测控技术与仪器 毕业论文范文——虚拟现实目标仿真设计

虚拟现实目标仿真设计摘 要本设计在介绍了虚拟现实仿真的背景、发展及意义后，在MATLAB理论的基础上，探讨了利用3D Studio MAX建造模型和MATLAB实现飞行目标仿真的具体工作内容。MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图象处理等学科的处理功能于一体,具有极高的编程效率。MATLAB是一个高度集成的系统,MATLAB提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，本设计着重介绍了Simulink软件的安装、应用、基本用法和通过Simulink控制虚拟现实工具箱中建立的飞碟模型的飞行轨迹实现仿真的过程。关键词：虚拟现实仿真，MATLAB，3D Studio MAX，Simulink。Virtual Reality Simulation design goalsAbstract The design presented in the context of virtual reality simulation, development and significance, in MATLAB theory on the basis of the use of 3D Studio MAX models and MATLAB construction flight simulation target the specific content. MATLAB is a science and engineering calculations for the high-level language, which sets scientific computing, automatic control and signal processing, neural networks and image processing, and other disciplines processing functions in one, is highly efficient programming. MATLAB is a highly integrated system, MATLAB provided to the Simulink is a dynamic system modeling, simulation and analysis software package, the design focuses on the Simulink software installation, application, basic usage and adoption of virtual reality control Simulink Toolbox in the establishment of the flying saucer model simulation of the flight path to achieve the process. Key words: virtual reality simulation, MATLAB, 3D Studio MAX, Simulink.1 绪论1.1 虚拟现实仿真的意义虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用1。因此，将虚拟现实技术应用于军事训练仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面：1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。因此利用VR作为工具设计出相应具有立体感、逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试者处于其中，仿佛置身于真实的训练场上，就能达到理想客观的实验效果。2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。3.节省研究经费。改用真实的训练系统进行相应的试验研究耗资大，重复利用率低，弹药爆炸时的污染大。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。4利用虚拟现实技术模拟训练过程已成为培训训练的一种安全的高科技方法2。在进行自动控制系统分析、综合与设计的过程中，人们除了运用理论知识对系统进行理论上的分析计算以外，常常要对系统的特性进行实验研究。这种研究一般分两种:一种是在实际系统上进行 (原型实验)，另 一种则是在模型上进行 (模型实验)。模型实验一般又分为物理模型实验和数学模型实验。随着控制系统理论与研究的不断发展，许多控制系统变得越来越复杂，利用物理模型实验来进行仿真研究变得更加困难3。近年来，随着计算机技术、数值计算方法和控制理论的不断发展，使得复杂控制系统的数学模型实验(数字仿真实验)成为可能 它将实际系统的运动规律用数学形式表达出来，然后用计算机进行描述，这样用同一套仿真设备可以对物理性质截然不同的许多控制系统进行仿真研究，而且进行一次仿真研究的准备工作主要是系统分析和准备计算程序;与在实际物理模型中进行仿真相比，这种方法的工作量小、周期短、费用低。依照观察问题的角度和选择的分类标准不同，可以将仿真分成多种类型。如果按仿真时间与实际时间的比例关系来进行分类，可分为实时仿真 (仿真时间标尺等于自然时间标尺)、超实时仿真 (仿真时间标尺大于自然时间标尺)、亚实时仿真 (仿真时间标尺小于自然时间标尺)。其中，实时仿真中又存在一个重要分支，那就是“半实物仿真”。其中，实时仿真要求仿真时系统的响应速度与实际系统的响应速度一致，即仿真试验时的时间标尺与实际时间标尺t之间的/t一1 4。所谓“半实物仿真”，是指在仿真实验系统的仿真回路中介入部分实物的实时仿真。“半实物仿真”这一称谓是国内仿真界对这 一类仿真方法和相应的仿真系统的一种通俗而习惯的称呼，其准确的含义是:Hardware in the Loop Simulation (HILS)，即回路中含有实物的仿真Pnl实时性是HILS的必要前提。1.2 虚拟现实的特征现在人们常引用了泊第亚(G. Burden)在虚拟现实系统和它的应用一文中提出的“虚拟现实技术三角形”来说明虚拟现实系统的3个基木特征，也称为虚拟现实3要素，它们分别是沉浸是（immersion）、交互(interaction)和构想(imagination ) 5，如图1.1所示。图 1.1 虚拟现实系统的基本特性1.3 虚拟现实的组成(1)硬件平台 由于虚拟世界本身的复杂性(如大面积区域场景的立体显示等)及计算实时性的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对中心计算机的配置提出了极大的要求。目前，国外的VR系统一般配备有SGI或SUN工作站;大型的虚拟现实系统采用的是计算机并行处理系统。这些超级计算机虽然性能超群，但是价格非常昂贵，入门级的系统往往也要数十万美金以上。伟景行科技新近推出的高性能专业图形集群系统，性能达到甚至超过国外同类产品，但价格更能适应国内各类用户的预算要求。(2)软件系统 虚拟现实的软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早，在军事领域战场模拟、飞行仿真以及飞机、汽车制造等工程需求的支持下，培育出一些大型的VR开发及演示软件6。(3)输入和输出设备 虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性(interaction)为了实现人机之间充分交换信息，必须设计特殊输入工具和演示设备，以识别人的各种输入命令，且提供相应反馈信息，实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括: a、头盔式显示器和跟踪器 b、数据传感手套c、大屏幕立体显示系统d、三维虚拟立体声音生成装置71.4 仿真应进行的工作对一般仿真过程，有以卜五个步骤:(1)写出实际系统的数学模型;(一次模型)(2)将它转变成在计算机下进行运转的仿真模型;(二次模型)(3)编出仿真程序;(4)进行仿真实验;(5)分析仿真结果，对仿真模型进行修正。对于一般控制系统，对其进行分析研究时，要用到多种分析方法，同时对其控制部分的选择要根据实际系统的要求进行设计。对照上述五个步骤，如果全部由设计人员用通用语言如:Fortran, Basic. Ada, Pascal等来进行二次建模并进行分析设计，即使对熟练的计算机编程人员来说，也将是 项非常艰巨的工作。与此同时，随着控制理论和控制系统的迅速发展，对控制效果的要求越来越高，控制算法也越来越复杂，因而控制器的设计也越来越困难。于是自然地出现了控制系统的计算机辅助设计技术(Computer-Aided ControlSystem Design,简称CACSD技术)。控制系统计算机辅助设计可以将控制系统分析设计人员从繁重的编程任务中解脱出来，而将精力集中到控制系统的分析、设计当中去，从而极大地提高控制系统分析设计的效率。针对实时仿真而言，我们在编制仿真程序的时候，还必须考虑如何保证仿真试验时的时间标尺a与实际时间标尺t 一致。1.5 用MATLAB实现实时仿真控制系统计算机辅助设计从成为一门独立的学科以来，至今已经有20多年的历史，在其发展过程中出现了各种各样的实用工具和理论成果。MATLAB语言的出现，反映了当今CACSD领域的最新成果。它不但对 CACSD算法的研究，而且对其它 CACSD软件环境的开发起到了巨大的推动作用，它己经成为并将继续成为国际控制界应用最广的语言和工具之一。国外现有的很多控制系统分析设计工具软件提供了对MATLAB的支持。MATLAB是一个功能相当强大的工具软件。同时也是一个开放性的系统。由于它给用户提供了开放的接口，使得用户利用这些接口实现实时仿真成为可能，MATLAB5.x新增加的Real-Time Workshop和Real-Time Windows Target工具，也为将MATLAB用于实时仿真提供了帮助。1.6 国内外发展现状虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上的终极的显示报告，而Virtual Reality一词是80年代初美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier提出来的。VR系统在若干领域的成功应用，导致了它在90年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。 总的来说，实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的3个主要方面。实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术：（1）基本模型构建技术。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）等等。（2）空间跟踪技术。主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。（3）声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。（4）视觉跟踪与视点感应技术。使用从视频摄像机到X-Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。然而，不能把虚拟现实和模拟仿真混淆，两者是有一定区别的。概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。 更不要把虚拟现实技术与现有仿真混淆，不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。因此，针对训练仿真技术的特点，建立虚拟系统，不但设备相对简单、投资少，而且可以真实地模拟空间效应，进而可作训练器，所以它是今后研究中值得推广和应用的技术。从整体水平看，国内在VR研究方面刚刚起步，与国外相比，存在很大差距3。为此，我们应充分跟踪美国航宇局和欧洲宇航局在载人航天仿真研究中的VR动态，在可行的基础上建立一套虚拟现实仿真系统。另外，在设计视景软件时，应与国际仿真软件的发展趋势接轨。VR系统毕竟是一种虚拟化的事物,不同于真实世界。因此,如何平衡被试的心理负荷,避免操作失误以及焦虑、紧张等状态，让其将VR 技术真正作为一项实用的研究工具，提高工作效率，摆脱不必要的心理负担，这也是仿真虚拟现实技术应用中必不可少的一门课题。建立仿真用虚拟现实系统，主要的硬件如图像生成计算机和外部显示器等，由于技术发展速度很快，估计用不了几年时间它们的性能就难以满足研究要求了。为此我们应重点研究人-虚拟世界之间高速交互作用等问题。从某种意义上讲，我国才是VR的发源地，早在战国时期，墨子.鲁问篇中就记载着“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”，其原材料是极薄的木片或竹片。后来人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。模拟飞行动物发明的有声风筝，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。后来该技术传到西方，利用风筝的原理才发明了飞机8。但我国对VR技术的正式研究起步却很晚，大概在20世纪90年代初，发展到现在已初步取得了成果，和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，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VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。我们国内的一些院校和科研单位，陆续开展了VR技术的研究，而且可喜的是，已经实现或正在研制的虚拟现实系统也有不少。像北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境；浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法；另外，西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、上海交通大学等单位也进行了不同领域、不同方面的VR技术研究工作，并取得了一批研究成果。北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室在国家863计划支持下，作为集成单位，与国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台，英文缩写为DVENET。DVENET由一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据（如三维逼真地形）组成。基于DVENET，一个分布式虚拟战场环境被成功开发出来。目前，应用DVENET，可以实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练。参演人员（即用户）可以通过不同的交互方式控制真实的或虚拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行异地协同与对抗战术演练。总体上说，DVENET的技术水平已接近美国的STOW9。美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中以下几个方面：美国宇航局（NASA）的Ames实验室完善了HMD，他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASA的Ames现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”（Virtual Explorer）利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。麻省理工学院（MIT）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。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。在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性，包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动的地形以及仿真流体的相互影响等特性。但该系统有一些缺陷，例如：当船行进时不能显示出水的不同波浪曲线；不能用于任何精确的工程用途等。在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR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。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。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，称为SPINAR（Space Interface Device for Artificial Reality）的系统。NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用代用手去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。京都的先进电子通信研究所（ATR）系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。该系统将提供一个更加自然的接口，而不需要操作者带上任何特殊的设备。日本国际工业和商业部的工业科学和技术代办处经营的产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。他们把这种装置应用于一个虚拟现实的“游戏棒”中。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。东京大学的原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。东京大学的广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。现在他们已经有了4项成果：一个类似CAVE的系统、用HIMD在建筑群中漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器。筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器：开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿上全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚10。富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟生物与VR环境的相互用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension International，Division Ltd,Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要从事VR产品销售）。WIndustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机构，正在开发一系列VR产品,主要是娱乐业方面的。尽管用于其产品的基本技术与其他研究机构的技术类似，但该公司和它的投资者们已经在技术的包装和市场化上投入了大量资金（1992年投资超过 1100万美元），以确保能在早期的VR市场上赚钱，它的许多产品已进入商店和模拟游戏中心，有的还用于广告制作。该公司新近推出了虚拟100CS产品，这是一种通过联网可供多人参与的凭真功夫打斗的虚拟游戏系统，并且己经在诺丁汉的娱乐场所（LBE-location based entertainment）联接了四个这样的结点，LBE概念得到WIndustries公司的全面支持，该公司出版了一本介绍如何开始你自己的VR商店的小册子。这本小册子用样品现金流图给出了详细账目，以指导那些热心的未来经理和投资者，这本小册子甚至建议为感兴趣的公司提供地方法人。个人俱乐部和公共场所还可以向公司租用WIndustries的系统 价格是每晚2000-3000英磅。WIndustries一直试图扩展其产品的范围和结构，以便进入工业设计和可视化等重要应用领域，并且正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎（graphics engine）。British Aerospace（BAe）的许多区县参与了VR，其中最有成效的是Brough分部的工作。在Roy kalawsky教授领导下，Brough分部正在利用VR技术设计高级战斗机座舱，BAe开发的大项目VECTA（virtual environment configurable training aid）是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE（real and virtual environment）就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的，已在1992年的Farnborough航空展示会上进行了首次演示。Roy Kalowsky教授是英国从事VR的第一位教授，是Hull大学的客座教授，他也是英国主张在VR应用中强调人性因素重要性的学者之一。第一个广泛宣传的教育VR工程将在Newcastle-Upon-Type的WestDenton中学建立，以Dimension International的技术为基础，初步决定使用Dimension的VR软件包。该校正在探索用VR进行外语教学和工业安全培训的方法。近期在教育和学术方面的进展还有诺丁汉大学的VlRART（Virtual Reality Application Research Team）项目，其目标在于探索桌面VR可用的输入设备。将特别考察这些输入设备的应用，了解现有交互设备新的可能应用，以及有关的人类工程因素和技术限制。例如VIRART的目标之一是改进现有VR手套和服装系统，以便能用于Dimension的VR，然后用它控制和操纵虚拟环境中现有的人模型（man-model），让它在虚拟原型设计中模拟人的运动或者通过自然手势来操纵虚拟环境。另一目标是开发一种造价不高但能记录所有手关节角度的新型手套系统，以使桌面VR系统中的人模型能够逼真地模拟手指和手掌的运动。VIRART小组正在和学校紧密合作，把桌面VR技术用于教育学习有困难和身体严重残疾的孩子11。2 虚拟现实目标仿真设计方案虚拟环境简介：在射手虚拟现实训练系统中的目标屏上要模拟射击环境并生成运动的飞碟，供射手进行瞄准射击训练，当射手扣动扳机时由跟踪到的弹着点判断是否击中飞碟，若击中则飞碟被炸开，否则继续飞行。飞行目标的速度和位置可通过软件进行控制，环境也可更换，安全可靠、成本低。三维射击环境为射手提供仿真训练环境，可提高射手反应速度和瞄准能力。飞碟模型数据参考：飞碟多向射击时，碟靶飞行最远距离为75米，飞行时间4至5秒，散弹最佳命中距离在35米以内。因此，射手必须在碟靶飞出靶壕15至20米内完成击发，也就是说要求射手必须在0.4至0.6秒内完成运枪、瞄准、击发一系列动作，其动作之迅速、反应之快是可想而知的。碟靶在一定范围内向不同方向(包括不同角度和高度)飞行。靶壕内装有15台抛靶机，每3台为一组，分别有3个抛靶方向。碟靶的飞行高度可在1.5至3.5之间变化，规则中有9个抛靶方案供比赛使用，每一个方案的抛射角度和高度都不一样。2.1 3D Studio MAX 建模造型2.1.1 3D Studio MAX介绍3D Studio MAX是Kinetix公司推出的一套强大的三维建模软件，由于它是基于Win NT或WinXP平台的，方便易学又因其相对低廉的价格优势，所以成为目前个人PC上最为流行的三维建模软件。随着新版本的不断推出，更是巩固了它在个人PC平台上的地位。与其他的同类软件相比较，它具有以下的优点27：(1) 提供了强大的建模功能3D Studio MAX具有各种方便、快捷、高效的建模方式与工具。提供了多边形建模、放样、表面建模工具，NURBS等方便有效的建模手段，使建模工作轻松有趣。(2) 性价比高3D Studio MAX有非常好的性能价格比，它能提供的强大功能远远超过了它自身低廉的价格，一般的制作公司可以承受，这样就可以使项目的制作成本大大降低，而且它对硬件系统的要求相对来说也很低，一般普通的配制就可以满足需要。(3) 入门容易、学习简单3D Studio MAX的制作流程十分简洁高效、易学易用、操作简便、非常人性的工作界面可随意定制，各种工具也方便易用。(4) 使用者多、便于交流与应用3D Studio MAX在国内拥有最多的使用者，便于交流，教程也很多，特别是在互联网上，关于3DS MAX的论坛也很多。同时也正是由于有广泛的用户群，在虚拟现实建模时，相关3DS MAX的插件非常多，使用3DS MAX来进行虚拟现实建模也很多，如在5.0以上的版本中提供VRML97文件格式的导出，Cult3D的*. c3d文件及Virtools的*.nmo文件格式等，大大提高了文件的共享。(5) 工作流模式工作流模式使得工作组的协调更容易，效率更高。3DS MAX引入了工作流模式，在具体的实现上从外部参考体系、示意视图(Schematic View)的引入以及现在3DS MAX可以使用其他程序从外部加以控制，而不必激活它的工作界面。 (6) 易用性的改进操作界面的改进是新版本的最显著的变化，除了外观的变化之外，新版本还增加了诸如用户自定义界面、宏记录、插件代码、变换Gizmo、轨迹条等功能，同时还具有友好的艺术性界面及完全的用户定制。(7) 渲染的改进Autodesk公司在收购了以渲染和视频技术闻名的Discreet Logic公司后，吸收了该公司的先进技术，3DS MAX对其渲染器几乎做了重新设计，不断连接并集成高级渲染器，比如Mental Ray, Rendenman和LightScape，不仅增加了渲染的速度，而且能产生更好的渲染效果(如全景照明、聚焦及分布式渲染)。(8) 建模技术的增强建模技术的增强是3DS MAX最重要、最突出的改进，这也是在虚拟现实系统构建中应用它的一个有力的原因。主要的改进包括： 细分曲面技术(Subdivision Surface)。3DS MAX包含细分曲面技术，细分曲面技术是近几年以来业界最流行的建模技术，大有赶超NURBS技术之势，它可以使模型建立更容易，而且效果更好。 曲面工具和改进的NURBS技术。使用曲面工具可以产生很复杂的“面片”模型，这亦是一种重要的建模方法，新版本中的NURBS技术不但速度加快，而且增加了一系列方便、容易的功能。 新增加的多边形几何建模、新的角色装配等功能。3DX MAX不但改进了原有灯光的效果，还增加了线光源、面光源。灯光不但更好地支持光线跟踪，而且支持高级的辐射度，从而很容易创建好的灯光效果。(9) 显著增强了动画功能。内置了制作角色动画的功能，拥有大量第三方的内置程序。Discreet开发的Character Studio是一个提供高级角色动画及群组动画的理想扩展方案。3DS MAX同时与discreet最新3D合成软件Combustion完美结合，从而提供了理想的视觉效果、动画及3D合成方案。(10)在骨骼IK系统中，它可以轻易地控制角色骨骼的运动，并非常简单地将皮肤赋予骨骼。(11)在视口显示上，3DS MAX支持最新的Direct3D，可以实时地显示对象的贴图、透明、凹凸、反射及折射效果。 下面介绍3DS MAX在VR系统构建过程中的应用。如前所述，VR系统要求实时动态逼真地模拟环境，考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求，VR系统的建模与以造型为主的动画建模方法有着显著的不同，VR的建模大都采用模型分割、纹理映射等技术。目前VR中的虚拟场景的构造主要有以下途径：基于模型的方法和IBR(基于图像的绘制)方法两种。这两种方法都可以在3D MAX中构造场景。 3DS MAX的几何建模方法主要有多边形(Polygon)建模、非均匀有理B样条曲线建模(NURBS )、细分曲面技术建模(Subdivision Surface)。通常建立一个模型可以分别通过几种方法得到，但有优劣、繁简之分28。有了以上3DS MAX建模方法的认识，就可以为虚拟现实系统制作相应模型了，根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径，多快好省地完成虚拟现实作品的制作。在虚拟现实作品制作的时候应当遵循一个原则：在能够保证视觉效果的前提下，尽量采用比较简单的模型，而且若能够用参数化方法构建的对象尽量用参数化方法构建，同时在模型创作过程中，对模型进行分割，分别建模，以利于在虚拟现实系统中进行操作和考察。对于复杂对象的运动或原理演示，可以预先将对象的运动和说明做成动画存为AVI文件，然后等待VR系统合适的触发事件，播放该AVI文件即可29。建模流程图如图2.1所示：真实场景（或设计图纸）三维建模驱动引擎虚拟实景空间用户接口操作者交互漫游实时控制场景数据库优化调度交互漫游图2.1 建模方法流程图2.1.2三维模型演示根据虚拟环境的场景需要,利用3DS MAX建立如下模型,如图2.2所示，能清楚的看到各角度视图包括顶视图、左试图、右试图和全视图。图2.3所示的是顶视图，可看见所添加的三个灯光和一个摄影机。图2.4所示的是左视图，可以看见那条倾斜的白线就是所做的天空背景，选择的是蓝色的天空背景。图2.5所示的是前视图。图 2.2模型四视图图 2.3模型顶视图图 2.4模型左视图图 2.5 模型前视图在这里对上面的几张截图进行说明，如何为场景中设置灯光效果。首先在右侧命令面板上单击create/lights钮，在其下的命令面板上单击omni钮，在top视图中创建一盏泛光灯。如图2.5所示，里面黄色的为灯光，加了3个灯光后，为的是渲染后的场景明亮、绚丽。在命令面板上单击create/cameras项，单击命令面板上的target钮，在左视图中创建一架摄影机，在几个视图中分别调整它的位置，激活透视图，按下键盘上的c键，将透视图切换为摄影机视图，如图2.5所示，里面的蓝色部分是摄影机，有了摄影机可以使画好的物体固定,另外提供一个视觉角度。图 2.6 模型全视图如图2.6所示的是全视图，可看见一个没有渲染的场景，里面包括正在飞行的飞碟。2.1.3 渲染过程说明做好场景和编辑好运动轨迹后进行渲染30。渲染，英文为Render,也有的把它称为着色，但一般把Shade称为着色，把Render称为渲染。Shade视窗，提供了非常直观、实时的表面基本着色效果，根据硬件的能力，还能显示出纹理贴图、光源影响甚至阴影效果，但这一切都是粗糙的，特别是在没有硬件支持的情况下，它的显示甚至会是无理无序的。Render效果就不同了，它是基于一套完整的程序计算出来的，硬件对它的影响只是一个速度问题，而不会改变渲染的结果，影响结果的是看它是基于什么程序渲染的，比如是光影追踪还是光能传递。渲染的基本过程分以下几步：首先，必须定位三维场景中的摄像机，这和真实的摄影是一样的。一般来说，三维软件已经提供了四个默认的摄像机，那就是软件中四个主要的窗口，分为顶视图、正视图、侧视图和透视图。大多数时候渲染的是透视图而不是其他视图，透视图的摄像机基本遵循真实摄像机的原理，所以看到的结果才会和真实的三维世界一样，具备立体感。接下来为了体现空间感，渲染程序要做一些“特殊”的工作，就是决定哪些物体在前面、哪些物体在后面和那些物体被遮挡等。空间感仅通过物体的遮挡关系是不能完美再现的，很多初学三维的人只注意立体感的塑造而忽略了空间感。要知道空间感和光源的衰减、环境雾、景深效果都是有着密切联系的。渲染程序通过摄像机获取了需要渲染的范围之后，就要计算光源对物体的影响，这和真实世界的情况又是一样的。此后渲染程序还要根据物体的材质来计算物体表面的颜色，材质的类型不同，属性不同，纹理不同都会产生各种不同的效果。而且，这个结果不是独立存在的，它必须和前面所说的光源结合起来。如果场景中有粒子系统，比如火焰、烟雾等，渲染程序都要加以“考虑”。 虚拟场景中加入灯光会加大计算的数据量和复杂性，为了使三维模型实时渲染时更逼真，可以使用直射光和环境光分别处理和尽量提前计算的数学算法31。点击渲染或是点击工具栏里的蓝色的茶壶图标，就会出现渲染场景的设置，这里只需要对保存路径和文件的大小进行设置，尤其注意的是时间输出，要把时间输出改为单帧且帧数设为1。图 2.7 渲染工具栏图 2.8 渲染设置 图 2.9 渲染设置 图 2.10 文件保存路径如图2.9点击文件就会出现图2.10所示的对话框，这样就可以根据需要保存所需要的文件了。渲染后的效果图如2.11和2.12所示： 图 2.11 渲染后全视图2.12 渲染后顶视图2.1.4 添加爆炸声音 当主体可以看到画面有反馈时会表现更好，可以根据反馈进行预测并调整下一步的反应32。当飞碟被击中时会被炸为两块，为更加形象生动，需要添加爆炸声音，具体操作步骤如下所示：图 2.13 添加声音 图 2.14 添加移除声音选择 图 2.15 选择需要添加的声音图 2.16 打开声音选项如图2.16所示选择需要的声音explo.wav，这样能更加逼真的来反映虚拟世界，缩小与现实世界的距离。最后将对象的运动和说明做成动画存为AVI文件，可在播放器中打开进行演示。还可将3D Studio MAX中做好的模型进行封装倒入Creator、VC程序中等，具有丰富的接口。仿真效果能很好的表现题目的要求，仿真的轨迹可以根据需要适当修改，速度快慢可以自由控制。2.1.5 本章小结本章介绍了3D Studio MAX软件，并按模型建立步骤介绍了各步操作，最后演示了效果图。为射手虚拟现实训练系统建立了初步的模型，并可在以后的设计中使用。这种方案能很好的表现题目的要求，很成功，仿真的轨迹可以根据需要适当修改，速度快慢可以自由控制。2.2 MATLAB实现飞行目标仿真2.2.1 MATLAB软件概述MATLAB产品家族是美国MathWorks公司开发的用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向是科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户，广泛的分布在航空航天，金融财务，机械化工，电信，教育等各个行业21。如图2.17所示。图 2.17MATLAB软件在MATLAB产品家族中，MATLAB工具箱是整个体系的基座，它是一个语言编程型（M语言）开发平台，提供了体系中其他工具所需要的集成环境（比如M语言的解释器）。同时由于MATLAB对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。 MATLAB产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了Simulink，用来对动态系统建模仿真。其框图化的设计方式和良好的交互性，对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程度的要求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去22。SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在SIMULINK环境中，用户将摆脱理论演绎时需做理想化假设的无奈，观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在SIMULINK环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。由于SIMULINK环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰，因此用户在此环境中会产生浓厚的探索兴趣，引发活跃的思维，感悟出新的真谛23。在MATLAB6.x版中，可直接在SIMULINK环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。本设计无意论述涉及工具包的专业内容，而只是集中阐述：SIMULINK 的基本使用技法和相关的数值考虑。 SIMULINK安装与初步了解(1) SIMULINK的安装如图2.18所示图 2.18 SIMULINK安装目录(2) SIMULINK入门如图2.19和2.20所示图 2.19 SIMULINK模块库目录图 2.20Sources子库展开图(3) SIMULINK库浏览器界面如图2.21图 2.21 SIMULINK库浏览器界面Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使Simulink来建模、分析和仿真各种动态系统(包括连续系统、离散系统和混合系统)，将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速利用Simulink进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源24。对Simulink的强大功能进行简单的介绍(1) 交互式、图形化的建模环境Simulink提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。(2)交互式的仿真环境Simulink框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用25 。(3)专用模块库(Blocksets)作为Simulink建模系统的补充，MathWorks公司还开发了专用功能块程序包，如DSP Blockset和Communication Blockset等。通过使用这些程序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真与分析。更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上26。 MATLAB/Virtual Reality介绍虚拟现实工具箱基于MATLAB的虚拟现实工具箱为能在一个三维虚拟现实环境中进行可视化操作和与动态系统（用MATLAB和Simulink描述）进行交互提供了一种有效的解决方案，拓展了MATLAB和Simulink处理虚拟现实图象的能力。通过对计算机仿真，展示Simulink下虚拟现实技术的应用。分别建立起人运动的Simulink模型和相关的虚拟世界，再把二者连接起来，利用Simulink模型产生的信号数据控制和操纵虚拟世界中的物体运动27。VRML开始于20世纪90年代，在第一届互联网国际会议上,有关专家发表的在Web上运行三维立体世界的研究引起了广泛的讨论。在1994年10月，在第二届互联网会议上发布了VRML1.0规范草案。1996年初，VRML委员会审阅并讨论多个VRML版本。1996年3月，VGA、VRML设计小组将SGI、SONY等公司的方案改进成为VRML2.0版本，在1996年8月正式发布。VRML是一种虚拟现实建模语言，它的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，它以因特网为应用平台，作为构筑虚拟现实的基本构架。它的出现及其发展改变了网络的二维平面世界，实现真正的三维立体网络世界、动态交互与智能感知，是计算机网络、多媒体技术与人工智能的完美结合，已经为把握未来网络、多媒体及人工智能的关键技术。Virtual Reality 虚拟现实工具箱可以将虚拟现实模型和动力学系统结合起来，将MATLAB和Simulink的能力拓展到虚拟现实图形中。能够营造一个使人有置身于真正的现实世界中感觉的环境。虚拟现实工具箱有别于其他工具箱，即使完全安装了Simulink，在使用此工具箱之前还要安装VRML编辑器。在使用虚拟现实工具箱之前，还必须了解其与Simulink的借口。然后通过一个动态实例来综合了解虚拟现实工具箱的使用基本步骤和能实现的功能。虚拟世界是利用Virtual Reality Modeling Language（VRML）技术创建一个虚拟和三维图形。动力学系统是利用MATLAB和Simulink创建动力学系统。动画通过Simulink环境输出的信号可以观察到三维动画。操作是在运行仿真过程中改变虚拟世界中的目标位置和属性，或者Simulink模型的参数28。虚拟现实工具箱提供完整的工作环境，Virtual Reality Toolbox 还