【文章內(nèi)容簡介】 外形精細的飛機模型以外，環(huán)境背景的模擬也是十分重要的，環(huán)境背景的繪制不僅會給人以身臨其境的感覺，使仿真軟件更加逼真，而目通過背景的移動能更好的體現(xiàn)飛機的飛行運動。本文中的環(huán)境背景主要包括草地、山脈、機場、跑道、太陽、天空和水。它們是構(gòu)成飛機飛行運動三維圖形仿真軟件的基本場景。設(shè)計中應(yīng)用了OpenGL強大的渲染功能，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，實現(xiàn)飛行仿真軟件中環(huán)境背景的模擬。有了飛機模型，又有了環(huán)境背景的襯托，就已經(jīng)具備了虛擬場景仿真的基本條件，但是飛行仿真的效果可能還不盡人意，因為在自然界中，除了一些有表面體積的物體以外，還有一些沒有固定形體而又是自然界中固有的東西，比如空氣、陽光和霧。我們之所以能看到物體，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。木文中為了更好的模擬現(xiàn)實世界，對虛擬場景仿真軟件系統(tǒng)中添加了光照和霧化的特效處理，利用OpenGL中的光照函數(shù)給了維場景設(shè)置環(huán)境光、漫射光和鏡面反射光，由此來模擬現(xiàn)實世界中的幾種光照，使模型和場景的顯示效果更加逼真。另外，向場景中添加霧，除了給人帶來真實的霧感之外，它還可以模糊遠處的物體，使它們隨著觀察者的靠近而逐漸的清晰起來。這樣既可以減少同一時間內(nèi)場景中幾何物體的數(shù)目，又可以在物體進入視錐體時防止它們突然的跳入用戶的視野，使模擬仿真軟件的效果更加逼真。虛擬場景仿真軟件的控制系統(tǒng)包括鍵盤控制。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。本文開發(fā)虛擬場景仿真軟件，其設(shè)計流程主要包含三個步驟:第一步:首先利用專業(yè)建模軟件3DS MAX來建立飛機模型。第二步:其次是將飛機模型文件格式進行轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入工程。雖然3DS MAX建模方便，效果逼真，但是用3DS MAX制作的動畫沒有交互性，無法實時控制，而OpenGL的實時控制功能強大，因此需要將3DS MAX建立的飛機模型文件進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將新模型文件添加到仿真程序工程中。第三步:最后利用OpenGL中的繪制及雙緩存技術(shù)實現(xiàn)仿真。當(dāng)飛機模型能正常顯示時，再利用OpenGL中的強大繪制及渲染功能為飛機飛行運動三維圖形仿真程序添加場景，結(jié)合霧化、燈光等特效處理，使場景顯示效果更加逼真。根據(jù)飛機姿態(tài)角的變化，改變地形坐標(biāo)和視點坐標(biāo)，使飛機模型的飛行運動和場景的改變相結(jié)合。再利用雙緩存技術(shù)(后臺緩存中執(zhí)行繪制指令，在前臺緩存中進行圖像顯示)在屏幕上顯示飛機飛行三維圖形仿真過程。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。 虛擬場景仿真軟件的設(shè)計流程在軟件平臺上，整個場景仿真平臺系統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經(jīng)選定為Windows XP操作系統(tǒng)。Windows XP操作系統(tǒng)是PC平臺窗口環(huán)境事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Windows XP操作系統(tǒng)所提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)有以下幾種:。，允許程序透明地存取擴充內(nèi)存和擴展內(nèi)存。下面就開發(fā)場景仿真系統(tǒng)的場景仿真開發(fā)工具進行闡述和選型。仿真軟件開發(fā)環(huán)境工具選定為Microsoft公司的Microsoft Visual C++ Visual C++ ，它不僅支持ANSI標(biāo)準(zhǔn)C，C++而且還支持微軟的擴展C， C++，以及Unix的C， C++，是Windows 9X上操作最方便，功能最強大的C和C++編譯平臺。Visual C++ (MFC)生成Windows GUI(圖形用戶接口)程序。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)用程序的其他對象。Visual C++ (Windows 95， 98/， )應(yīng)用程序(Application)服務(wù)(Service)和控件(Control)的開發(fā)。Visual C++ : C++ 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)Visual C++ Studio是由Win32環(huán)境下運行的一套集成開發(fā)工具所組成，包括文本編輯器(Text Editor)資源編輯器(Resource Editor)項目建立工具(Project Build Facilities)優(yōu)化編譯器(Optimizing Compiler)增量連接器(Incremental Linker)源代碼瀏覽器(Source Code Browser)集成調(diào)試器(Integrated Debugger)等。(Wizard)計算機輔助應(yīng)用程序設(shè)計在Visual C++ (Wizards). MFC類庫(Microsoft Foundation Class Library)和活動模板庫(Active Template Library簡稱ATL)來開發(fā)Windows應(yīng)用程序，向?qū)嵸|(zhì)上是一種計算機輔助程序設(shè)計工具，用于幫助用戶自動生成各種不同類型應(yīng)用程序風(fēng)格的基本框架。Visual C++ :可以使用ODBC類(開放數(shù)據(jù)庫)和高性能的32位ODBC驅(qū)動程序來訪問各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)如Visual Foxpro 、Access SQL Sever等可以使用DAO類(數(shù)據(jù)訪問對象)通過編程語言來訪問和操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫對象與結(jié)構(gòu)。開發(fā)“虛擬場景仿真平臺”系統(tǒng)，決定采用何種編程接口是三維應(yīng)用程序開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，業(yè)界現(xiàn)有多種不同的3D API標(biāo)準(zhǔn)，它們各有特點，互有長短。Direct3D: Microsoft推出的DirectX開發(fā)包中的3D圖形組件，是微軟公司于1996年為PC開發(fā)的API，與Windows95， Windows NT操作系統(tǒng)的兼容性好，可以繞過圖形顯示接口(GDI )直接進行支持API的各種硬件的底層操作，大大提高游戲的運行速度，是一系列高層與低層API的組合。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)。3D Glide:其主要是同3D顯卡TNT系列結(jié)合。由于與硬件的結(jié)合緊密，其執(zhí)行效率比Direct3D及OpenGL要高。但其可移植性比較差，況且只能用在TNT系列顯卡上，所以應(yīng)用較少。OpenGL:OpenGL最初用于高端的圖形工作站，后來其接口與功能得到了發(fā)展，并走向其他平臺，如Ms Windows， X Window， OS/2和Mac OS等。OpenGL是由SGI公司開發(fā)的IRIS GL演變而來的復(fù)雜的3D圖形設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。它的特點是可以在不同平臺之間進行移植，還可以在客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)中工作，效率也要比Direct3D高。OpenGL提供一系列的三維圖形單元供開發(fā)者調(diào)用。OpenGL提供一系列的圖形變換函數(shù)。OpenGL提供一系列的外部設(shè)備訪問函數(shù)，使開發(fā)者可以方便地訪問鼠標(biāo)、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了OpenGL的技術(shù)優(yōu)勢。OpenGL是一種設(shè)計良好的低層的3D API，其運行平臺最為廣泛，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作為開發(fā)場景系統(tǒng)平臺的三維圖形API。建模是通過獲取真實環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，然后根據(jù)應(yīng)用的需要，利用這些數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的虛擬模型。虛擬仿真環(huán)境的建模包括虛擬對象物體的幾何建模、物理建模和運動建模。本文中，主要涉及到對象物體的幾何建模。三維物體的幾何建模描述了虛擬物體的三維造型(多邊形、三角形和頂點)以及外觀(紋理、表面反射系數(shù)、顏色等)。虛擬物體的三維造型可以借助于特殊的軟件自動生成模型。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)合計算機圖形學(xué)成熟的Bezier， NURBS等樣條曲面理論設(shè)計完成。后來出現(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，在需要顯示時調(diào)用顯示列表即可經(jīng)過一定的圖形格式轉(zhuǎn)換調(diào)入到仿真環(huán)境中，形成仿真系統(tǒng)中的實體。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。這些不足促使了專業(yè)建模工具軟件的迅速發(fā)展，模型建造完畢后可直接調(diào)入程序使用，完成了仿真系統(tǒng)和建模工具的直接交互。在虛擬場景仿真方面凸現(xiàn)出兩種專業(yè)的建模軟件，MultiGen Creator和3D Studio MAX。3D Studio是Autodesk公司開發(fā)的一套用于微機上的制作動畫及模型的應(yīng)用軟件。文件格式是3DS格式，該軟件非常強大，許多精美的電影動畫以及制作精良的廣告產(chǎn)品都是由該軟件制作完成的。MultiGen Creator系列軟件是美國MuttigenParadigm公司新一代實時仿真建模軟件，它在滿足實時性的前提下生成而向仿真的、逼真性好的大而積場景。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(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】。根據(jù)需求和上述的實施方案的選擇，虛擬場景仿真系統(tǒng)的主要功能是能夠動態(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，營造出一個逼真的仿真場景，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。如果在網(wǎng)絡(luò)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。本系統(tǒng)采用Visual C++ ，結(jié)合Creator或者使用OpenGL作為三維引擎，3D Max三維建模軟件，綜合設(shè)計而成。該仿真系統(tǒng)具有兩種工作方式:聯(lián)網(wǎng)運行和單機運行。不同的運行模式有不同的程序流程。1. 聯(lián)網(wǎng)運行時程序的流程接收數(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 聯(lián)網(wǎng)時的流程圖:它的基本流程為:主線程先執(zhí)行，然后啟動網(wǎng)絡(luò)接口線程。網(wǎng)絡(luò)接口線程獨立于主線程工作，它接收來自其它幾個節(jié)點的數(shù)據(jù)。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線程同步標(biāo)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(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)傳輸)傳輸完畢，線程同步標(biāo)記還原為0。主線程進行數(shù)據(jù)條件判斷(即是否該仿真接點數(shù)據(jù)位都已具備)。若滿足，判斷線程同步標(biāo)記是否為0，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(biāo)記(文檔類中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類中)，在程序設(shè)計中，則線程同步標(biāo)記還原為0。主線程進行場景顯示。根據(jù)相應(yīng)的需要開幾個模型節(jié)點。但是不能超過五個。2. 非聯(lián)網(wǎng)運行時即單機模式下，主要便是進行場景的各種設(shè)置。場景設(shè)置模型調(diào)入地形調(diào)入天空實現(xiàn)特殊效果粒子系統(tǒng)場景刷新 單機模式下的場景顯示，進行各個模型(模塊)的設(shè)置，通過人機交互的方式進行參數(shù)化設(shè)置，來達到場景展示的一個功能。虛擬場景仿真平臺是運用虛擬場景仿真技術(shù)實現(xiàn)。但它不是仿真技術(shù)與多媒體技術(shù)的簡單結(jié)合，虛擬場景仿真技術(shù)是一個自成體系的研究領(lǐng)域，有其自己的技術(shù)內(nèi)涵。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(xué)/邏輯模型及其表現(xiàn)模型。虛擬場景仿真對象模型之間具有分層的狀態(tài)和消息組合關(guān)系，若干基本對象模型可以組裝成更大規(guī)模的組合對像模型，層次化的虛擬場景仿真對象構(gòu)成了系統(tǒng)的虛擬場景仿真模型。虛擬場景涉及到大量的圖形、文字、音頻、視頻等動態(tài)數(shù)據(jù)，為了實時地表現(xiàn)這些動態(tài)數(shù)據(jù)，虛擬場景仿真平臺需要建立仿真動態(tài)數(shù)據(jù)的虛擬場景仿真表現(xiàn)模型。仿真時空表現(xiàn)集中體現(xiàn)在腳本上，腳本模型是虛擬場景仿真表現(xiàn)的一種常用模型，它是多媒體仿真模型的有機組成部分，是聯(lián)系抽象時空和形象時空的橋梁和紐帶。為了表現(xiàn)全體的運動，需要建立具有真實感的地理景物。虛擬場景仿真平臺中的地理景物必須與運動體的位置相匹配，并可容納仿真實體的布局和擺放。 本章小結(jié)本章根據(jù)虛擬場景仿真系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)提出了飛機飛行仿真的整體結(jié)構(gòu)圖，即說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)系之間的相對運動關(guān)系，然后結(jié)合選用的工具軟件和課題實際要求，設(shè)計出虛擬場景仿真軟件的設(shè)計流程，根據(jù)其設(shè)計思路以此實現(xiàn)仿真。在此需求下對虛擬場景仿真平臺系統(tǒng)的各個實施方案進行了分析論證，并確定了合適的方案。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。第3章 基于粒子系統(tǒng)的模糊景物的模擬粒子系統(tǒng)與傳統(tǒng)的圖形建模技術(shù)不同，物體由大量簡單的粒子構(gòu)成。1983年，Reeves首次提出了粒子系統(tǒng)。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，尤其是對邊界不明顯的模糊物體的模擬顯示有著獨特的優(yōu)越性。景物被定義為成千上萬不規(guī)則且隨機分布的粒子集合，每個粒子擁有自己的屬性，包括形狀、大小、顏色、透明度、位置、速度以及生命周期等，每時每刻都在不斷的運動和改變形態(tài)，這樣，諸多粒子的集合，而不是個別的粒子，形成了景物的整體形態(tài)和特征的動態(tài)改變。粒子系統(tǒng)充分體現(xiàn)了不規(guī)則模糊物體的運動性和隨機性，符合物體物理本質(zhì)，從而能很好地模擬火、云、水、森林和原野等自然景觀。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。，將所有到達生命周期的粒子刪去。以上步驟反復(fù)循環(huán)就形成了物體的動態(tài)變化過程。