【正文】 止它們突然的跳入用戶的視野，使模擬仿真軟件的效果更加逼真。 木文中為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)世界，對 虛擬 場景 仿真軟件 系統(tǒng)中添加了光照和霧化的特效處理，利用 OpenGL 中的光照函數(shù)給了維場景設(shè)置環(huán)境光、漫射光和鏡面反射光，由此來模擬現(xiàn)實(shí)世界中的幾種光照，使模型和場景的顯示效果更加逼真。 特效系統(tǒng) 有了飛機(jī)模型，又有了環(huán)境背景的襯托，就已經(jīng)具備了 虛擬 場景 仿真 的 基本條件，但是飛行仿真的效果可能還不盡人意，因?yàn)樵谧匀唤缰?，除了一些有表面體積的物體以外，還有一些沒 有固定形體而又是自然界中固有的東西，比如空氣、陽光和霧。它們是構(gòu)成飛機(jī)飛行運(yùn)動三維圖形仿真軟件的基本場景。 背景系統(tǒng) 開發(fā) 虛擬 場景 仿真軟件 ，除了有外形精細(xì)的飛機(jī)模型以外，環(huán)境背景的模擬也是十分重要的，環(huán)境背景的繪制不僅會給人以身臨其境的感覺 ，使仿真軟件更加逼真，而目通過背景的移動能更好的體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動。 圖 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系即攝像機(jī)坐標(biāo)系， z 軸指向鏡頭方向， x軸和 Y軸分 別為攝像機(jī)的水平和垂直方向。橫軸 OXt 與 YOZ 平面垂直，指向右翼為正。機(jī)體坐標(biāo)系是與飛機(jī)固連的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在飛機(jī)的重心上，縱軸 OZt 在飛機(jī)對稱平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正 。本文中取縱軸 AZd 為飛機(jī)的飛行航線，用 AZd = L 表示航程， AXd = Z 表示側(cè)向偏離 (向右為正 )、 AYd = H表示飛行高度，地面坐標(biāo)系如圖 。除此之外，在描述飛機(jī)的質(zhì)心位置和姿態(tài)角以及速度時，一般取該坐標(biāo)系為參考標(biāo)準(zhǔn)。 虛擬場景 仿真系統(tǒng)程序中包含三種坐標(biāo)系 :地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系和視點(diǎn)坐標(biāo)系。因此建立飛機(jī)模型是進(jìn)行 虛擬場景 仿真軟件設(shè)計的第一步，也是構(gòu)成飛行仿真系統(tǒng)的必不可少的一部份?？紤]各種軟件的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合本課題的設(shè)計要求，最終決定采用專業(yè)建模軟件 3DS MAX 來建立 虛擬場景 仿真系統(tǒng)的飛機(jī)模型。同時在 OpenGL 中并沒有提供建模的高級命令，因此建模過程比較繁瑣，編程量較大。 圖 虛擬場景仿真軟件的 整體 結(jié)構(gòu) 模型系統(tǒng) 進(jìn)行 飛行 仿真 首先是要繪制一個外型精細(xì)的飛機(jī)模型，而繪制飛機(jī)模型 的方法很多，即可以利用 OpenGL 圖形庫中的點(diǎn)、線、多邊形結(jié)合的方法來繪制，也虛虛擬場景仿真軟件 坐標(biāo)系統(tǒng) 背景系統(tǒng) 特效系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機(jī)場 和跑道 天空和 太陽 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系 霧化效果 光 照效果 鍵盤控制 地面坐標(biāo)系 模型系統(tǒng) 飛機(jī)三維模型 本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 可以采用一些專業(yè)的三維建模軟件進(jìn)行繪制。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 第 2 章 虛擬 場景 仿真 軟件 的系統(tǒng) 設(shè)計 思想 虛擬 場景 仿真軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計的 虛擬 場景 仿真軟件主要包括 :模型系統(tǒng)、 坐標(biāo)系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。當(dāng)然，一個高性能、逼真的實(shí)時三維動畫生成系統(tǒng)需要處理大量計算，這就需要使用高速計算機(jī)，或者有多臺計算機(jī)和專用硬件運(yùn)算電路等構(gòu)成的并行處理系統(tǒng)。 本文研究的是一個虛擬現(xiàn)實(shí)與計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合的飛機(jī)飛行動畫。 基于以上考慮，提出了研究“ 基于 OpenGL 的虛擬 場景 仿真平臺”的開發(fā)。 ，這就大大降低了模型的三維表現(xiàn)效果。 問題的提出 當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)技術(shù)已在歐美、臺灣等地區(qū)廣泛使用，并己廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、旅游、產(chǎn)品、房地產(chǎn)、服裝展示、展覽等領(lǐng)域。CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了層面迭加的繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺，同時還提供了方便的交互工具，使整個系統(tǒng)的實(shí)時性和畫面的真實(shí)感都達(dá)到了較高的水平。實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，可以提供實(shí)時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。北京航空航天大學(xué)計算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)研究、最有權(quán)威的單位之一，他們著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理 。 我國和一些發(fā)達(dá)國家相比在該領(lǐng)域還有一定的差距。東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室 研究了一個用于建立三維模型的人性化界面。 日本是當(dāng)前虛擬 場景 仿真技術(shù)的研究與開發(fā)領(lǐng)先的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)知識庫的研究。德國國家數(shù)學(xué)與計算機(jī)研究中心 (GMD)專門成立了一個部門，研究虛擬現(xiàn)實(shí)表演，沖突檢測，裝訂在箱子中的物體的移動，高速變換以及運(yùn)動控制。 德國 Damastadt 的 Fraunhofe。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時仿真系統(tǒng)。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心 的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (HIT Lab)進(jìn)行感覺、知覺、認(rèn)知和運(yùn)動控制能力的研究。 虛擬 場景 仿真技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要內(nèi)容是 :實(shí)時三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。多媒體的本質(zhì)不僅是信息的集成，而且也是設(shè)備和軟件的集成，并通過邏輯連接形成一個有機(jī)整體，又可實(shí)現(xiàn)交互控制，所以說數(shù)字化、集成性和交互性是多媒體的核心 【 4】 ?？梢暬抡婢褪菍?shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或動畫形式，使仿真結(jié)果可視化并具有直觀性 【 3】 。它以仿真的形式給用戶創(chuàng)造一個反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，使人可以“進(jìn)入”這種虛擬的環(huán)境直接觀察事物的內(nèi)在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實(shí)感。 虛擬 場景 仿真技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 虛擬 場景 仿真技術(shù)的發(fā)展 隨著計算機(jī)與計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真從最早的數(shù)字仿真，發(fā)展到了今天的可視化仿真、多媒體仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。 VR技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)該操作的合適的選擇。在航天領(lǐng)域， VR 技術(shù)也大有用武之地。例如日本就出現(xiàn)了可以幫助顧客買房、購房的虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買的設(shè)備和餐具安置在廚房的相應(yīng)地方，看看是否合適，雖然認(rèn)識到這一切都是虛擬的，但還是會被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會全身心的投入進(jìn)去，并且最終買走了自己稱心的商 品。因此， VR 技術(shù)從根本上改變了人與計算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。利用沉浸功能，使用戶暫時與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離，投入到虛擬環(huán)境中，從而能更真實(shí)地注視數(shù)據(jù)。 上述技術(shù)要素之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們對于用戶的“存在”意識的影響，進(jìn)而導(dǎo)致“沉浸感”的過程實(shí)際上是基于人的認(rèn)知機(jī)理，因此可以說心理學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)的物理學(xué)。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。交互是多感知的，用戶可以使用與現(xiàn)實(shí)生活不同的方式 (例如手語 )與虛擬物體交互。物體圖像能得到不同層次的細(xì)節(jié)審視。導(dǎo)致 “ 沉浸感 ” ，其原因是用戶對計 本科畢業(yè)設(shè)計論文 3 算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實(shí)物體的存在意識或幻覺 .為此，必須具備三種基本的技術(shù)要素 ： 1. 圖像 (Imagery) 虛擬物體要有三維結(jié)構(gòu)的顯示，其中包括主要由以雙目視差、運(yùn)動視差提供的深度信息，圖像顯示要有足夠大的視場，造成在圖像世界內(nèi)觀察 。用戶覺得自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，而不是旁觀者。 VR 的追求目標(biāo)是力圖使用戶在計算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺狀態(tài)，有身臨其境的感覺，即所謂 “ 沉浸感 ” 。這極大地依賴于人類的想象力。 想象力是指用戶沉浸在 多維信息空間中，依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念。因此， VR 技術(shù)將從根本上改變?nèi)伺c計算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度 (例如可視場景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化 )，甚至超越真實(shí)，如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果等。如圖 表示出了三者的關(guān)系。 VR具有三個最突出的特征，即三“ I”，特征可以由此來區(qū)分相鄰技術(shù)，如多媒體技術(shù)、科學(xué)計算可視化技術(shù)。脫離不同的應(yīng)用背景， VR 技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計算機(jī)數(shù)據(jù)空 間表示為直觀的、用戶熟悉的事物。從概念上講，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個看似真實(shí)的模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備，用戶可根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察和操作，參與其中的事件 。虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象 、地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會學(xué)等相關(guān) [1]。 VR思想的起源可追溯到 1965 年 Ivan Sutherland 在 IFIP 會議上的 終極的 顯示 報告， 而 Virtual Reality 一詞是 80 年代初美國 VPL 公司的創(chuàng)建人之一 Jaron Lanier 提出來的。 shading， hidden surface removal，and texture mapping etc. It’ s main research work and results are as follows: 1. The virtual scene simulation platform is a software development environment based on OpenGL。 education，exhibits and entertainment and so on. Modeling and rendering for virtual scene (Virtual Environment) is always the kernel problem in VR， and the problem must be solved at first. Nowadays， there are two methods to solve the problem: Graphics (Geometry) Based Modeling and Rendering (GBMR)，Image Based Modeling and Rendering (IBMR)， the existing two kinds of methods are provided with their own advantage and disadvantage. This paper had researched the fashion modeling technology of VE. My research focus on GBMR amp。 關(guān)鍵詞 虛擬 場景圖， OpenGL 紋理映射， 粒子系統(tǒng) ， GBMR， IBMR 本科畢業(yè)設(shè)計論文 II ABSTRACT The Virtual Reality (VR) technology is a very important branch among puter science， it had expressed rapid increase growing tendency as soon as came forth， and it would play an important role in industry amp。 3. 對 OpenGL 的紋理映射技術(shù)及原理進(jìn)行闡述，并摸索出一套合理的紋理映射方法，在使用過程中實(shí)現(xiàn)了對 紋理的管理。 本文主要研究工作及所取得的研究成果如下 : 1. 基于 OpenGL 的軟件開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一個飛機(jī)飛行及其導(dǎo)彈飛行實(shí)時動畫，實(shí)時顯示飛行器的運(yùn)動軌跡和飛行場面，較好的反映了仿真的效果。 本論文緊緊圍繞當(dāng)今熱門的虛擬場景建模技術(shù)進(jìn)行了研究。 Applications， 1990， 1: 3035P. 【 10】 Unbescheiden M, Trembilski .A Cloud Environments[J].IEEE Visualization Proceedings Simulation， 1998， 1: 98104P. 【 11】 Szeliski Richard,Tonnesen David. Surface modeling with oriented particle systems[J].Computer Graphics ， 1992 ， 26(4): 185194P. 學(xué)生 __________ 指導(dǎo)教師 ___________ 系主任 ___________ 本科畢業(yè)設(shè)計論文 I 目 錄 摘 要 .....................................................................................................................I ABSTRACT...............................................................................................