毕设开题报告111

1、开题报告研究课题：三维仿真基于OSG在海洋环境中的应用姓名：张鑫学号：01124010专业：2011级自动化指导老师：刘永信教授主要内容：1.选题背景选题背景2. 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势3.主要研究内容主要研究内容4.软件应用软件应用5.关键技术关键技术6.毕业设计工作进度安排毕业设计工作进度安排记得高中化学老师课上讲烃类的甲烷这种清洁燃料是说到其实海记得高中化学老师课上讲烃类的甲烷这种清洁燃料是说到其实海里有大量的甲烷，不过他们与水分子形成了一种新的稳定的物里有大量的甲烷，不过他们与水分子形成了一种新的稳定的物质质可燃冰。不过开采相当不易，没想到我的毕业设计可以完可

2、燃冰。不过开采相当不易，没想到我的毕业设计可以完成我的这个想法。成我的这个想法。1.选题背景选题背景从整个全球来看从整个全球来看,地球上陆地面积占地球上陆地面积占30%,海洋面积占海洋面积占70%,海洋资源及其丰富海洋资源及其丰富,是全球生命系统的重要组成部分是全球生命系统的重要组成部分,是环境平衡的主要调节器是环境平衡的主要调节器,是维护地球生态是维护地球生态平衡的主要循环环节。随着社会的不断进步和人类生存发展需求的增多平衡的主要循环环节。随着社会的不断进步和人类生存发展需求的增多,全球全球人口与资源、环境之间的矛盾日益激烈人口与资源、环境之间的矛盾日益激烈,人类社会的发展与进步则越来越依靠

3、人类社会的发展与进步则越来越依靠海洋海洋,导致海洋与人们的日常生活、经济建设和社会发展息息相关。所以对海导致海洋与人们的日常生活、经济建设和社会发展息息相关。所以对海洋场景的模拟仿真有很重要的现实意义。洋场景的模拟仿真有很重要的现实意义。仿真难点仿真难点主要表现在仿真难点仿真难点主要表现在:(1)它是一个复杂场景它是一个复杂场景,包括的元素有波浪、水面以及海上和海底的物体等包括的元素有波浪、水面以及海上和海底的物体等?(2)尽管现我们在光学方面的研宄已经很深入尽管现我们在光学方面的研宄已经很深入,但是光作为仿真场景中重要的但是光作为仿真场景中重要的一部分一部分,在实现其反射、折射等效果时在实现

4、其反射、折射等效果时,还是有一定难度的还是有一定难度的;(3)既然已经提到了海洋场景仿真是一个复杂场景既然已经提到了海洋场景仿真是一个复杂场景,所以还要考虑到各种特殊所以还要考虑到各种特殊的场景的场景,例如雨、雪、雾天气的模拟例如雨、雪、雾天气的模拟,战斗场景中爆炸、燃烧等特效的模拟等战斗场景中爆炸、燃烧等特效的模拟等等。等。2.国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势国外：如国外：如Google公司在公司在2005年推出了年推出了 Google Earth三维可视化地球三维可视化地球,并并于于2009年在年在Google Earth的基础上增加了海洋信息内容的基础上增加了海洋信息内容

5、,推出了推出了 Google Ocean。Skyline公司开发的系列软件可以为三维可视化信息系统提供企公司开发的系列软件可以为三维可视化信息系统提供企业级的解决方案业级的解决方案,用户能够根据自己的需求进行定制在航海模拟器方用户能够根据自己的需求进行定制在航海模拟器方面面,Polaris系列是系列是Kongsberg公司研发的第六代船桥模拟器。公司研发的第六代船桥模拟器。Polaris系系列模拟器的视景系统釆用了列模拟器的视景系统釆用了 Multigen Creator作为建模软件作为建模软件,三维视景数三维视景数据库釆用了据库釆用了 OpenFlight格式。格式。Kongsberg公司采

6、用公司采用OpenScenceGraph (OSG)作为三维引擎开发类库作为三维引擎开发类库,对视景系统进行驱动对视景系统进行驱动,对视景系统中的自然对视景系统中的自然环境、船桥模拟、靠泊控制以及海浪等特效进行了很逼真的仿真环境、船桥模拟、靠泊控制以及海浪等特效进行了很逼真的仿真,但是对但是对于大面积生成海浪没有考虑使用于大面积生成海浪没有考虑使用JONSWAP谱更符合实际效果。谱更符合实际效果。ransas公司的公司的NTPR04000模拟器视景系统以微机、三维图形加速卡为硬件平台模拟器视景系统以微机、三维图形加速卡为硬件平台,三维视景数据库的建模由自己的建模工具三维视景数据库的建模由自己的

7、建模工具Scene Edit和和Model Editor完完成成,地形模型可以由海图数据自动生成地形模型可以由海图数据自动生成,雷达图像由海图数据和地形数据获雷达图像由海图数据和地形数据获得得,视景管理采用视景管理采用OpeiiGL图形技术。图形技术。国内：海洋信息软件方面国内：海洋信息软件方面,如苏奋振等研制了海洋地理信息系统软件如苏奋振等研制了海洋地理信息系统软件MaXplorer,针对海洋数据的特性针对海洋数据的特性,实现了对海洋数据的统一管理、三维分实现了对海洋数据的统一管理、三维分析及动态可视化析及动态可视化;肖如林等对三维虚拟地球下的海洋信息原型适应性进行肖如林等对三维虚拟地球下的

8、海洋信息原型适应性进行了分析与研究了分析与研究;在航海模拟器方面在航海模拟器方面,如大连海事大学研发的大型船舶操纵模如大连海事大学研发的大型船舶操纵模拟器视景系统拟器视景系统,该系统是采用该系统是采用Creator对场景进行建模对场景进行建模,使用使用OPENGVS引引擎对视景进行驱动擎对视景进行驱动,并且随着三维引擎的升级并且随着三维引擎的升级,已经部分使用已经部分使用OSG。上海大。上海大连海事学校也研发了航海模拟器视景系统连海事学校也研发了航海模拟器视景系统,该视景系统釆用该视景系统釆用Vega Prime平平台作为视景管理。台作为视景管理。3.主要研究内容主要研究内容对比众多三维可视化

9、遣染引擎对比众多三维可视化遣染引擎,本文择优选取本文择优选取OSG高阶引擎作为海洋场高阶引擎作为海洋场景建景建模的三维可视化這染引擎模的三维可视化這染引擎,自主开发三维可视化海洋场景。主要内容如下自主开发三维可视化海洋场景。主要内容如下:(1)对比众多三维可视化引擎对比众多三维可视化引擎,本文择优选取本文择优选取OSG高阶三维引擎。高阶三维引擎。(2)熟悉了解熟悉了解OSG内核原理机制内核原理机制,掌握掌握OSG的工作流程的工作流程,实现过程和使用技实现过程和使用技巧。编译巧。编译OSG图形开发库图形开发库,编译海洋仿真图形开发库。编译海洋仿真图形开发库。(3)指定整体实行方案指定整体实行方案

10、,掌握应用到本文中的关键技术。掌握应用到本文中的关键技术。(4)基于基于OSG的海上典型自然现象仿真的海上典型自然现象仿真,包括海洋场景的建模包括海洋场景的建模,本文利用快本文利用快速傅里叶变换结合速傅里叶变换结合JONSWAP海浪谱的建模方法来实现海洋场景建模海浪谱的建模方法来实现海洋场景建模,利利用粒子系统实现的雪仿真以及使用用粒子系统实现的雪仿真以及使用OSG框架啊函数进行大面积雾的添加。框架啊函数进行大面积雾的添加。把仿真好的自然现象融合到海洋场景中把仿真好的自然现象融合到海洋场景中,实现较为完整的三维可视化海洋实现较为完整的三维可视化海洋场景。场景。(5)对全文进行总结对全文进行总结

11、,并提出今后的发展方向。并提出今后的发展方向。4.软件应用4.1OSG的基础知识的基础知识4.1.1OSG简述简述OpenSceneGraph (OSG)中文译为开源场景图形库中文译为开源场景图形库,是三维引擎的一种是三维引擎的一种,它它包含许多涉及到图形学知识的模块。它的底层使用己经成型的包含许多涉及到图形学知识的模块。它的底层使用己经成型的OpenGL底底层植染层植染API,由由ANSIC+编写编写,OSG可在多种操作系统上运行可在多种操作系统上运行,其中包括主流其中包括主流的的windows系统系统,还有大多数的还有大多数的UNIX和和Linux操作系统。操作系统。OSG具有良好的具有良

12、好的组织结构。组织结构。4.2OSG的使用的使用4.2.1OSG的函数命名规则的函数命名规则 OpenSceneGraph内部的类采用的命名方式是内部的类采用的命名方式是:“命名空间命名空间+类名类名”的方式。的方式。OSG命名空间的书写方式是命名空间的书写方式是:首单词全部小写首单词全部小写,后面单词的首字母需要大写后面单词的首字母需要大写, 类名则是需要每个单词的首字母大写类名则是需要每个单词的首字母大写, 而类内部的成员函数的命名方法是而类内部的成员函数的命名方法是:单词首单词首字母小写字母小写,后面的每个单词的首字母大写。后面的每个单词的首字母大写。4.2.2OSG的组成的组成Open

13、SceneGraph的主要组成部分可以分为三个：的主要组成部分可以分为三个：OSG 核心库核心库(Core Library)、节点工、节点工具箱具箱(NodeKits)4.2.2.1 OSG 核心库核心库(Core Library)核心库就是核心库就是OSG作为一款场景图形开发库的核心。作为一款场景图形开发库的核心。OSG核心库主要包括以下核心库主要包括以下6个库。个库。1）osg库库:它属于基本数据类库。它属于基本数据类库。OSG库中提供了濱染绘制最基本的功能库中提供了濱染绘制最基本的功能,以及场景节点以及场景节点管理、图形绘制以及谊染状态管理等功能。管理、图形绘制以及谊染状态管理等功能。;

14、2）osgUtil库库:它属于提供实用工具类的库它属于提供实用工具类的库,主要提供了一些实用的绘制优化等功能。主要提供了一些实用的绘制优化等功能。3）osgDB库库:它属于文件、数据的读写库。这个库负责支持整个场景中文件、数据的读它属于文件、数据的读写库。这个库负责支持整个场景中文件、数据的读写工作。写工作。4）osgViewer库库:它属于视景器工具类库。这个库不仅提供强大且灵活的场景中模型浏览它属于视景器工具类库。这个库不仅提供强大且灵活的场景中模型浏览工具而且还提供了工具而且还提供了 OSG程序中的框架。程序中的框架。5）sgGA库库:它属于事件管理类库。该库提供了各种视景窗口中交互事件

15、的响应功能它属于事件管理类库。该库提供了各种视景窗口中交互事件的响应功能,通过通过与操作系统交互与操作系统交互,使得程序可以响应外来事件使得程序可以响应外来事件,如鼠标、键盘、手柄、方向盘等各类型事件。如鼠标、键盘、手柄、方向盘等各类型事件。6）osgThreads库库:OSG使用使用OpenThreads完成进程管理完成进程管理,查看查看OpenThread的源代码也的源代码也可以看到可以看到,若使用若使用Windows平台平台,则底层使用也是则底层使用也是Windows编程中常用的进程调度方法编程中常用的进程调度方法,函函数调用也是如此。数调用也是如此。4.2.2.2 节点工具箱节点工具箱

16、(NodeKits)这个库主要用来扩展这个库主要用来扩展OSG的核心功能的核心功能,提供各种特殊节点类、方便实用的渲染效果、某些提供各种特殊节点类、方便实用的渲染效果、某些特效和高级功能特效和高级功能,如动画、阴影、大地形、文字显示等。如动画、阴影、大地形、文字显示等。节点扩展工具库主要包括节点扩展工具库主要包括: osgAnimation :场景动画处理库；场景动画处理库；osgFX :场景特效库；场景特效库；osgParticle :粒子系统库粒子系统库,该库为在该库为在OSG程序中使用粒子系统提供了强大的支持程序中使用粒子系统提供了强大的支持,里面包含里面包含一些己经实现了的实用功能一些

17、己经实现了的实用功能,例如雨、雪、雾、烟、火焰、运动尾迹等粒子场景特效；例如雨、雪、雾、烟、火焰、运动尾迹等粒子场景特效；osgManipulator:该库提供了一些操作器；该库提供了一些操作器；osgSim :仿真工具库仿真工具库,该库包含了该库包含了 DOF节点、点光源节点等诸多与虚拟仿真相关的功能；节点、点光源节点等诸多与虚拟仿真相关的功能；osgTerrain :地形处理库地形处理库,用于实现读取和实时显示地形；用于实现读取和实时显示地形；osgShadow:该库提供了在场景中绘制阴影的功能该库提供了在场景中绘制阴影的功能,并为多种阴影绘制技术给与支持；并为多种阴影绘制技术给与支持；o

18、sgText :文字处理库文字处理库,用于处理用于处理OSG的文字显示；的文字显示；osglntrospection:该库封装了该库封装了 OSG与其他语言交互的实现代码；与其他语言交互的实现代码；5.关键技术关键技术由于软件是面向用户的,所以要对系统进行需求分析。在需求分析的基础上,把系统进行分块,然后对其进行划分。最后确定软件使用的开发环境和开发平台。应用到的技术：三维建模技术、RTT 技术、LOD 技术三维建模技术是一门通过软件来实现模型的技术手段,主要的三维建模软件有 3D MAX、MAYA、Blender、Multigen Creator、Solid Work 等。今后还想在本文的框

19、架基础上添加各类船模、岛崎、港口等其他模型,可先导入到3dMax里,然后利用osgexp插件导出ive格式的模型即可。RTT技术在三维仿真中叫做植染到纹理(Render To Texture),其原理是将一倾的场景植染成一张图片作为一张纹理,而后粘贴在指定区域的技术。可以根据改变场景中相机位置的矩阵去适应场景发生的变化,从而改变所遣染出的纹理效果。该功能不仅可以实现场景离屏遣染之后的“后置处理”(Post-processing);还可以实现多种不同场景的融合显示。在三维仿真中主要应用于镜面、水面反射、导航图、望远镜等具体功能实现。LOD是OSG中的一项重要技术,当物体显示精细要求太高,计算机处

20、理压力较大时,可以对物体建立多个层次的模型,随着物体与相机距离的改变,显示模型不同的层次,这就是LOD技术。海浪仿真技术风浪的模拟Gerstoer公式和傅里叶变换已经被海洋学团体熟知。基于线性波理论使得在深水中自然波浪形状和移动是可行的由于没有描述任何净质量传输,所以仅限于没有破损的波浪和没有暴风的场景的仿真。方法一参数方程法：海浪仿真基础模型来源于线性波理论,并广泛应用在海洋工程中,在图形学中平静海面中的海浪被描述为正弦波。给出了更加真实地描述方程:y0是静止海面标局(为0)。注意这里最重要的点是在pi/2时x(x0,t)和y(y0,t)的相位差,不是使用物理正余弦公式计算。拉格朗日模型描述

21、了粒子(x,y)围绕着初始点(x0.y0)的运动轨迹。叠加若干个海浪波并把上述公式扩展到二维平面得到:傅里叶逆变化傅里叶逆变化粒子系统(Particle System)从根本上说是总结大量赋予某种属性的微小粒子的随机运动状态来描述动态景物特征的方法,每个粒子具有形状、大小、位置、颜色、透明度、运动速度、方向、生命周期等属性经常使用粒子系统模拟的现象有火、爆炸、烟、水流、云、雾、雪或者发光轨迹等抽象视觉效果在OSG中都有对应的类来完成这些功能,分别为粒子模板类,生成粒子模版,决定粒子的大小、颜色、生命周期等;发射枪,控制粒子的初始速度;放置器决定粒子产生点的形状,如圆形,环形,点形等;计数器,控制每一倾中产生粒子数目的范围。OSG环境中,坐标轴与OpenGL中坐标轴不同。粒子系