【正文】 90 年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個方面：一是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。三是實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)。 日本的研究狀況 在當(dāng)前實(shí)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與開發(fā)中日本是居于領(lǐng)先地位的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模三維虛擬仿真技術(shù)知識庫的研究。 東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面。京都的先進(jìn)電子通信研究所（ATR）正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入。東京大學(xué)的高級科學(xué)研究中心將他們的研究重點(diǎn)放在遠(yuǎn)程控制方面，最近的研究項目是主從系統(tǒng)。東京大學(xué)原島研究室開展了 3 項研究：人類面都表情特征的提取、三維結(jié)構(gòu)的判定和三維形狀的表示、動態(tài)圖像的提取。為了克服當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性，他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)。富士通實(shí)驗室有限公司正在研究虛擬生物與三維虛擬仿真環(huán)境的相互作用。 我國三維虛擬仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀 和一些發(fā)達(dá)國家相比，我國三維虛擬仿真技術(shù)還有一定的差距，但已引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視。九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把三維虛擬仿真技術(shù)列入了研究項目。國內(nèi)最早開展此項技術(shù)試驗的是掛靠在西北工業(yè)大學(xué)電子工程系的西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心。 三維虛擬仿真技術(shù)對儀表的仿真 三維虛擬仿真技術(shù)室許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。雖然這個領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服。 三維虛擬仿真技術(shù)與三維虛擬儀表 三維虛擬仿真技術(shù)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視、聽一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備（鼠標(biāo)、方向盤等外部配件）以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗。 論文章節(jié)安排論文共分 5 章。第2章 主要介紹三維虛擬儀表的發(fā)展史，開發(fā)三維虛擬儀表常用工具，OpenSceneGraph的簡單介紹以及我選擇OpenSceneGraph來做本次課題的緣由。第2章 三維虛擬儀表的相關(guān)知識 三維虛擬儀表的發(fā)展史現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)室計算機(jī)技術(shù)和多重基礎(chǔ)學(xué)科今夕結(jié)合的產(chǎn)物，伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新方法、新理論、新領(lǐng)域、新儀器結(jié)構(gòu)相繼涌現(xiàn)，電子測量儀器的功能和作用也隨之發(fā)生劇變。作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展方向，虛擬儀器快速發(fā)展成為一種新興產(chǎn)業(yè)。 常見三維虛擬儀表開發(fā)系統(tǒng)（1）LabVIEW：他是美國一家名為NI公司研制的全圖形編程虛擬儀表開發(fā)系統(tǒng)，主要包括控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示等功能，由于其程序消耗資源多，并且對國產(chǎn)硬件支持少等缺點(diǎn)導(dǎo)致其在市場的使用率落后于C和C++。LabWindows/CVI提供來了來了很多使用特征，大大的改進(jìn)了工作效率，并且LabWindows/CVI是開發(fā)LabVIEW驅(qū)動程序的最好工具。而Visual Basic開發(fā)虛擬儀表系統(tǒng)得先開發(fā)出虛擬儀表的專用控件，而這些控件開發(fā)需要專業(yè)的編程人員，所以也有一定難度。 本文所采用的語言和工具 常用開發(fā)虛擬儀表的語言和工具通常開發(fā)虛擬儀表的相關(guān)語言和工具有OpenSceneGraph和VS，OpenSceneGraph和QT，LabVIEW圖形化開發(fā)工具，GL 本文選擇的語言和工具本文采用的是OpenSceneGraph語言和VS2008開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和要求。所以我們需要在程序中實(shí)現(xiàn)一個虛擬三維虛擬場景，而OpenSceneGraph可以很方便的為我們創(chuàng)建一個三維場景模型，還有其封裝好的類和庫為我們的研究提供了便利的條件，并且它里面osg::Drawable類為我們提供的繪制圖元的方法都很容易操作和掌握，為我們提供了很多便利條件。用具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL為底層平臺，使用具有可移植性的ANSI C++編寫而成。具備跨平臺的特性，可以運(yùn)行于Windows、UNIX/Linux、Mac OSX、FreeBSD、Solaris和AIX等各類操作系統(tǒng)上。OpenSceneGraph正是基于世界上最流行的場景圖形技術(shù)，目前越來越多的開發(fā)者基于OpenSceneGraph進(jìn)行圖形程序的開發(fā)。采用OpenSceneGraph圖形引擎克服了傳統(tǒng)的OpenGL以及Direct3D難度大、開發(fā)周期長的缺點(diǎn)，解決了使用Vega、OpenGVS等商業(yè)引擎成本高，不利于產(chǎn)品推廣的問題，從實(shí)用的角度來說OpenSceneGraph更有優(yōu)勢。如果想要自主開發(fā)視景渲染軟件的話，OpenSceneGraph是個不錯的基礎(chǔ)框架選擇。OpenSceneGraph與其它三維渲染引擎相比具備的優(yōu)勢可以歸為如下幾點(diǎn)：（1）快速開發(fā)。且具有隨時支持更新的擴(kuò)展特性。（2）高品質(zhì)、高性能。（3）可擴(kuò)展性。（4）可移植性。（5）開源。此外，開放源代碼使得開發(fā)者可以調(diào)試和檢查OpenSceneGraph的源代碼，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而更好的應(yīng)用到自己的程序中。圖21 世界仿真軟件市場占有率綜上所述，OpenSceneGraph具有很大的發(fā)展前景，并且為我們本次畢業(yè)設(shè)計提供了許多很便利條件，所以我選擇用OpenSceneGraph來做本次畢業(yè)設(shè)計。這里對Microsoft Visual Studio 2008做一個簡單的介紹。Microsoft Visual Studio 2008引入了250多個新特性，整合了對象、關(guān)系型數(shù)據(jù)、XML的訪問方式,語言更加簡潔。設(shè)計器中可以實(shí)時反映變更,XAML中的智能感知功能可以提高開發(fā)效率。Visual Studio 2008可以高效開發(fā)Web應(yīng)用，集成了AJAX ，包含AJAX項目模板，它還可以高效開發(fā)Office應(yīng)用和Mobile應(yīng)用。編輯器：編輯器給使用者提供了一個創(chuàng)建和編輯C++源代碼的交互平臺。不但使代碼的可讀性更好了，而且在輸入這些單詞時如果出現(xiàn)錯誤還可以提供清楚地指示。編譯器可以檢測各種無效或不可識別的代碼并報告錯誤，還可以檢測諸如部分程序永遠(yuǎn)不會被執(zhí)行到這樣的結(jié)構(gòu)性錯誤。編譯器產(chǎn)生的目標(biāo)代碼有兩種類型。庫：庫就是微軟提供的預(yù)先編譯好的例程集合，它通過提供了專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)代碼單元，支持并擴(kuò)展了C++語言。這樣就節(jié)省了使用者親自編寫并測試實(shí)現(xiàn)這些代碼所需要的工作量，從而大大的提高了開發(fā)的效率。憑借其獨(dú)特的語言機(jī)制在計算機(jī)科學(xué)的各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。是目前使用非常廣泛的面向?qū)ο蟪绦蛘Z言。這里就介紹一下OpenSceneGraph和Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境的詳細(xì)配置。然后要為OpenSceneGraph配置環(huán)境變量，,。圖23 OSGDIR環(huán)境變量示意圖然后我們還要在Path變量中新增“%OSGDIR%\bin。接下來我們還要增加環(huán)境變量OSG_FILE_PATH，變量值設(shè)為“%OSGDIR%\data”如圖25所示。如圖26所示。此外我們還設(shè)置了兩個OpenSceneGraph內(nèi)部專用的環(huán)境變量，OSG_FILE_PATH和OSG_NOTIFY_LEVEL，OSG_FILE_PATH主要用于指示數(shù)據(jù)文件位置，在編寫代碼讀取OpenSceneGraph模型和圖像文件的時候，該變量值所寫路徑中的文件可以被自動搜索到，OSG_NOTIFY_LEVEL的主要作用是指示調(diào)試信息輸出的條件。接下來我們要進(jìn)入Microsoft Visual Studio 2008新建一個Win32 Console Application，之后對工程環(huán)境進(jìn)行配置，首先打開工具選項文本編輯器文件擴(kuò)展名里把“將無擴(kuò)展文文件映射到”這一欄選中“Microsoft Visual C++”并打上勾，如圖28所示。圖27 圖28 文本編輯器配置示意圖圖29 頭文件目錄配置示意圖最后打開“配置屬性鏈接器常規(guī)”，在“附加庫目錄”欄中填入“$(OSGDIR)\lib”并在“配置屬性鏈接器輸入”的“附加依賴項”中添加“、如圖210所示。 本章小結(jié) 本章主要介紹了開發(fā)三維虛擬儀表有哪些常見工具，以及我為什么選擇OpenSceneGraph，它有什么優(yōu)勢，它的發(fā)展史以及它的組成模塊，此外還介紹了本次畢業(yè)設(shè)計用到的開發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2008，并對其做了單間介紹，最后對OpenSceneGraph和Microsoft Visual Studio 2008的環(huán)境配置做了詳細(xì)介紹。 一般儀表類型 現(xiàn)實(shí)生活中，我們用到的儀表一般常見的有：壓力儀表，溫度儀表，液位儀表，流量儀表，分析儀表，電工儀器儀表，光學(xué)儀表，工業(yè)自動化儀表，試驗儀器儀表，量具儀表等等。玻璃溫度計主要由感溫泡、玻璃毛細(xì)管和刻度標(biāo)尺三部分組成，它是用來測量溫度的。 三維虛擬儀表的分析設(shè)計 根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中的儀表，我們可以設(shè)計一個應(yīng)用廣泛的三維虛擬儀表，它的左邊是一個類似于時鐘的表，由一個外圓，度量刻度和一根指針組成，指針指向的是數(shù)據(jù)大小，右邊則是一個坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系上顯示的是左邊儀表數(shù)據(jù)的變化趨勢和大小，而在表的下面則是指針指向的數(shù)據(jù)大小數(shù)字化顯示，而這三個功能都需要在一個物體上顯示，即背景模板，我們將表、坐標(biāo)系、數(shù)字化顯示都放置在這個背景模板上，這樣就能比較真實(shí)的展現(xiàn)一個三維虛擬儀表的結(jié)構(gòu)和功能了。 三維虛擬儀表的三維模型 要做好本設(shè)計，就要對設(shè)計要就有詳細(xì)的了解和分析。 本設(shè)計要求的是在三維場景中，而在三維場景中，三維坐標(biāo)系的設(shè)置并不是固定不變的，而是根據(jù)用戶需求設(shè)置的，所以在設(shè)計三維虛擬儀表的三維模型時，首先要對坐標(biāo)系進(jìn)行確定，因為只有確定了坐標(biāo)系，我們才知道三維模型具體位置在哪兒，該怎么放置它，也才能進(jìn)行三維模型的設(shè)計。在這個扁平的長方體平板的左邊，我們將繪制刻度表（外圓，度量刻度，指針），在它的右邊繪制二維坐標(biāo)系（坐標(biāo)系和數(shù)據(jù)變化曲線圖），在它的下方顯示數(shù)字的動態(tài)更新。在顯示生活中效果圖如31所示。要求了解虛擬仿真或三維游戲引擎結(jié)構(gòu)及三維場景動態(tài)更新的相關(guān)技術(shù)。 在項目開發(fā)周期上，要求采用軟件工程方法進(jìn)行分析、設(shè)計、生成。依據(jù)任務(wù)書的要求，本設(shè)計使用OpenSceneGraph開源開發(fā)包的相關(guān)技術(shù)，使用軟件工程的軟件項目生命周期方法進(jìn)行分析設(shè)計，使用Visual Studio 2008作為開發(fā)工具。其視圖如圖41所示。只是在這里我們?yōu)榱私⒛Ｐ头奖?，將這個背景模板設(shè)置成一個扁平的長方體平板。這樣一塊長方體平板三維模型就這樣建好了。 首先生成刻度表的外圓，我們可以將它看成是許許多多的點(diǎn)圍起來的一個點(diǎn)圓，然后用線將這些相鄰的點(diǎn)連接起來就成為了一個圓，而外圓內(nèi)側(cè)的度量刻度則可以看成一根根短的線段，而每一根線段是由線段的兩個端點(diǎn)用線連接起來而成的，這樣我們就可以很快的生成外圓和外圓內(nèi)側(cè)的度量刻度模型，在生成這兩個模型后，生成指針模型就很容易了，因為指針我們也可以看成是由一條線段的兩個端點(diǎn)連接起來的一條線段。 坐標(biāo)系 在建立好扁平長方體平板和刻度表的三維模型后，我們該在背景模板的右方生成坐標(biāo)系模型了，生成坐標(biāo)系模型的方法與生成指針模型的方法一樣，我們可以講坐標(biāo)系看成是由兩條相互垂直相交的線段，每條線段則是由兩個頂點(diǎn)用線連接起來生成的，所以，同樣的方式，我們就可以生成坐標(biāo)系的模型了。圖42 三維虛擬儀表模型生成流程圖第5章 詳細(xì)設(shè)計 osg如何繪制基本幾何圖元 首先我們要繪制一個圖形就要知道OSG是如何來繪制基本圖元的。 構(gòu)建幾何圖元框架和顏色設(shè)置在OpenGL中是使用頂點(diǎn)索引機(jī)制來高效地構(gòu)建幾何圖元，同樣在OSG中也是使用頂點(diǎn)索引機(jī)制來高效地構(gòu)建幾何圖元，即重復(fù)適用有限的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，組成多種不同的圖元，進(jìn)而構(gòu)成圖元的各個點(diǎn)（GL_POINT）、線段（GL_LINES）、線條帶（GL_LINE_STRIP）、閉環(huán)線（GL_LINE_LOOP）、三角形（GL_TRIANGLES）、三角條帶（GL_TRIANGLE_STRIP）、三角扇面（GL_TRIANGLE_FAN）、四邊形（GL_QUADS）、四邊形條帶（GL_QUAD_STRIP）以及多邊形（GL_POLYGON）。其基本結(jié)構(gòu)如表51所示。在OSG中使用PrimitiveSet類來表達(dá)圖元組的信息，如果沒有設(shè)置任何圖元組，幾何體對象將無法正常工作，圖元組是用于實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)索引機(jī)制，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)有序地構(gòu)成不同幾何形狀的重要方式。 根據(jù)上面所述的內(nèi)容就可以輕松的畫出你想要的基本圖元形狀，在OSG中，為了簡化場景的繪制，同時也為了方便開發(fā)者能夠快速地構(gòu)造一個場景，它本身預(yù)定義了一些常用的幾何體，而要使用這些預(yù)定義的幾何體，通常要用到osg：：shape類、osg：：ShapeDrawable類和網(wǎng)絡(luò)化類。osg：：Shape類是各種內(nèi)嵌幾何體的基類，它不但可用于剔除和碰撞檢測，還可用于生成預(yù)定義的幾何體對象。剛剛我們講到OSG中內(nèi)嵌了很多預(yù)定義的幾何體，如果渲染這些內(nèi)嵌幾何體，就必須將其與osg：：Drawable關(guān)聯(lián)，而實(shí)際應(yīng)用中，可以使用osg：：Drawable類的派生類osg：：ShapeDrawable來完成這個功能。在osg：：ShapeDrawable類的構(gòu)造函數(shù)中提供了關(guān)聯(lián)osg：：Shape的方法：ShapeDrawable（Shape* shape，TessellationHints *hints=0）//第一個參數(shù)為shape，第二個參數(shù)默認(rèn)下不細(xì)化同時，由于它繼承自osg：：Drawable類，所以它的實(shí)例需要被添加到葉節(jié)點(diǎn)中才能被實(shí)例繪制。目前，osg：：TessellationHints類并不完整，部分類成員函數(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)，具體可以參看源碼。圖51 osg：：Shape的繼承關(guān)系圖圖52 osg：：ShapeDrawable的繼承關(guān)系圖圖53 osg：：TessellationHints的繼承關(guān)系圖 設(shè)置圖元紋理物體