基于三维动画的虚拟场景实现——动态实体的运动控制和特效毕业设计论文(编辑修改稿)

基于三维动画的虚拟场景实现——动态实体的运动控制和特效毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

交互。 利用沉浸功能，使用户暂时与现实环境隔离，投入到虚拟环境中，从而能更真实地注视数据。 VR 界面也可以给技术人员及创作人员提供真实数据，以便正确地创建虚拟 环境，这样有助于用户更快、更全面地分析理解数据。 因此， VR 技术从根本上改变了人与计算机系统的交互操作方式。 虚拟现实技术的应用 VR【 2】 可以应用在商业上，创建虚拟商店、虚拟房地产漫游、建筑物可视化、 本科毕业设计论文 4 虚拟旅游景点漫游、虚拟博物馆等。 例如日本就出现了可以帮助顾客买房、购房的虚拟现实服务，在日本松下公司的“虚拟厨房”里，顾客可以把自己想买的设备和餐具安置在厨房的相应地方，看看是否合适，虽然认识到这一切都是虚拟的，但还是会被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就会全身心的投入进去，并且最终买走了自己称心的商 品。 虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段，目前己被广泛应用在军事教学、体育训练和医学实习中，对于第一次走上手术台的医生来说，通过虚拟现实技术的帮助，他们可以在显示器上一遍一遍的模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案，这种模拟器显示的人体结构可以达到乱真的程度。 在航天领域， VR 技术也大有用武之地。 例如，失重是航天技术中的一个必须克服的困难，因为在失重情况下物体的运动难以预测，因此为了在太空中进行精确的操作，需要进行长时间的仿真训练，以适应失重时操作的特点。 VR技术就是实现该操作的合适的选择。 再如， 美国宇航局 Ames 研究中心的科学家将探索的火星数据进行处理后，得到了火星的虚拟现实图像，研究人员可以看到全方位的火星表面景象 :高山、平川、河流、以及纵横的沟壑里被风化的斑斑的巨石， 都显得十分清晰逼真，而且不论你从哪个方向看这些图，视野中的景象都会随着你的头的转动而改变，就好像真的置身于火星上漫游。 虚拟 场景 仿真技术的发展和国内外研究现状 虚拟 场景 仿真技术的发展 随着计算机与计算机图形学技术的发展，仿真从最早的数字仿真，发展到了今天的可视化仿真、多媒体仿真与虚拟现实仿真。 虚拟现实技术是在综合 计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科技术的基础上发展起来的，是九十年代计算机领域的最新技术之一。 它以仿真的形式给用户创造一个反映实体对象变化与相互作用的三维图形环境，通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，使人可以“进入”这种虚拟的环境直接观察事物的内在变化，并与事物发生相互作用，给人一种“身临其境”的真实感。 可视化仿真技术的目标是把由数值计算或实验获得的大量数据按照其自身 本科毕业设计论文 5 的物理背景进行有机地结合，用图像的方式来展示数据所表现的内容和相互关系，便于把握过程的整体演进，发现其内在规律 ，丰富科学研究的途径，缩短研究周期。 可视化仿真就是将数据结果转换为图形或动画形式，使仿真结果可视化并具有直观性 【 3】。 多媒体仿真技术是指计算机综合处理各种媒体信息，包括文字、图形、动画、图像、声音、视频等，在各种信息间建立逻辑连接，并集成一个有交互功能的多媒体系统。 多媒体的本质不仅是信息的集成，而且也是设备和软件的集成，并通过逻辑连接形成一个有机整体，又可实现交互控制，所以说数字化、集成性和交互性是多媒体的核心 【 4】。 虚拟现实技术是指计算机产生的三维交互环境，在使用中，用户是“投入”到这个环境中去，让用 户在人工合成的环境 中 获得“进入角色”的休验。 虚拟现实技术的主要内容是 :实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高分辨显示技术。 在“需求牵引”和“技术推动”下，近年来虚拟现实已经取得的一些技术成果，并已集成了一些很有实用前景的应用系统，而且智能虚拟世界也在不断地发展。 虚拟 场景 仿真技术的国内外研究现状 美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 美国宇航局 (NASA)研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。 华盛顿大学华盛顿技术中心 的人机界面技术实验室 (HIT Lab)进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。 Dave Sims 等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。 乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。 美国 WrightPatterson 空军基地的“ 3D 图像和计算机图形实验室”是在 SGI4D/400 工作站上建立了空间卫星的虚拟环境来仿真近地空间和描述 3D 图形卫星模型环绕地球轨道的运行状态，使得仿真者对仿真对象信息 的把握更加充分 【 5】。 德国 Damastadt 的 Fraunhofe。 计算机图形学研究所开发一种名 为“虚拟设计”的组合工具，可使得图像伴随声音实时显示。 德国国家数学与计算机研究中心 (GMD)专门成立了一个部门，研究虚拟现实表演，冲突检测，装订在箱子中的物体的移动，高速变换以及运动控制。 英国的 Bristol 有限公司发现虚拟现实应 本科毕业设计论文 6 用的焦点应该集中在软件与整体综合技术上，该公司将 VIZ 分成三大类别 :实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境显示。 日本是当前虚拟 场景 仿真技术的研究与开发领先的国家之一，主要致力于建立大规模虚拟现实知识库的研究。 另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。 东京技术学院精密和智能实验室 研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。 东京大学的广獭研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，现在己经有了 4项成果 :一个类似 CAVE 的系统、用 HMD 在建筑群中漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器。 我国和一些发达国家相比在该领域还有一定的差距。 我国的九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把虚拟环境仿真列入了研究项目。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的单位之一，他们着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理。 在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算 法及实现方法。 实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 浙江大学CADamp。 CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。 中视典数字科技有限公司从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开 发也都取的不错的效果，成功开发出拥有自主知识产权的虚拟场景浏览器软件VRPlatform。 问题的提出 当前，虚拟现实 (VR)技术已在欧美、台湾等地区广泛使用，并己广泛应用于城市规划、旅游、产品、房地产、服装展示、展览等领域。 但在国内规划领域目前却应用不多，这是因为 : ，三维数据模型需求量太大，这就使得三维建模 本科毕业设计论文 7 与数据处理的工作量太大。 ，这就大大降低了模型的三维表现效果。 三 维软件主要 擅长 对 三维模型 的建立 ，而没有将各种三维建模与虚拟 场景 仿真等高新技术手段结合在一起的直观展示的软件。 基于以上考虑，提出了研究“ 基于 OpenGL 的虚拟 场景 仿真平台”的开发。 研究如何利用当前最新的三维建模与虚拟 场景 仿真技术，实现虚拟环境的管理、维护和虚拟场景的逼真显示等功能，提供实现对对象的管理，如真实感图形显示、三维场景管理、声音管理、地形调度等，实现对对象的交互以及实时对象维护等虚拟 场景 仿真平台程序所需的多项功能，以适应对不同人群的应用需求。 本文研究的是一个虚拟现实与计算机图形学技术结合的飞机飞行动画。 文中根据一定的飞机运动 规律模拟特定飞行器的运动， 可以进行手动控制飞机的飞行， 三维场景绘制主要用来显示飞行器飞行的画面，根据计算机图形学的一些算法实时绘制飞行场面。 当然，一个高性能、逼真的实时三维动画生成系统需要处理大量计算，这就需要使用高速计算机，或者有多台计算机和专用硬件运算电路等构成的并行处理系统。 考虑到目前的投资能力和技术可行性，日前系统的硬件平台为 AMD Athlon ，内存 DDR1G，显示器为 功能强大的 Windows XP，编程环境可视化的面向对象的编程语言 Microsoft Visual C++ 和强大的三维软件包 OpenGL。 本科毕业设计论文 8 第 2 章 虚拟 场景 仿真 软件 的系统 设计 思想 虚拟 场景 仿真软件系统的整体结构 本文设计的 虚拟 场景 仿真软件主要包括 :模型系统、 坐标系统、背景系统、特效系统和控制系统等。 每 个系统又由 一个或 多个功能模块组成，整体结构如图 所示。 图 虚拟场景仿真软件的 整体 结构 模型系统 进行 飞行 仿真 首先是要绘制一个外型精细的飞机模型，而绘制飞机模型 的方法很多，即可以利用 OpenGL 图形库中的点、线、多边形结合的方法来绘制，也虚虚拟场景仿真软件 坐标系统 背景系统 特效系统 控制系统 机场 和跑道 天空和 太阳 机体坐标系 视点坐标系 雾化效果 光 照效果 键盘控制 地面坐标系 模型系统 飞机三维模型 本科毕业设计论文 9 可以采用一些专业的三维建模软件进行绘制。 由于使用 OpenGL 程序构建飞机模型外观上比较粗糙，建模时的直观性较差，建模后必须通过程序的运行才能看到效果，这样在建模的过程中不得不反复的运行程序来看模型图像，将会有许多时间浪费在反复运行程序上，而且修改模型时的效率较低。 同时在 OpenGL 中并没有提供建模的高级命令，因此建模过程比较繁琐，编程量较大。 而利用一些专业的三维建模软件建模时不仅不需要编程而且可以很直观的构造模型，模型的外观也更为 精细。 考虑各种软件的实际应用领域及各自的优缺点，再结合本课题的设计要求，最终决定采用专业建模软件 3DS MAX 来建立 虚拟场景 仿真系统的飞机模型。 飞机模型是 虚拟场景 仿真系统中的主体，它绘制的越精细，外形和真正的飞机实体越接近，就越能给人以更加逼真的视觉效果。 因此建立飞机模型是进行 虚拟场景 仿真软件设计的第一步，也是构成飞行仿真系统的必不可少的一部份。 坐标系统 虚拟 场景 仿真软件 中，坐标系统是场景绘制和管理的基础。 虚拟场景 仿真系统程序中包含三种坐标系 :地面坐标系、机体坐标系和视点坐标系。 地面坐标系 主要用于绘制地形时确定大地的位置坐标，它是与地球固连的坐标系。 除此之外，在描述飞机的质心位置和姿态角以及速度时，一般取该坐标系为参考标准。 地面坐标系原点 A 固定在地面的某点，铅垂轴 AYd 向上为正，横轴AXd 与纵轴 AZd 为水平面内互相垂直的两轴。 本文中取纵轴 AZd 为飞机的飞行航线，用 AZd = L 表示航程， AXd = Z 表示侧向偏离 (向右为正 )、 AYd = H表示飞行高度，地面坐标系如图。 本科毕业设计论文 10 图 22 地面坐标系 机体坐标系主要用来描 述飞机飞行姿态角以及实现飞机的跟踪视角。 机体坐标系是与飞机固连的坐标系，原点在飞机的重心上，纵轴 OZt 在飞机对称平面内，平行于翼弦，指向机头为正。 立轴 OYt 也在飞机对称平面内并垂直于 OZt，指向座舱盖为正。 横轴 OXt 与 YOZ 平面垂直，指向右翼为正。 本文将飞机原点取在飞机质心，而各轴平行于地面坐标系的三个轴，这种机体坐标系为飞机牵连地面坐标系，如图 所示。 图 机体坐标系 视点坐标系即摄像机坐标系， z 轴指向镜头方向， x轴和 Y轴分 别为摄像机的水平和垂直方向。 本文采用的是飞机跟踪视角，即视点坐标系与机体坐标系的两坐标原点固联，即两原点始终保持一段固定的距离，也即视点坐标系随机体坐标系进行移动，机体坐标系相对于视点坐标系没有位移运动，只有绕各轴的旋转 本科毕业设计论文 11 运动，因此在三维图形仿真视窗中可以看见飞机飞行时的姿态变化，而地面坐标系在 XOZ 平面内有位移运动，仿真程序中通过飞行场景的移动来体现飞机的飞行运动。 背景系统 开发 虚拟 场景 仿真软件 ，除了有外形精细的飞机模型以外，环境背景的模拟也是十分重要的，环境背景的绘制不仅会给人以身临其境的感觉 ，使仿真软件更加逼真，而目通过背景的移动能更好的体现飞机的飞行运动。 本文中的环境背景主要包括草地、山脉、机场、跑道、太阳、天空和水。 它们是构成飞机飞行运动三维图形仿真软件的基本场景。 设计中应用了 OpenGL 强大的渲染功能，如生成纹理，混合操作、纹理映射等，从而将各种环境背景高效的融合到一起，实现飞行仿真软件中环境背景的模拟。 特效系统 有了飞机模型，又有了环境背景的衬托，就已经具备了 虚拟 场景 仿真 的 基本条件，但是飞行仿真的效果可能还不尽人意，因为在自然界中，除了一些有表面体积的物体以外，还有一些没 有固定形体而又是自然界中固有的东西，比如空气、阳光和雾。 我们之所以能看到物体，能分辨出物。