【正文】 程序中通過飛行場景的移動(dòng)來體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。 本文中的環(huán)境背景主要包括草地、山脈、機(jī)場、跑道、太陽、天空和水。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了 OpenGL 強(qiáng)大的渲染功能，如生成紋理，混合操作、紋理映射等，從而將各種環(huán)境背景高效的融合到一起，實(shí)現(xiàn)飛行仿真軟件中環(huán)境背景的模擬。我們之所以能看到物體，能分辨出物體的形狀和顏色，其實(shí)就是因?yàn)橛泄獾拇嬖?，光照的重要性不僅僅是因?yàn)樗谷丝梢钥匆娢矬w，而且它和反光表面、顏色和各種其它的特殊視角效果一起使 三 維圖形更加具有真實(shí)感。 另外，向場景中添加霧，除了給人帶來真實(shí)的霧感 之外，它還可以模糊遠(yuǎn)處的物體，使它們隨著觀察者的靠近而逐漸的清晰起來。 控制系統(tǒng) 虛擬 場景 仿真軟件 的控制系統(tǒng)包括鍵盤控制。 虛擬 場景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程 本文開發(fā) 虛擬 場景 仿真軟件，其設(shè)計(jì)流程主要包含 三個(gè)步驟 : 第一步 :首先利用專業(yè)建模軟件 3DS MAX 來建立飛機(jī)模型。雖然 3DS MAX 建模方便，效果逼真，但是用 3DS MAX 制作的動(dòng)畫沒有交互性，無法實(shí)時(shí)控制，而OpenGL 的實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)大，因此需要將 3DS MAX 建立的飛機(jī)模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將新模型文件添加到仿真程序工程中。當(dāng)飛機(jī)模型能正常顯示時(shí)，再利用 OpenGL 中的強(qiáng)大繪制及渲染功能為飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真程序添加場景，結(jié)合 霧化、燈光等特效處理，使場景顯示效果 更加 逼真 。再 利用雙緩存技術(shù) (后臺(tái)緩存中執(zhí)行繪制指令，在前臺(tái)緩存中進(jìn)行圖像顯示 )在屏幕上顯示飛機(jī)飛行三維圖形仿真過程。 虛擬 場景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程如圖 所示。 Windows XP 操作系統(tǒng)是 PC平臺(tái)窗口環(huán)境事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， Windows XP 操作系統(tǒng)所提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)有以 下 幾種 : I/O 功能 。 。 仿真軟件開發(fā)環(huán)境的選擇 仿真軟件開發(fā)環(huán)境工具選定為 Microsoft 公司的 Microsoft Visual C++ Visual C++ 編譯 器具有很優(yōu)秀的兼容性，它不僅支持 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) C， C++而且還支持微軟的擴(kuò)展 C， C++，以及 Unix 的 C， C++，是 Windows 9X 上操作最方便，功能最強(qiáng)大的 C 和 C++編譯平臺(tái)。 MFC 是 Visual C++的核心，稱為“ 應(yīng)用程序框架”，它一方面封裝了Windows95 API，另一方面使用稱為“消息映射”的機(jī)制把 Windows 消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖以及 MFC 應(yīng)用程序的其他對(duì)象。 Visual C++ 還有以下特點(diǎn) : C++ 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) Visual C++ 開發(fā)環(huán)境 Developer Studio 是由 Win32 環(huán)境下運(yùn)行的一套集成開發(fā)工具所組成，包括文本編輯器 (Text Editor)資源編輯器 (Resource 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 Editor)項(xiàng)目建立工具 (Project Build Facilities)優(yōu)化編譯器 (Optimizing Compiler)增量連 接器 (Incremental Linker)源代 碼瀏覽 器 (Source Code Browser)集成調(diào)試器 (Integrated Debugger)等 。 Visual C++ 允許用戶建立強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序 :可以使用 ODBC 類(開放數(shù)據(jù)庫 )和高性能的 32 位 ODBC 驅(qū)動(dòng)程序來訪問各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)如Visual Foxpro 、 Access SQL Sever 等可以使用 DAO 類 (數(shù)據(jù) 訪問 對(duì)象 )通過編程語言來訪問和操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫對(duì)象與結(jié)構(gòu)。 Direct3D: Microsoft 推出的 DirectX 開發(fā)包中的 3D 圖形組件，是微軟公司于 1996 年 為 PC 開發(fā)的 API，與 Windows95， Windows NT 操作系統(tǒng) 的兼容性好，可以繞過圖形顯示接口 (GDI )直接進(jìn)行支持 API 的各種硬件的底層操作，大大提高游戲的運(yùn)行速度，是一系列高層與低層 API 的組合。 3D Glide:其主要是同 3D 顯卡 TNT 系列結(jié)合。但其可移植性比較差，況且只能用在 TNT系列顯卡上，所以應(yīng)用較少。 OpenGL是由 SGI 公司開發(fā)的 IRIS GL 演變而來的復(fù)雜的 3D 圖形設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。 OpenGL 提供一系列的三維圖形單元供開發(fā)者調(diào) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 用 。OpenGL 提供一系列的外部設(shè)備訪問函數(shù)，使開發(fā)者可以方便地訪問鼠標(biāo)、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了 OpenGL 的技術(shù)優(yōu)勢。 三維物體幾何建模技術(shù)和工具的選擇 建模是通過獲取真實(shí)環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，然后根據(jù)應(yīng)用的需要，利用這些數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的虛擬模型。本文中，主要涉及到對(duì)象物體的幾何建模。虛 擬物體的三維造型可以借助于特殊的軟件自動(dòng)生成模型。后來出現(xiàn)了仿真程序和特定的建模工具交互地建立，先使用傳統(tǒng)的 CAD 軟件 (如IDEAS， AutoCAD 或 3D Studio MAX)進(jìn)行繪制，然后導(dǎo)出為 ads 文件，最后將ads 文件轉(zhuǎn)換成 OpenGL 可用的顯示列表，在需要顯示時(shí)調(diào)用顯示列表即可經(jīng)過一定的圖形格式轉(zhuǎn)換調(diào)入到仿真環(huán)境中，形成仿真系統(tǒng)中的實(shí)體。這些不足促使了專業(yè)建模工具軟件的迅速發(fā)展，模型建造完畢后可直接調(diào)入程序使用，完成了仿真系統(tǒng)和建模工具的直接交互。 3D Studio 是 Autodesk 公司開發(fā)的一套用于微機(jī) 上 的制作動(dòng)畫及模型的應(yīng)用軟件。 MultiGen Creator 系列軟件是美國MuttigenParadigm 公司新一代實(shí)時(shí)仿真建模軟件，它在滿足實(shí)時(shí)性的前提下生成 而向仿真的、逼真性好的大而積場景。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 虛擬 場景 仿真 軟件 的總體概述 根據(jù)需求和上述的實(shí)施方案的選擇，虛擬 場景 仿真系統(tǒng)的主要功能是能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)入物體模型，并加以修改，增添周邊環(huán)境和特殊效果，營造出一個(gè)逼真的仿真場景，并配以一定的聲音效果，使觀察者沉浸在逼真的虛擬仿真 環(huán)境中。 虛擬 場景 仿真 軟件 的兩種工作方式 本系統(tǒng)采用 Visual C++ 作為仿真開發(fā)平臺(tái) DirectSound 作為音效設(shè)計(jì)引擎，結(jié)合 Creator 或者使用 OpenGL 作為三維引擎， 3D Max 三維建模軟件，綜合設(shè)計(jì)而成。不同的運(yùn)行模式有不同的程序流程。網(wǎng)絡(luò)接口線程獨(dú)立于主線程工作，它接收來自其它幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。主線程進(jìn)行數(shù) 據(jù)條件判斷 (即是否該仿真接點(diǎn)數(shù)據(jù)位都已具備 )。主線程進(jìn)行場景顯示。但是不能超過五個(gè)。 圖 單機(jī)模式下的場景顯示 如圖 ，進(jìn)行各個(gè)模型 (模塊 )的設(shè)置，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，來達(dá)到場景展示的一個(gè)功能。但它不是仿真技術(shù)與多媒體技 術(shù)的簡單結(jié)合，虛擬 場景 仿真技術(shù)是一個(gè)自成體系的研究領(lǐng)域，有其自己的技術(shù)內(nèi)涵。虛擬 場景 仿真對(duì)象模型之間具有分層的狀態(tài)和消息組合關(guān)系，若干基本對(duì)象模型 可以組裝 成更大 規(guī)模的組合 對(duì)像 模型 ，層次 化 的 虛擬 場景 仿真 對(duì)象 構(gòu)成了 系統(tǒng)的虛擬 場景 仿真模型。 方法 與表現(xiàn) 腳本 生成技術(shù) 仿真時(shí)空表現(xiàn)集中體現(xiàn)在腳本上，腳本模型是虛擬 場景 仿真表現(xiàn)的一種常用模型，它是多媒體仿真模型的有機(jī)組成部分，是聯(lián)系抽象時(shí)空和形象時(shí)空的橋梁和紐帶。虛擬 場景 仿真平臺(tái)中的地理景物必須與運(yùn)動(dòng)體的位置相匹配，并可容納仿真實(shí)體的布局和擺放。 在此需求下對(duì)虛擬 場景 仿真平臺(tái)系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行了分析論證，并確定了合適的方案。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 第 3 章 基于粒子系統(tǒng)的模糊景物的模擬 粒子系統(tǒng)的基本原理 粒子系統(tǒng)與傳統(tǒng)的圖形建模技術(shù)不同，物體由大量簡單的粒子構(gòu)成。粒子系統(tǒng)函數(shù)是迄今為止用于描述不規(guī)則物體 比較成功的函數(shù)之一，尤其是對(duì)邊界不明顯的模糊物體的模擬顯示有著獨(dú)特的優(yōu)越性。粒子系統(tǒng)充分體現(xiàn)了不規(guī)則模糊物體的運(yùn)動(dòng)性和隨機(jī)性，符合物體物理本質(zhì)，從而能很好地模擬火、云、水、森林和原野等自然景觀。 ，將所有到達(dá)生命周期的粒子刪去。 。 粒子系統(tǒng)中的粒子通常是簡單的幾何元素，例如點(diǎn)、線、平面上的四邊形等。為了提高粒子系統(tǒng)的效率，必須建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示粒子系統(tǒng)。 通過設(shè)定粒子的運(yùn)動(dòng)方式和屬性的動(dòng)態(tài)變化過程，可以模擬多種自然現(xiàn)象。采用粒子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈尾焰、飛機(jī)尾焰、爆炸現(xiàn)象、降雨、降雪等過程的仿真 。 圖 粒子系統(tǒng)示意圖 粒子系統(tǒng)隨機(jī)范圍的設(shè)置 上面對(duì)粒子系統(tǒng)作了簡單的介紹，指出粒子初始化是粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而粒子初始化需要加入隨機(jī)過程，其目的是在一定范圍內(nèi)使粒子具有隨機(jī)性，從而達(dá)到模擬真實(shí)現(xiàn)象的目的。這就需要將一個(gè)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)轉(zhuǎn)化到另外的范圍內(nèi)，具體而言，有如下數(shù)學(xué)描述 : Vx ∈ [al ， b1]，通過算子 T 的變換，使得 Tx ∈ [a2 ， b2]。 記 T2 ∈ B 則 :T2x = (x%c + d)/m， 適當(dāng)?shù)倪x取 c ， m就可以將 x ∈ [al ， b1]轉(zhuǎn)化為 T2x ∈ [a2 ， b2]。粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)也在于此，可以說設(shè)置好了粒子系統(tǒng)的初始屬性，粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就完成了一半。這需要對(duì)實(shí)際景物的本質(zhì)有深刻的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很好的經(jīng)驗(yàn)，這不屬于粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的范疇，己超出本文討論范圍，在此不進(jìn)行討論。粒子系統(tǒng)中每一個(gè)粒子元素都有各自的屬性，這種屬性取決于它的應(yīng)用。粒子系統(tǒng)元素的屬性定義 如下所示 : struct particle { float t。//粒子 運(yùn)動(dòng)的速度 float d。 //粒子的位置坐標(biāo) float xd， zd。 //粒子類型 (運(yùn)動(dòng)或淡化 ) float a。 }。在這里，把粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分成四部分 :【 8】 。 。 除死亡的粒子。 飛機(jī)尾焰仿真 飛 機(jī)尾焰的粒子系統(tǒng)模型 1. 飛機(jī)尾焰的定義 定義尾焰粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為實(shí)數(shù)域上的一個(gè) n維向量，如公式 (31)所示 : Rn={Pos， Spe， Aspe， Col， Lif ， Alp} (31) 它是組成尾焰的基本粒子， Rn 表示某一粒子的性質(zhì)和狀態(tài)，包括粒子的空間位置、運(yùn)動(dòng)速度、 加速度、顏色、壽命、淡化速度。 2. 尾焰粒子的初始化 模擬粒子產(chǎn)生時(shí)，主要問題是確定粒子產(chǎn)生時(shí)的速度和位置，粒子的初始速度按照公式 ( 32 )確定 : 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 V=Vm+Rand() Vv (32) 其中， V 為初始速度， Vm 為平均速度， Vv 為速度方差， 平均值和方差為事先給定的數(shù)， Rand()為在 [1， 1]上均勻分布的隨機(jī)函數(shù)，其中的平均速度以導(dǎo)彈飛行的速度為基礎(chǔ)，當(dāng)其速度變化時(shí)，粒子的速度也要發(fā)生相應(yīng)的變化。 3. 尾焰粒子運(yùn)動(dòng) 火焰在不同時(shí)刻的狀態(tài)由粒子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)決定，依照牛頓第二定律，粒子將產(chǎn)生一定的加速度，這里我們僅考慮風(fēng)力和重力，引入風(fēng)力加速度w(t)={x(t)， y(t)， z(t)}和重力加速度 g(t)={0， ， 0}。而對(duì)形態(tài)的控制是通過改變相應(yīng)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 4. 尾焰粒子的消亡 尾焰粒子的消亡有以下兩種情況 : 1) 生命到了盡頭而自然熄滅。 2) 粒子由于運(yùn)動(dòng)而超出了給定的邊界而中途天折。 用 OpenGL表現(xiàn)尾焰特效 建立粒子運(yùn)動(dòng)模型以后，雖然可以模擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是在視覺效果方面需要做很多的工作，同時(shí)需要解決 場景 仿真中的實(shí)時(shí)顯示問題。 1. 紋理映射和視線跟蹤技術(shù)的綜合 運(yùn)用 紋理映射是增強(qiáng)真實(shí)感的簡單有效的手段。雖然粒子在三維空間中運(yùn)行，其位置分布也是三維的，但是由于通常的紋理映射技術(shù)都是二維的，所以當(dāng)粒子或者視點(diǎn)在場景當(dāng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能由于相互角度的關(guān)系而發(fā)生失真現(xiàn)象，當(dāng)視線平行于紋理映射平面時(shí)，甚至完全看不到紋理的存在。這樣一來，不管尾焰或者視點(diǎn)如何移動(dòng)，粒子的渲染平面都與視線垂直，消除了由相對(duì)視角的變化引起的失真現(xiàn)象。 2. 利用顯示列表對(duì)粒子圖形進(jìn)行優(yōu)化 OpenGL 中為加快圖形的繪制速度專門提供了顯示列表的功能。按照粒子系統(tǒng)繪制流程，狀態(tài)刷新后的粒子將被逐一地映射到屏幕上，逐一對(duì)粒子進(jìn)行計(jì)算和映射是十分耗時(shí)的過程，因此使用顯示列表技術(shù)處理粒子，維護(hù)和控制系統(tǒng)中的粒子老 化和消隱過程，可以大大減少繪制時(shí)間。 3. 特殊效果的處理 經(jīng)過大量的模擬可知，導(dǎo)彈尾焰除了具有一般模糊景物的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性外，其特殊性是對(duì)色彩的模擬要求很高，尤其是尾部火焰的噴射效果，必須使尾部參差不齊，才能產(chǎn)生動(dòng)感。 融合就是指兩種圖案顏色的各分量依據(jù)一定的比例合二為一。 反走樣是將原 相鄰 階梯之間的像素顏色設(shè)置為過渡顏色或灰度，使得顏色或灰度過渡自然，變化柔和。 本文采 用融 合技 術(shù)對(duì) 色彩 和噴射 效果 進(jìn)行 優(yōu)化 ，使 用使 能函數(shù)glEnable( GL_BLEND)和融合函數(shù) glBlendFunc ((1， 1 ， 1， 1)， (l， 1， 1， 1))的功能以滿足尾焰的特殊要