【正文】 在無縫定位的實際應(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)平臺，集成（升級）第三方軟硬件產(chǎn)品。 iLocate 系統(tǒng)是一個基于 UWB 無線定位技術(shù)進行開發(fā)的室內(nèi)短距離精確定位系統(tǒng)。另一方面，關(guān)于室內(nèi)甚至辦公場所的精確、實時無線定位的需求日益增多。關(guān)于iLocate 無線定位系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，請參閱本文后續(xù)章節(jié)。 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(jīng)結(jié)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。 關(guān)于碰撞檢測技術(shù)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。通過各種交互檢測包括碰撞檢測來實現(xiàn)物體的仿真移動。關(guān)于碰撞檢測的應(yīng)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(lǐng)域。這就是本文所要介紹的計算機領(lǐng)域的碰撞檢測技術(shù)。 碰撞檢測： 在計算機構(gòu)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）。 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算機程序，在這個引擎中，通常會使用到諸如質(zhì)量、速度、摩擦力、風阻等變量。 MOGRE 擁有與 OGRE 同樣的圖像渲染能力 ，底層的設(shè)計概念也沒有太大的變化，核心的類結(jié)構(gòu)設(shè)計并無差別。 SceneNode 不會被顯示在屏幕中，除非它已經(jīng)包含有其它可顯 示的實體對象。實體可以是一個人物、一條魚、一快領(lǐng)域，但不可以是攝像機、光纖、粒子這些事物。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。 圖 顯示了 OGRE 類庫的頂層設(shè)計 UML 類圖。 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(yīng)的 API 來完成工作。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(shù) 23 景中的對象定義材質(zhì)、紋理，而不需要考慮如何設(shè)定底層渲染方法。 OGRE 實現(xiàn)中很重要的一部分是其中類的設(shè)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(guān)于場景（ Scene）的內(nèi)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。 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(xiàn) 。 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。 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。 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]。 南京大學碩士學位論文 第三章 3D 模型處理技術(shù) 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(shù)支持。提供對 Mesh 壓縮包的解壓縮與讀取操作。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(shù)的自動處理。 OGRE 項目成立于 2020 年， 經(jīng)過幾年 發(fā)展，OGRE 已經(jīng) 成為 一個廣為人們接受的 功能 相對完善 的圖像渲染引 擎。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。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(gòu)建與設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用于認可。 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 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(nèi)部進行填充。 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。 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?，F(xiàn)今在使用的主要版本包括 Maya Complete 與 Maya Unlimited 兩個版本。 Autodesk Maya： Maya是一款基于節(jié)點的 3D模型軟件。 Google Sketchup 與其它 3D 模型軟件 Autodesk 3D Max： 3D Max 是 Autodesk 公司開發(fā)的一款功能強大的 3D 模型架構(gòu)設(shè)計軟件，主要提供 3D 建模、插件開發(fā)以及基于 Window 操作系統(tǒng)的相關(guān)開發(fā)等。圖 Google Sketchup中如果用直線表示圓弧： 圖 Sketchup 中弧線的構(gòu)成 在使用 Google Sketchup 時，即使在一些情況下我們看到的只是由弧線組成的圖形，實際上這些圖形也會由直線（ Straight Edge）組成，如圖 所示： 圖 Sketchup 中隱藏的模型直線 在基于弧線的建模中，物體能夠更加真實、自然的展現(xiàn)出來，但這通常需要耗費更多的計算機資源，并且需要用戶花費更多時間學習如何使用基于弧線的建模工具。在基于多邊形的建模中，所有模型均通過直線與平面構(gòu)成，即使是圓弧這樣的形狀也是由微笑的直線所組成；相反在基于弧線的建模中，所有直線與平面都有弧線構(gòu)成。在基于表面的建模中，所有物體都只是被賦予了一層表面，表面內(nèi)部則是空心的；而實心建模則將 3D 物體內(nèi)部賦予實心的填充物質(zhì)。與其它同類 3D 建模軟件相比， Google Sketchup 擁有簡單的用戶界面與快速的可學習性，用戶能夠在相對短的時間內(nèi)完成 3D 模型的建立。 本文介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng)也使用了 Google Sketchup，對應(yīng)用場景進行 3D 建模。Google Sketchup6 于 2020 年一月發(fā)布， 與 Sketchup Layout 一起，提供了 2D圖形矢量工具與頁面布局工具； Google Sketchup7 于 2020 年十一月發(fā)布，易用性得到了進一步改良，提供了對 Google 3D Warehouse 的集成，提供了動態(tài)組件（ Dynamic Component）功能與對 Ruby API 的改進。作為一款通用的 3D 模型創(chuàng)建工具，Sketchup 具有很容易使用的特點。通過 UWB 技術(shù)的研究和對具體應(yīng)用的開發(fā)，可以充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，研究將會更有方向性和針對性，因而有可能在該領(lǐng)域達到世界相對領(lǐng)先的水平，促進我國南京大學碩士學位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 17 在 UWB 技術(shù)方面的全面發(fā)展。 盡管如此， UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn)，還有諸多 技術(shù)的問題有待研究解決，比如需要更好地理解 UWB 傳播信道的特點，建立信道模型，解決多徑傳播；需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù)；研究新的調(diào)制技術(shù)，進一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復雜度等。 表格 定位技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量比照表 定位技術(shù) Bluetooth HomeRF UBisense UWB 頻率 1Mbps 54Mbps 1~2Mbps 500Mbps UWB 定位技術(shù)小節(jié) 目前 UWB 標準化的工作還沒有完成，一些技術(shù)問題需要不斷完善，但它將可能成為新一代 WLAN 和 WPAN 的技術(shù)基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)超高速寬帶無線接入。 表格 定位技術(shù)實時性比照表 定位技術(shù) Proximity Cards Bluetooth Unidirectional UWB UBisense UWB 頻率 3) 數(shù)據(jù)傳輸量大 由于 UWB 使用的頻點較高，它的數(shù)據(jù)傳輸速率相當高。表 給出了目前無線定位領(lǐng)域各種定位技術(shù)的實時響應(yīng)頻率。 表格 定位技術(shù)精度比照表 定位技術(shù) Proximity Cards GPS Bluetooth Unidirectional UWB UBisense UWB 定位精度 30m 5~20m 3m 3m 30cm 15cm 2) 實時性好。較寬的頻譜、較低的功率、脈沖化數(shù)據(jù)，這些都意味著 UWB 引起的干擾小于傳統(tǒng)的窄帶無線解決方案，并能夠在室內(nèi)無線環(huán)境中提供與有線相媲美的性能。 UWB 在該方面的應(yīng)用也正好是對 GPS 定位的一個補充，本文將要介紹的 iLocate 無線定位系統(tǒng)也正是基于 UWB 在這方面的應(yīng)用而開發(fā)的。 UWB 地理定位系統(tǒng)最初的開發(fā)和應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域，其目的是戰(zhàn)士在城市環(huán)境條件下能夠以 的分辨率來測定自身所在的位置。該系統(tǒng)由無線 UWB塔標和無線 UWB移動漫游器組成。 在軍用方面 UWB 主要用于如雷達、 UWBLPI/D 無線內(nèi)通系統(tǒng)（預(yù)警機、艦?zāi)暇┐髮W碩士學位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 15 船等）、戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡(luò)的 PLI/D 電臺、警戒雷達、 UAV/UGV 數(shù)據(jù)鏈、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體 等。在 室內(nèi)環(huán)境 1～ 10m 范圍內(nèi)， UWB 的 數(shù)據(jù)速率 可以達到 100～ 500Mb/s，可以將其應(yīng)用于高清視頻傳 輸，音頻傳輸?shù)燃彝蕵废到y(tǒng)。無線 USB 數(shù)據(jù)傳輸伴隨 Intel 的 UWB 研究計劃而產(chǎn)生，旨在為筆記本用戶提供超短距離內(nèi)的超高速劇傳輸速率，最終因為沒能實現(xiàn)預(yù)期的效果而沒有得到廣泛接受。以上公司的努力都為 UWB在國際上的發(fā)展提供了良好的環(huán)境?？偟恼f來， UWB 的用途很多，主要分為軍用和民用兩個方面。由于 UWB 具有巨大的 數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，同時受發(fā)射功率的限制， 因此， 短距離范圍內(nèi) 的 高速無線數(shù)據(jù)傳輸將是 UWB 的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如當前 WLAN 和 WPAN 的各種應(yīng)用。一般 UWB 系統(tǒng)只需要 50～ 70mW 的電源，是藍牙技術(shù)的十分之一 [UWB 技術(shù)綜述 , 2020]。一般來說， UWB 抗干擾處理增益在 50dB 以上。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產(chǎn)生擴頻增益。與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級 [王金龍等 , 2020]。另一方面，由于能量密度低， UWB 設(shè)備對于其他設(shè)備的干擾也非常低 [王金龍等 , 2020]。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達 10～ 30dB 的多徑環(huán)境， UWB 信號的衰落最多不到 5dB。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百 Mbit/s（兆比特每秒）到 Gbit/s（吉比特每秒）。在頻率資源日益緊張的今天， UWB 可以說是一個擁有良好使用前景的無線通信技術(shù)。 UWB使用的帶寬在 1GHz 以上，高的可達幾個 GHz。為保護GPS，導航和軍事通信頻段， UWB 限制在 GHz 和低于 41dB 發(fā)射功率 [ENET, 2020]。 為進一步提高數(shù)據(jù)速率， UWB 應(yīng)用超短基帶豐富的 GHz 級頻譜，采用安全信令方法 （ Intriguing Signaling Method） 。因為 UWB 信號在時間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當?shù)停?RF 因此可以同時發(fā)射多個 UWB 信號。 與普通二進制移相鍵控（ BPSK）信號波形相比， UWB 通信時并不利用余弦波進行載波調(diào)制 [UWB, 2020]，而是發(fā)送許多小于 1ns 的脈沖，由此帶來的好處是 UWB 可占用帶寬非常寬。通信速度為數(shù)百 Mbit/s～ 1Gbit/s，與高速有線 LAN 旗鼓相當。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。與普通二進制移相鍵控 （ BPSK） 信號波形相比， UWB 方式占用帶寬非常寬，且由于 頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。 UWB 不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直南京大學碩士學位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 12 接排序?qū)⒚}沖擴展到一個頻率范圍內(nèi)。自從 1994 年開始，美國 關(guān)于 UWB 的研發(fā) 工作 開始 在沒有分類限制的狀況下進行 ，這大幅增加了 UWB 的研發(fā)速度，同時也吸引了商業(yè)界對 UWB 應(yīng)用的興趣 [賽迪網(wǎng) , 2020]。在 Harmuth、 Ross、以及 Robbins 等 研究者 的努力下，UWB 技術(shù)在 70 年代有重大的發(fā)展， 主要集中在