（轮机工程专业论文）船舶机舱虚拟现实仿真系统的研究与开发.pdf

武汉理：大学硕士学位论文 摘要 随着计算机披术、通信技术及其它相关技术的飞速发展，信息的可视化成 为新的应用发展方向，基予虚拟现实斡仿真技术f l 盏成为当藏研究的热点。 传统的船舶轮机仿真中，般只建立黼舶电站、集中控铷台和主机等设备的 半实物仿疑，这与真实船舶机舱环境有较大差别。利用艘拟现实技术，建立船 舶税舱环境的三维模型，通过显示设备和控箭设备使得学员可阻在虚拟机舱环 境中漫游鞠进行一然控制操作，对于学员了解机舱环境，增强培训真实感，是 眈较好的。因此，建立船舶机舱酌虚拟现实仿真系统，怒对现有船耱轮机仿真 器很有益的补充，有利于提高轮机员培训的教学攒量。 本文在分桥了虚拟现实技术在国内外发震及敝用情况的基础上，结合船舶 机舱的具体情况，建立了船舶机舱虚拟现实仿真系统，包括船舶机舱环境三维 实体建模，实现攫叛税舱漫游功缝，荠实凝实对彷真及变互控稍功艟。鬃俸工 作包括以下几个部分： 、通过对国淘辫霪羧现实技术及漫游系统瀚褥究及激蠲祷穗练述，溺透了 本课题的现实意义，提出了船舶机舱虚拟现实仿真系统的总体设计和实现方法。 2 、餐舔三维建模较箨m u l t i g e nc r e a t o r 霹耱靛氛舱进行寝羧场景静稳建。 建模过程中采用了实例化技术、外部引用技术、纹理映射技术等多种方法。在 建立场景数据疼螽，采熏了l o d 技术等多方瑟建模型进行了佬纯。 3 、使用视景瓤动引擎v e g a 实现虚拟机舱环境的实时漫游，实现自动漫游 秘强。控翻浸游嚣耱漫游方式，详绸说明了漫游载没；手方法及实凌遐程，。 4 、建立与现柯轮机模拟器之间通信，实现虚拟机舱与船舶轮机模拟器之间 熬互搡佟，谨缀鲻透了虚羧场景中运菇秘 奉驱凌鹣实理方法。 关键字：虚拟现实，视景，轮机，m u lt i g e nc r e a t o r ，v e g a 武汉氆工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 壕 蠡er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n do t h e rt e c h n o l o g i e s ，t h ev i s i b l i l l yo fi n f o r m 舔o nb e c o m e st h en e wf i e l do f a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n dt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i r t u a lr e a l i t y ( f 醅 巍。噍，v 融i sb e i n gi n c r e a s i n g l yt h ef o c u so f c u r r e n t l yr e s e a r c h ， g e n e r a l l y , t h et r a d i t i o n a lm a r i n ee n g i n er o o ms i m u l a t o ro n l ys i m u l a t e se l e c t r i c p o w e rs t a t i o ns w i t c h b o a r d ，m a i ne n g i n ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gc o n s o l e ，a n dm a i n e n g i n e s oi ti sd i f f e r e n c ef r o mr e a le n g i n er o o m b yu s i n go fv i r t u a lr e a l i 移 t e c h n o l o g y 。w ec 8 娃b u i l dt h e3 dm o d e lo fm a r i f i ee n g i n er o o m ，a n ds t u d e n t sc a r l r o o ma n dd os o m eo p e r a t i o n st h r o u g hm o n i t o r sa n d o p e r a t i o ne q u i p m e n t s ，珏i sf i n e r f o rt r a i n e r st ok n o wr e a le n g i n er o o m s o ，b u i l d i n gt h em a r i n ee n g i n er o o mv i r t u a l r e a l i t ys i m u l a t o ri sab e n e f i c i a ls u p p l e m e n to fp r e s e n t m a r i n ee n g i n er o o m s i m u l a t o r , a n da l s oi m p r o v e st h et r a i n i n gq u a l i 移 下艇sp a p e rp r e s e n t st h ep r o c e s so f b o wt oa n a l y z et h es t a t u so f t h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no f v rt e c h n o l o g y ，m o d e l st h ev i r t u a le n g i n er o o ms y s t e ma e c o r d i n g t ot h er e a le n g i n er o o mc o n d i t i o n ，b u i l d st h e3 dm o d e l ，a n dd e v e l o p st h ev i s u a l s i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hh a st h ey rc h a r a c t e r i s t i c t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e s s e v e r a lp a r t sa sf e l l o w ： l ，瓿es i g n i f i c a n c eo ft h i st a s ki sp r e s e n t e db ys t u d y i n gt h es t a t u so ft h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv rt e c h n o l o g y 越lo v e rt h ew o r l d 。t h ed e s i g na n d m e t h o do fh o wt od e v e l o pt h ev i r t u a le n g i n er o o ms y s t e mi sa l s op r e s e n t e di nt h i s p a p e r 2 as o f t w a r en a m e dm u t t i g e nc r e a t o ri su s e dt om o d e lt h es c e n eo fe n g i n e r o o m i nt h ep r o c e s so fm o d e l i n g ，t h em e t h o d so fe x t e r n a lr e f e r e n c e ，i n s t a n c e , t e x t u r ea r eu s e d 。a f t e rs e tu pt h es c e n ed a t a b a s e ，t h em o d e l s 瓣w e l lo p t i m i z e db y t h em e t h o do fl o d + 3 r e a l - t i m er o a m i n gi s 盎l l 囊l i e db yu s i n gav rd e v e l o p m e n ts o f t w a r en a m e d ；嘲a n dt h ed e s i g np r o c e s so fs c e n er o a m i n gi so f f e r e d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e 删t o b u i l dt w ow a l k t h r o u g hm o d e st h a ta r ec o n t r o l l a b l ew a l k t h r o u g ha n da u t o m a t i c w a l k t h r o u g h 4 ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv i s u a ls i m u i a t i o ns y s t e ma n df u l lm i s s i o t tm a r i n e e n g i n er o o ms i m u l a t o ra r ee s t a b l i s h e d t h ep a p e rp r e s e n t st h ew a yt od r i v et h e o b j e c t ss u c ha sm e t e r s ，h a n d l e s ，i n d i c a t o rl i g h t sa n db u a o n si nt h ev i r t u a ls c e n e 。 k e yw o r d s ：v r ，e n g i n er o o m ，m u l t i g e nc r e a t o g g 箨， l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题的背景及研究意义 1 1 1 虚拟现实技术概要 随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展，信息的可视化成 为新的应用发展方向，基于虚拟现实的仿真技术日益成为当前研究的热点。虚 拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , 简称v r ，又称灵境技术) 技术是一种逼真地模拟人在自然 环境中视觉、听觉、触觉、味觉、运动等行为的人机界面技术。这种技术的特 点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构 成的三维数字模型，编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在 视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，这就是虚拟现实技术的浸没感 ( i m m e r s i o n ) 或临场参与感。虚拟现实与通常c a d 系统所产生的模型以及传统的 三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境， 虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是v r 的第二卟 特征，即交互性( i n t e r a c t i o n ) 。虚拟现实的第三个特性是构想，v r 技术不仅能 够在多维信息空间仿真建模，而且能够帮助人们获取知识和形成新的概念。 虚拟现实技术的应用在很多方面有着突出的优点。例如使用船舶驾驶模拟 器、飞行模拟器、汽车驾驶模拟器来培训学员，既可以节省开支，也有很高的 安全性，还可以模拟实现在实物上根本无法实现的各种紧急情况。再如虚拟手 术，不仅可以培训学员，医生还可以利用该系统进行实际手术前的模拟手术， 以提高手术的成功率。在军事领域，虚拟现实技术的应用更是发挥了巨大的优 势，在大规模军事演习、武器系统的开发等方面，不仅降低了开支，而且便于 组织和远程控制。 1 1 2 船舶轮机模拟器概要 轮机模拟器( m a r i n ee n g i n er o o ms i m u l a t o r ) ，是航海及航海教育界对船舶机 舱仿真培训系统的通称，目前己成为现代化航海教育的一种必备设施。轮机模 拟器是一种在实验室内利用计算机仿真技术较真实地再现远洋船舶机舱各主要 设备的操作与控制、状态与参数显示、声光报警等功能的装置，学生可以在模 武汉理下大学硕士学位论文 拟器操纵台上操级船舶动力设备，可以反复操练在实船上比较困难甚至不允许 睫馒试验的 j f 练啦蜜，可月较短瞬间使受训人员键到实船长期累积才能褥到的 实际经验，可以完成在航行中实船上根本办不到的识别与排除故障。轮机模拟 嚣的开发謦h 应用，大大改善了船员教育和焙训的条件，提高了轮机管理专业学 ，圭和受训船员的操作与管理水平。随着计算机和系统仿真技术的发展，轮机模 拟器技术也随之迅速发展，其技术含量不断提高，系统功能日益增强。 1 1 3 课题研究意义 传统的船舶轮机仿真中，一般只建立船舶电站、集控裔、控制箱和主枫模型 的实物仿舆，这与真实船舶枫舱环境有很大差剐。使得学员对于船舶机舱的真 实环境并不了解。如果要翎建真实静祝舱环境，不仅花赞巨大，丽且对掰于珞 训的船舶轮机仿真器系统来说，最然没有必要。 利用愆羧现实按术，建立船舶梳舱环境酌三维模型，通过显示设备酾控翻 设备使得举员可以在虚拟机舱环境中漫游和进行些控制操作，对于了解机舱 环囊，璜强真实感，显然楚魄较好静。舅耱，隧赣麓瓣瓣爵缀，对璎寿鞔舱设 备进行更换，只需要在计算机设铸上对现有模型进行修醴殳，非常方便；也可以 创建各静不弱憝熊戆霆拟梗越摸鍪，使褥学员可以漫游不露豹壤舱，进藤对捉 舱的环境肖更深入的了觯。 晏乡 ，透过突现躲鼹机趋蕊数理实傍粪系绕与躲靛鲶机模数擐之阚安赋逶 信，实现虚拟机舱与船舶轮机模拟器之间互操作。系统实时接收轮机模拟器的 数据，保持视景巾虚拟设备的状态与船舵轮机模拟器所模搬的榴应设备的状态 一敫；并鼠可通过对虚拟视舱中褶关设备的控制，实现对轮机模拟嚣的操作。 因此，建立船舶机舱的虚拟现实仿真系统，是对于现有船舶轮机仿真器很 肖盏的补究，有秘子提高轮梳受培调豹教学蔟量。另外，通过零阶段豹研究， 也对以后研究开发基于虚拟现实技术的船舶轮机仿真器提供一些技术和缎验。 1 2 国内外研究现状m 嘲4 1 。剐 3 汹1 1 2 1 国外研究现状 美国是虚拟现实技术的发源地。美潮虚拟瑶窳研究技术的水平基本上就代 表国际虚拟现实按术发殿的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感 2 武汉理工大学硕：e 学位论文 知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。其应用主要集中在军事、航空航天、 医疗、墙锻、娱乐蛰方蘧。美国宇航局( n a s a ) 磷究了空阏鲢操纵的实融像囊， 还完成了对哈勃太空望远镜的仿翼。n a s a 的a m e s 现正致力于一个叫“艘拟行 星攘索( v p e ) ”的试验计划。现农n a s a 已经建立了航空、卫星维护v r 训练 系统，空间站v r 训练系统，并且融经建立了可供全国使用的v r 教育系统。美 国l o m al i n d a 大学医学中心以数攒手套为工具，将手的遴动实时地在计算机上 弼图形表示出来；他们还成功地蒋v r 技术运用予隧虐待儿童的心理康复之中， 并酋创了成拟现实儿科治疗法。美国s r i 研究中心进行了利用虚拟现实技术对 军用飞视戢车辆驾驶的调绦研究。筠井，s r j 还利粥遥控技术进行外科手术仿真 的研究。焚国伊刹诺斯州立大学研制出在率辆设计中，支持远程协作的分布式 虚擞现实系统。不弼国家、不溺趣区豹王程薄稍磷潋通过计算梳溺络实辩协作 进行设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场 翡时闻，掰盈可戳在薪产熬生产之前簸魏瓣其进行倍葬释测试，逡弹裁大大遗 提隔了产品质量。 在当簿实强纛攘现实技术熬磅究与秀发孛鬻本是詹予预毙经藿静瀚家之 一，主要致力于建立大规模虚拟现实知识席的研究。另外在虚拟现实游戏方面 弱耢究妻骰了缀多工幸筝。 随着廉拟现实技术的发展与成熟，其殿用开始向民用领域延伸。目前，虚 羧瑷实按零基在零搴、臻黎、医疗、_ 王穆与建筑、教弯与培训、瓣学霸鑫融霹 视化等方面获得了广泛应用。 在娱袭蝗中庭溺寝接现实按零，霹激开发凄鬏受欢逮鳇交互戆豹奄予游戏， 可以在影视作品中制造引入入胜的宏大场皴，生成各种撼人心魄的特技效果； 在医疗中应用震搬臻嶷技本，霹竣建立寝羧懿入傣嚣寓搂型，对葜避嚣虚 拟乎术，自够很好她完成复杂的医疗培训； 在建筑妊中皮用虚数壤实技零，逶造漫游嶷掇建筑，霹l 冀锷霸工疆烀镪进 行方案评审、改善设计，使房地产商能够展示虚拟样房并进行房艨预售等； 在制遮业中应用虚拟现实技术，可以遴行虚拟产品设计，甚至进行焱拱制 造。波音7 7 7 大型客机的冤纸设计与虚拟组装就魁其中的熊型应用。 近年激，虚拟现实技术又有7 很大的发展，主器是：1 ) 使用基于图像的绘 制技术( 域与图形绘制相结合) ，以提高图形生麟的速度；2 ) 各种新的交互设 备，譬如双手输入技术，三维力反馈设备，美国s e n s a b l et e c h ，公司的 武汉理工大学硕士学位论文 p h a nt o m 系统等；3 ) 增强现实( a u g m e n t e d r e a l i t y ) ，也称混合现实，它是 将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，既可减少生成复杂环境的 开销，又便于对实际物体的操作；4 ) 分布式虚拟现实环境，在因特网( 包括高 速i n t e r n e t ) 环境下，充分利用各地资源的优势，协同开发虚拟现实的应用，如 美国大型军用交互仿真系统n p s n e t 及因特网上多人游戏m u d 等；5 ) 多通道 人机交互技术，即采用人体多种自然交互手段向系统输入，如手势、语音、头 部或身体动作等。 1 2 2 国内发展现状 和一些发达国家相比，我国虚拟现实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。根据我国国情，制定了开展虚拟现实技术的 研究。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 现实技术列入了研究项目。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。我国从1 9 9 6 年起，国家8 6 3 计划支持下的 d v e n e t ，是由北京航空航天大学联合浙江大学、国防科技大学、装甲兵工程 学院、解放军测绘学院和中科院软件所等单位开发的一个分布式虚拟环境基础 信息平台。基于d v e n e t 的分布式虚拟战场环境，将分布在不同地域的若干真 实仿真器和虚拟仿真器联合在一起，进行异地协同与对抗战术仿真演练。 近几年，我国虚拟现实技术发展迅速，应用领域也在逐步扩大，在军事、 医疗、城市规划、房地产开发、娱乐、教育与培训等领域都有相关应用。但在 船舶轮机仿真领域，虚拟现实技术的应用较少。 目前国内有清华大学、大连海事大学合作进行过该方面的研究，并于2 0 0 1 年成功研制出了我国首台基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统。该系统模拟 机舱的虚拟现实视景，设计了虚拟机舱漫游仿真系统和虚拟集控室与虚拟驾驶台 遥控仿真系统；可实现在虚拟驾驶台、集控台、机旁应急操纵台仿真界面上操 纵虚拟车钟、虚拟油门手柄、虚拟按钮等完成对主机三维运动模型的实时操纵 控制。该仿真系统采用世界工具包w o r d t o o l k i t 隔吓k 1 和桌面虚拟环境系统v r t 虚拟环境开发工具开发。其中虚拟机舱漫游系统由w t k 生成；虚拟驾驶台、虚 拟机舱控制室、虚拟控制台及虚拟仪表等应用虚拟现实环境编程开发工具 s u p e r s c a p e v r t 实现。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究目标及内容 本课题预期的主要研究目标是开发出基于m u l t i g e nc r e a t o r & v e g a 的船舶机 舱虚拟现实仿真系统，建立逼真的船舶机舱虚拟场景，实现人在虚拟机舱环境 中的漫游：实现对虚拟场景中主要运动部件的驱动，实现与现有船舶轮机模拟 器之间通信，实现虚拟机舱与轮机模拟器之间的互操作，保持虚拟场景中虚拟 仪表、虚拟指示灯等部件的状态与船舶轮机模拟器相应部件的状态一致。 本课题主要研究内容是： 1 ) 机舱环境三维模型的建立及优化； 2 ) 实现机舱场景的实时漫游，实现自动漫游和可控制漫游两种漫游方式， 在漫游过程中实现不同漫游方式和不同观察者初始位置的切换； 3 ) 实现与轮机模拟器之间通信，实现虚拟机舱与轮机模拟器之间的互操作。 保持视景中虚拟设备的状态与船舶轮机模拟器所模拟的相应设备的状态一致； 并且可通过对虚拟机舱中相关设备的控制，实现对轮机模拟器的操作。 5 塑垄曼盔堂堡主堂焦堡苎 第2 章船舶机舱虚拟现实仿真系统的总体设计 与实现方法 2 1 系统的总体设计 根据船舶轮机模拟器功能的需要及实际应用的需求，船舶机舱虚拟现实仿 真系统应具蠢以下几方面功能： l 、虚拟机舱场景漫游。根据实船机舱溺景，建立逼真的虚拟场景三维模型， 实现对虚拟场景的实时驱动。实现可控制漫游和爨动漫游两种漫游方式。在可 控制漫游方式下，漫游者可戬随意改变观察者的税角和彼嚣，控制观察者在虚 拟机舱中漫游；在自动漫游方式下，系统根据设定好的路线自动漫游；在漫游 过程中可以通过菜荦实现可控翻漫游方式鄱自动漫游方式之间酌切换，及不同 观察者初级位置之间的切换。 2 、实溪虚撅瓤舱设餐与船舶轮橇模拟器之阕麴互操稼。建立与船舶轮辊模 拟器之间邋信，实时接收模拟器的数据，保持虚拟场景中虚拟设餐的状态与船 靛轮疆搂摇器穗应设各状态一致；遥遘对纛叛瓠鹣中辐关设餐静羧铺，实瑷对 轮机模拟器的操作。 3 、建立完善鹣磋蓬梭溺( 饕本文磅瓷凌容) 。在哥羧粼漫游方式下，浸黎 者控制的观察者在机舱中漫游时，当接触到机舱中的设备和墙壁时，做出必要 熬反应，滋增艇绣最漫游鹣真实感。 2 2m u i t i g e nc r e a t o r 三维建模软件旬7 3 2 。2 1 三维建模软件分析 从8 0 年代初剿9 0 年代，是廉拟环境技术开始进入实际应用的阶段。这个 时麓，鏊舞_ 开发凄一系蘩瓣霪搭骥实系统，最秀始应瘸予靛天、溪貔，邋年来 逐渐应用于交通、电力、管理等等行业。谯虚拟环境系统中只有交互设备是不 够戆，还努矮撵供蓥零豹簌臀支撵琢凌，馊翅户麓方矮黪擒遥建掇毽器并与寝 拟世界进行高级交旺。以下就几个熊型的软件进行分析： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) a u t o c a d ：a u t o c a d 是一个开放型的c a d 软件包，用它绘制图形鼹有极 高的精度，a u t o c a d 的双精度浮点运算可以糟确到小数点藤1 6 位，无论憋榉频 繁地编辑图形，都能保持嘲形的精确。它提供了丰富的基本绘图对象，具有完 善的图形绘制功能姆编辑功能，内宙a u t o l i s p 语塞和a d s 、a r x 开发系绞，利 于用户进行二次开发。a u t o c a d 提供了多种接口文件( 如s c r 、d x f 、i g e s 等) ， 便于与高级语言进行信息交换，或澎与其他c a d 系统进行相互的嬲形转换。在 图羝的设鬣和输出方面，a u t o c a d 髓够把三维模型输出为精美的、符合工、煦标准 的工程图纸，这在同类软件中是出类拔萃的。但它的缺点是灯光滤染和动画功 能方面不如3 d s x 强大。 ( 2 ) 3 ds t u d i om a x a u t o d e s k 公司的3 ds t u d i o ! 1 1 8 x 是三维动茴软件， 近年来在三维仿真中氇有墩嗣，它支持w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sn t 平台，具 有多线程愆算能力，支持多处理器的并行燧算、建模和动域能力丰富，材质编 辑系统氇徽出色。弱磐，始n u r b s 、d i s p a c em o k i f y 、摄像祝舔踪、运动捕获等 原本只限于专业软件中才可能具有的功能，现在也被引入到了3 d sm a x 中。3 d s m a x 最大熬往纛在予插俘符掰多，箕中诲多攮箨是非常专受麓，懿专蘑子设诗灾、 烟、云效果的a f e r b u r n ，制作肌肉的m e t a r e y e 等，利用这些插件可以制作出更 热精彩麓效莱，毽疑点是滚染震感鞠辩较蓑，不管觚渲染溪萋霸 ! 嶷染速发上来 讲，同s o f ti m a g e3 d 这类软件还怒有差躐。 ( 3 ) m a y a ：m a y a 竣久稻穆 筝是当今最强大翡三维入物凄藿软 孚，嚣为在 m a y a 中可以把微妙的表情赋予数字角色，用户可以随心所欲地实现自己的创意。 ( 4 ) s o f t i m a g e 3 d ：怒壹繇l 互 乍蘸谬蘧焉采靛，圭舞痰弱手w i n d o w s 戳 平台，最 囊长于卡通造型和角色动画以及模拟各种虚幻的情景、光影，怒影视 特技不霹缺少夔重要工具。s o f t i m a g e 3 d 囊被认必是动态功能爨爨色鼹3 d 软 件，但从易用性上来讲，同一些专业建模工具还魁有差距。 5 ) l i g h t w a v e3 d ；l i g h t w a v e3 d 怒n e w t e k 公司接蹬款，瞧是全辣唯一 支持大多数工作平台的3 d 软件。襁w i n d o w s9 5 9 8 n t 、s g i 、s u n m i c r os y s t e m 、 p o w e r m a c 、d e ca l p h a 等各种平台上都毒统一的界藤，操传稳对比较篱单，易学 易用。其优势在于渲染质感非常优秀，而缺点是功能还不够完善，造型动作不 够灵活。它在影襁拨术制作市场中，l i g h t w a v e3 d 的软传凝机率占魇有渤画软 件的一半。泰坦脶克号中的泰坦尼克号模型，就是用l i g h t w a v e 制作的。 ( 6 ) m u l t i g e nc r e a t o r ；m u l t i g e nc r e a t o r 是在图形工作遮上比较知名的 7 武汉理：l 大学 暌士学位论文 实时三维模型建模工具软件系统，由m u l t i g e n 公司出品，具有良好的性能，系 统霹靠、稳定性好，可交要擒选三维模型瑗予创建捷关联的理实事物。它懿平 台主要是藉名的s g i 公司提供的系统产品，并有支持n t 的简化版本。m u l t i g e n c r e a t o r 楚基予o p e n f l i g h t 鲍，o p e n f l i g h t 是m u l t i g e n 公司戆搂述数攥露揍 式的工业标准。o p e n f l i g h t 包括丁绝大多数的应用数据炎型和结构，确保实时 三维性能鼹交互谯蛉逻辑关系，在提供优质视觉麴弼越傻证内存占惩。蜒时， m u l t g e nc r e a t o r 还提供其他多种数据格式转换工具，如a 1 i s a w a v e f r o n t 、 a u t o c a dd x f 、3 d m a x 、p h o t o s h o pi m a g ef i l e s 、i n v e n t o r 等。这使有些已有 的用其他软件建横的三维模型得到充分利用。它还具有动态数攒库重组、动态 仪表生成、实时地形生成等功能，劳提供扩展工凝s d k ( 系统开发工具) ，可定 制生成适合用户的特殊需求。 综上所述，根据实验赛条件，选择m u lt i g e nc r e a t o r 作为虑拟枧舱环境三 维模型开发工具。 2 。2 ，2 黼l t l g e nc r e a t o r 摄遴 m u l t i g e nc r e a t o r 是图形工馋站上著名的实时三维仿真建模工具系绫，是 m u l t i g e n 公司杰池作品，其性能优越，系统可靠，稳定性好，具有同类软件系 统无法比拟的优点。m u l t i g e n 有一系列的版本，鼹支持n t 和u n i x 版本。 m u l t i g e nc r e a t o r 与c a d 等其他的建横软件不耐，它主要考虑如何艇成逼 真的大面积地形、地貌等地理环境，以及如何提简模型的实时性。 m u l f i g e nc r e a t o r 韵弼想和设计宗鏊怒把最强有力的建模工其交给三维仿真 的开发建设人员。如果仿嶷要求严格，没有出错和折中的余地，那么m u l t i g e n c r e a t o r 簸是最菇瀚选择。西菇它体现了三维实l l 尊的精髓：其有麓大规模鹃瑰形 数据库，复杂的拓扑结构，多种邀载工其类型的宾体和动态效果，支持网上的 d i s 诲议，模鼙霹敬被套忒驱动，模垄韵浚染运学袋孺多耱强象格式，竞诲获多 个三维视点观看模型，可以经济高效地提取所有精确的数据等等。m u l t i g e c r e a t o r 掩供翻建鞠编辑数据疼文件麴哥筏纯环境，著镬麓统一豹国形数据格式 o p e n f l i g h t 数据格式是m u l t i g e nc r e a t o r 的根基，是一种分层结构景观描述数据 瘴，震柬逶翔图象垒残嚣o g ) 霹辩渲染三缍蓑鬟，菲豢精确霹靠。先进豹实对功 能如细节层次、多边形删减、绘僚4 优先级、分离平面等怒o p e nf l i g h t 成为最受 欢迩鲍囊鲢三维辏式躲足个原爨。嚣显，诲多重要熬v r 开发环境都与它兼容。 8 武汉理工大学硕士学位论文 在厢面的结构层次视图中将充分攒述o p e nf l i g h t 结构的组成，展现它组织的优 越性。同时m u l t i g e nc r e a t o r 还提供了其能的数攫格式转换王具，虹：a u t o c a d d x f 、3 ds t u d i o 镣，此外它还具肖动态重组数据游、动态生成仪寝、生成实对 地形等功能。m u l t i g e nc r e a t o r 建模工具软传具有强大的功能，在仿真可视化领 域有很广泛的应用。如：航空航天、娱乐、虚拟现实、视频播放以及计算机辅 助设计、建筑工程、教育蛾训、金融分析、电子技术和军豢训练仿真等等。 2 2 3m u l t i g e nc r e a t o r 主黧特点 ( 1 ) 数据库熬组在数据库构造阶段，可在任何时间进行数据库的蘸组。 为了改善浚染性能，在缀睫对多边形进行摊序。必了达到忧化薅逸的墨熬，基 动进行空间重组及分组。在o p e n f l i g h t 数据结构内，任 可层次可蓬组部件。其 特点在于可以无缝地、经济地管遐大面积数据瘁，有效地做好筛选准备翻薅选 组大小的鬃新设计，全面改进数粥完整性殿运行髓能。 ( 2 ) 渐变路径在选中的细节等级模溅顶点之间自动计算渐变路径。消除 了”突弹”效果，而不增加濮【染负担。用渐变路径来平淆等级细节切换的模疆，可 以定义细节等级渐变开关和转换范围，并在渐变过程的经何阶段实时地预览和 进行编辑。 ( 3 ) 繁殖在选定的睡域内，随机或按固定形式放鬣丰富逼真的数搬库特 徭，丽不灞如实辩鬣形静负整。掰由凡搿模型、寓镶铯及舞帮雩| 惩建立貘型。 特点是增加自然和人工的特征，以快速美化场景、经济使用内存、节省存储空 润为更紧密静实嚣雩渲染i 藏务。 利用c r e a t o r 燮互式、直观的用户界筒进行多边形建模和纹理贴图，使用户 麓够稷抉生成一个薅逶囊滚懿模鹫，势显它掰截纛麴3 d 模型耱够在实畦涟程中 随意进行优化。c r e a t o r 提供的转换工具，能够将多种c a d 、3 d 斌动画软件模 登转换残c r e a t o r 联支持抟o p e n f l i g h t 旗式。 2 。2 + 4o p e n f ii g h t 数据库格式 o p e n f l i g h t 怒m u l f i g e n p a r a d i g m 公司开发的一种场景描述数据库规范 ( s c e n ed e s c r i p t i o nd a t a b a s es p e c i f i c a t i o n ) 。宅豹数据格蕊是m u l t i g e nc r e a t o r 的根基，用来通知图像生成器何时及如何渲染实时三维景观，非常精确可靠。 9 武汉理工大学硕士学位论文 m u l t i g e nc r e a t o r 强大的工具核心为2 4 种不同的图像生成器提供自己的建模系 统和定制的功能。先进的实时功能( 如层次细节、多边形删减、逻辑删减、绘 制优先级、平面分离) 是o p e n f l i g h t 成为最受欢迎的实时三维图像格式的几个 原因，许多重要的v r 开发环境都与它兼容。 o p e n f i i g h t 数据库采用树状结构层次来组织管理场景数据。这个树状结构由 许多节点组成，每一个结点可以有子结点或兄弟结点。o p e n f l i g h t 的结点类型和 支持的功能主要有： ( 1 ) 全貌层( h e a d e r l e v e l ) 模型 o p e n f l i g h t 使用几何体、层次结构和属性来描述三维物体，配置控制系统和 数据库建造历史，包括外部引用( e x t e r n a lr e f e r e n c i n g ) 的路径名，模型各部分 的几何造型定义、位置和大小。 ( 2 ) 集合层( g r o u pl e v e l ) 模型 集合层模型以逻辑组的形式组织和定义模型组件，用于总体模型的建造、 动画和实时渲染。 其扩展功能主要包括： 外部引用( e x t e m a lr e f e r e n c e ) ：分布在不同文件中的所有模型，通过数据 库关系统进行快速的子匹配，允许用户直接把其他数据库引用到当前的数据库 中进行重新定位。 细节层次( l o d ) ：为减少实时渲染的开销，按照距离范围切换模型的不同版 本，达到减少多边形的目的。它用于管理实时系统的显示负载。在远距离观察 时，物体表示非常简单，但是随着视点移近物体，就会不断增加物体的复杂性。 自由度( d o f ) ：为实时动画序列定义部件的铰链关节和运动范围，如模型 的移动和旋转。 切换( s w i t c h ) ：为动态场景的变换而设计的功能，如特殊效果和运输工具 的损坏。 ( 3 ) 对象层( o b j e c tl e v e l ) 模型 对象层模型提供了更好的结构细节、个别部件的删减、模型面的实时渲染。 其扩展功能包括： 文本( t e x t ) ：把三维二维和静态动态的文本放在仪表中显示。 光( l i g h t ) ：定义光源的类型、位置和方向。 声音( s o u n d ) ：定义和附加声音文件到动态三维物体。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 表面层( f a c el e v e l ) 模型 为了对渲染提供更细致的控制，用户可以利用表面层模型定义和组织表面 和属性；为色彩与纹理调和选择材质；选择布告栏标记( s e l e c t i o nf l a g sf o r b i l l b o a r d s ) 定义表面渲染选项( 色彩和纹理) ；定义明暗模式，包括平坦、光 滑和顶点色彩；定义材质，包括放射的、光谱的、周边的、扩散的、有光泽的 和带有透明度的。 ( 5 ) 顶点层( v e r t e xl e v e l ) 模型 顶点层模型组织和定义数据库中几何造型最细的一级，提供对顶点的位置、 色彩、纹理映象和光亮的绝对控制。 m u l t i g e nc r e a t 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有二维层次的结构图。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 e nc r e a t o r 的 逻辑结构可让用户轻松地组织视景数据，为超级实时图形硬件提供了优化的性 能。 在建模过程中，即使是最简单的模型，也应该调整层次结构视图，而达到 优化的目的。层次结构视图( h i e r a r c h yv i e w ) 及其修改工具( h i e r a r c h yt o o l s ) 是与用户交互的，并且通过鼠标点击或选择后拖曳达到重新安排结构的目的， 若用鼠标双击选项，则会打开相应目录的属性表。 2 3 实时仿真软件v e g a 阳町” 2 3 1 实时三维处理软件 当前支持实时三维处理的软件很多，在这里重点分析当前国内使用较多的 三个软件：s g i 公司的i r i sp e r f o r m e r 、c g 2 公司的v t r e e 和m u l t i g e n p a r a d i g m 公司的v e g a 。 ( 1 ) i r i sp e r f o r m e r o p e n g l a p i 最初是使用在第一代的即时图形模式中的，即它提取组成图形 的基本元素三角形，然后按照程序员的指令对其上色。它能够快速而有效地生 成单个图形元素，或者生成一幅新的场景。但是，第一代的图形a p i 不能有效 的把本帧画面的图形信息传给另一帧画面。场景图形出现在s g i 第二代的3 d 图 形a p i 中，它包括i r i so p e ni n v e n t o r 和i r i sp e r f o i m e t 。 武汉理工大学颈士学健论文 i r i sp e r f o r m e r 是s g i 公司开发的一个可扩展的高性能实时三维视景开发软 l 牛瞧。它基予g l 菇开发实时圈黪痤瘸糕彦提供了一缀与爨准c 残e + + 终定懿 襁序接口( a p i ) ，可运行于所有s g i 图璐计算机系统之上，并通过一个使用灵 滔的三维图形工舆集提供离性能淀染能力。i r i sp e r f o r m e r 软件包圭痒包摄：仿 _ 真可视化应用开发库( l i b p f ) ，可提供全面的视徽仿真能力，控制多进程数据库 遍历和渲染；高性能渲染库( l i b p r ) ，可提供最佳的运行环境实现优化后的渲染， 状态控制郛其他蕊向实时图形酌蕊本功能。i r i sp e r f o r m e r 还提供组数据库载 入器。 毽踅需要稽滋酌是p e r f o r m e r 楚露编疆来实瑷静，没有受好豹麓户可视毒乏编 糨界面。阂此，p e r f o r m e r 开发交互仿真程序，对用户编程能力鼹求更商，开发 瑙黧遣稿瘫延长。目眩，l 怒sp e r f o r m e r 菠嚣始殳缝在s g i 工终懿土运嚣，逐年 来虽然出现了l i n u x 版本的p e r f o r m e r ，但并不十分完善，而且目前还没有基于 n t 黥p e r f o r m e r 版本出瑷，这些都 受爨了i r i sp e r f o r m e r 瓣接广。 ( 2 ) v t r e e v t r e e 是一个基于o p e n g l 蕊岛魁黎的和便携平台的图形躅像并发软 牛包 ( s d k ) 。s d k 包括大量的c + + 黉和压缩抽象o p e n g l 数据库、数组类型及操作 方法。 在商业和政府领域，v t r e e 长期以来被用予开发离颓量的w 视化和仿真应 用，可把符合工业标准的3 d 图形模型引入v t r e e 程度并对其进行实时的控制， 瓤两产生生动静搿衽内容，产胃通过各耱方式( 如显示器、头豢显示仪等) 蕊 糟。 v t r e e 静强大静甏蓉熏减功可敬耨i r i sp e r f o r m e r 稠巯美，霹辩宅氇霹戮 用在普通的微机上，因此，对于开发高帧速率和实时响应的三维图像应用来说， v t r e e 是一个或零低廉静簸娃选撵。其姣蠡是没骞嶷努静霹援纯缡程爨瑟，对予 非专业程序员而富不易攀握。 ( 2 ) v e g a v e g a 是m u l t i g e n p a r a d i g m 公司最主骚的工妣软件环境，用于实时视觉模拟、 艨拟现实瓤普通视觉应赐+ v e g a 其有良好的可襁化编稷环境，便予程序员和j # 程序员使用。它使用一 种x m o t i f 基础的点击式图形环蟪l y n x ，可以快速、容易、显蓑地改变应用性 虢、视频通道、多c p u 分配、筏点、蕊察者、辛警殊效聚、一天中不同的时间、 絮统配鼍、模型、数据库及其他，丽不用编写源代码。l y n x 可以扩展成包括新 1 2 藏汲理j ：大学疆士学位论文 的、用户定义的面板和功能，快速她满足用户的特殊要求。 嚣还包菇竞蹩豹c 语言赢弼狂净接霜，灸软俘入爨提爨最大程度豹软转 和灵活性。v e 2 a 还支持多种数据库输入，允许多种数据格式综合照示。v e g a 及 耱关模块支持u n i x 秘n t 平台。耀v e g a 霉妁应嬲狸廖可啦兼容跨平台馒援。 v e g a 殿大的优点是：它为非稔序员实现个视景仿真系统提供了捷径，同 时，它支持n t 平螽，使巍糨微机的用户可以拥有爨已所感兴趣的襁景仿囊系统 成为可能。但是，对于专业的开发视景仿岚系统韵程序员而言，使用v e g a 反而 觉得很多基本的功# & 难以实现，相比i r i sp e r f o r m e r ，缺少系统支持的强大的图 形席。 综上所述，根攘实验宣条件，选用v e g a 作为三维视景开发软件。 2 3 2v e g a 概述 v e g a 怒m u l t i g e n p a r a d i g m 公司最主簧的工、监软件环境，用予实时视觉模拟、 虚拟现实和普通视觉应用。v e g a 将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复 杂舱应用，能够掇供便捷的翎建、编辑和鞭动工其。v e g a 能显著地提高工作效 率，同时大幅度减少源代码开发时间。 p a r a d i g m 还挝供和v e g a 紧密缩合静特殊应麓模块，这些模块使v e g a 缀容 易满足特殊模拟要求，例如航海、红外线、雷达、高级照明系统、动画人物、 大褥积地形数据瘁管理、c a d 数褥输入翻