【正文】 ，能分辨出物體的形狀和顏色，其實就是因為有光的存在，光照的重要性不僅僅是因為它使人可以看見物體，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感。本文將飛機原點取在飛機質心，而各軸平行于地面坐標系的三個軸，這種機體坐標系為飛機牽連地面坐標系，如圖 所示。 地面坐標系 主要用于繪制地形時確定大地的位置坐標，它是與地球固連的坐標系。由于使用 OpenGL 程序構建飛機模型外觀上比較粗糙，建模時的直觀性較差，建模后必須通過程序的運行才能看到效果，這樣在建模的過程中不得不反復的運行程序來看模型圖像，將會有許多時間浪費在反復運行程序上，而且修改模型時的效率較低。研究如何利用當前最新的三維建模與虛擬 場景 仿真技術，實現(xiàn)虛擬環(huán)境的管理、維護和虛擬場景的逼真顯示等功能，提供實現(xiàn)對對象的管理，如真實感圖形顯示、三維場景管理、聲音管理、地形調度等，實現(xiàn)對對象的交互以及實時對象維護等虛擬 場景 仿真平臺程序所需的多項功能，以適應對不同人群的應用需求。浙江大學CADamp。另外在虛擬現(xiàn)實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)實撤退模型來觀看系統(tǒng)如何運作。 多媒體仿真技術是指計算機綜合處理各種媒體信息，包括文字、圖形、動畫、圖像、聲音、視頻等，在各種信息間建立邏輯連接，并集成一個有交互功能的多媒體系統(tǒng)。例如，失重是航天技術中的一個必須克服的困難，因為在失重情況下物體的運動難以預測，因此為了在太空中進行精確的操作，需要進行長時間的仿真訓練，以適應失重時操作的特點。 VR的“沉浸感”特征使它與一般的交互式三維計算機圖形有較大的不同 :用戶可以沉浸于數(shù)據(jù)空間，可以從數(shù)據(jù)空間向外觀察，從而可以使用戶能以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互。而不是窗口觀察的感覺 ； 顯示畫面符合觀察者當前的視點，能跟隨視線變化 。由于 VR 并不只是一種媒介或一個高級終端用戶界面，它的應用能解決在工程、醫(yī)學、軍事等方面的問題，這些應用是 VR 與設計者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設計的。這三個特征是交互性 (Interaction)、想象 本科畢業(yè)設計論文 2 性 (Imagination)和沉浸感 (Immersion)。 VR 系統(tǒng)在若干領域的成功應用，導致了它在 90年代的興起。利用紋理映射技術實現(xiàn)了虛擬場景中場景和物體的貼圖。 五、主要參考書及參考資料 【 1】 曾建超，俞志和 . 虛擬現(xiàn)實的技術及其應用 [M]. 北京：清華大 學出設計 論文 本科畢業(yè)設計論文 IV 版社， 1996. 588. 【 2】 汪成為，高文，王行仁 . 虛擬現(xiàn)實技術的理論、實現(xiàn)及其應用 [M]. 北京 : 清華大學出版社， 1996. 25108. 【 3】 康風舉 . 現(xiàn)代仿真技術與應用 [M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 20xx. 200210. 【 4】 Whitechen. 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀 [R]. 編號 5413， 北京 : BBS水木清華站 ， 20xx. 【 5】 汪成為 . 靈境技術的理論、實現(xiàn)與應用 [M]. 北京：清華 大學出版社，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)仿真學報，1997， 9: 1020. 【 7】 王乘 ,周均清 ,等 . Creator 可視化仿真建模技術 [M]. 武漢 : 華中科技大學出版社， 20xx. 68. 【 8】 武裕國 ,杜瑩 . 利用 C++模板設計可擴展的粒子系統(tǒng) [A]. 第四屆全國虛擬現(xiàn)實與可視化學術會義論文集 [C]. 大連：大連海事大學出版社， 20xx. 637638. 【 9】 Michael E Goss. Motion SimulationA Real Time Particle System for Display of Ship Wares[J] .IEEE Computer Graphics amp。 三、主要技術指標 1. 研究基于 OpenGL 的軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)飛機飛行及導彈飛 行實時動畫。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的 說明并表示了謝意。 完成設計階段 3 月 2日 — 4 月 7日 完成系統(tǒng)的設計。 本文主要研究工作及所取得的研究成果如下 : 1. 基于 OpenGL 的軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了一個飛機飛行及其導彈飛行實時動畫，實時顯示飛行器的運動軌跡和飛行場面，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。脫離不同的應用背景， VR 技術是把抽象、復雜的計算機數(shù)據(jù)空 間表示為直觀的、用戶熟悉的事物。因此， VR 技術將從根本上改變人與計算機系統(tǒng)的交互操作方式。用戶覺得自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，而不是旁觀者。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。例如日本就出現(xiàn)了可以幫助顧客買房、購房的虛擬現(xiàn)實服務，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買的設備和餐具安置在廚房的相應地方，看看是否合適，雖然認識到這一切都是虛擬的，但還是會被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會全身心的投入進去，并且最終買走了自己稱心的商 品。它以仿真的形式給用戶創(chuàng)造一個反映實體對象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設備，使人可以“進入”這種虛擬的環(huán)境直接觀察事物的內在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實感。 虛擬 場景 仿真技術的國內外研究現(xiàn)狀 美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。德國國家數(shù)學與計算機研究中心 (GMD)專門成立了一個部門，研究虛擬現(xiàn)實表演，沖突檢測，裝訂在箱子中的物體的移動，高速變換以及運動控制。北京航空航天大學計算機系是國內最早進行虛擬現(xiàn)實研究、最有權威的單位之一，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)設計論文 8 第 2 章 虛擬 場景 仿真 軟件 的系統(tǒng) 設計 思想 虛擬 場景 仿真軟件系統(tǒng)的整體結構 本文設計的 虛擬 場景 仿真軟件主要包括 :模型系統(tǒng)、 坐標系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。因此建立飛機模型是進行 虛擬場景 仿真軟件設計的第一步，也是構成飛行仿真系統(tǒng)的必不可少的一部份。機體坐標系是與飛機固連的坐標系，原點在飛機的重心上，縱軸 OZt 在飛機對稱平面內，平行于翼弦，指向機頭為正 。它們是構成飛機飛行運動三維圖形仿真軟件的基本場景。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 ， 虛擬場景 仿真軟件也可以采 本科畢業(yè)設計論文 12 用鍵盤來模擬控制飛機飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達到模擬仿真的效果。由于計算機的計算速度較快，所以可以實現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達到平滑的動畫效果。 Visual C++ 中的 Microsoft 基礎類庫 (MFC)生成 Windows GUI(圖形用戶接口 )程序。但其移植性比較差，考慮到與各方面的兼容性，用起來比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見得最優(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，結合計算機圖形學成熟的 Bezier， NURBS 等樣條曲面理論設計完成。它可為二十五種之多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 Open Flight 格式在實時三維領域成為最流行的模型格式，并成為仿真領域的行業(yè)標準 【 7】 。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線程同步標記是否為 0，若是置其為 1，進行數(shù)據(jù)傳輸 (輔助線程到主程序文檔結構體數(shù)據(jù)傳輸 )傳輸完畢，線程同步標記還原為 0。 虛擬 場景 仿真 軟件 的表現(xiàn)方法 虛擬 場景 仿真平臺是運用虛擬 場景 仿真技術實現(xiàn)。 本章小結 本章根據(jù) 虛擬 場景 仿真系統(tǒng)的設計目標提出了飛機飛行仿真的整體結構圖，即說明了此仿真軟件的基本構成模塊，以及各模塊在仿真軟件中的作用，確 定了各坐標系之間的相對運動關系，然后結合選用的工具軟件和課題實際要求，設計出 虛擬場景 仿真軟件的設計流程，根據(jù)其設計思路以此實現(xiàn)仿真。在計算機系統(tǒng)上利用粒子系統(tǒng)進行不規(guī)則物體模擬，每一幀中都要進行以下的基本操作 : ，并為每個新粒子分配初始屬性。粒子的數(shù)據(jù)結構中保存著粒子在當前時刻的 各種屬性，這些屬性在每個幀周期內動態(tài)更新。很明顯，這 本科畢業(yè)設計論文 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中最簡單的算子為線性算子，記為 T1 ∈ B，那么 : Tlx=(b2 一 a2)/(bl 一 al)*x + (a2b1 一 a1b2)/(bl 一 al) 另外 一 種常見的算子在程序的設計是經常使用，設隨機變量 x 是 [al ， b1]內服從均勻分布的整數(shù)，下而介紹將其轉化成 [a2 ， b2]內服從均勻分布的整數(shù) .設 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。 。設粒子的速度和加速度分別為 : v(t)， a(t)=w(t)+g (t) (33) t 為時間參數(shù)，則 dt 時間內 (計算粒子位移時，在 dt 很小的情況下，可以認為在 dt 時間內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過初始化以后也要做相應的變化。為了增強真實感，可以采用紋理映射技術為每個粒子貼上紋理圖。顯示列表實際上是一系列命令的高速緩存， 本科畢業(yè)設計論文 25 而不是在內存中的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，故不必進行內存管理，也不占用內存資源，能夠使繪制性能大幅提高。 4. LOD ( Level Of Detail)細節(jié)層次技術 層次細節(jié)模型思想是指對同一個場景或景物中的物體使用具。 OpenGL 提供了融合、反走樣、霧化等技術用于特殊顯示效果的處理。 視線跟蹤技術的使用避免了這種情況的出現(xiàn)，該技術的原理是 :通過計算視點和粒子的相對位置，得到視線向量，然 后對該粒子的紋理映射平面進行一定的旋轉，使其垂直于視線向量。這種粒子最后與背景融為一體可以用參數(shù) Alpha 來表 示這種情況，設初始 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 來控制粒子消融的速度，則Alpha=AlphaΔ Alpha，在隨后的運動 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，其中每一個粒子都具有上述的這些性質和狀態(tài)，所有這些屬性都是時間 t的函數(shù)，粒子的初始屬性由隨機過程產生，通過粒子的狀態(tài)隨時間變化表示出動態(tài)的尾焰。 粒子系統(tǒng)的實現(xiàn)都經歷“產生 ?成長 ?發(fā)展 ?消亡”的過程。//粒子的生命期 float v。 有了 上述 的變換，再根據(jù)粒子系統(tǒng)的實際特點，確定粒子系統(tǒng)初始屬性范圍，利用 T1 或 T2 將己有的隨機函數(shù)轉化到需要的范圍。 本科畢業(yè)設計論文 20 在實際應用過程中，為了減輕計算機圖像生成系統(tǒng)的負擔，可以采用頂點數(shù)組來提高粒子系統(tǒng)的繪制效率，在取得同樣效果的情況下，有時用線段、 Billboard作粒子會比用點作粒子需要的粒子數(shù)量少，繪制負擔輕，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 場景 仿真平臺的總體概述，包括虛擬 場景 仿真平臺的工作方式和表現(xiàn)手法。主要表現(xiàn)在如下幾個方面 : 虛擬 場景 仿真對象模型封裝了某一實體對象的數(shù)學 /邏輯模型及其表現(xiàn)模型。若 滿足 ， 判斷線程同步標記 是否為 0， 接收 數(shù)據(jù) 模型 1 節(jié)點 模型 2 節(jié)點 模型 3 節(jié)點 模型 4 節(jié)點 模型 5 節(jié)點 線程同步 場景控制 參數(shù) 場景刷新 本科畢業(yè)設計論文 17 若否，則等待，傳輸完畢，若是則將其置為 2，進行數(shù)據(jù)傳輸判斷線程同步標記(文檔類中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類中 )，在程序設 計中，則線程同步標記還原為 0。如果在網絡條件下，能夠從其它幾個仿真節(jié)點中接收數(shù)據(jù)，完成場景的多媒體動畫演示和仿真。 上述方法要 花費大量的工作時間，且其建模過程的可見性和可操作性較差。 OpenGL 是一種設計