【導(dǎo)讀】用者的技術(shù)，旨在為人們提供精確的定位信息。無(wú)線定位的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)得到。了很好應(yīng)用，有諸如E911或者增強(qiáng)型112等成熟的系統(tǒng)。定位，一直沒有開發(fā)出完整的成熟應(yīng)用。當(dāng)今被廣泛接受的GPS，UWB等無(wú)線技術(shù)。在介紹3D圖形處理工作時(shí)，本文重點(diǎn)分析了GoogleSketchup，OGRE，碰撞檢測(cè)等技術(shù)的概念與應(yīng)用。在設(shè)計(jì)中，iLocate系統(tǒng)被分為了iLocateEngine、iLocateServer及?，F(xiàn)，并簡(jiǎn)要展示了系統(tǒng)的運(yùn)行效果。定位引擎主要功能是為上層。供圖像處理的用戶接口。主研發(fā)實(shí)現(xiàn)完整的短距離無(wú)線精確定位系統(tǒng)。實(shí)施并得到了好評(píng)。同時(shí)，iLocate在實(shí)際使用中擁有較好的易用性與可擴(kuò)展性。

　　

【正文】 基于節(jié)點(diǎn)的 3D模型軟件。它采用了 Wavefront Explorer 與 Alias PowerAnimator 的技術(shù)，演變?yōu)橐豢畋粡V泛接受的 3D 模型軟件。現(xiàn)今在使用的主要版本包括 Maya Complete 與 Maya Unlimited 兩個(gè)版本。 Maya 最初只支持 IRIX 操作系統(tǒng)，現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展到對(duì)諸如 Windows， Linux與 Mac OS 等多種系統(tǒng)的支持。 2020 年 Autodesk 收購(gòu)了 Alias，并延續(xù)了 Maya的開發(fā)， Autodesk 于 2020 年 10 月推出了 版本。 Maya 的一個(gè)重要特點(diǎn)是它對(duì)第三方軟件產(chǎn)商的開放性，其它軟件產(chǎn)商可以通過高度個(gè)性化的定制實(shí)現(xiàn) Maya 的封裝版本。 Google Sketchup： Google Sketchup，最初被稱為 Sketchup，最初于 1999 年開發(fā)的 3D 模型繪圖軟件， 2020 年被 Google 收購(gòu)后更名為 Google Sketchup。 Google Sketchup以其容易學(xué)習(xí)，繪圖功能強(qiáng)大以及免費(fèi)試用的特性得到了廣泛的認(rèn)可。 Google Sketchup 采用基于多邊形的繪圖技術(shù)，所有的 3D 模型都由直線邊與平面構(gòu)成；同時(shí) Google Sketchup 采用空心模型，所有繪制的模型均只擁有無(wú)厚度的表面，不對(duì)內(nèi)部進(jìn)行填充。 Google Sketchup 因?yàn)槭褂昧讼鄬?duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式來完成復(fù)雜的圖形繪制功能，因此在在性能上擁有良好的表現(xiàn)。同時(shí)， Google Sketchup 還因?yàn)槠涿赓M(fèi)、開放、對(duì)多種通用格式的支持（包括 3D 模型格式與圖形格式等）以及與 Google Earth 的良好集成，在 3D 模型構(gòu)建與設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用于認(rèn)可。 表 列出了這三種 3D 模型軟件之間的對(duì)比： 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 21 表 3D 建模軟件對(duì)比 Application Latest Released Date and Version Developed by Platforms User Interface Languages Price 3Ds Max 2020 (v11) Autodesk Windows English High Maya “2020”(V10) Autodesk Windows, Linux, Mac OS English High Sketchup “2020”(V7) Google Windows, Mac OS English Low 從表中可以看出，在需要對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行建模的場(chǎng)景中， 3D Max 與 Maya擁有良好的表現(xiàn)；而如果需要在快速開發(fā)與相對(duì)簡(jiǎn) 單的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行 3D 模型建模， Google Sketchup 會(huì)是更好的選擇，因?yàn)?Google Sketchup 擁有良好的易用性與免費(fèi)的特性。本文將要介紹的 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng)正是使用了 Google Sketchup 作為建模工具。 OGRE 技術(shù) OGRE OGRE(Objectoriented Graphics Rendering Engine)是在 Sourcefe 上注冊(cè)的一個(gè)開源圖像渲染引擎。 OGRE 項(xiàng)目成立于 2020 年， 經(jīng)過幾年 發(fā)展，OGRE 已經(jīng) 成為 一個(gè)廣為人們接受的 功能 相對(duì)完善 的圖像渲染引 擎。 OGRE 主要在如下幾個(gè)方面對(duì)圖形渲染提供了支持： 材質(zhì)（ Material/Shader）支持 ：支持對(duì)定點(diǎn)與片段的編程，支持使用從底層的匯編到高層的 Cg， DirectX HLSL 或者 GLSL 編程語(yǔ)言 [OGRE, 2020]。能夠提供諸如世界矩陣（ Worldview Matrices），光線狀態(tài)信息（ Light State Information），空間對(duì)象視角位置（ Object Space Eye Position）等參數(shù)的自動(dòng)處理。 Mesh 支持 ：提供對(duì) Mesh 的靈活支持，將定 點(diǎn)緩沖，索引緩沖，定點(diǎn)申明，緩沖映射等概念進(jìn)行分別處理。提供對(duì) Mesh 壓縮包的解壓縮與讀取操作。 動(dòng)畫（ Animation）支持 ： OGRE 對(duì)動(dòng)畫的支持主要體現(xiàn)在對(duì)骨骼輪廓運(yùn)動(dòng)以及形狀動(dòng)畫（ Shape Animation）之上 [OGRE, 2020]。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 22 場(chǎng)景（ Scene）支持 ： OGRE 通過采用統(tǒng)一的層次化的場(chǎng)景定義來達(dá)到對(duì)場(chǎng)景的可定制、靈活配置的目的，并且提供了多種對(duì)陰影的渲染技術(shù)支持。 OGRE還提供了場(chǎng)景詢問特性（ Scene Querying Features）。 特效與其它支持 ： OGRE 支持排版系統(tǒng)（ Compositor System），支持對(duì)全屏圖像的后期處理；支持粒子系統(tǒng)（ Particle System），支持可擴(kuò)展的輻射體（ Emitter），渲染器（ Renderer）等 [OGRE, 2020]。另外 OGRE 還支持諸如內(nèi)存管理、壓縮文件管理等其它特性。 總體說來， OGRE 是一個(gè)使用相對(duì)容易，能夠滿足 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng)圖形渲染需求的圖形渲染程序庫(kù)，為此，本文決定采用 OGRE 作為程序圖形渲染的后臺(tái)支持。 OGRE 使用 C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，能夠在 Windows， Linux 與 Mac OS等操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 OGRE 在 Windows 平臺(tái)上使用 Visual C++編譯，在 Linux于 Mac OS 平臺(tái)上使用 GCC 編譯，同時(shí)提供對(duì) DirectX 與 OpenGL 的支持。OGRE 都能提供很好的支持。 OGRE 專注于圖像渲染，并不負(fù)責(zé)底層的圖像處理邏輯與圖像算法 的實(shí)現(xiàn) 。 圖 OGRE 渲染效果圖 圖 顯示了用 OGRE 進(jìn)行 圖形 渲染的 實(shí)際 效果 ，可以看到 OGRE 很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜圖形的渲染。 OGRE 實(shí)現(xiàn)中很重要的一部分是其中類的設(shè)計(jì)， 在OGRE 中定義的類被劃分進(jìn)三個(gè)主要的模塊： Scene Management： Scene Management 模塊負(fù)責(zé)定義關(guān)于場(chǎng)景（ Scene）的內(nèi)容；在場(chǎng)景中的對(duì)象如何組織；以及以何種攝像機(jī)的視角觀看對(duì)象等。 Scene Management 模塊定義了關(guān)于物體的很自然的函數(shù)接口。例如，我們只需要為場(chǎng)南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 23 景中的對(duì)象定義材質(zhì)、紋理，而不需要考慮如何設(shè)定底層渲染方法。 Resource Management： Resource Management 模塊負(fù)責(zé)維護(hù)對(duì)象的渲染資源，例如對(duì)象的地理位置信息、質(zhì)地、字體等信息。 Rendering： Rendering 模塊負(fù)責(zé)實(shí)際的底層圖像渲染， Rendering 模塊通過 一個(gè)渲染管道以及相應(yīng)的 API 來完成工作。 在本文將要介紹的 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，也將使用到這幾個(gè)類，本文將在后續(xù)章節(jié)做詳細(xì)介紹。 圖 顯示了 OGRE 類庫(kù)的頂層設(shè)計(jì) UML 類圖。 S c e n e M a n a g e rP l u g i nP l u g i nC u s t o m M o v a b l eO c t r e e S c e n e M a n a g e rS c e n e M a n a g e rC a m e r aE n d i t yM o v a b l e O b j e c tS c e n e N o d eM a t e r i a l L i g h tR o o tR e s o u r c e M a n a g e m e n t R e n d e r i n gP l u g i nP l u g i nR e s o u r c e G r o u p M a n a g e m e n t M e s h T e x t u r eR e s o u r c e M a n a g e r G p u P r o g r a m A r c h i v e F a c t o r yC u s t o m A r c h i v e F a c t o r yG L T e x t u r e G L R e n d e r S y s t e mR e n d a r a b l eR e n d e r W i n d o wH a r d w a r e B u f f e r M a n a g e r R e n d e r S y s t e m 圖 OGRE 頂層類設(shè)計(jì)圖 OGRE 的基本工作由 以下 幾個(gè)類完成： SceneManager 類 ： SceneManager 類維護(hù)了對(duì)屏幕上所有對(duì)象的跟蹤信息。例如屏幕中移動(dòng)的對(duì)象；例如場(chǎng)景中面向特定方向的攝像機(jī)；例如平面、告示牌（ Billboard）、光纖等。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 24 Entity 類 ：實(shí)體類可以代表任意 3D Mesh 文件能夠表示的可以被渲染到批評(píng)你過目上的對(duì)象。實(shí)體可以是一個(gè)人物、一條魚、一快領(lǐng)域，但不可以是攝像機(jī)、光纖、粒子這些事物。 SceneNode 類 ： SceneNode 類負(fù)責(zé)跟蹤附著于其上的對(duì)象的位置與行動(dòng)信息。 SceneNode 不會(huì)被顯示在屏幕中，除非它已經(jīng)包含有其它可顯 示的實(shí)體對(duì)象。 MOGRE MOGRE（ Managed OGRE）是對(duì) OGRE 的一次封裝，使得 OGRE 能夠適用于 .Net 開發(fā)平臺(tái)以及 C語(yǔ)言。 MOGRE 擁有與 OGRE 同樣的圖像渲染能力 ，底層的設(shè)計(jì)概念也沒有太大的變化，核心的類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并無(wú)差別。 本文 將要介紹的 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng) 在實(shí)現(xiàn)中就是使用了 MOGRE 進(jìn)行開發(fā)。 碰撞檢測(cè)技術(shù) 物理引擎 : 物理引擎被稱之為模擬牛頓物理模型的計(jì)算機(jī)程序，在這個(gè)引擎中，通常會(huì)使用到諸如質(zhì)量、速度、摩擦力、風(fēng)阻等變量。物理引擎能夠在不同的場(chǎng)景下模擬并預(yù)測(cè)各種物理效果，主要被應(yīng)用于科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)與視頻游戲之中。 物理引擎主要包含有兩個(gè)部分：碰撞檢測(cè)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)。碰撞檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)物體間的碰撞及相互作用進(jìn)行模擬，使物體之間的碰撞更加逼真；動(dòng)態(tài)模 擬系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)模擬影響物體的各種作用力，使物體的移動(dòng)更加逼真。 碰撞檢測(cè)： 在計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，通常人們會(huì)定義一個(gè)場(chǎng)景，其中包括虛擬的物理對(duì)象（例如人活物體）。我們希望這樣的環(huán)境能夠像真實(shí)世界那樣反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)物體的正常行為模式，其中很重要的一點(diǎn)就是當(dāng)不同物體相遇或者相撞時(shí)，需要能夠像真實(shí)世界那樣擁有自然的碰撞效果。這就是本文所要介紹的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的碰撞檢測(cè)技術(shù)。 碰撞檢測(cè)是計(jì)算機(jī)圖形處理中的一個(gè)重要概念。關(guān)于碰撞檢測(cè)的應(yīng)用，涉及到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、物理世界建模、幾何學(xué)建模與機(jī)器人等領(lǐng)域。在碰撞檢測(cè)中，計(jì)南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 25 算機(jī)通過 對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)限制與接觸分析來實(shí)現(xiàn)物體之間的交互。通過各種交互檢測(cè)包括碰撞檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)物體的仿真移動(dòng)。 碰撞檢測(cè) (Collision Detection)技術(shù)一直以來都是圖像處理及游戲開發(fā)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，它旨在通過圖像處理的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同物體間碰撞時(shí)的感知與響應(yīng)。 關(guān)于碰撞檢測(cè)技術(shù)業(yè)界擁有包括 GAMMA（ Geometric Algorithms for Modeling, Motion, and Animation）項(xiàng)目， Newton Game Dynamics 項(xiàng)目， ODE（ Open Dynamics Engine）項(xiàng)目， Vertex 3D 等項(xiàng)目。 GAMMA 是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究項(xiàng)目，其中提供了許多關(guān)于碰撞檢測(cè)的嘗試性算法與實(shí)現(xiàn)。 Newton Game Dynamics 是一個(gè)基于牛頓物理引擎原理開發(fā)程序庫(kù)，是一個(gè)已經(jīng)結(jié)束的開源項(xiàng)目，能夠很方便的提供包括多邊形碰撞檢測(cè)等物理運(yùn)動(dòng)效果。本文將要介紹的 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng)中，就是采用 Newton Game Dynamics 作為物理碰撞檢測(cè)庫(kù)，因?yàn)樵?iLocate 系統(tǒng)中使用了 MOGRE 進(jìn)行圖像渲染，所以在使用 Newton 物理引擎庫(kù)時(shí)，本文采用了MogreNewt 包作為包裝，將 Newton 物理引擎庫(kù)與 MOGRE 連接起來。關(guān)于iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參閱本文后續(xù)章節(jié)。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng) 26 第四章 iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng) iLocate 無(wú)線定位系統(tǒng) iLocate 系統(tǒng)開發(fā)背景 國(guó)際上關(guān)于 UWB 的無(wú)線定位應(yīng)用已經(jīng)擁有成熟的產(chǎn)品，特別是擁有大型公司的支持，而國(guó)內(nèi)在 UWB 的無(wú)線定位應(yīng)用上處于相對(duì)落后的地步。另一方面，關(guān)于室內(nèi)甚至辦公場(chǎng)所的精確、實(shí)時(shí)無(wú)線定位的需求日益增多。正是基于這樣的條件，本文提出了基于 UWB 實(shí)現(xiàn)的 iLocate 無(wú)線定 位系統(tǒng)。 iLocate 系統(tǒng)是一個(gè)基于 UWB 無(wú)線定位技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的室內(nèi)短距離精確定位系統(tǒng)。 iLocate 系統(tǒng)針對(duì)物流與辦公的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)人和物體進(jìn)行建模，并實(shí)現(xiàn) 2D/3D 的實(shí)時(shí)定位。在無(wú)縫定位的實(shí)際應(yīng)用中，客戶可以很方便的部署 iLocate系統(tǒng)，或者以 iLocate 系統(tǒng)作為基礎(chǔ)