【正文】 成為 . 靈境技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 [M]. 北京：清華 大學(xué)出版社，1996. 100120. 【 6】 于維平 ,朱一凡 ,等 . 多媒體仿真研究與發(fā)展 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1997， 9: 1020. 【 7】 王乘 ,周均清 ,等 . Creator 可視化仿真建模技術(shù) [M]. 武漢 : 華中科技大學(xué)出版社， 20xx. 68. 【 8】 武裕國(guó) ,杜瑩 . 利用 C++模板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的粒子系統(tǒng) [A]. 第四屆全國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化學(xué)術(shù)會(huì)義論文集 [C]. 大連：大連海事大學(xué)出版社， 20xx. 637638. 【 9】 Michael E Goss. Motion SimulationA Real Time Particle System for Display of Ship Wares[J] .IEEE Computer Graphics amp。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中 場(chǎng)景 (虛擬場(chǎng)景 )的建模始終是研究的核心問(wèn)題，也是需要首先解決的問(wèn)題，現(xiàn)在世界范圍內(nèi)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決主要有兩種方法 :基于圖形 (幾何 )的建模與繪制方法 (GBMR)和基于 圖像 的建模與繪制方法 (IBMR)，此兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)研究了基于圖形和基于 圖像 的建模和繪制技術(shù)，以及場(chǎng)景的取景變換、光照、消隱、和紋理映射等真實(shí)感增強(qiáng)技術(shù)。 2. 設(shè)計(jì)了基于粒子系統(tǒng)的特殊效果，把粒子系統(tǒng)的行為模型和幾何模型統(tǒng)一起來(lái)，對(duì)粒子系統(tǒng)的屬性及隨機(jī)性作了理論性的分析研究，并對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)繪制。利用紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中場(chǎng)景和物體的貼圖。 manufacture， digital city， virtual building， training amp。 IBMR， VE realism increasing technology as coordinate transforming， lighting amp。 it shows the plane fly and the missile tracing. 2. Detailed analyzed the attribute and the realized process of particle system， had made theoretically the analysis to the randomness of the particle system， unified the particle system behavior model and the geometry model, and had realized the dynamic environment (rain， snow， mist and dust and so on)modeling by using the particle granule system. 3. Demonstrated the technology and theory of the texture mapping， established a reasonable method of texture mapping， and realized the 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III management of texture in use. Utilized the technology to realize the texture mapping of the scene and object in the virtual scene. Key words Virtual Scene graph， OpenGL Texture mapping， Particle system， GBMR， IBMR 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第 1 章 緒論 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概況 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及起源 虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality，簡(jiǎn)稱 VR)，是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)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(yàn)。 VR 系統(tǒng)在若干領(lǐng)域的成功應(yīng)用，導(dǎo)致了它在 90年代的興起。 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)提供視、聽、觸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中。其技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級(jí)的人與計(jì)算機(jī)交互的接口。這三個(gè)特征是交互性 (Interaction)、想象 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 性 (Imagination)和沉浸感 (Immersion)。 圖 虛擬現(xiàn)實(shí)的三角形表示 沉浸感是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境之中的體驗(yàn) 。 交互性是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度 (包括實(shí)時(shí)性 )，使參與者通過(guò)使用專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)用人類自然技能對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互考察與操作。例如，用戶可以用手直接抓取虛擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有觸摸感，并可以感覺(jué)物體的重量，場(chǎng)景中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。由于 VR 并不只是一種媒介或一個(gè)高級(jí)終端用戶界面，它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題，這些應(yīng)用是 VR 與設(shè)計(jì)者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的。 VR的最主要的技術(shù)特征是沉浸感，即投入感。在該環(huán)境中的一切看上去是真的、聽起來(lái)是真的、動(dòng)起來(lái)也是真的，一切感 覺(jué)逼真。他感到被虛擬景物所包圍，可以在這一環(huán)境中自由走動(dòng)，與物體相互作用，如同在已有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)世界中一樣。而不是窗口觀察的感覺(jué) ； 顯示畫面符合觀察者當(dāng)前的視點(diǎn)，能跟隨視線變化 。 2. 交互 (Interaction) 虛擬物體與用戶間的交互是三維的，用戶是交互的主體 :用戶能覺(jué)得自己是在虛擬環(huán)境中參與對(duì)物體的控制。 3. 行為 (Behavior) 虛擬物體在獨(dú)自活動(dòng)時(shí)、或相互作用時(shí)、或在與用戶的交互作用中，其動(dòng)態(tài)都要有一定的表現(xiàn)，這些表現(xiàn)或者服從于自然規(guī)律，或者遵循設(shè)計(jì)者想象的規(guī)律，這也稱之為 VR系統(tǒng)的自主性 (autonomy)。如當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物 體會(huì)向力的方向移動(dòng)、翻倒或從桌面落到地面等等。 VR的“沉浸感”特征使它與一般的交互式三維計(jì)算機(jī)圖形有較大的不同 :用戶可以沉浸于數(shù)據(jù)空間，可以從數(shù)據(jù)空間向外觀察，從而可以使用戶能以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互。 VR 界面也可以給技術(shù)人員及創(chuàng)作人員提供真實(shí)數(shù)據(jù)，以便正確地創(chuàng)建虛擬 環(huán)境，這樣有助于用戶更快、更全面地分析理解數(shù)據(jù)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用 VR【 2】 可以應(yīng)用在商業(yè)上，創(chuàng)建虛擬商店、虛擬房地產(chǎn)漫游、建筑物可視化、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 虛擬旅游景點(diǎn)漫游、虛擬博物館等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段，目前己被廣泛應(yīng)用在軍事教學(xué)、體育訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)中，對(duì)于第一次走上手術(shù)臺(tái)的醫(yī)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，他們可以在顯示器上一遍一遍的模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案，這種模擬器顯示的人體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到亂真的程度。例如，失重是航天技術(shù)中的一個(gè)必須克服的困難，因?yàn)樵谑е厍闆r下物體的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)，因此為了在太空中進(jìn)行精確的操作，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的仿真訓(xùn)練，以適應(yīng)失重時(shí)操作的特點(diǎn)。再如， 美國(guó)宇航局 Ames 研究中心的科學(xué)家將探索的火星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到了火星的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，研究人員可以看到全方位的火星表面景象 :高山、平川、河流、以及縱橫的溝壑里被風(fēng)化的斑斑的巨石， 都顯得十分清晰逼真，而且不論你從哪個(gè)方向看這些圖，視野中的景象都會(huì)隨著你的頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，就好像真的置身于火星上漫游。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是九十年代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)之一。 可視化仿真技術(shù)的目標(biāo)是把由數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)按照其自身 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 的物理背景進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，用圖像的方式來(lái)展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容和相互關(guān)系，便于把握過(guò)程的整體演進(jìn)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律 ，豐富科學(xué)研究的途徑，縮短研究周期。 多媒體仿真技術(shù)是指計(jì)算機(jī)綜合處理各種媒體信息，包括文字、圖形、動(dòng)畫、圖像、聲音、視頻等，在各種信息間建立邏輯連接，并集成一個(gè)有交互功能的多媒體系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中，用戶是“投入”到這個(gè)環(huán)境中去，讓用 戶在人工合成的環(huán)境 中 獲得“進(jìn)入角色”的休驗(yàn)。在“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”下，近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)取得的一些技術(shù)成果，并已集成了一些很有實(shí)用前景的應(yīng)用系統(tǒng)，而且智能虛擬世界也在不斷地發(fā)展。美國(guó)宇航局 (NASA)研究的重點(diǎn)放在對(duì)空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真上，他們大量運(yùn)用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)。 Dave Sims 等人研制出虛擬現(xiàn)實(shí)撤退模型來(lái)觀看系統(tǒng)如何運(yùn)作。美國(guó) WrightPatterson 空軍基地的“ 3D 圖像和計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室”是在 SGI4D/400 工作站上建立了空間衛(wèi)星的虛擬環(huán)境來(lái)仿真近地空間和描述 3D 圖形衛(wèi)星模型環(huán)繞地球軌道的運(yùn)行狀態(tài)，使得仿真者對(duì)仿真對(duì)象信息 的把握更加充分 【 5】 。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究所開發(fā)一種名 為“虛擬設(shè)計(jì)”的組合工具，可使得圖像伴隨聲音實(shí)時(shí)顯示。英國(guó)的 Bristol 有限公司發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 用的焦點(diǎn)應(yīng)該集中在軟件與整體綜合技術(shù)上，該公司將 VIZ 分成三大類別 :實(shí)際環(huán)境檢測(cè)、虛擬環(huán)境控制、虛擬環(huán)境顯示。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。東京大學(xué)的廣獺研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問(wèn)題，現(xiàn)在己經(jīng)有了 4項(xiàng)成果 :一個(gè)類似 CAVE 的系統(tǒng)、用 HMD 在建筑群中漫游、人體測(cè)量和模型隨動(dòng)、飛行仿真器。我國(guó)的九五規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把虛擬環(huán)境仿真列入了研究項(xiàng)目。在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺(jué)接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算 法及實(shí)現(xiàn)方法 。浙江大學(xué)CADamp。中視典數(shù)字科技有限公司從事虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真、多媒體技術(shù)、三維動(dòng)畫研究與開 發(fā)也都取的不錯(cuò)的效果，成功開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬場(chǎng)景瀏覽器軟件VRPlatform。但在國(guó)內(nèi)規(guī)劃領(lǐng)域目前卻應(yīng)用不多，這是因?yàn)?: ，三維數(shù)據(jù)模型需求量太大，這就使得三維建模 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 與數(shù)據(jù)處理的工作量太大。 三 維軟件主要 擅長(zhǎng) 對(duì) 三維模型 的建立 ，而沒(méi)有將各種三維建模與虛擬 場(chǎng)景 仿真等高新技術(shù)手段結(jié)合在一起的直觀展示的軟件。研究如何利用當(dāng)前最新的三維建模與虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的管理、維護(hù)和虛擬場(chǎng)景的逼真顯示等功能，提供實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的管理，如真實(shí)感圖形顯示、三維場(chǎng)景管理、聲音管理、地形調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的交互以及實(shí)時(shí)對(duì)象維護(hù)等虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)程序所需的多項(xiàng)功能，以適應(yīng)對(duì)不同人群的應(yīng)用需求。文中根據(jù)一定的飛機(jī)運(yùn)動(dòng) 規(guī)律模擬特定飛行器的運(yùn)動(dòng)， 可以進(jìn)行手動(dòng)控制飛機(jī)的飛行， 三維場(chǎng)景繪制主要用來(lái)顯示飛行器飛行的畫面，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些算法實(shí)時(shí)繪制飛行場(chǎng)面?？紤]到目前的投資能力和技術(shù)可行性，日前系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為 AMD Athlon ，內(nèi)存 DDR1G，顯示器為 功能強(qiáng)大的 Windows XP，編程環(huán)境可視化的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言 Microsoft Visual C++ 和強(qiáng)大的三維軟件包 OpenGL 。 每 個(gè)系統(tǒng)又由 一個(gè)或 多個(gè)功能模塊組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。由于使用 OpenGL 程序構(gòu)建飛機(jī)模型外觀上比較粗糙，建模時(shí)的直觀性較差，建模后必須通過(guò)程序的運(yùn)行才能看到效果，這樣在建模的過(guò)程中不得不反復(fù)的運(yùn)行程序來(lái)看模型圖像，將會(huì)有許多時(shí)間浪費(fèi)在反復(fù)運(yùn)行程序上，而且修改模型時(shí)的效率較低。而利用一些專業(yè)的三維建模軟件建模時(shí)不僅不需要編程而且可以很直觀的構(gòu)造模型，模型的外觀也更為 精細(xì)。 飛機(jī)模型是 虛擬場(chǎng)景 仿真系統(tǒng)中的主體，它繪制的越精細(xì)，外形和真正的飛機(jī)實(shí)體越接近，就越能給人以更加逼真的視覺(jué)效果。 坐標(biāo)系統(tǒng) 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件 中，坐標(biāo)系統(tǒng)是場(chǎng)景繪制和管理的基礎(chǔ)。 地面坐標(biāo)系 主要用于繪制地形時(shí)確定大地的位置坐標(biāo)，它是與地球固連的坐標(biāo)系。地面坐標(biāo)系原點(diǎn) A 固定在地面的某點(diǎn)，鉛垂軸 AYd 向上為正，橫軸AXd 與縱軸 AZd 為水平面內(nèi)互相垂直的兩軸。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 22 地面坐標(biāo)系 機(jī)體坐標(biāo)系主要用來(lái)描 述飛機(jī)飛行姿態(tài)角以及實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的跟蹤視角。立軸 OYt 也在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)并垂直于 OZt，指向座艙蓋為正 。本文將飛機(jī)原點(diǎn)取在飛機(jī)質(zhì)心，而各軸平行于地面坐標(biāo)系的三個(gè)軸，這種機(jī)體坐標(biāo)系為飛機(jī)牽連地面坐標(biāo)系，如圖 所示。本文采用的是飛機(jī)跟蹤視角，即視點(diǎn)坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)原點(diǎn)固聯(lián)，即兩原點(diǎn)始終保持一段固定的距離，也即視點(diǎn)坐標(biāo)系隨機(jī)體坐標(biāo)系進(jìn)行移動(dòng)，機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)于視點(diǎn)坐標(biāo)系沒(méi)有位移運(yùn)動(dòng)，只有繞各軸的旋轉(zhuǎn) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 運(yùn)動(dòng)，因此在三維圖形仿真視窗中可以看見飛機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)變化，而地面坐標(biāo)系在 XOZ 平面內(nèi)有位移運(yùn)動(dòng)，仿真