（机械设计及理论专业论文）基于虚拟现实的动态设计及系统实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 虚拟现实系统是一个高度逼真的人机交互界面l 能直观的体现人与虚拟物体 的自然交互特性，目前已应用到军事、娱乐、医疗、工程等领域；动态设计是一 个复杂的过程，对人机交互的要求高，更需要直观的显示设计结果，并对设计计 算优化进行跟踪与控制；因此，在虚拟环境中进行动态设计能很好的满足动态设 计的需求，而国内外在这方面的研究非常少。本文结合湖北省自然科学基金项目 “基于虚拟现实技术的流固耦合结构动态设计研究”和国家自然科学基金项目“浸 水圆柱壳结构频率响应动态优化设计”，深入分析虚拟现实系统和动态设计过程的 功能和特点，成功的将二者有机的结合，开发出能在虚拟现实环境中进行动态设 计的原型系统。厂7 在虚拟环境模型建立过程中，采用面向对象的技术，分析了虚拟环境的构成 特点、生成机制、动作模式和数据存储方式等。具体剖析了虚拟环境组成框架、 虚拟环境的树形场景结构、场景数据库的组织框架、动作节点状态对象的协作原 理、对象间的消息传递的过程、外设事件的处理过程等。 分析了虚拟环境通用的高级特性以及实现这些特性的主要算法，具体分析了 立体显示的原理与系统结构、碰撞检测的思想与算法流程、虚拟环境的多线程多 管道渲染的实现等。 初步解决了科学计算的大批量数据的存取与访问的问题以a c c e s s 为存储方 式，j e t 引擎进行访问，基于a d o 数据访问对象进行数据库访问组件的开发，建立 了数据存取访问的统一的接口，并能在a c c e s s 数据库软件中进行查询、编辑与分 析等。 在计算机进行仿真和可视化中，基于o p e n g l 标准，给出了结构的线框模型、 消隐模型、光照模型以、云图、立体显示等多种显示方法，并结合动力和优化分 析，对动态设计对象的动态特性进行了实时振动仿真。 给出了一个原型系统的应用实例，建立了直观的操作界面，并对浸水圆柱壳 结构动态性熊进行了具体的计算、分析和可视化显示，结果表明本文采用的方法 是可行的。( 对全文工作进行了总结，并讨论了课题各个部分尚需进步研究的内 容和展望。) 7 。 关键词：虚拟现实，面向对象，动态优化设计，计算机仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i n u a lr e a l i t yi sah i g h l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew h i c he m b o d y m e c h a r a c t e r i s t i co fi n t e r a c t i o nb e t w e e n h u m a na n dv i r t u a lb o d ya n dn o wh a sb e e nw i d e l y u s e di nm a n yf i e l ds u c ha sm i l i t a r y , a m u s e m e n t ，m e d i c a lt r e a t m e n ta n de n g m e e n n g d y n a m i c d e s i g n i sa v e r yc o m p l e xp r o c e s s w h i c h r e q u i r e s a h i g h f l e x i b l e h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n m o r e o v e rd y n a m i cd e s i g np r o c e s sr e q u i r e st h et r a c ea n d c o n t r o lt ot h ec o m p u t a t i o na n do p t i m i z a t i o na n dv i v i dv i s u a l i z a t i o no fd e s i g nr e s u l t t h u s d e s i g ni n v i r t u a le n v i r o n m e n ti s av e r yp e r f e c ts o l u t i o na n do fw h i c hl i t t l e r e s e a r c hh a sb e e np e r f o r m e da l lo v e rw o r l d b a s e do nt h ep r o j e c to fn a t i o n a ls c i e n c e f u n do fc h i n a ：“d y n a m i co p t i m & a t i o nd e s i g no f f r e q u e n c yr e s p o n s eo f s u b m e r g e d c y l i n d r i c a ls 矗e l l s ”a n dp r o v i n c i a l s c i e n c ef u n do fh u b e i ：“p h r t u a lr e a l i t yb a s e d d y n a m i cd e s i g no f s u b m e r g e dc y l i n d r i c a ls h e l l s ”，t h i sp a p e rh a sd e e p l ya n a l y z e dt h e f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a lr e a l i t ya n dd y n a m i cd e s i g np r o c e s sa n dc o m b i n e d t h e m a n dt h e nd e v e l o p e dap r o t o t y p ev i r t u a ir e a l i t ys y s t e mw h i c hp r o v i d et h ef u n c t i o n o fd y n a m i cd e s i g n o b j e c t o r i e n tm e t h o dh a sb e e nu s e dd u r i n g 血ec o n s t r u c to fv i r t u a le n v i r o n m e n t m o d e l ，a r c h i t e c t u r e ，a n i m a t i o na n dd a t as t o r eo fv i r t u a le n v i r o n m e n ta r ea n a l y z e d h i g h 1 e v e lc h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a le n v i r o n m e n ta n dm a i na l g o r i t h ma r ea n a l y z e ds u c h a sp r i n c i p l ea n ds y s t e ma r c h i t e c t u r eo f s t e r e o s c o p i c ，c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，m u l t i p i p ea n d m u l t i t h r e a dr e n d e r i n g u s i n ga c c e s sa ss t o r em e d i a ，j e te n g i n ea sa c c e s st o o l ，a d 0 d a t a b a s eo b j e c ta sd e v e l o pt o o l ，t h i sp a p e rh a sp r o v i d e das o l u t i o nf o rt h ep r o c e s so f m a s s i v ed a t ad u r i n gt h ec o m p u t a t i o n i nt h ev i e w c a l c u l a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o n b a s e do no p e n g ls t a n d a r d ，s e v e r a lv i s u a l i z a t i o nm e t h o d ss u c ha sm e s h h i d d e n ，a n d s h a d i n gm o d e l a r ep r e s e n t t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fd y n a m i ca n d o p t i m a la n a l y s i s ， t h er e a l t i m es i m u l a t i o no f v i b r a t i o no f c y l i n d r i c a ls h e l l sh a sb e e nc a r r i e do u t m o r e o v e r , a na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h i sp r o t o t y p es y s t e mi sp r o v i d e da n dv i v i d m a n i ! c u l a t i o n i n t e r f a c ei s c o n s t r u c t e d c o m p u t a t i o n a n a l y s i s a n dv i s u a l i z a t i o no f d y r n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fs u b m e r g e dc y l i n d r i c a ls h e l l sh a v eb e e nr e a l i z e d t h er e s u l t s h o wt h a tt h em e t h o du s e di nt h i sp a d e ri sf e a s i b l e ac o n c l u s i o ni sg i v e nf o rt h ep a p e r , a n dt h ef u t u r er e s e a r c hw o r ka n d e x p e c t a t i o na r ea l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , o b j e c t - o r i e n t e d ，d y n a m i cd e s i g n ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题来源、目的及研究意义 本谋题来源于湖北省自然科学基金项目“基于虚拟现实技术的流固耦台结构 动态设计研究”( 项目编号2 0 0 i a b b 0 9 7 ) ，是国家自然科学基金项目“浸水圆柱壳 结构频率响应动态优化设计”的扩展，( 项目编号1 9 7 0 2 0 0 4 ) 。其目的旨在深入分 析虚拟现实系统和动态设计过程的功能和特点，将二者有机的结合，开发能在虚 拟现实环境中进行动态设计的原型系统，具体需要建立虚拟环境的三维模型，具 有立体显示、碰撞检测、多管道渲染与多线程等虚拟现实系统的基本特点，在此 基础上构造用于动态设计的人机交互界面和沉浸的桌面虚拟环境，通过设置不同 的参数值来调整虚拟环境的特征，对动态设计的分析和优化过程进行跟踪和驾驭， 最后在虚拟环境中进行动态设计的中间或结果数据的可视化。 人类固有的信息交流手段是图像和音符，而文字及各种抽象符号语言则是在 人类社会的发展中不断创造和完善并通过教育体系传授下来的，因此以语言描述 为信息载体的二维设计环境与人类生活的自然行为方式间存在一定的差异。通常， 人们擅长形象化地描述直观具体的对象和参与工作环境的活动，而不擅长以一定 的抽象范式和以规则序列的文字方式进行表达。随着计算机技术和多媒体技术的 不断进步，人们开始追求可视并直观的人机交互方式，以求从被动地适应机器的 交互方式中解脱出来，寻求以人为中心而不是以机器为中心的交互方式。9 0 年代 初出现的虚拟现实技术及其不断发展和进步，使得人和计算机之间的交互信息多 元化，包括视觉、嗅觉、听觉等。随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实“1 这一 新的计算机技术在军事和民用工程中发挥越来越重要的作用。藉助于虚拟现实技 术，可以形成用户通常工作所在的、逼真的环境，使用户成为应用回路中的一个 环节，并能够做出各种分析、决策、交互和干预等行为。但是，目前的人机交互 技术已经成为制约虚拟现实进一步发展的瓶颈，主要原因：其一，目前的人机交 互技术不是人类最为适应的自然方式，使得虚拟现实难以名符其实；其二，目前 的人机交互技术中输入与输出信息的能力不匹配，即人机交互的能力和计算机处 理和呈现视觉、听觉等方面信息的能力不相称，难以发挥计算机的最佳性能。因 此，虚拟现实技术对目前广泛使用的图形用户界面( 二维、静态) 方式提出了挑战， 探求最佳的人机交互方式成为计算机学科的重要前沿课题，多维信息交互技术旨 在充分利用个以上感觉和动作通道( 如语音、手势或视线等) 上产生一种沉浸 华中科技大学硕士学位论文 于虚拟环境的感觉。近年来，为了缩短产品的开发周期、降低生产成本以便更快 更有效地占领市场，人们越来越多的依赖与计算机进行分析、计算及仿真，以结 构频率、响应等动态性能为设计目标的动态设计。“i 也不例外，它通过计算机地 大量迭代计算来优化结构动力性能、提高产品质量。但动念设计过程会产生大量 的中间数据，迭代计算过程也极为漫长，且容易导致结果不收敛为了克服这些不 足，必须采用驾驭式计算技术对动态设计过程进行控制以节约计算时间、保证结 果的收敛性。在迭代分析的过程中有大量的数据信息需要加工，这些信息要被设 计者迅速的加以利用和理解，可视化是非常必要的。可视化技术利用颜色、密度、 透明度、文字等方式将不可见的数值映射成图形显示出来，能在短时间内通过图 形传递大量的信息是研究人员能够直观、迅速地观察到计算模拟的结果，从而设 计人员可根据设计的中间结果快速的做出反应，优化设计方案。动态设计的计算 机虚拟仿真，尤其是可视化仿真，由于具有成本低、无危险、形象生动的特征， 在科学研究及工程实验中有着广阔的应用前景。但由于动态设计过程的特殊性及 客观对象的多样性，现有成熟的科学计算可视化没有交互的功能，开发基于动态 设计的虚拟现实系统很有必要。 本文通过对虚拟现实系统和动态设计过程的研究，希望能构造一个能在其中进 行完整的动态设计的虚拟现实环境，从建立三维模型到数据存储，从动态优化到 结果高级可视化仿真的整个流程框架，开发出相应的原型系统和主要模块，使下 一步的工作得以顺利进行。 1 2国内外研究现状 我们所要研究的内容涉及到虚拟现实系统的构建及其与结构动态优化设计的 有机结合，这个学科目前有着广泛应用，并在各行各业得到蓬勃的发展。下面对 其有关方面的研究进展进行综述。 1 2 1 虚拟现实技术 虚拟现实技术是一种逼真的模拟人在自然环境中视、听、运动等行为的人机 界面技术。它综合利用计算机图形软硬件系统、各种显示和控制接口设备，在计 算机上生成具有沉浸感的三维环境，用户可通过交互式的输入装置到虚拟环境中 漫游，通过立体眼镜、头盔显示器等外围设备观察虚拟环境中的物体，甚至利用 输入装置能够实时的操纵虚拟环境中的物体以及在虚拟环境中任意活动。通过虚 拟环境中场景的变化及与其中的虚拟实体进行交互，用户将体验到“身临其境” 的感觉。虚拟现实的出现改变了人们传统的思维方式，使人、计算机和现实环境 华中科技大学硕士学位论文 紧密的结合起来，现已延伸到娱乐、医疗、军事、建筑、机械等各个领域。 f a r kg r e e n 教授给出了一个如图1 i 所示的馥拟现实应用系统蠖型“。其中 图1 1 虚拟现实应用系统模型 的计算包括所有用到中非图形的计算，如分析，优化等：几何模型包括计算中的 数据的高级图形表示，或者说包括科学计算可视化，还包括被设计产品的模型： 观察指用户查看应用数据，这是要用真实感表示的内容，主要目的是向用户提供 程序帮助：行动体是指以同样方式仿真用户与系统中的交互，如虚拟手。 在虚拟现实系统中，参与者沉浸于多维信息空间中，获取虚拟环境反馈来的知 识并对其做出反应。在虚拟现实环境中，时间观念非常重要，一个高度交互的系 统应该是实时的，必须建立稳定的时间体系以获得同步，也就是系统的反应速度 与刷新率要足够快让人们觉得人机界线不复存在。这种特点是虚拟现实与其它：j d 系统如c a d 之间的最大的不同。一般来说实时性并不能完全满足，要看其应用场 合。飞行仿真要求较高，6 0 h z 左右，而设计评估则有l o h z 足够了。 近年来，国内外在虚拟现实系统软件方面的研究和应用取得了广泛的成果。 为了在虚拟环境里进行试验，在产品开发研究的各个阶段实时了解虚拟产品的性 能，以反映真实产品的设计性能，德国的m i c h a e lw e y r i c h 和p a u ld r e w s 构造了 一个用于虚拟制造的交互环境一虚拟工作台。“，它是一个多媒体的人机交互界面， 包括如下几个基本部分的功能：( 1 ) 基于虚拟现实环境的高级视觉功能( 2 ) 具有全 息可视的与虚拟实体的直接交互( 3 ) 交互图形仿真的多媒体的集成( 4 ) 与制造领域 内商业c a d 系统的链接图1 2 和i 3 展示了设计人员在虚拟工作台前进行产品设 图1 2 虚拟设计环境1 3 虚拟工作台的软体系结构 盟中辱土枝大学项士学位论文 ! = = ! ! = 掣= = = = ! ! = ! = 2 = = = ! ! = = ! = = ! 计。此虚拟工作台分为两个部分：控制界面部分，提供缩放轮( 用于视景缩放) 、 操纵杆( 用于在虚拟场景里游览j 等控制元素控制虚拟场景以及许多按钮来控制 环境的不同的功能；直接交互部分：用户可直接与虚拟环境罩的实体进行交互， 如移动工件、运动副的检测、操纵机器以分析产品的可制造性等。此外，还有一 个飞行模块，使得用户能在虚拟场景里游览，此时需要一个碰撞检测算法。虚拟 工作台的软体系结构包括如下几个组成部分：( l ) 多模块的信息输入输出，包括数 据手套，3 d 鼠标等设备的输入信息以及立体眼镜、头盔显示器等设备的输出信息。 ( 2 ) 数据输入，是产生虚拟原型的过程，此过程包括简化实体模型的部分，实体模 型的数据被分层组织。( 3 ) 交互环境的控制软件系统，包括全息视点的校正( 视偏 由设计人员位覆的变动产生) 、序列控制( 动画序列) 、运动仿真、碰撞检测、 对象管理、3 d 菜单系统等( 4 ) 多媒体的链接和设备。虚拟工作台存在如下特点：它 支持设计人员在虚拟环境理工作，并且没计人员可以与虚拟环境里的实体进行交 互；虚拟环境具有很逼真的沉浸感。 l i g h t n i n g 系统”3 是德国v i s l a b 实验室丌发的，此系统于1 9 9 6 年提出，主要 用于v r 应用实例的快速开发，特别是建筑和表示领域。具有如下特点：( 1 ) 其核 心是一个叫做对象池的数据库，开发人员通过在此数据库中创建或删除对象来定 义环境，统一的界面槽提供一个标准的用于事件传播模块的界面，一系列的管理 模块视内部管理和封装的抽象：1 对象管理器跟踪现有的对象。2 路径管理器传 播事件。( 2 ) 事件传输机制是从传感对象的输出丌始，信息沿着链接传播，行为对 象的定义代码会被执行，一旦此节点之前的节点产生新的输出，最后产生的输出 给渲染对象，他将输出保存在各自的渲染管理器上。( 3 ) 多语言和多范例编程，此 系统支持混合语言编程，如用c + t 编写的行为对象可以被其它语言如t c l 语言编写 的对象替代，甚至是在运行时。( 4 ) 多处理功能，多处理在设备层提供，所有在更 新速率上有区别的设备被分配到另外的进程概念上来讲，所有渲染模块有自己的 进程。i r i sp e r f o r m e r 渲染库提供其自己的多处理机制，应用控制模块将子图分 配到不同的进程，一个连接图可被分为多个不相连的子图。( j ) 有很强的同步机制， 虚拟现实系统的各个模块之间具有不同的更新频率，也就是基于不同粒度的时间， 要同步这些模块以获得致的临时行为。l i g h t n i n g 系统通过内插或外推方法将离 散状态连续化，用来表示对象在确定虚拟时间的状态。( 6 ) 此系统的另一重要特点 是具有可扩充性，所有的应用对象可通过t c l 接口访问，行为描述用于定义应用 的功能，可在此层定义新的应用。在核心层，结合面相对象的技术和操作系统的 特点来减弱模块之间的关联。应用对象继承了父类的接口和交流特性，交流过程 仅在基类特征上进行。所有的l i g h t n i n g 系统库作为共享对象在运行时连接，这 4 华中科技大学硕士学位论文 便于维护。应用对象是默认的共享对象，在不需编码和重编译的情况下可随时通 过t c l 接口访问之。l i g h t n i n g 通常运行在高端s g io n y x 计算机上，己成功应用 到一些领域当中如装配设计等。 般说来，实际应用中的虚拟现实系统具有很强的针对性，一个系统不可能 适用于多个应用领域，不同应用领域对系统的要求也不尽相同，特别的，但应用 于科学研究和科学计算可视化领域中时，就需要在虚拟环境中显示和共享数据， 科学计算产生的数值难以理解，为了最大限度地理解结果数据，就要动态的显示 这些数据。虚拟现实的科学应用分为三类：第一是限制计算输出的过程处理，用 图形方式向用户提供计算结果，如流体动态计算结果，可以先存在文件中，然后 用户用m d 或立体眼镜观察动态数据，本文就是沿用这种思想；第二，给程序从 头到尾增加图形特性，例如大量f o r t r a n 科学计算程序输入输出产生大量的数据， 非常不方便，给他们增加图形用户接口十分有意义；第三，类似前一条，除了计 算内容与在同一时间开发的其它应用部分，如友好的界面等。 1 2 2 动态优化设计及其特点 进入八十年代以来，国外在动态设计理论与应用领域的研究非常活跃，是现 代设计方法学领域的前沿学科之一。特别是美国、日本以及西方一些发达国家十分 重视工程结构的动态设计研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。动 态设计以结构频率、响应等动态性能为设计目标，其过程包括许多步，是一个不断 反复，不断精化的过程9 “”i “4 。31 。通常，一个完整的设计过程总是先进行一个或 几个初步方案设计，再根据初步方案设计进行各种相关的分析，用分析的结果来改 进设计，然后对改进的设计重新进行分析，不断的循环，最后才得到满意的设计结 果。这个过程可以用图1 4 来简单地表示： 图1 4 动态设计过程 髓着社会生产的发展，设计结构的愈来愈复杂，设计时要考虑的因素也越来 越多，达到预定设计要求的方案可能有多个。在这种因素众多的情况下，为迅速 地找出给定条件下的最优设计方案，加快设计进程，提高设计质量，从而产生了 优化设计的思想。6 0 年代以来，有限单元法、数学规划法、计算机技术等三个领 域都得到了迅速的发展，它们为结构优化设计提供了重要的基础。目前的优化设 华中科技大学硕士学位论文 计，大多是静态的优化设计，即对给定的约束条件求目标函数的极值。随着工业 的发展，结构设计日趋高速化、大型化和复杂化，工作环境日益复杂，振动问题 目益突出，对于许多结构，它们的动态特性逐渐成为突出问题，即对于优化模型， 很难有简洁的目标函数、约束条件的解析式。这时，如何保证获得最佳动态特性 就成为一类典型的结构动态优化设计问题。 综合国内外在动态优化设计方面的研究与应用，可以总结出动态优化设计的 几个显著特点：( 1 ) 计算过程中会产生大量的中间结果数据，这些数据太过于复 杂以至于难以理解；( 2 ) 动态优化设计的迭代计算量大，次数多，过程极为漫长， 且容易导致结果不收敛； ( 3 ) 设计人员在设计过程中要与计算机之间进行极为频 繁的交互，需要一个有好的、直观的人机交互界面。( 4 ) 动态设计的模型一般比较 复杂，要充分的理解设计对象和结果数据的结构比较困难。为了使用户以极为自 然的方式与计算机沟通，提高工作效率，降低劳动强度，针对第一个特点，我们 将大批量数据在虚拟环境中进行动态显示也就是进行高级可视化，以增强设计人 员的洞察力，对设计中的错误及时做出反应；第二点是采用驾驭式计算，在虚拟 环境中对计算过程进行跟踪和控制，如暂停、结束、恢复等以节约时间；第三点 是将数据的高级可视化和被设计对象的模型集成到同一个虚拟环境中，设计人员 与计算机之间的交互可以采用各种虚拟设备。驾驭式计算的出现为设计人员节约 了大量的时间，国内外在此方向也有广泛的研究。武汉水利电力大学水利水电学 院和水电信息学院”合作开发了一个单机运行的驾驭式计算系统此系统是基于组 件的模型，提供了个解决驾驭式计算的实现方案，主要包括计算、处理、图形 显示、数据库存储等组件，采用了先进的a c t i v e x 自动化技术，该系统主要应用 于数值模拟计算。美国s 。c e l l a rc o m p u t e r 中心开发了第一个驾驭式计算系统 a v s “，该系统采用文本图形编辑器来设计科学计算的基本流程细节，按照科学计 算所需求的功能设计相应的运行模块，然后根据需求逐步建立各个模块之间的通 讯接口和机制，最后成为一个执行流网，设计人员可以在可视化环境下设置各个 模块所实现的功能所需的初始和运行参数，编辑模块的接口参数。程序运行时， 数据、状态、控制信息在流经各个模块时被处理，除了主控模块之外，其他所有 模块被存储在模块队列和任务池中，模块是否被执行或调用都通过主控模块根据 设计人员的要求进行动态安排和调度，所有模块的运行结果和状态都可以根据需 要显示在可视化模块中，设计人员可以根据显示的结果判断计算过程的正误并作 相应的控制。整个软件有如一个状态自动机，其运行过程也就是自动机状态切换 的过程，当程序向前推进或设计人员对运行过程进行干预时就会发生状态的切换。 应用此系统最重要的优点是增加了科学计算过程的直观性、可控制性，可以加速 华中科技大学硕士学位论文 数据分析或产品设计的过程，但是它使用传统的二维的人机交互方式，大量复杂 的数据以二维图形表示，交互设备也只限于键盘、鼠标等r 很不符合人们的习惯。 荷兰数学与计算机中心1 c w l 随后在c a v e 系统中实现了对计算过程的驾驭，在此 系统中，设计人员完全沉浸到虚拟环境中，并且允许用户以虚拟外设同计算系统 进行交互，但是它未能将其应用于交互性非常频繁、计算过程极为漫长、计算结 果数据非常复杂的动态设计领域，并且c a v e 系统设备昂贵，这对一般的中小企业 和科研机构来说很不现实。 1 2 3 虚拟现实系统与动态优化设计的结合 综上所述，虚拟现实与动态设计的结合，也就是在虚拟环境中进行动态设计 能缩短产品的开发周期、提高产品的质量，开发这样一个小型的虚拟现实系统具 有一定的应用前景。国外在相关方面的研究也非常踊跃。美国依阿华州立大学虚 拟现实应用中心开发了个结合虚拟现实与工程设计的系统。”“，此系统是用的 c a v e 环境，设计人员与设计对象一样是虚拟环境中的一个重要角色，在虚拟环境 中可以非常直观的修改设计对象模型的形状、进行张力分析、检查各个运动零件 之间是否存在碰撞干涉等，人机交互工具有手套、立体眼镜、三维菜单系统等， 此系统主要用于动态设计，具体有灵敏度分析、结构优化、有限元分析计算、干 涉检查等功能，此系统已成功应用于汽车和飞机设计领域。在虚拟环境与可视化 领域，美国弗吉尼亚大学n a s a 太阳能研究中心开发了用于多体系统可视化的虚拟 环境”9 “，包括一个作为三维交互界面用途的物件类库如复选框、工具条、标 识符、按钮、选择工具等，支撑对象如节点、物理材质、有限单元等，几何实体 如立方体、圆锥、球体等，表征多体系统的物理特性的数值模型的单元等，此c a v e 系统主要用于哈勃望远镜的动态性能分析，如模态、频率、响应等，在飞机机翼 设计方面也得到了很好的应用，在虚拟环境中对空气流体动力进行了流线型体可 视化。 1 3 本文的主要工作 由于本项目涉及知识面较广，每一个知识点上都有相应的难度，不能一一深 入。本文最大的工作，就是构造了虚拟现实原型系统的体系框架，完成了从虚拟 环境三维模型的建立，到高级特性的配置，人机交互界面的构造，驾驭式计算的 实现，到数据可视化及结构优化设计振动仿真，及很好的与应用实例相结合整个 过程，开发相应的浸水圆柱壳结构三维振动仿真与设计的软件原型系统。 具体地来说，本文主要做了如下方面的工作： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 构造了应用于动态设计的虚拟现实系统的框架结构与运作机制。 ( 2 ) 建立了虚拟环境的视觉、仿真动画基础模型，分析了虚拟环境模型数据 库的构成，虚拟环境的生成机制及其运作机制，包括消息通知与传递、传感器管 理、动画机制、人机交互等：探讨了虚拟环境的高级特性如立体显示、碰撞检测、 多管道、多线程等。 ( 3 ) 基于o p e n i n v e n t o r 图形开发包，开发了三维图形界面小物件( w i d g e t ) 类库，同时对大批量的动态设计数据进行了三维可视化，构造了驾驭式计算的框 架以及与动态优化设计模块进行了良好的集成。 1 4 小结 本章简要介绍了课题来源、目的及研究意义。分析了虚拟现实系统发展和动 态优化设计的特点以及国内外研究概况，分析了开发基于虚拟现实的动态设计系 统的可行性和必要性，综述了其中若干方面研究在当前国内外的发展状况。最后， 给出了本文做的主要工作。 8 华中科技大学硕士学位论文 第二章系统的总体结构与功能分析 2 1原型系统的需求分析及功能设计 2 1 1 虚拟现实系统在应用、开发和实践方面的需求特点 近年来，v r 开发系统发展得很快。除了功能更强大的硬件以外，高层开发库 和工具包如w o r l d t o o l k i t 等极大的方便了v r 系统的开发，这些技术围绕着一个 目的：增强人机交互。特别是在很复杂的问题空间里，沉浸的虚拟环境能增强人 们的洞察力，激起人们的思维灵感。在诸于建筑设计、医疗训练、工程流体动力 学和装配设计等大型复杂的应用中，计算机生成的世界围绕着人们，沉浸感由然 而生。v r 技术的研究能发展到更高的主题，有两种趋势可能驱使虚拟技术不断向 前发展。第一，v r 将集成更多的输入输出通道，除了视听以外，还会有触觉和力 反馈，这样沉浸感会变得更真实。第二，虚拟环境会更注重于内容，也就是使虚 拟世界更生动、更灵敏。这不但在一些要求高质量媒体输出的应用领域更为明显， 在 一现实故事如迪斯尼的a 1 a d d i n 系统 一高度交互如装配设计 也如此。其中的现实行为比可视质量更重要。虚拟现实系统至发展今可能仍然不 够完善，但所有的稳定而强大的虚拟现实系统在应用、开发和实践方面有着许多 共同的特点。 在应用方面，首先必须支持多传感器输出，当今的虚拟现实系统集中于视频 和音频输出通道，为了获得更高程度的沉浸感和直接交互能力，集成更多的感觉 通道很有必要，如触觉、力反馈等；为了与其他输出设备无缝与灵活集成，系统 必须提供标准的接口；其次，要支持各种不同的输入方式，将不同的输入方式集 成到虚拟环境的接口结构是很有用的。比如：一个很容易忽略的输入方式是语音 识别，在没有键盘的情况下这是很重要的：手势识别也必须扩展到动态的、支持 前后相关的命令；用户的位置和姿势的跟踪是一个精细但重要的输入资源，它对 理解用户空间和虚拟空间很有帮助：可用的几种输入资源很少，他们在硬件和软 件甚至所期望的功能等方面存在很大的不同：人们之间的手势交流是一个支持前 后关系的功能，而当今许多虚拟现实系统用按钮装置替代之，因为这是他们能处 理的唯一的输入方式：将来的虚拟现实系统要将这些不同的输入方式集成并将他 们关联成一个前后相关的命令如有名的“p u t t h a t t h e r e ”接口，他将手势和语 9 华中科技大学硕士学位论文 音关联起来：第三，具有设备独立性，用户经常期望同一应用软件能在不l 司的硬 件配置下运行；例如，博览会上的虚拟产品要求在头盔显示器上显示，到了公司 员工培训中心则要求显示在计算机屏幕上；所以，应用软件开发人员应了解一般 的具有相同或相似功能的输入输l t l 设备，如一般的跟踪器应该是诸于磁性、机械、 光学或基于鼠标位置跟踪等类型跟踪器：第四，支持多用户，如将虚拟环境移植 到更一般的工作环境，那么支持协同工作是一个不可避免的挑战：其关键的特点 是系统的灵活性，即不能限制参与者的人数、分布式的数据库和仿真方式也就是 虚拟环境位于在不同计算机上实现不同功能的计算机网络上：第五，快速交互和 动作建模，为了使虚拟环境系统反应更快而更具商用价值，其交互和动作的定义 是重要的一环。在虚拟环境里，对象必须根据当前的情况对一系列的真实世界事 件做出反应，如用户的输入，更一般来讲也就是真实世界的任何数据。现有的一 些系统支持碰撞检测和物理或几何约束的定义，然而更复杂的对象如现实虚拟演 员很难用c 或c + + 编码；至少高性能的图形计算机足以对付较慢的软件，满足实时 性的要求；特别的，虚拟环境中的行为描述用解释性的脚本语言编写也是可能的， 这使得快速建模成为可能，也就是用户可以在运行时调整和改变部分动作而不需 重新编译，理想情况下，个虚拟现实系统应具有如下的特点：1 可用一种或多 种解释性语言详细描述之；2 可用c + + 等语言编程逐渐替代其某些部分。 在开发方面，先要对虚拟环境的高度抽象，虚拟世界及其接口由各种不同的 软硬件组件共同组成，由于虚拟现实系统的应用领域又具有多样性，所以应定义 一个通用的虚拟环境抽象模型，应怎样定义既能使此抽象模型通用且实用呢? 例 如，现有的抽象模型有3 d 互联网标准v r m l 2 0 ( 虚拟现实建模语言) 和j a v a3 d ( 基于平台独立性语言j a v a ，建立3 d 环境的a p i ) ，现有的虚拟现实系统的一个 主要毛病是缺乏标准的通讯和事件产生机制。其次要建立高度独立模块之间的同 步机制，因为要集成各种不同的输入输出设备，考虑到延迟和刷新频率，减少具 有不同时间结构的模块是有必要的。如跟踪系统只能以3 0 h z 的速率产生数据，而 力反馈装置需要5 0 - - 5 0 0 h z 的更新率，并且有一个完全不同的时间机制，为了应 付这种情况，应该支持多处理机制，这样还可以避免过于频繁的上下文切换。系 统应具有自动将不同任务分配给不同处理器的能力，而不应由编程人员来完成， 在一些系统里，此服务由操作系统提供，如i r i sp e r f o r m e r 。所以，v r 系统的一 个重要特点是支持具有不同时间机制模块之间的同步。第三，要设计好多层应用 编程接口，如今某些虚拟现实开发系统只提供单层应用程序编程接口，他们对程 序员完全隐藏了底层的软硬件信息以便提供一个统一的a p i ，尽管这有利于大型软 件开发的一般化和增大了可携性，但不适合于虚拟现实系统的开发。利用现有的 华中科技大学硕士学位论文 工具我们可以访问某些硬件特有的特性，在快速硬件开发中往往要求如此，而这 在统一的a p i 中是行不通的。与二维情况下的软件交互不同，没有象c r t 屏幕这 样占绝对优势的输出设备，可能需要诸于墙投影仪、h m d 系统或c a v e 系统同时存 在。所以应提供一个分层的高度模块化的a p ，编程人员可根据其实际需要进行选 择。此外，系统不能过于依赖某种特定的输出设备。 在实践方面，软件要设计成高度模块化和具有可扩展性，一个要集成众多组 件的系统必须是高度模块化和可扩展的。因为虚拟现实系统应用领域具有多样性， 所以它不可能是一个封闭的单一程序模块。会出现新的设备、特定的应用需要专 业的设备等表踢了需要一个开放的模块化的系统体系结构。模块的粒度应与操作 系统或系统库的粒度相似，虚拟现实系统应与一个操作系统相似，而不是一个单 纯的建模和动画软件包。要具有高度的平台独立性，尽管系统大多运行在大型图 形工作站上，但只有少量的计算机可用于开发和测试，因此，虚拟现实系统体系 结构必须具有可伸缩性，至少在某个硬件生产厂商的产品族内如此。 2 i 1 功能要求 在规划本文即将展开的工作的基础之上，本文考虑了如下一些需要在系统中 完成的功能： 1 构建系统的总体完整的框架，采用基于组件的软件开发方法，使系统具有较好 的开放性、可扩展性、可靠性和可维护性，当将此系统应用于不同的领域和实 例时，只需要添加或更换新的组件。 2 采用小型的桌面虚拟现实系统，使用常用的虚拟外设如手套、立体眼镜、三维 鼠标等，虚拟环境支持立体显示、多管道、碰撞检测等功能。 3 能根据用户的需要修改虚拟环境的结构和外观如添加灯光、更换背景色、编辑 材质、以多种方式操纵实体等。 ， 4 给动态设计的各个步骤建立相应的三维菜单项，以多线程的方式运行虚拟环境 和分析计算过程，在分析计算模块与虚拟环境模块之间建立稳定的接口，便于 ，将来的软件升级。 5 在虚拟环境中包括静态背景和动态菜单以及数据显示标尺，菜单有两种运行模 式，用户能查阅菜单的帮助信息。设计对象模型完整的在虚拟环境中可视化， 用户能方便快捷的操纵设计对象如旋转、缩放等。 6 系统支持多种文件格式的输出，包括图像文件和v r m l 文件。系统支持驾驭式 计算，能跟踪显示计算优化过程中的各个步骤并能方便用户进行控制，能实时 存储分析计算过程中的大量数据。 华中科技大学硕士学位论文 7 支持多种形式的数据可视化，如网格显示、加光照后的明暗效应云图显示、隐 藏面消隐、隐藏线消隐等，根据具体要求，完成后处理可视化显示中响应的模 块功能。 8 能查阅设计结果数据，以及其对设计结果的影响，能分别显示设计数据。 9 能够对计算结果进行文件输出、打印等a 本文在系统的具体实现中，尽量按照面向对象的设计方法和传统的软件工程 的流程相结合，使程序具有良好的可读性、可维护性和可扩充性，同时，使之有 友好的用户界面。 2 2 系统设计思想及总体框架结构 深入分析了动态设计和虚拟现实的特点后，要将二者很好的结合起来，要做 到界面友好、模型参数修改方便、显示数据自然直接等，软件应该是高度模块化 磕瓣磊舻葙j 图2 1 系统的体系结构框图 华中科技大学硕士学位论文 和可扩展的，并且具有良好的开放性，为了达到这一目的，本文采用基于组件的 软件开发模式，组件之间仅仅通过接口进行交互，采用客户服务器模式。接口根 据是提供服务还是请求服务分为调出接口和调入接口两类。组件动态的存在于系 统中，相互之间提供控制和状态消息，实现组件的即插即用，无缝集成。根据动 态设计的特点，本系统被划分为事务控制、虚拟环境、分析计算、数据库与图形 可视化等几个部分。根据这些组件在系统中功能的差异，可将这些组件分为核心 组件和应用组件两类。“，核心组件是系统基本组成部分，如虚拟环境组件、事务 控制组件、数据库组件等，这是本系统的核心，应用组件是根据不同的应用需求 开发的模块，是可替代的，如分析计算优化组件，当使用不同的计算和优化方法 或应用于不同领域时，可开发新的组件代替之。系统采用多处理方式，将“虚拟 环境”与“分析计算”划分到不同进程中，但共享数据结构。其中事务控制组件 和虚拟环境组件运行于同一个进程内，由于分析计算组件和数据库组件之间的数 据传输量很大，为了提高运行速度，增加系统的实时性，它们运行在同一个进程 内。系统运行时，用户通过各种外设如键盘、手套等输入初始参数，然后向事务 控制组件发出请求，事务控制组件根据请求类型做出相应的动作，此时记录下虚 拟环境组件的状态，然后启动分析计算组件，并将分析计算组件的接口传递给虚 拟环境组件。分析计算组件运行到某个阶段，也向主控组件发出通知，此时主控 组件记录分析计算组件的状态，并将数据库组件的相关接口传递给分析计算组件， 此时将结果写入数据库，并且同时显示给用户。如果结果不合理，用户向虚拟环 境组件发出中止命令，并传递给事务控制组件，由事务控组件中止计算过程。系 统的体系结构框图如图2 1 所示，下面一节中，本文将对图2 1 所示整个流程中 的几个关键模块功能和结构加以介绍。 2 3 各个模块的功能和实现方案简介 2 3 1 事务控制 事务控制组件是整个系统的控制中枢，是实现驾驭式计算的基础，它记录了 每个模块的状态参数和运行阶段，控制着其它各模块的通讯，并且可控制各个模 块的运行如中止、启动。该组件的核心是一个运行状态自动机。”( r u n t i _ m es t a t e a u t o m a t ) ，它是一个有限状态自动机，在交互服务传送来的事件的驱动之下，从 系统的状态空间的一个结点转移到状态空间的另一个结点，自动机状态转换的过 程也是本系统的运行的过程。其它各模块运行到一定的阶段都要向事务控制组件 报告各自的运行状态，当某个组件需要其它组件提供的服务时，事务控制组件负 华中科技大学硕士学位论文 责定位提供服务的组件，并传送请求。特别是在迭代优化计算过程中，它监视着 计算的各个阶段，并根据设计人员的要求对计算过程进行控制。 2 3 2 虚拟环境 虚拟环境组件是整个系统的人机交互界面，是系统于设计人员的对话引擎， 包含了所有实现用户界面的资源，包括系统运行的图形交互环境、界面资源、界 面定义宏语言解释器、虚拟外设管理等。用户可以通过宏语言控制图形界面的布 局，控制界面元素的外观和功能。该组件主要管理系统与用户之间的交互，主要 包括外设管理、三维界面的定义与编辑、实体交互等功能。在虚拟环境组件中将 调用o p e n g l 函数库对数据库的各种数据进行可视化，为了获得系统的通用性，即 应用于不同的设计对象和优化目标，图形库函数应由数据库组件调用以准确反映