（电力系统及其自动化专业论文）列车驾驶仿真器视景控制及突发险情仿真.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a na n d t h ei n c r e a s e dl i q u i d i t yo ft h e p o p u l a t i o n ，i no r d e rt of u r t h e re a s et h ep r e s s u r e o nt h ee x i s t i n gt r a f f i c ，t h e r ei s g r o w i n ge m p h a s i so nt h er o l eo fu r b a nm a s st r a n s i ta n dc i t ys u b w a yi sp l a y i n ga 1 1 a c t i v er o l e t h e r ei sa ne m e r g e n tn e e dt ot r a i nal a r g en u m b e ro fs t a f fo ft h et r a i n d 谢n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t yt r a n s p o r t a t i o n t h ed e v e l o p m e n to f t r a i nv i r t u a l d r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rt r a i nd r i v e rt r a i n i n gi s a l le n e r g ye f f i c i e n tw a y t r a i n v i r t u a ld r i v i n gv i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e m i sa ni m p o r t a n tp a r to ft r a i nd r i v i n g s i m u l a t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ep r i n c i p a l l yn a r r a t e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft r a i n v i r t u a ld r i v i n gv i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，f o c u s e so nt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o f $ o m es p e c i a le f f e c t ss u c ha sw e a t h e rs p e c i a le f f e c t s ，s u d d e nd a n g e rs p e c i a le f f e c t s a n ds oo n t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n di n v e s t i g a t i o na c t u a l i t ya t h o m e 锄da b r o a do fv i r t u a lt e c h n o l o g ya sw e l la si t sr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti nt h ef i e l d o f 仃a i nv i r t u a ld r i v i n gs i m u l a t i o n o nt h i sb a s i s ，t h ea r t i c l eg i v e sa s u m m a r i z a t i o no f t h es u b j e c t st e c h n i c a lb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hc o n t e n t t h e nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s o ft h ev i s u a ls y s t e mi s p r e s e n t e d a n di tm a i n l yi n c l u d e sm o d e l i n g 也e t h r e e d i m e l l s i o n a lv i s u a lm o d e l sf o rt h es c e n ea n dt h ed e s i g n i n go fd r i v i n gp r o g r a m s i ns c e n es i m u l a t i o ns y s t e m t h e nt h ea r t i c l ef o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s o ft h ev i s u a ls p e c i a le f f e c t si nt h es i m u l a t i o ns y s t e ms u c ha sw e a t h e rs p e c i a le f f e c t s ， s u d d e nd a n g e rs p e c i a le f f e c t s ，l i g h te f f e c t s ，v i r t u a lc h a r a c t e r ss p e c i a le f f e c t sa n ds o o n t h r o u g ht h er e a l i z a t i o no fav a r i e t yo fv i s u a ls p e c i a le f f e c t s ，t h es i m u l a t i o ns y s t e m s f i d e l i t ya n di n t e r a c t i v ef e a t u r e sh a v eg r e a t l yi m p r o v e d i i l l ee r l d t h el i m i t a t i o n so ft h ew o r ka r es u m m a r i z e da n dt h er e s p e c t so f t h e f u t u r ew o r ka r ea l s oo u t l i n e d k e yw o r d s ：v i s u a ls i m u l a t i o n ，m o d e l i n g ，v i s u a ls p e c i a l e f f e c t s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第1 章绪论 1 ，1 引言 第1 章绪论 随着城市的迅速发展和人口流动性的增大，为了进一步的缓解现有交通压 力，人们越来越重视城市轨道交通的作用。城市轨道交通事业的迅猛发展，亟需 大量的合格列车司乘人员，对列车司机的驾驶技能也提出了更高的要求，许多运 营部门都迫切需要对列车司机进行驾驶技术的培训。由于城市轨道交通的高使用 率以及安全性的相关要求，在实际应用中，不可能在已建成的线路上进行长期大 量的实地培训。因此将计算机仿真技术应用到城市轨道交通系统i lj 的模拟仿真上 就成了一种合理而必然的发展方向，列车模拟驾驶仿真系统应运而生。 列车模拟驾驶仿真系统是计算机仿真技术和列车动力学相结合的产物，它结 合司机实际操作过程，利用计算机仿真技术，对列车操纵、运行过程以及运行环 境进行模拟。列车模拟驾驶视景仿真系统是列车模拟驾驶仿真系统的一个组成部 分，该系统采用纯软件的方式实现，它是仿真技术和计算机图形学最新成果的结 合。它充分利用人的视觉特性，通过图形和动画来表达各种信息，特别是利用三 维模型实时显示技术，以及虚拟现实技术，可以实现模拟驾驶，虚拟现实等动态 仿真系统的图形显示，是一种结构简单、经济实用的训练驾驶模拟器。它在计算 机上实现对列车运行与环境的仿真，使初学者对基本的驾驶技能有较快较深的了 解。 在列车实际运行过程中，难免会遇到一些特殊的天气状况以及一些突发险情 事件。所以在开发列车模拟驾驶视景仿真系统的过程中，加入对特殊天气状况( 雨 雪，雾天等) 以及险情特效( 爆炸，燃烧，人卧轨等) 等视景特效的模拟，不仅 可以提高视景系统的逼真度，对司乘人员的模拟驾驶培训也会达到更好效果。 1 2 列车模拟驾驶仿真技术的国内外研究现状及发展动态 三维视景是虚拟现实的基本表现形式，目前，虚拟现实技术已经在许多领域 得到应用，如：飞行模拟、地形地貌模拟、城市建筑模拟等，由于仿真的目的和 行业之间存在差异，把三维视景虚拟现实技术应用到城市轨道交通仿真领域经过 了一个过程。随着计算机软件、硬件技术的飞速发展，三维视景仿真技术得到了 不断提高，成为国内外工程技术人员关注的热点之一，各国的轨道交通工作者也 更多致力于将这项快速发展的技术应用在列车运行控制仿真系统之中1 2 j 。 第1 章绪论 国外将三维视景仿真技术应用于城轨列车模拟驾驶仿真比国内要早，也更加 成熟。从2 0 世纪7 0 年代开始，美国、澳大利亚、前苏联、南非等国进行了重载列 车的研究，在这些研究工作的基础上，美国、澳大利亚、英国、法国等国家开发 出列车驾驶仿真系统，并在各国铁路部门得到广泛的应用。 澳大利亚2 0 世纪8 0 年代开发了重载列车驾驶仿真系统，用于培训重载列车司 机，并取得了明显的培训效果。在从矿山到港口的2 0 长大下坡道上牵引重载列 车，原先每月平均要拉断1 1 次车钩，自采用模拟器培训司机后，使用统一规范化 操作规程，六个月内未曾断过一次车钩。 美国铁路从上世纪8 0 年代初开始使用t d a 列车驾驶仿真系统培训司机和进 行工程分析。1 9 9 7 年研制成功的t d s 4 0 0 0 型交互式货运列车驾驶仿真系统就是 一种针对重载货运列车的仿真系统。 法国在8 0 年代后期发生了一系列列车行车事故，从安全角度出发，1 9 8 8 年法 国国家铁路( s n c f ) 开始使用列车驾驶仿真系统培训司机，收到了很好的效果， 到1 9 9 1 年法国铁路的列车驾驶仿真系统就增加到3 6 台。最近几年法国重点发展高 速列车驾驶仿真系统。 英国铁路每年都要培t ) 1 1 6 0 0 多名司机。他们最早使用的是两台移动式列车驾 驶仿真系统，其杰出的培训效果，促使他们购买了许多具有基本功能的普及型列 车驾驶仿真系统安装在全国各机务段使用。9 0 年代中期英国建造了高档列车驾驶 仿真系统，使用了虚拟现实( t ) 技术，装备了a t o 等先进设备使列车驾驶仿 真系统功能更加完善，技术更加先进。 在欧洲的其他国家，各类列车驾驶仿真系统也得到了广泛的应用。如比利时 国家铁路( s n c b ) 使用的s i m t 2 7 型列车驾驶仿真系统、丹麦国家铁路( d s r ) 使用的i c 3 与i r 4 型列车驾驶仿真系统、奥地利联邦铁路( o b b ) 使用的1 0 4 4 型列 车驾驶仿真系统等。 在亚洲，韩国、香港、日本等城市地下铁道普遍采用列车驾驶仿真系统培训 司机和进行司机资格考试。近年来，伊朗、印度等国家也开始采用列车驾驶仿真 系统进行司机的培训与考核工作。 我国视景仿真技术应用于轨道交通方面的研究主要是随着8 0 年代末9 0 年代 初列车提速以及各大城市地铁和轻轨建设而兴起的，其主要目的是作为列车司机 培训的一种辅助工具，于上世纪8 0 年代后期研制成功了列车驾驶仿真系统，目 前超过半数的机务段、司机学校配置了列车驾驶仿真系统，为我国铁路列车司机 培训起到了很好的作用。这种系统中普遍采用的视景仿真技术是采用数字视频压 缩与实时解压缩回放的仿真技术，比较有代表性的是上海同济大学开发的上海地 铁三号线司机驾驶仿真系统。此仿真系统的视景部分为三号线实拍的影像。列车 2 第l 章绪论 的车速可以控制视频解压缩的播放速度，而信号机的变换则叠加到回放图像上， 车载设备则是实物。 采用这种方式开发的视景仿真平台作为短期培训可以起到较好的效果，但其 缺点也是很明显的。首先是由于影像全部来源于实拍，因而其可扩展性和灵活性 不足。针对一些特殊情况，例如地铁隧道内发生的突发性事件就不好进行模拟； 再次，由于原始影像是列车以固定速度运行时进行的拍摄，因而在仿真中如果模 拟列车低速运行的情况下图像就不可避免的出现品质变差的情况，对受培训的司 机影响很大。所以这种技术存在着较多的不足，在要求较高的仿真系统中已经不 再采用。 目前在列车驾驶仿真系统中普遍采用的方式是基于计算机图形生成的视景 仿真系统，这种方式根据预先建立的场景模型，采用适当的算法，由计算机实时 生成动态图像。这种方式能模拟各种天气，能提供全天候的训练，能同步播放线 路场景，实现精确停车定位，能方便地模拟各种突发事件，随意设置信号灯和障 碍物，自如地实现岔道切换等。这种方法随着计算机技术的不断发展而逐渐成为 主流。 1 3 课题技术背景及研究内容 随着p c 技术的迅速发展和计算机图形图像处理技术的同趋成熟，硬件市场 上出现了很多性能优越的显示适配器，使得三维图像处理得到很大的推广和普 及。三维图形的绘制可交由显示适配器实现，而对硬件加速功能的访问可通过适 当的应用程序接u i ( a p i ) 来实现。目前流行的三维图形处理a p i 主要有o p e n g l 、 d i r e c tx 、o g r e 、v e g a 、o p e ng v s 等。 w i n d o w s 操作系统以它对硬件即插即用的支持、强大的网络功能、良好的用 户界面以及其丰富的软件开发环境等特点吸引了许多软件开发商，已成为p c 机 软件开发的首选环境。m i c r o s o f tv i s u a lch 更是为众多软件提供了开发环境的资 源支持，方便了这些软件的编译与连接。 m u l t i g e nc r e a t o r 是新一代实时仿真建模软件，是世界领先的实时三维数据 库生成系统，其性能优越，稳定性好，在虚拟现实和仿真领域得到了广泛的应用。 v e g a 是用于虚拟现实、实时视景仿真、声音仿真以及其它可视化领域的世 界领先级应用软件工具。它支持快速复杂的视觉仿真程序，能为用户提供一种处 理复杂仿真事件的便捷方法。它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来， 从而可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。 各种工具软件的日趋成熟，为开发列车模拟驾驶视景仿真系统提供了条件。 第1 章绪论 列车模拟驾驶视景仿真系统通过模拟列车的运行性能和驾驶环境来构建个具 有高度真实感的虚拟驾驶环境。首先，需要建立静态的视景模型，精美逼真的三 维模型是视景仿真的基础，模型可以综合利用各种三维建模软件，诸如m u l t i g e n c r e a t o r 、3 d s m a x 、a u t o c a d 等，根据模型的各自特点和精美度要求，选择合适 的建模软件进行模型的建立。模型纹理的制作加工也是重要的工作，对纹理的处 理可采用p h o t o s h o p ，经过加工处理可以使三维模型具有更高的逼真度。其次， 对场景的驱动可以采用v c + + 和v e g a 来实现。v e g a 是实时三维场景驱动软件， 为3 d 软件开发者提供了高级的应用程序接e t ( a p i ) 。v e g a a p i 由许多强大的函 数组成，开发人员可迅速开发出高质量的3 d 应用软件。本文的研究重点，对天 气特效、险情特效、信号灯、人物特效等视景特效也是在v c h 平台上综合利用 c r e a t o r 、v e g a 等工具来实现的。 1 4 本章小结 本章首先从列车模拟驾驶仿真系统的社会、经济意义出发，探讨了开发列车 模拟驾驶视景仿真系统的必要性，然后介绍了列车模拟驾驶仿真技术在国内外的 研究现状和发展动态，并对视景系统要实现的功能进行简单介绍，最后对本课题 的技术背景和研究内容进行了介绍说明。 4 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 列车模拟驾驶视景仿真系统中三维虚拟模型的建立是整个仿真程序构建的 基础。建模平台的选择、数据类型的选用以及场景模型的数据优化对后续的系统 实时仿真的实现有着重要的意义。本章将对三维模型建立的关键建模技术及其优 化理论方法进行论述，并实现视景仿真系统三维模型的建立。 2 1 三维建模平台概述 ( 1 ) 以3 d m a x 为代表的建模平台 3 d m a x 是a u t o d c s k 公司麾下的d i s c r e e t 多媒体分部推出的一种功能强大的 三维设计软件包，是当前世界上销量最大的一种三维建模、虚拟现实建模的应用 软件。3 dm a x 在建模、动画、渲染方面的功能强大。其强大的建模功能表现在 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，n u r b s 等方便有效的建模手段，使建模工作轻松有趣口i 。与其功能 类似但在渲染方面更为专业的有m a y a 软件，但其在大场景的制作方面没有太大 的优势，3 d m a x 的建模环境如图21 所示。 i r 严。| ， 。；。 _ “芝怒答广1 厂：二嚣h ：= 薯0 ：产旦： 图2 13 dm a 】【建模环境 ( 2 ) 以p r o e n g i n e e r 为代表的精确建模软件 p r o e ( p r o e n g i n e e r 操作软件) 是美国参数技术公司( p a r a m c t r i c t e c l m o l o g y 矽 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要 地位，并作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准而得到业界的认可和 推广，是现今最成功的c a d c a m 软件之一。类似的软件还有u g 公司的 u n i g r a p h i c s 等，这类精确建模软件整体而吉所面向的对象为工业领域，而非视 景仿真系统。 ( 3 ) 以m u l f i g e nc r e a t o r 为代表的可视化仿真建模软件平台 m d f i g 饥c r e a t o r 是美国m u l t i g c n - p a a d i g m 公司的开发的新一代实时仿真建 模软件，是世界领先的实时三维数据库生成系统，其性能优越，稳定性好，在虚 拟现实和仿真领域得到了广泛的应用。m u l f i g 衄c r e a t o r 的构想和设计宗旨是把 最强有力的建模工具交给三维仿真的开发建设人员，它将多边形建模、矢量建模 和地形生成集成在一个软件包中，能方便地进行矢量编辑和建模、地形表面生成。 同时，m u l f i g c nc r e a t o r 为用户提供创建和编辑数据库文件地可视化环境，并使 用统一的图形数据格式o p e n f l i g h t 对模型进行统一的编排和管理。m d f i g 蜘 c r e a l d r 生成的开放式o p e n f l i g h t 格式的模型文件，以其独特的树型结构定义， 已成为虚拟现实应用领域上的业界标准。c l e , a t o r 软件界面如图2 2 所示。 e 口口z 口e = z 口= z a 一 2 z 目! ! 11 “m 一i i ：口“d 刖x 【m o1 22 三维建模平台的选取 幽22c r e a t o r 软仆界面 二到蛊 l 鬻 视景仿真系统对仿真的实时性、交互性具有很高的要求，要求仿真程序的运 行质量高。这就决定了用于视景仿真系统的三维模型数据库需要具有不同于传统 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 三维模型数据库的一些特点，如： ( 1 ) 模型的多边形的数量要尽可能的少； ( 2 ) 模型数据的构造要尽可能的简单； ( 3 ) 模型数据库的结构要便于进行操作； ( 4 ) 模型数据库要能够被应用程序快速读取； ( 5 ) 模型数据库可以包含各种约束限制信息【4 】。 传统的三维模型数据库( 通常表现为某种数据格式的模型文件，例如d x f 格式、3 d s 格式等) 由于应用目的的限制，常常不具备上述的某些特点。3 d m a x 、 m a y a 等三维建模软件虽然都可以方便的创建各种三维模型，但其设计的主要目 的均不是为虚拟现实的实时仿真而是以视觉效果为首要建模目标，不考虑模型的 渲染效率，不能够满足虚拟现实仿真的实时性要求。 m u l t i g e nc r e a t o r 仿真建模工具从软件设计理念上完全针对可视化仿真应用， 集成了多边形建模、矢量建模和地形生成等多种高级功能。m u l t i g e nc r e a t o r 建 模软件区别于传统三维建模软件包的主要特点在于独创的使用描述三维虚拟场 景的层次化数据结构呻e n f l i g h t 数据结构，它是m u l t i g e n 的基础，它采用节 点式分层结构，可以快捷方便的对场景内容元素进行直接的编辑、修改和控制， 特别适合图像生成器对其进行实时渲染。此外它还提供诸如层次细节( l o d ) 、 自由度( d o f ) 等高级实时功能。本课题的建模工作采用m u l t i g e nc r e a t o r 作为 主要建模平台，对大规模场景进行建模，并辅以3 dm a x 软件，对特殊要求的模 型进行建模。 2 3 三维视景模型建立的流程 三维视景模型的建立是列车模拟驾驶视景仿真系统的一个重要组成部分，在 模型建立过程中即要满足能产生真实感效果和实时性的要求，还要兼顾到硬件系 统的处理能力以及各种模型之间的结构层次关系。因此我们首先从整个系统的优 化的角度出发建立生成模型的工作流程。视景仿真系统的工作流程图如图2 3 所 示。 7 第2 章列乍模拟驾驶视景仿真系统模型建立 模型设计 、 卜。竺乡q 0 i 模嚣与 纹理收集与 编辑 模型优化 儆文件 模型封装 0 f s t 文件 图2 3 三维视景模型建立的流程 2 4 三维视景建模基本理论算法研究 m u l t i g e nc r e a t o r 是s g i 图形工作站上著名的实时三维仿真建模软件，其性 能优越，系统可靠，稳定性好，具有同类软件无法比拟的优点。m u l t i g e nc r e a t o r 产生实时环境中需要的三维模型和地形，c r e a t o r 中包含了若干建模工具集，用 于产生环境中所需要的带有阶层的可视化数据库。这些数据库为各种建模提供了 o p e n f l i g h t 格式的文件。c r e a t o r 首先是一个三维数据库系统，然后才是一个实时 交互三维建模软件【5 j 。 2 4 10 p e n f ii g h t 模型数据库 作为m u l i g e nc r e a t o r 的根基呻e n f l i g h t 格式的模型数据库是专门为了完 整的描述可视化仿真模型数据库的要求而诞生的，用来通知图像生成器何时及如 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 何渲染实时三维景观。o p e n f l i g h t 格式模型数据库可以完整描述一个三维虚拟场 景中包含的各种行为和声音在内的所有信息。在创建各种仿真模型时通常都使用 o p e n f l i g h t 格式。采用此格式的模型数据库在实时仿真时可以在获得极高渲染效 率的同时保证实时交互的灵活性。 从模型数据库的存储结构上看，o 刚i g h t 格式是一种树状的层次化结构。 采用这种结构，可以方便的将模型按照几何特性进行有效组织，并将其转化为能 够方便进行编辑和移动的节点的形式。所谓的节点( n o d e ) 就是构建层次化模型 数据库最基本元素或模块。 m u l 廿g e nc 1 e a o r 的建模环境提供同时交互的、多重显示和用户定义的三维图 形观察器和一个二维层次结构图。典型的层次结构图，即模型数据库如图2 4 所 示。所有的显示是交互的并是充分关联的。这种灵活的组合加速了数据库的组织、 模型生成、修改编辑、赋予属性和结构关系的定义。m u l t i g c nc r e a t o r 的逻辑结 构系统能让用户轻松组织视景数据，对数据库进行重组，从而保证运行时发挥最 好的性能。 _口四 三【互】= i ：1 ：三二【：三三e 习：= j 要刁巴卫j 工：j 三三三l 三：i 二1 ：1 ：= 匕= e = i ：三i ：兰碰峻l 三习e 丑= 亚【j ：j ：兰l ：比：e ：【三一尝到竺型尘翊芝到= 刭= _ ： ：= 出= 型= ! 型= = ：u = = ：_ 图24 典型o p e a f l i g h t 模型数据库 在实际应用中，数据库重组优化的功能包括：在数据库的构造过程中可以随 时申请数据库的重组功能：为达到优化删减的目的，自动重组空间和划分集合； 为了改进渲染性能，在集合中检索多边形；在o p e n f l i g h t 数据任一级结构中重组 部件。 在数据库优化重组调整过程中，有几个重要的原则： ( 1 ) 建立这个模型的最终目的( 即要达到何种程度，需要用到何种技术) ； ( 2 ) 模型系统的背景要求是越简单越好，还是越真实越好： ( 3 ) 模型系统中重要的部分需要精工细作； ( 4 ) 整个模型系统中的特殊要求。 o p e n f l i g h t 格式模型数据库可以经济的无缝运行大面积地形数据，有效做删 减准备，重新设计删减集台的尺寸，全面提高数据完整性和运行性能。 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 2 4 2 三维视景生成过程 一个视景仿真系统由三部分组成：视景数据库、图像生成器和显示系统。视 景数据库包括几何定义数据、仿真环境需要的色彩和纹理；图像生成器绘制的内 容是仿真器从视点定义的，这些数据存储在视景数据库中；显示系统可以是投影 仪、c r t 显示器或者头盔显示器等【6 】。 使用计算机在图形设备上生成真实感三维视景必须完成四个基本任务： ( 1 ) 用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将它们输入至计算机。 这部分工作可以由三维立体造型或曲面造型系统来完成。场景的几何描述直接影 响了图像的复杂性和图像绘制的计算消耗。选择合理的有效的数据表示和输入手 段是极其重要的。 ( 2 ) 将三维几何描述转换为二维视图。这可通过对场景的透视变换来完成。 ( 3 ) 确定场景的所有可见面。 ( 4 ) 计算场景中可见面的颜色。 2 4 3c r e a t o r 中的模型绘制算法 当在计算机屏幕上面观察三维模型的时候，观察者所看到的是带有深度的实 体。如果一个距离视点较近的物体位于视点以及距离较远的物体之间，则距离较 远的物体一般为不可见，如同在实际场景中一样。仿真器一般通过带有顺序的绘 制来达到这一点，每个场景中的物体都带有绘制顺序。c r e a t o r 使用三类数据库 绘制算法：f i x e dl i s t ，z - - b u f f e r ，以及b s p 算法。 ( 1 ) 固定列表( f i x e d l i s t ) 绘制 c r e a t o r 中固定列表依赖于数据库阶层和遍历顺序来决定哪个物体首先绘 制。每个节点优先于左侧的胞点( 同级同类节点) ，落后于右侧的胞点。矩形o l 如果在阶层的右侧则显示在球体0 4 的前端( 如图2 5 ) ，如果在左侧就显示在球 体的后端( 如图2 6 ) 。此绘制方法虽然是最快的绘制方法，但却不一定能对一个 场景进行正确的绘制。 1 0 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 口 口 e 工二】 豳 三习 - j 幽25i 嗣定列表绘制一 磐! 器：等鬻瓤夏，：弓骡冀笋氅t 甥i m 一量塑 j 1 一 _ 口 口 国26 固定列表绘制二 h j ! 旧：嬉； ( 2 ) b s p 绘制 在一个数据库中，如果每对选定的要分离的节点间可以插入一个面而不是插 入其它几何体，并且环绕项目对象的凸壳不存在相互交叉现象的话，那么这个数 据库是可分的。b s p ( b m a r ys p a c ep l a n e ) ，即二叉分离平面算法，使用数据库 中已经建模的平面来决定绘制优先级，与视点位于b s p 面同一侧的节点要优先 于异侧的节点，没有被b s p 面分割的节点将使用固定列表算法进行绘制。 为了快速插入b s p 隔离面，应该注意几点：模型数据库中的每个多边形的 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 所有顶点都应该是共面的；对于可以从中间分开的具有对称性的模型，尽量采用 先创建半边模型再使用镜像工具的方式：对于管状模型建模，应尽量使用偶数边 的横截面，这样的模型在旋转的时候看起来像是对称的；模型数据库中的单独模 型几何体应该分开布置。 在c r e a t o r 中，b s p 树包括一个左侧的子树，个代表二叉分离平面的多边 形，以及一个附属于b s p 的右侧的树。一般的，b s p 节点右侧的子树为“真”， 代表可见。在c r e a t o r 中系统提供了四种对被选择的数据库阶层模块进行分离的 办法，它们分别是检测分离( c h e c ks e p a r a b i l i t y ) ，对数据库生成一种暂时的分 离状态，允许观察者预览分离的效果；选择分离( s e p a r a t es e l e c t e d ) ，在数据库 阶层中的某一级分离数据库，对原先阶层中的群及其它模块的结构进行重组，使 用b s p 节点代替；子树分离( s e p a r a t ec h i l d r e n ) ，在不考虑子节点的节点类型以 及当前建模模式的情况下，分离每一个被选择的群( g r o u p ) 、l o d 、d o f 节点 及其子节点；递归分离( r e c u r s i v es e p a r a t i o n ) ，横断被选择的阶层模块，并且沿 着数据库向下遍历的顺序分离父节点及其子节点，保留处理过程中阶层结构的中 间阶层，这种方法必须在群( g r o u p ) 、l o d 、d o f 、b s p 模式下进行1 7 1 。 ( 3 ) z b u f f e r 绘制 z - b u f f e r 算法与两个重要的概念密切相关：像素深度( p i x e ld e p t h ) 与剪切 平面( c l i p p i n gp l a n e ) 。像素深度是指计算视点与可视化表面的每个像素之间的 距离。可视化场景的绘制过程中，只有像素深度在某一值域范围内时，这个像素 才显示出来( 如果较远，像素将被忽略) 。这就保障了最近的表面总是优先显示。 剪切平面是系统定制的用来规范缺省像素深度( 在z - b u f f e r 计算执行之前) 取值 阈限的远近两个平面。剪切平面之间的距离视数据库大小而定，取值偏大则可在 视锥体内发现物体面片有撕裂现象，通常建模过程中默认的绘制算法为 z b u f f 甜引。z b u f f e r 作为缺省的绘制算法，精确度较高，但是相对于f i x e dl i s t 和b s p 来说消耗系统内存较大。z - b u f f e r 一大缺点就是不能处理共面的面，例如 墙上的图标、广告等，这两个面相对于视点有相同的距离，这个时候z - b u f f e r 将 不能决定优先级。碰到这类问题的解决方法通过实际项目的经验，一般有两种方 法。一种是指定共面的面的绘制顺序，也就是将一个面作为另一个面的子面， z b u f f e r 保障所有的表面优先于其父面显示，图2 7 和图2 8 表示了z b u f f e r 算法 下采用子面技术与不采用子面技术。还有一种方法就是将需要优先显示的面相对 于视点移近很细微的一段距离，使两个面相对视点距离不相同，在实际应用中也 可以得到很好的效果。 1 2 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 圉28z - b u f f e r 中不采用于面技术 2 5 三维视景模型优化技术 评价一个仿真模型构建优劣的标准是它的逼真性、低耗性和实时性。所以在 设计过程中除了要求模型的真实性，还必须通过运用尽可能有效的优化手段，提 高视景系统的显示效率，满足视景系统的实时性要求。下面将介绍本课题的实际 工作中用到的一些模型优化技术。 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 2 51 减少多边形数量 m u l t i g o nc r e a t o r 以多边形作为三维模型的基本单位，一个m t 文件中多边形 数量越多，文件就越庞大，系统处理的速度就越慢。通过减少多边形的数量，可 以给文件“瘦身”，加快场景的显示。减少多边形数量可以通过以下几种方法来 实现。 ( 1 ) 使用合并面工具 使用c r e a t o r 合并面工具，可以将选中的若干个面合并成数量尽可能少的面， 使文件变小。注意合并面技术使用的原则就是不能因为面的合并而改变了模型的 外形。通常，一个由三维格式转换工具p o l y t r a n s 转化过来的c r e a t o r 文件通过合 并面操作，大小能变为原来的十分之一左右。 ( 2 ) 用纹理代替多边形 使用纹理在视觉上可以极大地丰富模型的细节，并且不增加多边形数量。 c r e a t o r 中的一个面能够同时使用八种纹理及其混合效果。在c r c m t o r 中使用纹理 时一定要注意纹理文件的长宽尺寸为2 的整数次幂像素大小，这样能够保证纹理 的正常显示，以免的浏览时纹理丢失或者倾斜变形。例如，要创建一棵形状复杂 的大树只要先傲一个面。然后在所做的面上贴上一个纹理就行了( 如图2 9 所示) 。 如果使用c r e a t o r 一线一面做出来，文件的大小是不可想象的。 日日口g 口口一 自4 q n ，j ：2 口：e 蓄i 誓誓二j 二二：二二 口 口 口 口r j 工r 匠 图29c r e a t o r 中纹理映射的应用 2 52 并行分布处理技术 c r e a t o r 中的并行分布处理技术是指在当前数据库中引用其它数据库中的几 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 何体而不保存在当前数据库中。这样可以提高实时系统中数据库的处理能力，加 快显示帧频。 ( 1 ) 实例化( i n 出n c e ) 技术 实例就是指数据库中某个模型对象的参考副本。实例和拷贝不同，实例仅仅 是指向某个物体的指针，它并没有完全复制模型对象的几何形体。在工程中为某 个模型创建若干个实例。此时内存中只是存储了一个原始模型嘲。 在其它位置使用实例化方法显示模型其实质是对内存中原始模型进行坐标 平移、比倒、旋转变换，这样可以节省大量的计算机内存、硬盘存储空间和处理 时间。如果要对构建的这些实例模型进行修改，只要修改其中的任何一个模型， 则另外的实例模型也同时进行改变，可以加快模型的编辑速度。在实际工程中采 用实例化技术创建车站站台栏杆、轻轨桥墩、轻轨轨道等可以有效的优化模型。 图21 0 所示实例化技术的应用。 黪蝌襟景i 篙筹警器岂辫型鼎d 蝗地些 ( 2 ) 外部引用( e x o m mr e f a 钆c e ) c r e a t o r 中的外部引用技术和实例化技术相类似，也是一个指向要引用模型 的指针，而不是直接对模型进行复制和粘贴。外部引用技术的使用同样也节省了 内存和硬盘空问加快了系统运行的速度及实时场景显示的流畅性。 外部引用和实例化技术的不同之处在于不能对通过外部引用技术显示的模 型进行编辑修改而必须返回到引用的原始模型文件中，通过修改原始模型文件 来达到外部引用显示的目的。图2 1 1 所示外部引用技术在本课题中的应用。 第2 章列中模拟驾驶视景仿真系统模型建立 羽匠舶 。 ： 卫【二：工互e 习巴曩要口巴 巴丑二三r 习臣口 刊i j 2 业j e j 臣j 三巴口e 酗叠蚴三型三二：e 丑 。当t 坚4 捌嘻蜜j j 坦! _ 嘻划划l 当窖竺( j 5 i 二1 。 253 提高渲染速度 圉21 1c r e a t o r 外部引用技术的应用 ( 1 ) 使用分层l o d ( l e v e l s o f d e t a i l ) 技术 l o d 技术也称为多层次细节技术，为了解决可视化仿真建模过程中系统的 实时性和模型的逼真性之间的矛盾，按照模型对象距离当前视点距离的不同，数 据库设置成不同的细节层次，距离近时调用复杂模型，显示更多的细节，距离远 时调用简单模型，不必显示细节，以便减少计算量，保证系统的交互速度【1 0 1 。 所谓细节层次就是对同一物体建立多个不同细节程度的模型。细节层次越高，模 型显示得越详细，所需的多边形数目也就相应增加。在实时运行时，显示哪个细 节层次的模型由视点和该物体的距离决定。通过对栅格尺寸和外部公差容差值的 设置，可得到不同精细程度的l o d 模型。当对象距离视点很远时，调用细节层 次最低的模型，可以大大加快系统处理和渲染速度。图2 1 2 ，图21 3 ，图2 1 4 ， 图21 5 所示了l o d 技术在铁轨建模中的应用。通过应用l o d 技术，大大减少 了仿真系统的开销。 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 u “t “一， 幽21 2l o d 应州铁轨切始模型 g t “- 5 x 捌21 3l o d 麻j i 一一铁轨l o d l 模型 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 口i o l 汕h - h 一t i ”“ _ 幽21 4l 麻州一一铁轨l o d 2 模趔 口r i o b l d o 图21 5l o d 应刚一铁轨l o i ) 3 模荆 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 ( 2 ) 使用f s t 格式文件替代f i t 格式文件 f s t 是一种特殊的文件格式，用来保存所构建的三维模型。f s t 格式的文件由 f l t 格式的文件转换而成，可以f l t 文件中的全部模型和纹理，而文件大小只有 f i t 文件的十分之一左右【l 。当f i t 文件很大时，把f i t 格式转换成f s t 格式会显 著提高实时系统的运行速度，并且因为f s t 文件是只读的，f s t 文件不能再转换 成f l t 文件，不能再次用c r e a t o r 进行编辑，只能用v e g a 调入渲染，所以具有保 护创建人知识产权的作用。 转换的方法如下： a ) 创建一个新的a d f 文件； b ) 将要转换的f l t 模型添力f l n o b j e c t s 面板中； c ) 保存该a d f 文件，假设命名为m y a d f ； d ) 打开d o s 窗口，转到保存a d f 文件的目录下； e ) 在命令行提示下，键入如下命令： o b j c o n v c r t am y a d f - sf s t - i 其中：a 表示转化指定a d f 文件中的所有模型对象 sf s t 表示指定转化后的模型格式为f s t i 表示将纹理包含在f s t 文件中 f s t 转换完毕后就会在m y a d 缃同目录下产生一个与原模型同名的f s t 文件， 生成的文件就可以在视景驱动中进行调用。 ( 3 ) 使用压缩纹理和子纹理映射 c r e a t o r 支持多种纹理格式，所以在可能的情况下，可以使用压缩过的纹理 格式，以减小纹理文件的大小。 子纹理映射是指将同一个纹理的不同区域映射到不同的模型对象上。通过 p h o t o s h o p 等软件能够将若干个小纹理合并成一个大纹理，并要保证大纹理图像 在两个方向上的尺寸是2 的整数次幂大小，以便提高纹理内存的利用效率，从而 加快系统的实时运行速度。 2 6 三维视景仿真系统实时建模 通过对c r e a t o r 软件建模相关理论、关键技术以及优化技术的研究，对c r e a t o r 的建模原理和功能有了更深入的了解。本节将进行实际的建模工作。通过反复的 实践改进，获得满意的建模效果。 1 9 第2 章列车模拟驾驶视景仿真系统模型建立 2 61 车站模型的建立 结合实体模型建模的一般步骤，在构建车站模型之前，首先需要对车站各种 建筑信息进行实地勘测，以获得诸如车站长、宽、高以及车站内部情况等相关信 息，在纸上完成草图的绘制。依照设计草图，就可以进行车站框架的三维重建。 其次，需要现场拍摄车站站台内所有需要重现三维实体模型的图片，通过 p h o t o s h o p 软件进行编辑处理后，进行纹理映射( 又成为纹理贴图，常用的纹理 映射方式有三点映射) ，以使虚拟场景模