【正文】 4. LOD ( Level Of Detail)細節(jié)層次技術 層次細節(jié)模型思想是指對同一個場景或景物中的物體使用具。 霧化是用來模擬大氣效果，可以把霧化看作是影響遠處物體視覺效果的一種過濾器，通過選擇霧化函數(shù)、顏色、濃度等參數(shù)，獲得不同的模糊效果。而這種比例就來源于 Alpha 值，即 (r， g， b， a)中的 a值，通常稱 a 為不透明性，稱 (1a)為透明性。 OpenGL 提供了融合、反走樣、霧化等技術用于特殊顯示效果的處理。顯示列表實際上是一系列命令的高速緩存， 本科畢業(yè)設計論文 25 而不是在內存中的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，故不必進行內存管理，也不占用內存資源，能夠使繪制性能大幅提高。顯示列表是一組被存儲起來的 OpenGL 命令，與子程序不同的是，這些命令是經過編譯的，執(zhí)行效率高，從而可以有效地提高 OpenGL 的繪圖性能。 具體做法是 :MyPos 和 Pos 分別表示視點和粒子的位置，則 MyPos 與 Pos 的矢量差 S1 表示火焰粒子渲染平面現(xiàn)在的法向量，隨著視點和粒子的移動，設移動后視點和粒子的位置的矢量差為 S2，則 S1 和 S2 所成的角度就是渲染平面需要轉動的角度，利用矢量知識我們不難求出 θ : θ=arccos( S1S2/|S1||S2|) (35) 這種函數(shù)比用大量粒子節(jié)約了很多計算時間和存儲空間，大大提高了顯示速度。 視線跟蹤技術的使用避免了這種情況的出現(xiàn)，該技術的原理是 :通過計算視點和粒子的相對位置，得到視線向量，然 后對該粒子的紋理映射平面進行一定的旋轉，使其垂直于視線向量。為了增強真實感，可以采用紋理映射技術為每個粒子貼上紋理圖。本文采用以下技 術來加快實時顯示速度，同時提高真實度 【 9， 10， 11】 。比如一個粒子的顏色已 本科畢業(yè)設計論文 24 接近黑色，因而它不再對圖像的顏色有任何貢獻，此時就可讓它死亡。這種粒子最后與背景融為一體可以用參數(shù) Alpha 來表 示這種情況，設初始 Alpha 值為 1，表示粒子完全不透明且其在屏幕上的顏色為粒子本身的顏色，用“ Δ Alpha 來控制粒子消融的速度，則Alpha=AlphaΔ Alpha，在隨后的運動 Alpha 值逐步減少。設粒子的速度和加速度分別為 : v(t)， a(t)=w(t)+g (t) (33) t 為時間參數(shù)，則 dt 時間內 (計算粒子位移時，在 dt 很小的情況下，可以認為在 dt 時間內粒子的速度保持恒定 )，位移和速度的變化量分別為 : Δs=v(t) Δ t， Δ v=a(t) Δ t (34) 另外，在式 (31)中定義的顏色和透明度經過初始化以后也要做相應的變化。假設風力是三維向量的隨機過程，目的是仿真風的自然運動，通過 w(t)， g(t)和其它人為干預函數(shù)，構造了一個綜合的力場來控制尾焰的運動，對某一個粒子而言，速度的變化包括常量加速和隨機加速，這種加速度保證了粒子在宏觀上表現(xiàn)出有序運動而在微觀上表現(xiàn)出無序運動，因此大量粒子的集合構成了導彈尾焰的外觀形態(tài)?；玖Ｗ拥某跏嘉恢秒S機地分布在一個圓周上，這個圓周的直徑和飛機排氣口的直徑相等，各粒子以一定的角度離開圓面向外運動，這個角度可以隨機地給取，但要考慮仿真的真實性。尾焰粒子集定義為上述尾焰粒子的有限集合，其中每一個粒子都具有上述的這些性質和狀態(tài)，所有這些屬性都是時間 t的函數(shù)，粒子的初始屬性由隨機過程產生，通過粒子的狀態(tài)隨時間變化表示出動態(tài)的尾焰。 。模擬現(xiàn)存的粒子屬性并以時間步長來更新粒子的各項屬性。這一部分產生任一數(shù)目的新的粒子，粒子屬性 根據(jù)條件 設定 或者隨機過程產生控制。 粒子系統(tǒng)的實現(xiàn)都經歷“產生 ?成長 ?發(fā)展 ?消亡”的過程。 //淡化 alpha 值 struct particle *next， *prev。 //粒子的 X和 Z 方向增加值 char type。//粒子運動的方向 本科畢業(yè)設計論文 22 float x， y， z。//粒子的生命期 float v。在本文中，粒子系統(tǒng)的屬性包括粒子的位置信息、速度信息、顏色信息以及生命周期等。 粒子系統(tǒng)的設計 一個粒子系統(tǒng)的是由大量的簡單體元素構成的。 當然，這并不是粒子系統(tǒng)設計的難點所在，粒子系統(tǒng)設計的難點在于如何根據(jù)景物特征來確定粒子屬性的恰當范圍，使 粒 子 系統(tǒng)能逼真地模擬實際景物。 有了 上述 的變換，再根據(jù)粒子系統(tǒng)的實際特點，確定粒子系統(tǒng)初始屬性范圍，利用 T1 或 T2 將己有的隨機函數(shù)轉化到需要的范圍。很明顯，這 本科畢業(yè)設計論文 21 樣的算子 T并不唯一，記算子 T 的集合為 B，則 : B={T: Vx ∈ [al， b1]， Tx ∈ [a2 ， b2]} B中最簡單的算子為線性算子，記為 T1 ∈ B，那么 : Tlx=(b2 一 a2)/(bl 一 al)*x + (a2b1 一 a1b2)/(bl 一 al) 另外 一 種常見的算子在程序的設計是經常使用，設隨機變量 x 是 [al ， b1]內服從均勻分布的整數(shù)，下而介紹將其轉化成 [a2 ， b2]內服從均勻分布的整數(shù) .設 X， C 都是整數(shù)，記 y=X%C 為 X除 以 C的余數(shù)，則 Y 服從 [0， c]上的均勻分布，且 y 為整數(shù)。在實現(xiàn)粒子系統(tǒng)的過程中，需要讓粒子的某些屬性在給定的范圍內隨機變動，但已有的隨機函數(shù)卻并不能保證這一點 (如 C+中的rand()函數(shù)產生 [ 0 ， 2321 ]內服從均勻分布的整數(shù)，這顯然不是所需要的范圍 )。 粒子系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如圖 所示。 本科畢業(yè)設計論文 20 在實際應用過程中，為了減輕計算機圖像生成系統(tǒng)的負擔，可以采用頂點數(shù)組來提高粒子系統(tǒng)的繪制效率，在取得同樣效果的情況下，有時用線段、 Billboard作粒子會比用點作粒子需要的粒子數(shù)量少，繪制負擔輕，因此，合理選擇粒子是提高繪制效率的重要環(huán)節(jié)。粒子的數(shù)據(jù)結構中保存著粒子在當前時刻的 各種屬性，這些屬性在每個幀周期內動態(tài)更新。由于在每一幀都要更新粒子的屬性、重新繪制粒子，因此基本粒子的選取應該在滿足應用要求的前提下盡量提高繪制效率，以避免出現(xiàn)計算機圖像生成系統(tǒng)性能上的瓶頸。 以上步驟反復循環(huán)就形成了物體的動態(tài)變化過程。 。在計算機系統(tǒng)上利用粒子系統(tǒng)進行不規(guī)則物體模擬，每一幀中都要進行以下的基本操作 : ，并為每個新粒子分配初始屬性。景物被定義為成千上萬不規(guī)則且隨機分布的粒子集合，每個粒子擁有自己的屬性，包括形狀、大小、顏色、透明度、位置、速度以及生命周期等，每時每刻都在不斷的運動和改變形態(tài)，這樣，諸多粒子的集合，而不是個別的粒子，形成了景物的整體形態(tài)和特征的動態(tài)改變。 1983年， Reeves 首次提出了粒子系統(tǒng)。最后，給出了虛擬 場景 仿真平臺的總體概述，包括虛擬 場景 仿真平臺的工作方式和表現(xiàn)手法。 本章小結 本章根據(jù) 虛擬 場景 仿真系統(tǒng)的設計目標提出了飛機飛行仿真的整體結構圖，即說明了此仿真軟件的基本構成模塊，以及各模塊在仿真軟件中的作用，確 定了各坐標系之間的相對運動關系，然后結合選用的工具軟件和課題實際要求，設計出 虛擬場景 仿真軟件的設計流程，根據(jù)其設計思路以此實現(xiàn)仿真。 為了表現(xiàn)全體的運動，需要建立具有真實感的地理景物。 場景 仿真表現(xiàn)模型 虛擬 場景 涉及到大量的圖形、文字、音頻、視頻等動態(tài)數(shù)據(jù)，為了實時 地表場景設置 模型調入 地形調入 天空實現(xiàn) 特殊效果 粒子系統(tǒng) 場景刷新 本科畢業(yè)設計論文 18 現(xiàn)這些動態(tài)數(shù)據(jù)，虛擬 場景 仿真平臺需要建立仿真動態(tài)數(shù)據(jù)的虛 擬 場景 仿真 表現(xiàn)模型。主要表現(xiàn)在如下幾個方面 : 虛擬 場景 仿真對象模型封裝了某一實體對象的數(shù)學 /邏輯模型及其表現(xiàn)模型。 虛擬 場景 仿真 軟件 的表現(xiàn)方法 虛擬 場景 仿真平臺是運用虛擬 場景 仿真技術實現(xiàn)。 2. 非聯(lián)網運行時即 單機模式下，主要 便是 進行場景的各種設置 ，如圖 。根據(jù)相應的需要開幾個模型節(jié)點。若 滿足 ， 判斷線程同步標記 是否為 0， 接收 數(shù)據(jù) 模型 1 節(jié)點 模型 2 節(jié)點 模型 3 節(jié)點 模型 4 節(jié)點 模型 5 節(jié)點 線程同步 場景控制 參數(shù) 場景刷新 本科畢業(yè)設計論文 17 若否，則等待，傳輸完畢，若是則將其置為 2，進行數(shù)據(jù)傳輸判斷線程同步標記(文檔類中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類中 )，在程序設 計中，則線程同步標記還原為 0。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線程同步標記是否為 0，若是置其為 1，進行數(shù)據(jù)傳輸 (輔助線程到主程序文檔結構體數(shù)據(jù)傳輸 )傳輸完畢，線程同步標記還原為 0。 1. 聯(lián)網運行時程序的流程 圖 聯(lián)網時的流程圖 如圖 :它的基本流程為 :主線程先執(zhí)行，然后啟動網絡接口線程。該仿真系統(tǒng)具有兩種工作方式 :聯(lián)網運行和單機運行。如果在網絡條件下，能夠從其它幾個仿真節(jié)點中接收數(shù)據(jù)，完成場景的多媒體動畫演示和仿真。它可為二十五種之多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 Open Flight 格式在實時三維領域成為最流行的模型格式，并成為仿真領域的行業(yè)標準 【 7】 。文件格式是 3DS 格式，該軟件非常強大，許多精美的電影動畫以及制作精良的廣告產品都是由該軟件制作完成的。在虛擬 場景 仿真方面凸現(xiàn)出兩種專業(yè)的建模 軟件 ， MultiGen Creator和 3D Studio MAX。 上述方法要 花費大量的工作時間，且其建模過程的可見性和可操作性較差。 早期的方法是在仿真程序中完成幾何建模，借助 OpenGL 豐富的圖形處理功能，結合計算機圖形學成熟的 Bezier， NURBS 等樣條曲面理論設計完成。 三維物體的幾何建模描述了虛擬物體的三維造型 (多邊形、三角形和頂點 )以及外觀 (紋理、表面反射系數(shù)、顏色等 )。虛擬仿真環(huán)境的建模包括虛擬對象物體的幾何建模、物理建模和運動建模。 OpenGL 是一種設計良好的低層的 3D API，其運行平臺最為廣泛，為了獲得高質量的三維圖形效果以及便于編程考慮，本文也是采用 OpenGL 作為開發(fā) 場景 系統(tǒng)平臺的三維圖形 API。OpenGL 提供一系列的圖形變換函數(shù) 。它的特點是可以在不同平臺之間進行移植，還可以在客戶機 /服務器系統(tǒng)中工作，效率也要比 Direct3D 高。 OpenGL:OpenGL 最初用于高端的圖形工作站，后來其接口與功能得到了發(fā)展，并走向其他平臺，如 Ms Windows， X Window， OS/2 和 Mac OS 等。由于與硬件的結合緊密，其執(zhí)行效率比 Direct3D 及 OpenGL 要高。但其移植性比較差，考慮到與各方面的兼容性，用起來比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見得最優(yōu)。 采取的研究方法和技術路線 開發(fā)“虛擬 場景 仿真平臺”系統(tǒng)，決定采用何種編程接口是三維應用程序開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，業(yè)界現(xiàn)有多種不同的 3D API 標準，它們各有特點，互有長短。 (Wizard)計算機輔助應用程序設計 在 Visual C++ 中可 以使用各種向導 (Wizards). MFC 類庫 (Microsoft Foundation Class Library)和活動模板庫 (Active Template Library 簡稱 ATL)來開發(fā) Windows 應用程序，向導實質上是一種計算機輔助程序設計工具，用于幫助用戶自動生成各種不同類型應用程序風格的基本框架。 Visual C++ 支持Win32 平臺 (Windows 95， 98/， )應用程序 (Application)服務 (Service)和控件 (Control)的開發(fā)。 Visual C++ 中的 Microsoft 基礎類庫 (MFC)生成 Windows GUI(圖形用戶接口 )程序。 下面就開發(fā) 場景 仿真系統(tǒng)的 場景 仿真開發(fā)工具進行闡述和選型。 ，允許程序透明地存取擴充內存和擴展內存 。 本科畢業(yè)設計論文 13 圖 虛擬場景仿真軟件的設計流程 仿真軟件實施方案論證 在軟件平臺上，整個 場景 仿真平臺系統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經選定為 Windows XP 操作系統(tǒng)。由于計算機的計算速度較快，所以可以實現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達到平滑的動畫效果。根據(jù)飛機姿態(tài)角的變化，改變地形坐標和視點坐標，使飛機模型的飛行運動和場景的改變相結合 。 第三步 :最后利用 OpenGL 中的繪制及雙緩存技術實現(xiàn)仿真。 第二步 :其次是將飛機模型文件格式進行轉換并導入工程。為使仿真軟件不受外界條件限制，在不具備 Futaba 遙控器 的情況下能靈活 控制 ， 虛擬場景 仿真軟件也可以采 本科畢業(yè)設計論文 12 用鍵盤來模擬控制飛機飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達到模擬仿真的效果。這樣既可以減少同一時間內場景中幾何物體的數(shù)目，又可以在物體進入視錐體時防