流程主要包含 三個(gè)步驟 : 第一步 :首先利用專業(yè)建模軟件 3DS MAX 來(lái)建立飛機(jī)模型。當(dāng)飛機(jī)模型能正常顯示時(shí)，再利用 OpenGL 中的強(qiáng)大繪制及渲染功能為飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真程序添加場(chǎng)景，結(jié)合 霧化、燈光等特效處理，使場(chǎng)景顯示效果 更加 逼真 。 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程如圖 所示。 。 MFC 是 Visual C++的核心，稱為“ 應(yīng)用程序框架”，它一方面封裝了Windows95 API，另一方面使用稱為“消息映射”的機(jī)制把 Windows 消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖以及 MFC 應(yīng)用程序的其他對(duì)象。 Visual C++ 允許用戶建立強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序 :可以使用 ODBC 類(開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù) )和高性能的 32 位 ODBC 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)如Visual Foxpro 、 Access SQL Sever 等可以使用 DAO 類 (數(shù)據(jù) 訪問(wèn) 對(duì)象 )通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)訪問(wèn)和操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象與結(jié)構(gòu)。 3D Glide:其主要是同 3D 顯卡 TNT 系列結(jié)合。 OpenGL是由 SGI 公司開(kāi)發(fā)的 IRIS GL 演變而來(lái)的復(fù)雜的 3D 圖形設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。OpenGL 提供一系列的外部設(shè)備訪問(wèn)函數(shù)，使開(kāi)發(fā)者可以方便地訪問(wèn)鼠標(biāo)、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了 OpenGL 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文中，主要涉及到對(duì)象物體的幾何建模。后來(lái)出現(xiàn)了仿真程序和特定的建模工具交互地建立，先使用傳統(tǒng)的 CAD 軟件 (如IDEAS， AutoCAD 或 3D Studio MAX)進(jìn)行繪制，然后導(dǎo)出為 ads 文件，最后將ads 文件轉(zhuǎn)換成 OpenGL 可用的顯示列表，在需要顯示時(shí)調(diào)用顯示列表即可經(jīng)過(guò)一定的圖形格式轉(zhuǎn)換調(diào)入到仿真環(huán)境中，形成仿真系統(tǒng)中的實(shí)體。 3D Studio 是 Autodesk 公司開(kāi)發(fā)的一套用于微機(jī) 上 的制作動(dòng)畫(huà)及模型的應(yīng)用軟件。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 虛擬 場(chǎng)景 仿真 軟件 的總體概述 根據(jù)需求和上述的實(shí)施方案的選擇，虛擬 場(chǎng)景 仿真系統(tǒng)的主要功能是能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)入物體模型，并加以修改，增添周邊環(huán)境和特殊效果，營(yíng)造出一個(gè)逼真的仿真場(chǎng)景，并配以一定的聲音效果，使觀察者沉浸在逼真的虛擬仿真 環(huán)境中。不同的運(yùn)行模式有不同的程序流程。主線程進(jìn)行數(shù) 據(jù)條件判斷 (即是否該仿真接點(diǎn)數(shù)據(jù)位都已具備 )。但是不能超過(guò)五個(gè)。但它不是仿真技術(shù)與多媒體技 術(shù)的簡(jiǎn)單結(jié)合，虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)是一個(gè)自成體系的研究領(lǐng)域，有其自己的技術(shù)內(nèi)涵。 方法 與表現(xiàn) 腳本 生成技術(shù) 仿真時(shí)空表現(xiàn)集中體現(xiàn)在腳本上，腳本模型是虛擬 場(chǎng)景 仿真表現(xiàn)的一種常用模型，它是多媒體仿真模型的有機(jī)組成部分，是聯(lián)系抽象時(shí)空和形象時(shí)空的橋梁和紐帶。 在此需求下對(duì)虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行了分析論證，并確定了合適的方案。粒子系統(tǒng)函數(shù)是迄今為止用于描述不規(guī)則物體 比較成功的函數(shù)之一，尤其是對(duì)邊界不明顯的模糊物體的模擬顯示有著獨(dú)特的優(yōu)越性。 ，將所有到達(dá)生命周期的粒子刪去。 粒子系統(tǒng)中的粒子通常是簡(jiǎn)單的幾何元素，例如點(diǎn)、線、平面上的四邊形等。 通過(guò)設(shè)定粒子的運(yùn)動(dòng)方式和屬性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，可以模擬多種自然現(xiàn)象。 圖 粒子系統(tǒng)示意圖 粒子系統(tǒng)隨機(jī)范圍的設(shè)置 上面對(duì)粒子系統(tǒng)作了簡(jiǎn)單的介紹，指出粒子初始化是粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而粒子初始化需要加入隨機(jī)過(guò)程，其目的是在一定范圍內(nèi)使粒子具有隨機(jī)性，從而達(dá)到模擬真實(shí)現(xiàn)象的目的。 記 T2 ∈ B 則 :T2x = (x%c + d)/m， 適當(dāng)?shù)倪x取 c ， m就可以將 x ∈ [al ， b1]轉(zhuǎn)化為 T2x ∈ [a2 ， b2]。這需要對(duì)實(shí)際景物的本質(zhì)有深刻的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很好的經(jīng)驗(yàn)，這不屬于粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的范疇，己超出本文討論范圍，在此不進(jìn)行討論。粒子系統(tǒng)元素的屬性定義 如下所示 : struct particle { float t。 //粒子的位置坐標(biāo) float xd， zd。 }。 。 飛機(jī)尾焰仿真 飛 機(jī)尾焰的粒子系統(tǒng)模型 1. 飛機(jī)尾焰的定義 定義尾焰粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為實(shí)數(shù)域上的一個(gè) n維向量，如公式 (31)所示 : Rn={Pos， Spe， Aspe， Col， Lif ， Alp} (31) 它是組成尾焰的基本粒子， Rn 表示某一粒子的性質(zhì)和狀態(tài)，包括粒子的空間位置、運(yùn)動(dòng)速度、 加速度、顏色、壽命、淡化速度。 3. 尾焰粒子運(yùn)動(dòng) 火焰在不同時(shí)刻的狀態(tài)由粒子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)決定，依照牛頓第二定律，粒子將產(chǎn)生一定的加速度，這里我們僅考慮風(fēng)力和重力，引入風(fēng)力加速度w(t)={x(t)， y(t)， z(t)}和重力加速度 g(t)={0， ， 0}。 4. 尾焰粒子的消亡 尾焰粒子的消亡有以下兩種情況 : 1) 生命到了盡頭而自然熄滅。 用 OpenGL表現(xiàn)尾焰特效 建立粒子運(yùn)動(dòng)模型以后，雖然可以模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是在視覺(jué)效果方面需要做很多的工作，同時(shí)需要解決 場(chǎng)景 仿真中的實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題。雖然粒子在三維空間中運(yùn)行，其位置分布也是三維的，但是由于通常的紋理映射技術(shù)都是二維的，所以當(dāng)粒子或者視點(diǎn)在場(chǎng)景當(dāng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能由于相互角度的關(guān)系而發(fā)生失真現(xiàn)象，當(dāng)視線平行于紋理映射平面時(shí)，甚至完全看不到紋理的存在。 2. 利用顯示列表對(duì)粒子圖形進(jìn)行優(yōu)化 OpenGL 中為加快圖形的繪制速度專門提供了顯示列表的功能。 3. 特殊效果的處理 經(jīng)過(guò)大量的模擬可知，導(dǎo)彈尾焰除了具有一般模糊景物的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性外，其特殊性是對(duì)色彩的模擬要求很高，尤其是尾部火焰的噴射效果，必須使尾部參差不齊，才能產(chǎn)生動(dòng)感。 反走樣是將原 相鄰 階梯之間的像素顏色設(shè)置為過(guò)渡顏色或灰度，使得顏色或灰度過(guò)渡自然，變化柔