【文章內(nèi)容簡介】 交互。利用沉浸功能，使用戶暫時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離，投入到虛擬環(huán)境中，從而能更真實(shí)地注視數(shù)據(jù)。 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)。因此， VR 技術(shù)從根本上改變了人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用 VR【 2】 可以應(yīng)用在商業(yè)上，創(chuàng)建虛擬商店、虛擬房地產(chǎn)漫游、建筑物可視化、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 虛擬旅游景點(diǎn)漫游、虛擬博物館等。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(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，并且最終買走了自己稱心的商 品。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)生來說，通過虛擬現(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。在航天領(lǐng)域， VR 技術(shù)也大有用武之地。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，因此為了在太空中進(jìn)行精確的操作，需要進(jìn)行長時(shí)間的仿真訓(xùn)練，以適應(yīng)失重時(shí)操作的特點(diǎn)。 VR技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)該操作的合適的選擇。再如， 美國宇航局 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。 虛擬 場景 仿真技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 虛擬 場景 仿真技術(shù)的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真從最早的數(shù)字仿真，發(fā)展到了今天的可視化仿真、多媒體仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是九十年代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)之一。它以仿真的形式給用戶創(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。 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。可視化仿真就是將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或動(dòng)畫形式，使仿真結(jié)果可視化并具有直觀性 【 3】 。 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、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)。多媒體的本質(zhì)不僅是信息的集成，而且也是設(shè)備和軟件的集成，并通過邏輯連接形成一個(gè)有機(jī)整體，又可實(shí)現(xiàn)交互控制，所以說數(shù)字化、集成性和交互性是多媒體的核心 【 4】 。 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)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要內(nèi)容是 :實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。在“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”下，近年來虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)取得的一些技術(shù)成果，并已集成了一些很有實(shí)用前景的應(yīng)用系統(tǒng)，而且智能虛擬世界也在不斷地發(fā)展。 虛擬 場景 仿真技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。美國宇航局 (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)。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、知覺、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制能力的研究。 Dave Sims 等人研制出虛擬現(xiàn)實(shí)撤退模型來觀看系統(tǒng)如何運(yùn)作。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。美國 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】 。 德國 Damastadt 的 Fraunhofe。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究所開發(fā)一種名 為“虛擬設(shè)計(jì)”的組合工具，可使得圖像伴隨聲音實(shí)時(shí)顯示。德國國家數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)研究中心 (GMD)專門成立了一個(gè)部門，研究虛擬現(xiàn)實(shí)表演，沖突檢測，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。英國的 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、虛擬環(huán)境控制、虛擬環(huán)境顯示。 日本是當(dāng)前虛擬 場景 仿真技術(shù)的研究與開發(fā)領(lǐng)先的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室 研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面。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、人體測量和模型隨動(dòng)、飛行仿真器。 我國和一些發(fā)達(dá)國家相比在該領(lǐng)域還有一定的差距。我國的九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金會(huì)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把虛擬環(huán)境仿真列入了研究項(xiàng)目。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(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 。在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算 法及實(shí)現(xiàn)方法 。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，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)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。浙江大學(xué)CADamp。CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了層面迭加的繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺，同時(shí)還提供了方便的交互工具，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和畫面的真實(shí)感都達(dá)到了較高的水平。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)畫研究與開 發(fā)也都取的不錯(cuò)的效果，成功開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬場景瀏覽器軟件VRPlatform。 問題的提出 當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)技術(shù)已在歐美、臺(tái)灣等地區(qū)廣泛使用，并己廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、旅游、產(chǎn)品、房地產(chǎn)、服裝展示、展覽等領(lǐng)域。但在國內(nèi)規(guī)劃領(lǐng)域目前卻應(yīng)用不多，這是因?yàn)?: ，三維數(shù)據(jù)模型需求量太大，這就使得三維建模 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 與數(shù)據(jù)處理的工作量太大。 ，這就大大降低了模型的三維表現(xiàn)效果。 三 維軟件主要 擅長 對(duì) 三維模型 的建立 ，而沒有將各種三維建模與虛擬 場景 仿真等高新技術(shù)手段結(jié)合在一起的直觀展示的軟件。 基于以上考慮，提出了研究“ 基于 OpenGL 的虛擬 場景 仿真平臺(tái)”的開發(fā)。研究如何利用當(dāng)前最新的三維建模與虛擬 場景 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。 本文研究的是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合的飛機(jī)飛行動(dòng)畫。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， 三維場景繪制主要用來顯示飛行器飛行的畫面，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些算法實(shí)時(shí)繪制飛行場面。當(dāng)然，一個(gè)高性能、逼真的實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫生成系統(tǒng)需要處理大量計(jì)算，這就需要使用高速計(jì)算機(jī)，或者有多臺(tái)計(jì)算機(jī)和專用硬件運(yùn)算電路等構(gòu)成的并行處理系統(tǒng)?？紤]到目前的投資能力和技術(shù)可行性，日前系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為 AMD Athlon ，內(nèi)存 DDR1G，顯示器為 功能強(qiáng)大的 Windows XP，編程環(huán)境可視化的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言 Microsoft Visual C++ 和強(qiáng)大的三維軟件包 OpenGL 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 第 2 章 虛擬 場景 仿真 軟件 的系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 思想 虛擬 場景 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。 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。 圖 虛擬場景仿真軟件的 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 圖形庫中的點(diǎn)、線、多邊形結(jié)合的方法來繪制，也虛虛擬場景仿真軟件 坐標(biāo)系統(tǒng) 背景系統(tǒng) 特效系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機(jī)場 和跑道 天空和 太陽 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系 霧化效果 光 照效果 鍵盤控制 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。由于使用 OpenGL 程序構(gòu)建飛機(jī)模型外觀上比較粗糙，建模時(shí)的直觀性較差，建模后必須通過程序的運(yùn)行才能看到效果，這樣在建模的過程中不得不反復(fù)的運(yùn)行程序來看模型圖像，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。同時(shí)在 OpenGL 中并沒有提供建模的高級(jí)命令，因此建模過程比較繁瑣，編程量較大。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)?？紤]各種軟件的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合本課題的設(shè)計(jì)要求，最終決定采用專業(yè)建模軟件 3DS MAX 來建立 虛擬場景 仿真系統(tǒng)的飛機(jī)模型。 飛機(jī)模型是 虛擬場景 仿真系統(tǒng)中的主體，它繪制的越精細(xì)，外形和真正的飛機(jī)實(shí)體越接近，就越能給人以更加逼真的視覺效果。因此建立飛機(jī)模型是進(jìn)行 虛擬場景 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。 坐標(biāo)系統(tǒng) 虛擬 場景 仿真軟件 中，坐標(biāo)系統(tǒng)是場景繪制和管理的基礎(chǔ)。 虛擬場景 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。 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。除此之外，在描述飛機(jī)的質(zhì)心位置和姿態(tài)角以及速度時(shí)，一般取該坐標(biāo)系為參考標(biāo)準(zhǔn)。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。本文中取縱軸 AZd 為飛機(jī)的飛行航線，用 AZd = L 表示航程， AXd = Z 表示側(cè)向偏離 (向右為正 )、 AYd = H表示飛行高度，地面坐標(biāo)系如圖 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 22 地面坐標(biāo)系 機(jī)體坐標(biāo)系主要用來描 述飛機(jī)飛行姿態(tài)角以及實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的跟蹤視角。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)稱平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正 。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 。橫軸 OXt 與 YOZ 平面垂直，指向右翼為正。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。 圖 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系即攝像機(jī)坐標(biāo)系， z 軸指向鏡頭方向， x軸和 Y軸分 別為攝像機(jī)的水平和垂直方向。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)，仿真程序中通過飛行場景的移動(dòng)來體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。 背景系統(tǒng) 開發(fā) 虛擬 場景 仿真軟件 ，除了有外形精細(xì)的飛機(jī)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(huì)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(dòng)能更好的體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。 本文中的環(huán)境背景主要包括草地、山脈、機(jī)場、跑道、太陽、天空和水。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景。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。 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?，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