【正文】 良好的低層的 3D API，其運(yùn)行平臺(tái)最為廣泛，為了獲得高質(zhì)量的三維圖形效果以及便于編程考慮，本文也是采用 OpenGL 作為開(kāi)發(fā) 場(chǎng)景 系統(tǒng)平臺(tái)的三維圖形 API。由于與硬件的結(jié)合緊密，其執(zhí)行效率比 Direct3D 及 OpenGL 要高。 Visual C++ 支持Win32 平臺(tái) (Windows 95， 98/， )應(yīng)用程序 (Application)服務(wù) (Service)和控件 (Control)的開(kāi)發(fā)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 圖 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的設(shè)計(jì)流程 仿真軟件實(shí)施方案論證 在軟件平臺(tái)上，整個(gè) 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經(jīng)選定為 Windows XP 操作系統(tǒng)。 第二步 :其次是將飛機(jī)模型文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入工程。 特效系統(tǒng) 有了飛機(jī)模型，又有了環(huán)境背景的襯托，就已經(jīng)具備了 虛擬 場(chǎng)景 仿真 的 基本條件，但是飛行仿真的效果可能還不盡人意，因?yàn)樵谧匀唤缰校艘恍┯斜砻骟w積的物體以外，還有一些沒(méi) 有固定形體而又是自然界中固有的東西，比如空氣、陽(yáng)光和霧。橫軸 OXt 與 YOZ 平面垂直，指向右翼為正。 虛擬場(chǎng)景 仿真系統(tǒng)程序中包含三種坐標(biāo)系 :地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系和視點(diǎn)坐標(biāo)系。 圖 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的 整體 結(jié)構(gòu) 模型系統(tǒng) 進(jìn)行 飛行 仿真 首先是要繪制一個(gè)外型精細(xì)的飛機(jī)模型，而繪制飛機(jī)模型 的方法很多，即可以利用 OpenGL 圖形庫(kù)中的點(diǎn)、線、多邊形結(jié)合的方法來(lái)繪制，也虛虛擬場(chǎng)景仿真軟件 坐標(biāo)系統(tǒng) 背景系統(tǒng) 特效系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機(jī)場(chǎng) 和跑道 天空和 太陽(yáng) 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系 霧化效果 光 照效果 鍵盤(pán)控制 地面坐標(biāo)系 模型系統(tǒng) 飛機(jī)三維模型 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 可以采用一些專業(yè)的三維建模軟件進(jìn)行繪制。 基于以上考慮，提出了研究“ 基于 OpenGL 的虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)”的開(kāi)發(fā)。實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，提供開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。 日本是當(dāng)前虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)先的國(guó)家之一，主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)庫(kù)的研究。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心 的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (HIT Lab)進(jìn)行感覺(jué)、知覺(jué)、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制能力的研究?？梢暬抡婢褪菍?shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或動(dòng)畫(huà)形式，使仿真結(jié)果可視化并具有直觀性 【 3】 。在航天領(lǐng)域， VR 技術(shù)也大有用武之地。 上述技術(shù)要素之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們對(duì)于用戶的“存在”意識(shí)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致“沉浸感”的過(guò)程實(shí)際上是基于人的認(rèn)知機(jī)理，因此可以說(shuō)心理學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)的物理學(xué)。導(dǎo)致 “ 沉浸感 ” ，其原因是用戶對(duì)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對(duì)現(xiàn)實(shí)物體的存在意識(shí)或幻覺(jué) .為此，必須具備三種基本的技術(shù)要素 ： 1. 圖像 (Imagery) 虛擬物體要有三維結(jié)構(gòu)的顯示，其中包括主要由以雙目視差、運(yùn)動(dòng)視差提供的深度信息，圖像顯示要有足夠大的視場(chǎng)，造成在圖像世界內(nèi)觀察 。 想象力是指用戶沉浸在 多維信息空間中，依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋求解答，形成新的概念。 VR具有三個(gè)最突出的特征，即三“ I”，特征可以由此來(lái)區(qū)分相鄰技術(shù)，如多媒體技術(shù)、科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)。 VR思想的起源可追溯到 1965 年 Ivan Sutherland 在 IFIP 會(huì)議上的 終極的 顯示 報(bào)告， 而 Virtual Reality 一詞是 80 年代初美國(guó) VPL 公司的創(chuàng)建人之一 Jaron Lanier 提出來(lái)的。 3. 對(duì) OpenGL 的紋理映射技術(shù)及原理進(jìn)行闡述，并摸索出一套合理的紋理映射方法，在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì) 紋理的管理。 測(cè)試階段 5 月 8日 — 5 月 30日 進(jìn) 行系統(tǒng)的測(cè)試。 作者 簽名： 日 期： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III 畢業(yè) 任務(wù)書(shū) 一、題目 基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn) —— 動(dòng)態(tài)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)控制和特效 二、指導(dǎo)思想和目的要求 綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)技術(shù)知識(shí) ， 研究學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù) ，通過(guò)學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)資源，分析并解決項(xiàng)目中遇到的各種問(wèn)題，通過(guò) 對(duì)基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，學(xué)習(xí)和掌握如何利用 OpenGL 進(jìn)行三維仿真。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 編碼階段 4 月 8日 — 5 月 7日 完成相應(yīng)的編碼并開(kāi)始準(zhǔn)備測(cè)試。 2. 設(shè)計(jì)了基于粒子系統(tǒng)的特殊效果，把粒子系統(tǒng)的行為模型和幾何模型統(tǒng)一起來(lái)，對(duì)粒子系統(tǒng)的屬性及隨機(jī)性作了理論性的分析研究，并對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)繪制。 it shows the plane fly and the missile 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)。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。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)。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。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。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。 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。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)。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。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 。 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。 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。 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)。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 。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。 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。 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。 3D Glide:其主要是同 3D 顯卡 TNT 系列結(jié)合。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(pán)、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)。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。 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。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。 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。 ，將所有到達(dá)生命周期的粒子刪去。 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。 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]。粒子系統(tǒng)元素的屬性定義 如下所示 : struct particle { float t。 }。 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。 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。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。 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)