ini計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)介紹-資料下載頁(yè)
2024-11-17 23:05本頁(yè)面
【導(dǎo)讀】而作為計(jì)算機(jī)技術(shù)重要組成部分的計(jì)算機(jī)三維視景仿真技術(shù)，因其有效性、經(jīng)濟(jì)。性、安全性、直觀性等特點(diǎn)而受到廣泛的應(yīng)用。它是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種仿真。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料表明，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的實(shí)用技術(shù)之一，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR,VirtualReality)是計(jì)算機(jī)世界最熱門(mén)的一個(gè)詞匯。新技術(shù)的綜合運(yùn)用。人認(rèn)識(shí)自然首先是靠眼睛觀察事物的外表形象，人腦擅長(zhǎng)形象思維，而計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)邏輯思維。子：孩子認(rèn)識(shí)媽媽和學(xué)會(huì)1＋1＝2。讓計(jì)算機(jī)觀察、認(rèn)識(shí)表達(dá)物體是比較困難的?！保@樣，一門(mén)全新的技術(shù)“可視化”應(yīng)運(yùn)而生。視化的本質(zhì)是“用圖形與圖象表征數(shù)據(jù)”。簡(jiǎn)而言之，科學(xué)計(jì)算可視化是把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理技術(shù)應(yīng)。研究把可視化工具應(yīng)用于科學(xué)和工程的各個(gè)學(xué)科。內(nèi)部以三維數(shù)據(jù)確定。個(gè)物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用另一系統(tǒng)來(lái)表示它們的過(guò)程。式引入仿真回路。針對(duì)存在建立數(shù)學(xué)模型困難的子系統(tǒng)的情況，必須使用此類(lèi)仿真，如航空航天、
【正文】 體的動(dòng)畫(huà)。如火、煙、云等氣體現(xiàn)象。利用粒子系統(tǒng)有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在電影《 Star Trek II》模擬星系爆炸有成功的應(yīng)用。 基于物理模型的動(dòng)畫(huà)： 20 世紀(jì) 80年代發(fā)展起來(lái)， 能逼真的模擬自然物理現(xiàn)象，是基于物理學(xué)定律，（如牛頓動(dòng)力學(xué)），考慮物體的真實(shí)屬性如質(zhì)量、彈性、摩擦力等。但因?yàn)橛?jì)算量大模擬緩慢。 2 實(shí)時(shí)視景生成 （ 1） 三維圖形應(yīng)用程序接口 OpenGL 當(dāng)前有許多實(shí)時(shí)三維視景系統(tǒng)軟件可以完成視景仿真場(chǎng)景的生成，他們的底層均基于三維圖形應(yīng)用程序接口 OpenGL。 OpenGL實(shí)際上是一種圖形與硬件的接口，由 SGI公司設(shè)計(jì)，是為編程人員所設(shè)計(jì)的圖形生成工具軟件庫(kù)，如同其他應(yīng)用程序接口 API 一樣，是一個(gè)簡(jiǎn)單、容易使用的圖形制作工具。目前也有其他的圖形應(yīng)用程序接口 API，但 OpenGl已經(jīng)發(fā)展成為所有計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)制造商實(shí)際采用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為軟件開(kāi)發(fā)者廣泛使用。由于計(jì)算機(jī)工業(yè)界在所有的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上使用了同一套庫(kù)函數(shù)調(diào)用命令，因此， OpenGL的開(kāi)發(fā)成本是最低的。尤其是 OpenGL 三維圖形加速卡和微機(jī)工作站的推出，人們可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn) CAD 設(shè)計(jì)、仿真模擬、三維游戲等，從而更有機(jī)會(huì)、更方便地使用 OpenGL 及其應(yīng)用軟件來(lái)建立自己的三維圖形。 OpenGL是一個(gè)硬件圖形發(fā)生器的軟件接口，是一個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的圖形接口，它提供與硬件密切相關(guān)的設(shè)備操作函數(shù)，但也不提供復(fù)雜形體的圖形操作函 數(shù)，必須用點(diǎn)、線、面等基本的圖形單位開(kāi)始建立三維模型。它包括 100 多個(gè)圖形操作函數(shù)，開(kāi)發(fā)者可以利用其構(gòu)造景物模型，進(jìn)行三維圖形交互軟件的開(kāi)發(fā)。 （ 2） 高層三維視景開(kāi)發(fā)環(huán)境 有如： IRIS Performer（ SGI公司）， MultiGenParadigm Vega(MultiGenParadigm公司 )，CG2 Vtree（ CG2 公司） 等 （ 3） 實(shí)時(shí)視景生成和顯示技術(shù) 三維視景生成和顯示的實(shí)時(shí)性是產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)感覺(jué)的首要條件。三維視景仿真中實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在：1)運(yùn)動(dòng)體位置、姿態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)繪制； 2)畫(huà)面更新在 20～ 30幀； 3)實(shí)時(shí)交互動(dòng)作；聲音與圖像的同步等。 圖形生成速度是仿真可視化的重要瓶頸，速度取決于：圖形處理的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，特別是硬件加速器的圖形處理能力；圖形生成所采用的各種加速技術(shù)；應(yīng)用因素及虛擬場(chǎng)景的復(fù)雜程度、所需要的真實(shí)感速度。 雖然高速發(fā)展的 CPU 和專用圖形處理器使當(dāng)今的圖形工作站得到很大提高，但當(dāng)前圖形生成速度相對(duì)于仿真可視化環(huán)境的規(guī)模來(lái)說(shuō)仍然存在相當(dāng)大的差距。如何從軟件著手，減少圖形畫(huà)面的復(fù)雜度，成為仿真可視化圖形生成的主要目標(biāo)。下面從軟件角度就一些實(shí)時(shí)圖形生成和顯示技術(shù)做一些 介紹： 1） 可見(jiàn)性判定和消隱技術(shù) 由于視線的方向性、視角的局限性以及物體相互遮擋，人眼所看到的往往只是場(chǎng)景中的一部分。有些目標(biāo)不在視野范圍之內(nèi)，有些在但可能部分超出屏幕，這就要進(jìn)行可見(jiàn)性判定和裁減。同時(shí)，由于視點(diǎn)的不同，在空間，我們只能看到三維物體的某些面（向前面），而有些面是看不到的（背離面），將那些完全或部分被遮擋的面稱為隱藏面，消隱技術(shù)就是要消除相對(duì) 空間給定觀察位置的背離面和隱藏面。 2） 細(xì)節(jié)層次模型 當(dāng)物體離得越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，人們不能再辨清該物體上的許多細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，因此，繪制一個(gè)遠(yuǎn)處的物體時(shí)，用該 物體細(xì)節(jié)描述非常復(fù)雜的模型是完全沒(méi)有必要的，浪費(fèi)圖形處理資源和時(shí)間。因此同一物體采用不同細(xì)節(jié)層次模型描述具有很多優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用。 生成不同細(xì)節(jié)層次的方法：基于曲線、曲面擬合的物體模型可以自動(dòng)生成該物體的不同層次的細(xì)節(jié)描述?；诙噙呅尉W(wǎng)格模型的多細(xì)節(jié)層次模型自動(dòng)生成也有了廣泛的研究。主要有一下幾類(lèi)： ① 自適應(yīng)遞歸劃分是曲面、曲線常用的方法。將該方法合曲面擬合技術(shù)相結(jié)合，用不斷逼近的曲面片逼近所要簡(jiǎn)化的物體模型。 ② 基于網(wǎng)格重建劃分的多邊形建模簡(jiǎn)化方法。 ③ 基于頂點(diǎn)刪除的多邊形消減方法是自動(dòng)生成物體 簡(jiǎn)化模型一種有效方法。決定頂點(diǎn)是否刪除，可刪則采用遞歸循環(huán)分割法對(duì)刪除頂點(diǎn)所遺留的空洞進(jìn)行三角劃分。 細(xì)節(jié)層次模型的選擇方法：根據(jù)人的視覺(jué)特征，主要依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：（前兩種是常用方法）如何做到不同細(xì)節(jié)層次模型的光滑過(guò)渡仍有待于進(jìn)一步解決。 根據(jù)物體與視點(diǎn)的距離 根據(jù)物體在投影面所占空間的大小，即在屏幕上所占象素的大小 根據(jù)物體與視線方向的夾角 根據(jù)人與物體是否存在相對(duì)運(yùn)動(dòng) 3） 實(shí)例技術(shù) 當(dāng)三維復(fù)雜場(chǎng)景中具有多個(gè)幾何形狀相同但位置不同的物體時(shí)，可采用實(shí)例技術(shù)，例如場(chǎng)景中許多樹(shù)，之間差別僅限于 位置、大小、方向不同，如果把每棵樹(shù)放入內(nèi)存，將造成極大的資源浪費(fèi)。，可以采用內(nèi)存實(shí)例的方法，相同的樹(shù)木只在內(nèi)存中存放一份實(shí)例，將一個(gè)樹(shù)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放之后得到所有相同結(jié)構(gòu)的樹(shù)木。 4） 紋理映射技術(shù) 環(huán)境模型中的圖形僅有體和面的幾何結(jié)構(gòu)，是不能產(chǎn)生仿真環(huán)境的真實(shí)感覺(jué)的，還需要對(duì)其表面進(jìn)行處理即加表面反射和紋理。以前，提高真實(shí)感的主要辦法是增加物體的多邊形，然而增加多邊形的實(shí)時(shí)仿真會(huì)使圖形速度變得緩慢，目前的圖形硬件都具有實(shí)時(shí)紋理的處理能力，允許二維圖像位圖上的象素加到三維實(shí)體模型的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，以增強(qiáng)圖像的 真實(shí)感。 使用紋理映射有以下好處： ? 增加了細(xì)節(jié)水平及景物的真實(shí)感 ? 由于透視變化，紋理提供了良好的三維線素 ? 紋理大大減少了環(huán)境模型的多邊形數(shù)目提高圖形顯示的刷新頻率 5） 單元分割技術(shù) 將仿真環(huán)境模型分割成較小的環(huán)境模型單元稱為模型單元分割，分割后，只有在當(dāng)前模型中的環(huán)境模型對(duì)象被渲染，可極大減少模型復(fù)雜程度。如對(duì)對(duì)大地形模型和建筑模型分割。對(duì)于某些規(guī)整的模型，分割容易自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于那些完成后一般不再輕易變化的建筑模型，分割能在預(yù)先計(jì)算階段離線完成。 (山東省數(shù)字媒體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 韓慧 健 )
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