【正文】 ，能分辨出物體的形狀和顏色，其實(shí)就是因?yàn)橛泄獾拇嬖?，光照的重要性不僅僅是因?yàn)樗谷丝梢钥匆?jiàn)物體，而且它和反光表面、顏色和各種其它的特殊視角效果一起使 三 維圖形更加具有真實(shí)感。本文將飛機(jī)原點(diǎn)取在飛機(jī)質(zhì)心，而各軸平行于地面坐標(biāo)系的三個(gè)軸，這種機(jī)體坐標(biāo)系為飛機(jī)牽連地面坐標(biāo)系，如圖 所示。 地面坐標(biāo)系 主要用于繪制地形時(shí)確定大地的位置坐標(biāo)，它是與地球固連的坐標(biāo)系。由于使用 OpenGL 程序構(gòu)建飛機(jī)模型外觀(guān)上比較粗糙，建模時(shí)的直觀(guān)性較差，建模后必須通過(guò)程序的運(yùn)行才能看到效果，這樣在建模的過(guò)程中不得不反復(fù)的運(yùn)行程序來(lái)看模型圖像，將會(huì)有許多時(shí)間浪費(fèi)在反復(fù)運(yùn)行程序上，而且修改模型時(shí)的效率較低。研究如何利用當(dāng)前最新的三維建模與虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的管理、維護(hù)和虛擬場(chǎng)景的逼真顯示等功能，提供實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的管理，如真實(shí)感圖形顯示、三維場(chǎng)景管理、聲音管理、地形調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的交互以及實(shí)時(shí)對(duì)象維護(hù)等虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)程序所需的多項(xiàng)功能，以適應(yīng)對(duì)不同人群的應(yīng)用需求。浙江大學(xué)CADamp。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。 Dave Sims 等人研制出虛擬現(xiàn)實(shí)撤退模型來(lái)觀(guān)看系統(tǒng)如何運(yùn)作。 多媒體仿真技術(shù)是指計(jì)算機(jī)綜合處理各種媒體信息，包括文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、圖像、聲音、視頻等，在各種信息間建立邏輯連接，并集成一個(gè)有交互功能的多媒體系統(tǒng)。例如，失重是航天技術(shù)中的一個(gè)必須克服的困難，因?yàn)樵谑е厍闆r下物體的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)，因此為了在太空中進(jìn)行精確的操作，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的仿真訓(xùn)練，以適應(yīng)失重時(shí)操作的特點(diǎn)。 VR的“沉浸感”特征使它與一般的交互式三維計(jì)算機(jī)圖形有較大的不同 :用戶(hù)可以沉浸于數(shù)據(jù)空間，可以從數(shù)據(jù)空間向外觀(guān)察，從而可以使用戶(hù)能以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互。而不是窗口觀(guān)察的感覺(jué) ； 顯示畫(huà)面符合觀(guān)察者當(dāng)前的視點(diǎn)，能跟隨視線(xiàn)變化 。由于 VR 并不只是一種媒介或一個(gè)高級(jí)終端用戶(hù)界面，它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題，這些應(yīng)用是 VR 與設(shè)計(jì)者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的。這三個(gè)特征是交互性 (Interaction)、想象 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 性 (Imagination)和沉浸感 (Immersion)。 VR 系統(tǒng)在若干領(lǐng)域的成功應(yīng)用，導(dǎo)致了它在 90年代的興起。利用紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中場(chǎng)景和物體的貼圖。 五、主要參考書(shū)及參考資料 【 1】 曾建超，俞志和 . 虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)及其應(yīng)用 [M]. 北京：清華大 學(xué)出設(shè)計(jì) 論文 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 IV 版社， 1996. 588. 【 2】 汪成為，高文，王行仁 . 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用 [M]. 北京 : 清華大學(xué)出版社， 1996. 25108. 【 3】 康風(fēng)舉 . 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 [M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 20xx. 200210. 【 4】 Whitechen. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 [R]. 編號(hào) 5413， 北京 : BBS水木清華站 ， 20xx. 【 5】 汪成為 . 靈境技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 [M]. 北京：清華 大學(xué)出版社，1996. 100120. 【 6】 于維平 ,朱一凡 ,等 . 多媒體仿真研究與發(fā)展 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1997， 9: 1020. 【 7】 王乘 ,周均清 ,等 . Creator 可視化仿真建模技術(shù) [M]. 武漢 : 華中科技大學(xué)出版社， 20xx. 68. 【 8】 武裕國(guó) ,杜瑩 . 利用 C++模板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的粒子系統(tǒng) [A]. 第四屆全國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化學(xué)術(shù)會(huì)義論文集 [C]. 大連：大連海事大學(xué)出版社， 20xx. 637638. 【 9】 Michael E Goss. Motion SimulationA Real Time Particle System for Display of Ship Wares[J] .IEEE Computer Graphics amp。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 1. 研究基于 OpenGL 的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行及導(dǎo)彈飛 行實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的 說(shuō)明并表示了謝意。 完成設(shè)計(jì)階段 3 月 2日 — 4 月 7日 完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本文主要研究工作及所取得的研究成果如下 : 1. 基于 OpenGL 的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)飛機(jī)飛行及其導(dǎo)彈飛行實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，實(shí)時(shí)顯示飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和飛行場(chǎng)面，較好的反映了仿真的效果。 shading， hidden surface removal，and texture mapping etc. It’ s main research work and results are as follows: 1. The virtual scene simulation platform is a software development environment based on OpenGL。脫離不同的應(yīng)用背景， VR 技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空 間表示為直觀(guān)的、用戶(hù)熟悉的事物。因此， VR 技術(shù)將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。用戶(hù)覺(jué)得自己是虛擬環(huán)境中的一個(gè)部分，而不是旁觀(guān)者。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。例如日本就出現(xiàn)了可以幫助顧客買(mǎi)房、購(gòu)房的虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買(mǎi)的設(shè)備和餐具安置在廚房的相應(yīng)地方，看看是否合適，雖然認(rèn)識(shí)到這一切都是虛擬的，但還是會(huì)被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會(huì)全身心的投入進(jìn)去，并且最終買(mǎi)走了自己稱(chēng)心的商 品。它以仿真的形式給用戶(hù)創(chuàng)造一個(gè)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過(guò)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，使人可以“進(jìn)入”這種虛擬的環(huán)境直接觀(guān)察事物的內(nèi)在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實(shí)感。 虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶(hù)界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。德國(guó)國(guó)家數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)研究中心 (GMD)專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)部門(mén)，研究虛擬現(xiàn)實(shí)表演，沖突檢測(cè)，裝訂在箱子中的物體的移動(dòng)，高速變換以及運(yùn)動(dòng)控制。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)研究、最有權(quán)威的單位之一，他們著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理 。 ，這就大大降低了模型的三維表現(xiàn)效果。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 第 2 章 虛擬 場(chǎng)景 仿真 軟件 的系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 思想 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件主要包括 :模型系統(tǒng)、 坐標(biāo)系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。因此建立飛機(jī)模型是進(jìn)行 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件設(shè)計(jì)的第一步，也是構(gòu)成飛行仿真系統(tǒng)的必不可少的一部份。機(jī)體坐標(biāo)系是與飛機(jī)固連的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在飛機(jī)的重心上，縱軸 OZt 在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正 。它們是構(gòu)成飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真軟件的基本場(chǎng)景。為使仿真軟件不受外界條件限制，在不具備 Futaba 遙控器 的情況下能靈活 控制 ， 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件也可以采 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 用鍵盤(pán)來(lái)模擬控制飛機(jī)飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達(dá)到模擬仿真的效果。由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度較快，所以可以實(shí)現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達(dá)到平滑的動(dòng)畫(huà)效果。 Visual C++ 中的 Microsoft 基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù) (MFC)生成 Windows GUI(圖形用戶(hù)接口 )程序。但其移植性比較差，考慮到與各方面的兼容性，用起來(lái)比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見(jiàn)得最優(yōu)。OpenGL 提供一系列的圖形變換函數(shù) 。 早期的方法是在仿真程序中完成幾何建模，借助 OpenGL 豐富的圖形處理功能，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成熟的 Bezier， NURBS 等樣條曲面理論設(shè)計(jì)完成。它可為二十五種之多的不同類(lèi)型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 Open Flight 格式在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域成為最流行的模型格式，并成為仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 【 7】 。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線(xiàn)程同步標(biāo)記是否為 0，若是置其為 1，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 (輔助線(xiàn)程到主程序文檔結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)傳輸 )傳輸完畢，線(xiàn)程同步標(biāo)記還原為 0。 虛擬 場(chǎng)景 仿真 軟件 的表現(xiàn)方法 虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)是運(yùn)用虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 本章小結(jié) 本章根據(jù) 虛擬 場(chǎng)景 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)提出了飛機(jī)飛行仿真的整體結(jié)構(gòu)圖，即說(shuō)明了此仿真軟件的基本構(gòu)成模塊，以及各模塊在仿真軟件中的作用，確 定了各坐標(biāo)系之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后結(jié)合選用的工具軟件和課題實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程，根據(jù)其設(shè)計(jì)思路以此實(shí)現(xiàn)仿真。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行不規(guī)則物體模擬，每一幀中都要進(jìn)行以下的基本操作 : ，并為每個(gè)新粒子分配初始屬性。粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存著粒子在當(dāng)前時(shí)刻的 各種屬性，這些屬性在每個(gè)幀周期內(nèi)動(dòng)態(tài)更新。很明顯，這 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 樣的算子 T并不唯一，記算子 T 的集合為 B，則 : B={T: Vx ∈ [al， b1]， Tx ∈ [a2 ， b2]} B中最簡(jiǎn)單的算子為線(xiàn)性算子，記為 T1 ∈ B，那么 : Tlx=(b2 一 a2)/(bl 一 al)*x + (a2b1 一 a1b2)/(bl 一 al) 另外 一 種常見(jiàn)的算子在程序的設(shè)計(jì)是經(jīng)常使用，設(shè)隨機(jī)變量 x 是 [al ， b1]內(nèi)服從均勻分布的整數(shù)，下而介紹將其轉(zhuǎn)化成 [a2 ， b2]內(nèi)服從均勻分布的整數(shù) .設(shè) X， C 都是整數(shù)，記 y=X%C 為 X除 以 C的余數(shù)，則 Y 服從 [0， c]上的均勻分布，且 y 為整數(shù)。在本文中，粒子系統(tǒng)的屬性包括粒子的位置信息、速度信息、顏色信息以及生命周期等。 //淡化 alpha 值 struct particle *next， *prev。 。設(shè)粒子的速度和加速度分別為 : v(t)， a(t)=w(t)+g (t) (33) t 為時(shí)間參數(shù)，則 dt 時(shí)間內(nèi) (計(jì)算粒子位移時(shí)，在 dt 很小的情況下，可以認(rèn)為在 dt 時(shí)間內(nèi)粒子的速度保持恒定 )，位移和速度的變化量分別為 : Δs=v(t) Δ t， Δ v=a(t) Δ t (34) 另外，在式 (31)中定義的顏色和透明度經(jīng)過(guò)初始化以后也要做相應(yīng)的變化。為了增強(qiáng)真實(shí)感，可以采用紋理映射技術(shù)為每個(gè)粒子貼上紋理圖。顯示列表實(shí)際上是一系列命令的高速緩存， 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 而不是在內(nèi)存中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，故不必進(jìn)行內(nèi)存管理，也不占用內(nèi)存資源，能夠使繪制性能大幅提高。 4. LOD ( Level Of Detail)細(xì)節(jié)層次技術(shù) 層次細(xì)節(jié)模型思想是指對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景或景物中的物體使用具。 OpenGL 提供了融合、反走樣、霧化等技術(shù)用于特殊顯示效果的處理。 視線(xiàn)跟蹤技術(shù)的使用避免了這種情況的出現(xiàn)，該技術(shù)的原理是 :通過(guò)計(jì)算視點(diǎn)和粒子的相對(duì)位置，得到視線(xiàn)向量，然 后對(duì)該粒子的紋理映射平面進(jìn)行一定的旋轉(zhuǎn)，使其垂直于視線(xiàn)向量。這種粒子最后與背景融為一體可以用參數(shù) Alpha 來(lái)表 示這種情況，設(shè)初始 Alpha 值為 1，表示粒子完全不透明且其在屏幕上的顏色為粒子本身的顏色，用“ Δ Alpha 來(lái)控制粒子消融的速度，則Alpha=AlphaΔ Alpha，在隨后的運(yùn)動(dòng) Alpha 值逐步減少。尾焰粒子集定義為上述尾焰粒子的有限集合，其中每一個(gè)粒子都具有上述的這些性質(zhì)和狀態(tài)，所有這些屬性都是時(shí)間 t的函數(shù)，粒子的初始屬性由隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生，通過(guò)粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化表示出動(dòng)態(tài)的尾焰。 粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都經(jīng)歷“產(chǎn)生 ?成長(zhǎng) ?發(fā)展 ?消亡”的過(guò)程。//粒子的生命期 float v。 有了 上述 的變換，再根據(jù)粒子系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，確定粒子系統(tǒng)初始屬性范圍，利用 T1 或 T2 將己有的隨機(jī)函數(shù)轉(zhuǎn)化到需要的范圍。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了減輕計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，可以采用頂點(diǎn)數(shù)組來(lái)提高粒子系統(tǒng)的繪制效率，在取得同樣效果的情況下，有時(shí)用線(xiàn)段、 Billboard作粒子會(huì)比用點(diǎn)作粒子需要的粒子數(shù)量少，繪制負(fù)擔(dān)輕，因此，合理選擇粒子是提高繪制效率的重要環(huán)節(jié)。 。最后，給出了虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)的總體概述，包括虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)的工作方式和表現(xiàn)手法。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面 : 虛擬 場(chǎng)景 仿真對(duì)象模型封裝了某一實(shí)體對(duì)象的數(shù)學(xué) /邏輯模型及其表現(xiàn)模型。若 滿(mǎn)足 ， 判斷線(xiàn)程同步標(biāo)記 是否為 0， 接收 數(shù)據(jù) 模型 1 節(jié)點(diǎn) 模型 2 節(jié)點(diǎn) 模型 3 節(jié)點(diǎn) 模型 4 節(jié)點(diǎn) 模型 5 節(jié)點(diǎn) 線(xiàn)程同步 場(chǎng)景控制 參數(shù) 場(chǎng)景刷新 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 若否，則等待，傳輸完畢，若是則將其置為 2，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸判斷線(xiàn)程同步標(biāo)記(文檔類(lèi)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類(lèi)中 )，在程序設(shè) 計(jì)中，則線(xiàn)程同步標(biāo)記還原為 0。如果在網(wǎng)絡(luò)條件下，能夠從其它幾個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)中接收數(shù)據(jù)，完成場(chǎng)景的多媒體動(dòng)畫(huà)演示和仿真。 上述方法要 花費(fèi)大量的工作時(shí)間，且其建模過(guò)程的可見(jiàn)性和可操作性較差。 OpenGL 是一種設(shè)計(jì)