（电力系统及其自动化专业论文）列车驾驶模拟器多通道视景技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , o u rc o u n t r y st r a c kd e v e l o p sv e r y q u i c k l y w i t ht h em a t u r eo ft h ev i r t u a lr e a l i t y , i ti sp o s s i b l et oa p p l yt h ev i r t u a lr e a l i t y t ot h et r a i n d r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m w i t ht h eh e l p o fa d v a n c e d c o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h et r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rc a nt r a i nd r i v e r s s a f e ra n dm o r eq u i c k l y c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s t h et r a i n e e sc a l lh a v em o r ev i v i de x p e r i e n c eo f t h et r u ed r i v i n ge n v i r o n m e n t t h es c e n es i m u l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t s o ft h ew h o l et r a i ns i m u l a t o r t h i sa r t i c l ef i r s te x p a t i a t e dc o n s t i t u t eo ft h et r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e ma t h o m ea n da b r o a d ，a n dt h e na n a l y s e st h es h o r t c u to ft h et r a d i t i o n a ls i m u l a t o r s b a s e d o nt h i s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wt e c h n o l o g yt h a ti sm u l t i c h a n n e ls c e n et e c h n o l o g y t oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lt r a i ns i m u l a t o r t h i sa r t i c l e sm a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 w h i tm u l t i g e n c r e a t o rw h i c hi sap r o f e s s i o n a l3 dm o d l eb u i l d i n gs o f t w a r e ， t h i sa r t i c l eb u i l d st h e3 dm o d e l sw h i c hi st h eb a s e m e n t so ft h es c e a n s i m u l a t i o ns y s t e m ； 2 u s i n go p e n g v s a st h em a i np r o g r a m m i n ga p l ，t h i sp a p e rm a k e st h er o b u s t d r i v e r sf o rt h e3 dm o d e l sa n ds o l v e st h ed i f f i c u l tp r o b l e m si nd r i v e r ss u c ha s l i g h t i n gi nt h ed a r kt u n n e l s ； 3 d e s i g n e dam u l t i c h a n n e ls y s t e mb a s e do nm u l t i g r a p h i cc a r d i no n e c o m p u t e ri n c l u d i n gi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ； 4 t h i sa r t i c l eu s e dt h ed i sa st h en e t w o r ks y s t e m ，a n dt h e nd e v e l o p e dap u d f o r m a tw h i c hi sv e r ys u i t a b l ef o rt h et r a i ns i m u l a t i o ns y s t e m ； 5 t h i sa r t i c l es t u d i e sa n dd e s i g n so u t p u ts o l u t i o n sf o rt h em u l t i c h a n n e ls y s t e m ， a n dp r o b e si n t os o m ed i f f i c u l tp r o b l e m s i nt h ee n 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 ft 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 y w o r d ：m u l t i c h a n n e l ，s c e f l es i m u l a t i o n ，m u l t i g e n c r e a t o r ，o p e n g v s i l 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 选题背景 第1 章绪论 随着我国经济的发展，城市化进程不断推进，今后3 0 年我国城镇人口将达 到1 0 亿【l 】。为了解决城市人v i 的公交出行问题，轨道交通问题越来越得到重视。 自19 6 5 年开始建设北京地铁一期工程至今，我国内地开通地铁轨道交通的城市 有北京、上海、广州等1 0 个城市，共2 6 条线路，线路总长7 0 0 多公里。目前， 我国城市轨道交通正处于大规模发展时期，全国4 8 个百万人口的大城市中，已 有2 0 多个城市开展轨道交通的建设工作。近期规划1 7 0 0 公罩；北京、上海、 广州等城市更是以每年3 0 - 5 0 公罩的速度建设，并已率先进入了网络化运营阶 段，运营线路总长已分别达到1 4 2 公里、2 3 4 公罩和1 1 6 公引2 | 。图1 1 为成熟 的城市轨道交通体系示意图。 图1 1 城市轨道交通系统的结构功能体系构成 轨道交通的迅速发展，给如何快速、高效地培训出合格的轨道交通列车驾 驶员提出了要求。由于城市轨道交通系统的高使用率以及对安全性的相关要求， 因而不能对已经建成的某条线路进行长期和全面的技术实验，从而改进系统性 第l 章绪论 能；也不能让列车驾驶员在j 下式上车驾驶前，有较多的实际开车经验【3 】。这样， 把仿真技术( s i m u l a t i o n ) 和计算机图像技术( c o m p u t e rg r a p h i c sc g ) 应用到城市 轨道交通系统的模拟仿真驾驶器上成为了一种可行的解决方法。 大多数传统的列车模拟器，其输出画面只使用一台投影仪成像。虽然这样 的系统比较简单和容易实现，但是也有着视野狭小等缺点。而狭小的视野，造 成了诸如：培训司机在模拟器中的沉浸感不强；视野范围和实际驾驶时的视野 不符，造成如停车对标等具体的培训项目无法正确实现等缺点。为了提高列车 驾驶员培训的真实性，本文提出采用先进的多通道视景技术，用来加强列车驾 驶模拟器中视景仿真的真实性和沉浸感。 1 2 列车视景仿真的发展概况 列车视景仿真作为虚拟技术的一种应用，从一开始产生就显示出其使用的 广泛性和强大的功能性。其具有训练安全可靠、训练费用小、不会影响正常行 车、故障及操作失误可重复等优点，可应用于司机驾驶培训、优化操作、机车 配置、事故分析和线路设计等领域。采用列车驾驶仿真系统进行司机培训，可 大大缩短司机的培i j ij 周期，在降低培训成本的同时又能培养出高水准的司机【5 】。 在国外，从2 0 世纪7 0 年代丌始，美国、澳大利亚、前苏联、南非等国开 发都进行了重载列车的研究，在这些工作的基础上，美国、澳大利亚、英国、 法国等国家开发出了列车驾驶仿真系统，并在各国铁路部门得到了广泛的应用。 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。它的培训效果是很明显的，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，自从采用模拟器培训司机后，使用 统一规范化操作规程，六个月内都未曾断过一次车钩。 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 ) 丌始使用列车驾驶仿真系统培训司机，收到了很好效果，到 1 9 9 1 年法国铁路的列车驾驶仿真系统就增加到了3 6 台。最近几年来法国的重点 是发展高速列车驾驶仿真系统。 2 第1 章绪论 英国铁路每年都要培训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( v r ) 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发的应用。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【6 】。上海地铁从德国k m w 公司购买了地铁列车驾驶仿真系统进行地 铁司机的培训与考核。香港地铁目l j i 有四台列车驾驶仿真系统，1 9 8 8 年初在国 际招标中向韩国购买了一台新的列车驾驶仿真系统，同时对原有三台列车驾驶 仿真系统进行技术改造，主要是将原有的视景系统( 基于l d ) 改造成计算机图 像生成( c o m p u t e rg e n e r a t e di m a g e ，简称c g i ) 系统。 现在，国外的全功能列车驾驶仿真系统通常采用分布式体系结构，c g i 方式 生成视景。由于受投资的限制，我国目前投入使用的列车驾驶仿真系统，基本 上属于普通型或普及型，普遍采用数字视频方式生成视景。在真实感( 视景仿 真、运动姿态模拟等) 、操纵评价和优化操纵指导等方面与国际先进水平有一定 的差距，迫切需要不断提高列车驾驶仿真系统的性能，建立一套完善的列车驾 驶培训和考核体系。 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，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凹放的仿真技术，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。 3 第1 章绪论 酣i2 上海地铁一号线司机t # 驶仿直系统 从凹i2 町以看； ，此仿真系统的视精l ； ；分为_ 二；线实拍的影像。列车的 午迷“r 以控制视频解压缩的播放速度，】酊信号机的变换则叠加到划破吲像1 。 采川这利t 方式丌发的视景仿真平台作为短j | 【| 培训t q 以起到较好的效粜，f u 其缺点也是诎明显的。片先，由于影像是事先拍摄好的，战无法做到对于突发 t f ! 况，如：火灾、水灾、卧轨等突发情况模拟：同叫，如果列车线路上的景物 r 施：【等发生变化，也不能根立f 的快速反映：兑次，由j 影像在拍摄时，足 存定的速度f ( 如3 0 k m h r ) ，那么祚实际的列车仿真逗? ? e l , j - ，列4 二述度人r 或者小十拍摄影像是的速度，这时就会造成司机观感的不舒适，影像到列车 模拟仿真的真实度：最后，使_ l | j 堆通道的投影仪作为艟示，那么培训司机的视 野与真苴；驾驶时相比让得太过狭窄，小仪使得列车模拟器的扫( 浸感大为f 降， 外h 使得那止匕诸如停车对标，后视镜等功能无法实现，影响模拟器操作的真实 性。 琏于此，使用虚拟现实技术的，坫f 计算机成像原理的列午视玳仿真系统 的丌发刻小容缓，而使j h 多通世视斌技术可以搬好得改进普通的列1 甥驶模拟 器，提曲驾驶模拟；： 的质毓。 第l 章绪论 1 3 本文的研究目标和实现方法 在通常的列车模拟器中，一般只有一个显示设备( 代表前视景) ，这局限了 司机驾驶的视野，对现实的仿真也不精确( 在现实中，视野的广度是远远大于 一个普通显示设备的可视范围的) 。所以，为了更好的开发模拟驾驶设备、丰富 模拟器的功能，就需要开发多通道的列车模拟系统。 本课题主要解决视景系统的问题，要求对普通的单通道视景系统进行扩充， 开发多视景，多通道的显示系统。主要针对：系统的软硬件平台，仿真系统的 建模，主计算机、从计算机之间的通信问题，一机多卡的多通道系统，大规模 数据库管理，以及多通道画面的生成拼接问题进行研究等。 学术构想与思路： a ) 要进行列车驾驶的模拟，首先要对列车控制原理及构造进行研究和分 析； b ) 要进行视景仿真，就需要对实际的环境进行调查，初步确定建模的结构； c ) 建立初步的环境视景模型； d ) 研究数据交换方法，确定实现多通道的设计方法； e ) 根据设计，编写程序，实现多通道； d 结合列车模拟器，检验多通道仿真系统，对输出的画面进行处理。 5 第2 章三维场景建模技术研究 第2 章三维场景建模技术研究 和传统的使用拍摄方法来模拟列车模拟驾驶时的周围环境不同，本文主要 采用了三维模型实时生成的实现方法。因此，建立逼真、精美的三维模型是整 个列车视景仿真的基础。场景建模就是用数学语言描述几何物体，并把其存储 在电脑中的过程【_ 7 1 。本文利用几何建模方法，首先建立物体的几何框架，然后对 物体的材质、纹理进行描述，最后生成总体三维模型。整个过程可以使用专业 建模软件来完成。 2 1 构建三维模型 为了能够快速准确的构建三维模型，本文选择m u l t i g e n p a r a d i g m 公司的 m u l t i g e n c r e a t o r 软件。m u t i l g e nc r e a t o r 是一款专门建立实时3 d 模型的工具， 主要用于视景仿真，游戏开发等。它是在满足实时性要求的前提下，来生成逼 真的大面积场景。m u t i l g e nc r e a t o r 所建立的模型使用o p e n f i g h t ( f i t ) 格式，具有 树状的结构，用来通知图形生成器何时渲染三维景观，可以很好的应用于视景 仿真，现已成为行业标准之一j 。 厣司 1 一 图2 1 某车站的o p e n g i g h t ( f l t ) 格式 以图2 1 为例，通过逻辑安排的o p e n f i g h t ( f i t ) 格式主要包括了以下几个部分： a ) 根节点：这是每个模型都需要的，作为所有其它对象的“树根”； b ) 一级组节点：这是根据模型的具体特性，从空问或是功能上分成了三个 同级的一级组节点，在本文中主要包括：站台、轨道、周边建筑； 6 第2 章二维场景建模技术研究 c ) 二级组节点：在一级组节点以下，再次细分成一些同级别的二级组节点， 在本文中主要包括了各个具体的站台，当然根据模型的不同，也可以不 包含二级组节点或是可以在二级组节点之下又包含三级、四级组节点； d ) 物体节点( o b j e c t ) ：物体节点是具体实现模型的节点，在此节点可以有 多个或是一个面构成； e ) 面节点( f a c e ) ：对一个物体节点进行展开就包含了很多的面节点，它 是组成物体节点的要素，其本身又由点节点束组成； 0 点节点( p o i n t ) ：当需要把面节点展开或是考虑顶点光照效果时，会出 现点节点； 蓟一些特殊的节点：包括l o d 节点、d o f 节点、声音节点等，这些特殊 的节点可以帮助以后的驱动程序来识别模型中l o d 和d o f ，以及在模 型特定的位置发出声音。 可以看出，只有明确模型的o p e n f i g h t ( f i t ) 的结构，才能在之后的建模工作中， 做到纲举目张。特别是当模型数量越来越多，模型结构越来越复杂的情况下， 前期对于结构的构建就显得越发重要。 在构建了合适的结构了之后，就可以进行之后的几何建模了： 首先需要对模型的几何数据进行采集。针对列车视景仿真的模型，对于不 太需要精确的几何模型，比如站台上的公告牌、广告牌、垃圾箱等，可以通过 实地拍摄的录像或是照片，然后根据标志物，( 如地上的地砖，以测量了地砖的 几何尺寸) ，估算出其几何尺寸，之后再通过软件来建模。对于影响到列车模拟 的模型，如站台的长度、弯度，轨道的长度，弯曲程度，则需要事先得到精确 的物理信息，才能构建合适的几何模型，这样就不会影响到之后的列车驾驶模 拟的真实感。 之后，对模型进行纹理的渲染。这主要通过实地拍摄数码照片采集得到。 在照片采集中，为了得到高分辨率的纹理信息，在拍摄时需要把被照模型尽量 站满整个照片篇幅，这样可以充分利用相机的像素。由于采集到的是数码格式 的照片大多为j p g 格式以及照片的，之后需要用p h o t o s h o p 等图像软件来修改原 始照片，把在实地照相时产生的诸如色彩的偏差、由于拍摄角度不对造成的几 何失真进行修正，最后把照片存储长宽像素都为2 的n 次方的r g b 或r g b a 照片 格式，这样4 能被m u l t i g e n c r e a t o rj 下确的作为纹理读取。 经过以上的步骤，就可以初步搭建出列车仿真所需要的三维模型了。但此 7 第2 章三维场景建模技术研究 时的三维模型还不能直接使用程序来驱动，还需要对其进行一定的修改和完善。 2 2 建模关键技术探讨 为了更好的为之后的三维模型驱动打好基础，在使用建模软件时需要一定 的技巧，注意建模的优化。文章总结了在城市轨道列车建模中常用的几种技术 手段和优化方法。 2 2 1 常用建模手段 掌握熟练的建模技术，可以提高建模效率，和建模的精度。针对轨道交通 三维模型，主要的建模技巧包括如下几方面： a ) 使用用户坐标：在建模时，可以独立于世界坐标系来定义自己的坐标系， 这样在处理大范围建模时，可以简化坐标的输入，也能让自己更在建模 时更能把握模型的相对位置； b ) 使用建模辅助线和辅助点：这些辅助点和辅助线并不包括在模型的数据 库中，只是在在建模时帮助用户更好的确定模型位置； 曲利用参考背景：在建模时，把实地取得的照片添加为参考背景，这样可 以更好帮助确定模型的几何尺寸； d ) 使用外部引用：在搭建好模型的主体组节点之后，可以对其下面的次组 节点平行建模，即由几组人员同时进行建模，最后通过外部引用，把次 组节点引入主体节点； e ) 实例化技术：实例化就是对于在同一场景中多次出现的物体只使用一个 原始模型，和原始模型重复的物体由原始模型经过平移或是旋转等变化 得到。 如图2 2 所示，只构建一个站台柱子，然后通过实例技术，同时对生成的 实例对象进行矩阵变化，就能得到图中多个柱子的效果。 8 第2 章_ _ 二维场景建摸技术研究 【：j c x = e e x = 巨= e = 蚓22 一个实例化技术的i 面州例f 222 实时系统和模型的关系 建模的目的是为了以后其模型在实时系统巾的运行，所以需要在建模时就 考虑运行时的优化问题。要优化模型，必须甜实时系统的渲染过程有个概念的 了解。 幽23 实i 时系统的消染过群 如幽23 在实时系统渲染中，和模型密切相关的就是三个部分，数据库采 集，模型剪裁模型绘制。 第一步，模型数据的读墩：训算机根据程序的要求，柬读入模型数赫l ；这 时会训算视- i 和模型的化置。 第：步，模型剪切：模型剪切的h 的是为了减少需要渲染的模型数，【川为 并1 i 是所有的模型都需要在视景q ，m 现。程序以模型的g r o u p 肖点升始，遍历 楚个模型的树状结构图，找卅每个在视野中m 现f f jg r o u p 牡点，并把不作其巾 罗 第2 章一维场景址模技术研究 的g m u d 节点剪裁h 去。 幽2d 视点剪裁示意 如 ! | 2 4 ，程序是根据第步算f 的视点米确定蚺切视野框，来确定需要剪 裁的挨到。 第步，绘制剪裁后的模型。并把结果存八显存，以备程序调川。 可以看f 通过合理的组织模型的树状结构i 以提高剪裁步骤的合理性。 2 23 再谈模型的树状结构 在上一节中，我们通过逻辑天系柬组纵模掣的树状结构。这样做的好处是， 在建模式”r 以有纽织的进行，并上l 容易在大型的模型中，容易习找和修改已经 完成的模型。这吊，文章再介纠曲种树状结构的组织方法，并通过讨论它们在 实时系统中模型的剪哉，柬分析：种结构的优缺点。如图25 是一削由某个1 站1 1 勺站台和铁轨轨道等组成的三维模型圈，我们；薪耍n 程序一1 渲染这纽二维_ i ! 型。 第2 章= 维场景建模技术研究 幽25 某个需要渲染的列车站台j 维横型 f 而我们分析几种可能的纽成模型的树状结构，以及其渲染的效率。 a ) 线彤树状结构：在这利结构中，模型的互相关系已经退化成并列关系 所有的模犁被f 刊等的并列再同一个g r o u p 自7 _ 之r ，如罔26 。 幽26 拄线性的顺序所排列的荐节点的结构削 在图27 中，黑色j 角表示为视里f 剪切框。我们可以看到，按此方法柬排 列各个模型的西，在取定个模型是乔需要剪裁，就需要遍历整个数据结构， 这显然会降低剪裁的效率。 第2 章二维场景建槿技术研究 ? 7 卜：霉妻； l l ￥l + 萨。 ：_ 丽 厩矧! l 羔豢麟 晨l 馨睦鬻甙i 骥灌 b ) 逻辑树状结构：如心28 这足我们j 始使用的结构，这种结构在建模 时r 以方便我们修改编辑和搜索。下面我们讨沧这种逻辑机构的剪裁速 度： 我们把模刑在主节点s t a t i o nf 继续的加入了一些g r o u p 节点，如t r a c k ， p o r c h 等。如罔28 所示，这样模科在判断一个物体是古剪裁时，还是需要遍历 整个o b j e c t 竹，1 二。这足吲为作用个f ：| l 竹点，丘p o r c hf ，其f 而的o b j e c t 节 ， 并水足部存 见野剪裁_ l j ：中。 幽28 逻辑树状纳构蚓的n 构成 c ) 空f 【l j 树状绵构：如图2 9 ，我1 把粘个模型掖中蚓分为i ，2 3 ，4 ，旧 第2 章一维场景建模技术研究 个部分，这样。在剪裁时，我们就可以保证在每个组( g r o u p ) 节点f 面的的物( o b j e c t ) 节点都届同时包含或足不包禽在视野剪裁框中。程 序在剪裁时就不需要遍历整个o b j e c t 节点就可以判断物体是否需要剪 裁了。 l 二! 曲t 啊一；一，。j 一 2 。 。n 尊1 * 一1 长p4 7 。参 黯瓣潲。 j 嚣瓣ll 。矗o3 僦“11 囊季管； j 慕：瓣 。1 秽1 酬29 使川空l n l 树状结构时的视野尊战不意幽 山以j 的分析可知，对于在列午执景仿真巾，模型数据庞人，1 日元素、模 型元素达到百万个。所咀本文综合使用以上三种结构方式。住对于简单模型时， 使用线性模型，这样在建模时不不需要考虑模型结构，力速建模步骤。对于整 个列车视景模型机构，由于需要同时的并行建市，井月在建模之后还需要修改 和编辑，所以文章使用逻辑的树状结构。存完成了整个模型的建立后，使用模 型在实时系统巾测试。完成基奉测试之后，再对模型的结构修改，把其结构按 窀问的顺序再次组织，加快模型的蜉裁述度。 224 模型的绘制顺序 存二维模型t ，物体离视j 的距离仃远仃近。如粜nr 观察者帆z _ 和较远物 】3 第2 章二维场景建_ f ； 技术研究 体之间有个较近的物体，那么这样比较近的物体应i 幺像真实现实中那样，遮 挡住那个较远的物体。为了达到这样的效果，实时系统就需要先绘制离视点较 远的物体，再绘制离视点较近的物体。如果搞错了绘制的顺序，三维模型就会 艟得不真实。模州的实时绘制顺序，在建模时就已经确定r 来。文章介绍几种 确定模型绘制顺序的疗法和算法。 2 241 列表绘制顺序 m u l t i g e n c r e a t o r 所使用的默认是列表绘sq l l l l c ；。列表绘制顺序山模型的树 状结构决定。c r e a t o r 按照从上到下，再从 + 到右的顺序来绘制模型。虽然列表 绘制顺序是。种较快的方法但是，山于模型的复杂性，有时候需要手动i 辫节 节点的顺序，以达到合理的绘制顺序。 幽2i o 一种不台理的点绘制顺序示意 瑚21 1 种合理的 点绘制卅蚝序小意 我们比较l | f i 两张图。图21 01 湛然魁错雌的模型绘制顺j 。风此我们涧二竹 蒸叁 雾i |垒 第2 章二维场景建模技术研究 节点b a r 和节点f e n c e 的顺序，得到图2 1 l 的结构，这样就可以得到正确的模型 渲染效果了。 2 2 4 2b s p 树绘制顺序 b s p 树的概念首先由s c h u m a c k e r 在1 9 6 9 年的一篇科学报道【9 1 中提出的。 1 9 9 1 年，s c h e n 和d g o r d o n 在他们的论文“f r o n t t o b a c kd i s p l a yo f b s pt r e e s ” 中使用了b s p 树，提出了从前到后的图形渲染方法来代替原来从后到f j 的图形 渲染法，从而提高了模型渲染的速度。这种方法被用在了设计著名三维动画游 戏“d o o m ”中f l o 】。 b s p 的原理很简单，它试图将所有的平面组成一棵树，每一个平面均可将 其空间分割成前后两个部分，这两个部分又分别被另外的平面分割成更小的空 间，直到最后。按照此算法，我们需要确定每个房间( b s p 中成为树叶) 相对 于眼睛的遮挡顺序。 a h l 。cr 2 1 3c 图2 1 2 用b s p 树分割房间 如图2 1 2 ，空间a b c 由a 、b 、c 三个独立的房间组成。分割平面1 首先 将空间分成平面j 下向的a 房问和平面负向的b c 空问，b c 空间被2 紧接着分割 为平面2 正向何c 房间和负向的b 房间。平面的方向由墙壁面向的方向而定。 下面我们给出一个如何在c r e a t o r 中应用b s p 树来解决j 下确渲染三维物体的 例子。 1 5 第2 章一维场景建模技术 究 l f b 和球伴d ：t b s p i 目情m 下的* 囊 十# 镕r , f r m 蹙换，t 追n * j i ： ：e 消絷1 6 鞋的情m r 1 l _ 一 - 斟21 3 无b s p 时渲染的渲染鲒粜 如果只是使用吲定列表的绘刿顺序，那么如图21 3 ，随着试点的变化，l 型的墒体和红也球并不定能l f 确的渲染出来。如果使用b s p ，那么就需要确 定分刺平面。如图2 1 4 所不，我们在l 形墙体和球之i i l j 加入合适的分害u 平面( 图 中绿色的线) ，那么就能如一样，币确地渲染模型了。 幽2j4 如f u 放w l i s i ，分制协 i王 r 一 第2 章一维场景建模技术研究 鹧p * 剖”点墙船2 后十姥m 点的位氍如h 壹m 坤体l * 墙体都能破j f 碲* 染t 陶21 5j l 确的渲染结果 2243 深度缓冲( z b u 什e r ) 消隐法 在2 0 世纪7 0 年代初，电影漫画家的e d w i nc a t m u l l 加入了尤他大学的物理 和计算机科学实验计划，在那里，他提出了深度缓冲的概念i 。当渲染物体的 时候，每一个所生成的像素的深度( 即z 坐标) 就保存在一个缓冲区中。这个缓 冲区叫做z 缓冲区或者深度缓冲区，这个缓冲区通常组织成一个保存每个屏幕像 蒜深度的x y 二维数组。如果场景中的另外一个物体也在同一个像素生成渲染结 果，那么崮形处理卡就会比较者的渊度，井凡保留距离观察抒较近的物体。 然后这个所保留的物体血深度保存到深度缓冲区中。最后，罔形k 就可以根据 深度缓冲区证确地生成通常的深度感知效果：较近的物体遮挡较远的物体。这 个过程叫z 消隐。 在渲染过程中，z 消隐是根据深度信息对像素进行早j i 剔除的。当渲染隐减 表面所需要的汁彝黾搬大的时候，这种疗法可以提升处理性能。z 消隐是深度缓 冲的一个苜| 妾结粜，存这种方法中每个待定像素的深度都要i 十h m 化置的现存 像素的深度进行比较。 使用深度缓冲区，h 像素的深度已经确定那么就以埘这个像素进行 裁剪，这样如粜泼像素不可见的话就可以完伞跳过照明与纹理处理的过稃，并 月需要消耗许多时删的像素浓淡工具通常也会跳过对f 裁剪掉的像素的处理。 这样，存填允速度、光照、纹理或青像素浓淡处理是手要演染瓶颈的场合，z 消 隐就成了种很好的优化i 具。 使用深度缓冲消隐浊时，深度缓p ，足撒抛物体距离视点的p l ! 高束确定波染 顺序的，所以，显示卜似数不够时，它小能确；t 两个柏距微近的1 h n 的潍度， 第2 章一维场景建模拄术研究 这就“ 现了兆血现魏。当出现共面时，实时渲染时就会出现被称为“z n 曲t i n g ”， 表现出米的就是两个面不停闪烁【l ”。通常“r 以使川增加显 位数的方法来改善。 止c r e a t o r 建模qr ，为了避免这个柚题，我们需要在相邻很近的、卜m j 巾确定个 千l n l 和一个雌m l ，把子血节点放在雌面之下，那么在实时渲染时，深度缓冲自 动把- f 而绘制r 斜而之上。当然，这样做就增加了h 像的像索率。图21 6 就是 一个使用子而的方法来达剑广告牌贴1 广告架j ：，而不产m 闪烁现魏的解决实 例。 l 告牌的l n 】址告架血的个九h 】 蛐l 右咖的h 点结构幽所小 i f j l p ：酊6 j 心m 1 - f j 川9 幽21 6 使h j 于面的方法束消除“zf i g h t i i l g ”现琢 23 三维模型的最终搭建 经过- j l 始的纹理采集和三维模型数据采集，就建立了初步的j 维模型。 之后，应川上文提到的各种建模技巧以及使用合理的建模技术，改善t 维模型 的结构，得到了完善的二维模型数据。图2l7 和罔21 8 分别为j 维模融的整 体效粜图以及整体的树状结构图。祭个雠模删弛有7 18 6 个组竹点，7 2 3 0 0 个 | f i j ，2 0 3 3 9 9 个一珀i i u ，4 7 9 5 个体节血。从这垫口以看卅，模刚 常兜犬，由此 一见，对r 优化横“的树状结构的1 作是必不u r 少的。 第2 幸二维场景建棋技术研宄 图2i7 整体的三维模l “效果 l 3 曼疼隧零 幽21 8 整体f j 材状纠，构 第2 章三维场景建模技术研究 2 4 本章小结 本节通过介绍m u l t i g e n c r e a t o r 这款三维建模软件，结合作者在建模过程中 遇到的实际问题，提出科学的解决方法。然后，阐述了针对城市轨道交通的三 维模型建模技巧和模型优化策略。最后，通过合理采集模型的信息，顺利构建 起了列车模拟驾驶器的三维模型。 2 0 第3 章列车模拟器视景模型的驱动 第3 章列车模拟器视景模型的驱动 要实现一个完整功能的图形处理系统，主要有以下的系统结构：最底层是 图形硬件，第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为驱动图形a p i ，第 五层为应用软件。 3 1 场景的驱动 常用的底层驱动图形a p i 有，o p e n g l ，d i r e c t 3 d ，d i r e c t x 等。这之中，o p e n g l 是个专业的3 d 程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层3 d 图形库。o p e n g l 的前身是s g i 公司为其图形工作站开发的i r i sg l 。i r i sg l 是一个工业标准的 3 d 图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是s g i 公司便在i r i sg l 的基础上开发了o p e n g l 。o p e n g l 的英文全称是“o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ”，顾 名思义，o p e n g l 便是“开放的图形程序接口。虽然d i r e c t x 在家用市场全面领 先，但在专业高端绘图领域，o p e n g l 是不能被取代的主角【i 5 1 。 本文选用o p e n g l 作为底层驱动图形a p i 。 3 1 10 p e n g l 基本与原理与实现机理 o p e n g l 是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如w i n d o w s 9 5 、 w i n d o w sn t 、u n i x 、l i n u x 、m a c o s 、o s 2 之间进行移植。因此，支持o p e n g l 的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于o p e n g l 是3 d 图形 的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过 一些转换程序，可以很方便地将a u t o c a d 、3 d s 等3 d 图形设计软件制作的d f x 和3 d s 模型文件转换成o p e n g l 的顶点数组6 】。 o p e n g l 提供对二、三维图形非常直接的操作，如光照效果、矩阵变换等。 但是，o p e n g l 只是指定特定结果，而不对过程进行控制【1 7 j 。也就是说，o p e n g l 是过程性而非描述性的。 对于o p e n g l 命令的解释模式，是客户服务器( c s ) 发布，命令被o p e n g l ( 民 务器) 来解释处理。这样，服务器可以运行在不同客户或是计算机上。所以， 2 l 第3 章列车模拟器视景模型的驱动 o p e n g l 是网络透明的。服务器可以维护许多o p e n g l 正文，而客户可选择这些 正文中的任何一个。 o p e n g l 可以绘制的图元包括了点、线段和多边形，o p e n g l 可以在这几种 图元模式之间选择。并且可以独立控制图元模式，而不影响其它模式。本文中， 主要用到的o p e n g l 绘制方式主要包括了：线框绘制，用于绘制三维物体的网 格轮廓线；深度优先绘制，使远处物体比近处物体暗一些，来模拟人眼看物体 的效果；加阴影和纹理方式，在模型表面贴上纹理和光照阴影效果；平面明暗 处理和光滑处理，对模型按光照绘制进行着色和光滑处理。 根据o p e n g l 原理可以总结出其主要工作流程【1 8 】，包括： a ) 以点、线、面作为图元来建立对模型的数学描述； b ) 通过对二、三维图形的过程性操作如矩阵变化，把模型放置于对于视点 的合适位置； c ) 计算模型的色彩，确定光照条件和纹理映射方法； d ) 把模型的数学描述和色彩信息映射至计算机屏幕之上。 整个过程通过流程图3 1 表述 图3 1o p e n g l1 1 ：作流程 3 1 2 o p e n g l 高级a pl 开发 基于底层o p e n g l ，出现了许多的高层三维丌发环境。包括：i r i sp e r f o m l e r ， 2 2 第3 章列车模拟器视景模型的驱动 m u l t i g e n p a r a d i g mv e g a ，c g 2v t r e e ，s o f tr e a l i t ys o f l v r ，c a r m e la p p l i e d t e c h n o l o g yx - i g ，r e a l i t y 2t i c p o l o ，t h o m s o nt r a i n i n gs i m u l a t i o ns o p a c em a g i c ， l o c k h e e dm a r t i ns e v i e wq u a r t u n3 do p e n g v s 等【19 1 。 本文采用o p e n g v s 作为高层模型驱动a p i ，因为它具有功能丰富的a p i 和 强大的视景模型驱动能力【2 0 】【2 l 】。 开发实时三维图形应用，o p e n g v s 是提供给开发者领先、成熟、方便的视 景管理系统。o p e n g v s 是世界上第一个通用工作站平台的3 d 视景管理软件。 在1 9 9 0 年推出的在s g i 工作站i r i sg l 版本上的g v s 是o p e n g v s 的早期产品。 o p e n g v s 用于场景图形的视景仿真的实时开发，易用性和重用性好，有良 好的模块性、巨大的编程灵活性和移植特性。o p e n g v s 提供了各种软件资源， 利用资源自身提供的a p i ，可以很好地以接近自然和面向对象的方式组织视景诸 元和进行编程，来模拟视景仿真的各个要素。 o p e n g v s 的a p l 分为相机、通道、烟雾、帧缓冲、几何、光源、对象、场 景、工具、特效等各组资源，开发者可以按照应用的需要调用这些资源来驱动 硬件实时产生所需的图形和效果。 3 2 o p e n g v s 驱动程序的流程 图3 2 说明t r a pa p i ，o p e n g v s 和其底层渲染软件与硬件之间的关系【2 1 1 。 用户自定义的回调程序 底层的渲染程序总是以0 p e n g l 的彤式出现 图3 2o p e n g v s 与底层0 p e n g l 的关系 2 3 裔 筇3 章列乍模拟器视毓模刑的驱动 在o p e n g v s 巾，一个虚拟的场景( s c e n e ) t p ，主要包括以下的要素：通道 ( c h a n n e l ) ，帧的缓存( f l a m e b u f f e r ) ，物体( o b j e c t ) ，相机( c a m e r a ) 灯光( 1 i g h t ) ， 霉( f o g ) - f l 3 3 足个简单的o p e n g v s 例子，它简迷了在o p e n g v s 中各个要 蔡足立何表现场景的。 矧33 卟0 p e n s v s 驱动的例f 本文通过o p e n g v s 实现轻轨列车运时视景的仿真，模拟 j 驾驶员在外牟 时周同环境的变化。引时列车模拟的特，。 ，f 面对在编程中的关键技术进行讨 论 a ) 二维模型的导入 o p e n g v s 支特多种i 维模型文件格式，( 3 d s ，f i t ，t x p ，g e m ，o b j ) ，本文 使j l j 的是n t 格式的j 维模型。本程序主要需要导入的模型有环境、列车、天空， 导入的命令为： i m p o r tf i l e - 1 n o d e l s f l v s k y f l tn g l t l e = s k y d o m e d r a w i n go r d e r - 1 0 0 0 i m p o af