【導讀】用者的技術，旨在為人們提供精確的定位信息。無線定位的應用在國外已經得到。了很好應用，有諸如E911或者增強型112等成熟的系統(tǒng)。定位，一直沒有開發(fā)出完整的成熟應用。當今被廣泛接受的GPS，UWB等無線技術。在介紹3D圖形處理工作時，本文重點分析了GoogleSketchup，OGRE，碰撞檢測等技術的概念與應用。在設計中，iLocate系統(tǒng)被分為了iLocateEngine、iLocateServer及。現，并簡要展示了系統(tǒng)的運行效果。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)實現完整的短距離無線精確定位系統(tǒng)。實施并得到了好評。同時，iLocate在實際使用中擁有較好的易用性與可擴展性。

　　

【正文】 基于節(jié)點的 3D模型軟件。它采用了 Wavefront Explorer 與 Alias PowerAnimator 的技術，演變?yōu)橐豢畋粡V泛接受的 3D 模型軟件。現今在使用的主要版本包括 Maya Complete 與 Maya Unlimited 兩個版本。 Maya 最初只支持 IRIX 操作系統(tǒng)，現今已經發(fā)展到對諸如 Windows， Linux與 Mac OS 等多種系統(tǒng)的支持。 2020 年 Autodesk 收購了 Alias，并延續(xù)了 Maya的開發(fā)， Autodesk 于 2020 年 10 月推出了 版本。 Maya 的一個重要特點是它對第三方軟件產商的開放性，其它軟件產商可以通過高度個性化的定制實現 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 收購后更名為 Google Sketchup。 Google Sketchup以其容易學習，繪圖功能強大以及免費試用的特性得到了廣泛的認可。 Google Sketchup 采用基于多邊形的繪圖技術，所有的 3D 模型都由直線邊與平面構成；同時 Google Sketchup 采用空心模型，所有繪制的模型均只擁有無厚度的表面，不對內部進行填充。 Google Sketchup 因為使用了相對簡單的實現方式來完成復雜的圖形繪制功能，因此在在性能上擁有良好的表現。同時， Google Sketchup 還因為其免費、開放、對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 模型構建與設計領域得到了廣泛的應用于認可。 表 列出了這三種 3D 模型軟件之間的對比： 南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術 21 表 3D 建模軟件對比 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，在需要對復雜模型進行建模的場景中， 3D Max 與 Maya擁有良好的表現；而如果需要在快速開發(fā)與相對簡 單的開發(fā)環(huán)境中進行 3D 模型建模， Google Sketchup 會是更好的選擇，因為 Google Sketchup 擁有良好的易用性與免費的特性。本文將要介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng)正是使用了 Google Sketchup 作為建模工具。 OGRE 技術 OGRE OGRE(Objectoriented Graphics Rendering Engine)是在 Sourcefe 上注冊的一個開源圖像渲染引擎。 OGRE 項目成立于 2020 年， 經過幾年 發(fā)展，OGRE 已經 成為 一個廣為人們接受的 功能 相對完善 的圖像渲染引 擎。 OGRE 主要在如下幾個方面對圖形渲染提供了支持： 材質（ Material/Shader）支持 ：支持對定點與片段的編程，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），空間對象視角位置（ Object Space Eye Position）等參數的自動處理。 Mesh 支持 ：提供對 Mesh 的靈活支持，將定 點緩沖，索引緩沖，定點申明，緩沖映射等概念進行分別處理。提供對 Mesh 壓縮包的解壓縮與讀取操作。 動畫（ Animation）支持 ： OGRE 對動畫的支持主要體現在對骨骼輪廓運動以及形狀動畫（ Shape Animation）之上 [OGRE, 2020]。 南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術 22 場景（ Scene）支持 ： OGRE 通過采用統(tǒng)一的層次化的場景定義來達到對場景的可定制、靈活配置的目的，并且提供了多種對陰影的渲染技術支持。 OGRE還提供了場景詢問特性（ Scene Querying Features）。 特效與其它支持 ： OGRE 支持排版系統(tǒng)（ Compositor System），支持對全屏圖像的后期處理；支持粒子系統(tǒng)（ Particle System），支持可擴展的輻射體（ Emitter），渲染器（ Renderer）等 [OGRE, 2020]。另外 OGRE 還支持諸如內存管理、壓縮文件管理等其它特性。 總體說來， OGRE 是一個使用相對容易，能夠滿足 iLocate 無線定位系統(tǒng)圖形渲染需求的圖形渲染程序庫，為此，本文決定采用 OGRE 作為程序圖形渲染的后臺支持。 OGRE 使用 C++語言實現，能夠在 Windows， Linux 與 Mac OS等操作系統(tǒng)上運行。 OGRE 在 Windows 平臺上使用 Visual C++編譯，在 Linux于 Mac OS 平臺上使用 GCC 編譯，同時提供對 DirectX 與 OpenGL 的支持。OGRE 都能提供很好的支持。 OGRE 專注于圖像渲染，并不負責底層的圖像處理邏輯與圖像算法 的實現 。 圖 OGRE 渲染效果圖 圖 顯示了用 OGRE 進行 圖形 渲染的 實際 效果 ，可以看到 OGRE 很好的實現了對復雜圖形的渲染。 OGRE 實現中很重要的一部分是其中類的設計， 在OGRE 中定義的類被劃分進三個主要的模塊： Scene Management： Scene Management 模塊負責定義關于場景（ Scene）的內容；在場景中的對象如何組織；以及以何種攝像機的視角觀看對象等。 Scene Management 模塊定義了關于物體的很自然的函數接口。例如，我們只需要為場南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術 23 景中的對象定義材質、紋理，而不需要考慮如何設定底層渲染方法。 Resource Management： Resource Management 模塊負責維護對象的渲染資源，例如對象的地理位置信息、質地、字體等信息。 Rendering： Rendering 模塊負責實際的底層圖像渲染， Rendering 模塊通過 一個渲染管道以及相應的 API 來完成工作。 在本文將要介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng)的實現中，也將使用到這幾個類，本文將在后續(xù)章節(jié)做詳細介紹。 圖 顯示了 OGRE 類庫的頂層設計 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 頂層類設計圖 OGRE 的基本工作由 以下 幾個類完成： SceneManager 類 ： SceneManager 類維護了對屏幕上所有對象的跟蹤信息。例如屏幕中移動的對象；例如場景中面向特定方向的攝像機；例如平面、告示牌（ Billboard）、光纖等。 南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術 24 Entity 類 ：實體類可以代表任意 3D Mesh 文件能夠表示的可以被渲染到批評你過目上的對象。實體可以是一個人物、一條魚、一快領域，但不可以是攝像機、光纖、粒子這些事物。 SceneNode 類 ： SceneNode 類負責跟蹤附著于其上的對象的位置與行動信息。 SceneNode 不會被顯示在屏幕中，除非它已經包含有其它可顯 示的實體對象。 MOGRE MOGRE（ Managed OGRE）是對 OGRE 的一次封裝，使得 OGRE 能夠適用于 .Net 開發(fā)平臺以及 C語言。 MOGRE 擁有與 OGRE 同樣的圖像渲染能力 ，底層的設計概念也沒有太大的變化，核心的類結構設計并無差別。 本文 將要介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng) 在實現中就是使用了 MOGRE 進行開發(fā)。 碰撞檢測技術 物理引擎 : 物理引擎被稱之為模擬牛頓物理模型的計算機程序，在這個引擎中，通常會使用到諸如質量、速度、摩擦力、風阻等變量。物理引擎能夠在不同的場景下模擬并預測各種物理效果，主要被應用于科學模擬實驗與視頻游戲之中。 物理引擎主要包含有兩個部分：碰撞檢測系統(tǒng)與動態(tài)模擬系統(tǒng)。碰撞檢測系統(tǒng)主要對物體間的碰撞及相互作用進行模擬，使物體之間的碰撞更加逼真；動態(tài)模 擬系統(tǒng)主要負責模擬影響物體的各種作用力，使物體的移動更加逼真。 碰撞檢測： 在計算機構建的虛擬環(huán)境中，通常人們會定義一個場景，其中包括虛擬的物理對象（例如人活物體）。我們希望這樣的環(huán)境能夠像真實世界那樣反應出運動物體的正常行為模式，其中很重要的一點就是當不同物體相遇或者相撞時，需要能夠像真實世界那樣擁有自然的碰撞效果。這就是本文所要介紹的計算機領域的碰撞檢測技術。 碰撞檢測是計算機圖形處理中的一個重要概念。關于碰撞檢測的應用，涉及到計算機動畫、物理世界建模、幾何學建模與機器人等領域。在碰撞檢測中，計南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術 25 算機通過 對移動物體進行動態(tài)限制與接觸分析來實現物體之間的交互。通過各種交互檢測包括碰撞檢測來實現物體的仿真移動。 碰撞檢測 (Collision Detection)技術一直以來都是圖像處理及游戲開發(fā)領域中的研究熱點，它旨在通過圖像處理的技術來實現不同物體間碰撞時的感知與響應。 關于碰撞檢測技術業(yè)界擁有包括 GAMMA（ Geometric Algorithms for Modeling, Motion, and Animation）項目， Newton Game Dynamics 項目， ODE（ Open Dynamics Engine）項目， Vertex 3D 等項目。 GAMMA 是美國加州大學伯克利分校的一個研究項目，其中提供了許多關于碰撞檢測的嘗試性算法與實現。 Newton Game Dynamics 是一個基于牛頓物理引擎原理開發(fā)程序庫，是一個已經結束的開源項目，能夠很方便的提供包括多邊形碰撞檢測等物理運動效果。本文將要介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng)中，就是采用 Newton Game Dynamics 作為物理碰撞檢測庫，因為在 iLocate 系統(tǒng)中使用了 MOGRE 進行圖像渲染，所以在使用 Newton 物理引擎庫時，本文采用了MogreNewt 包作為包裝，將 Newton 物理引擎庫與 MOGRE 連接起來。關于iLocate 無線定位系統(tǒng)的具體實現，請參閱本文后續(xù)章節(jié)。 南京大學碩士學位論文 第四章 iLocate 無線定位系統(tǒng) 26 第四章 iLocate 無線定位系統(tǒng) iLocate 無線定位系統(tǒng) iLocate 系統(tǒng)開發(fā)背景 國際上關于 UWB 的無線定位應用已經擁有成熟的產品，特別是擁有大型公司的支持，而國內在 UWB 的無線定位應用上處于相對落后的地步。另一方面，關于室內甚至辦公場所的精確、實時無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 實現的 iLocate 無線定 位系統(tǒng)。 iLocate 系統(tǒng)是一個基于 UWB 無線定位技術進行開發(fā)的室內短距離精確定位系統(tǒng)。 iLocate 系統(tǒng)針對物流與辦公的應用環(huán)境，對人和物體進行建模，并實現 2D/3D 的實時定位。在無縫定位的實際應用中，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