yy应用指南2.0[精彩]

第五部分控制、决策及其他781基于Creator／Vega的柴油机可视化实现与特技效果刘春江陈辉商蕾(武汉理工大学能源与动力工程学院系统仿真与控制研究中心．湖北．武汉，430063)麓要：介绍了Creator／Vega软件平台，阐述了基于Creator／Vega的虚拟场景仿真系统的设计过程．结合虚拟柴油机开发实例，提出了纹理映射、DOF技术，实例化技术等建梗技术，大大的降低了内存的占有量，提高了场景的实时性．详细讲述了Vega的特RR杲．R计，最后讲述了如何建立一个Vega应用程序关键词：虚拟现实；可视化；三维建模中田分类号：TP391．9TheVisualRealizationoftheDieselEngineBasedonCreator／VegaandTrickEffectDesigningLiuChun-jiangChertHuiShangLei(SystemSimulationandControlResearchCenter·WuhanUniversityofTechnology，EnergyandPowerEngineeringCollege·HubeitWuhan．430063)AbstracttThesoftwareplatformoftheCreatorNegaaleintroduced．andthedesignprocessoftheVirtual,虻．agllesimulationsystembasedonCreatorNegaisdescribedtoo．Accordingtothedesignofavirtualdieselengineexample，theauthorproposedthemodelingtechnologyoftexturemapping．DOFtechnologyandinstancetechnologyete．Suchthemethodsgreatlyreducetheuseofthecomputer’Sintemaln他mory,andthereal-timeofthesceneisalsoimproved．ThetrickeffectdesigningofVbgaispresentedindetail．Finally,howtobuildthevegaapplacationprogramisintroduced．Keywords：VirtualRealityaVisualization3DModeling1引言虚拟现实(VirtualReality)是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术．它以构想性、交互性、沉浸性三大特性为用户提供临场感。场景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的，构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。虚拟场景仿真技术的关键就是三维场景模型的建立和对三维场景模型的实时渲染。Paradigm公司提供了一套功能强大的虚拟现实开发工具．主要包括建模工具作者简介：刘謇江(1983-)。男．重庆人．硕士生．研究方向为视景仿真；踩辉(1962-)，男．湖北武汉人．教授．研究方向为系统仿真与控翻；商f(1974一)，女．湖北武汉人，副教授。研究方向为视景仿真．MultigenCreatortll和开发工具Vegal21,使得开发仿真系统变的快捷简单。2Creator软件平剖3】MultiGenCreator是由美国Multigen．Paradigm公司研制的三维建模工具软件。该软件具有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维(RT3D)数据库，还具有的API程序开发接口，能与实时仿真软件紧密结合，在程序开发中实现模型的各种实时几何变换功能，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世782系统仿真技术及其应用·第lO卷界领先的地位。3Vega软件平台MultiGenVega是MuitiGenParadigm公司开发的集先进的模拟功能和易用工具为一体的集成仿真开发环境。Vega能显著地提高工作效率，同时大幅度减少源代码开发时间。通过和MultiGenParadigm提供的建模工具Creator和其他特殊应用模块，Vega很容易满足特殊模拟要求，例如航海航空、雷达、高级照明系统、动画人物、大面积地形数据库管理DIS分布应用等。4柴油机三维建模视景仿真系统中的三维建模工具一般采用Creator。Creator是由MultiGen—Paradigm公司开发的一个用于对可视化系统数据库进行创建和编辑的交互工具，它适应一系列平台和应用，能够满足视景仿真、交互游戏的开发、城市仿真以及其他的应用领域，具有良好的性能。Creator是一个强大的三维建模工具，所采用的OpenFlight数据格式已成为事实上的虚拟现实及视景仿真的三维模型数据格式的工业标型41。柴油机的三维建模使用Creator工具实现，先进行模型的建立，再通过在模型结构中增加DOF节点(节点中包含需要进行相对移动和旋转的部分)，然后进行DOF节点的参数设置，定义一个局部坐标系。步骤l：启动Creator，并建立一个新文件。步骤2：建立柴油机的三维模型，并进行一定的层次结构组织。步骤3：使用Creator左边(create)I具组中(createDOF)工具创建DOF节点。步骤4：使用菜单[Local．DOF]|【PositionDOE．．】实现对DOF节点进行局部坐标系的重新设置。默认DOF节点的局部坐标系和系统坐标系相同。柴油机的三维建模效果如图1所示图1带DOF节点的柴油机模型及结构5建模与场景渲染的关键技术5．1纹理贴图在实体建模过程中，造型与贴图是密不叮分的。实体的细节，建模时可以用贴图达成近似的效果，从而减少实体面数，提高运行速度，因而贴图对仿真系统的视觉效果、运行速度都有着至关重要的影响。纹理贴图主要通过数码设备采集得到，贴图的主要要求是格式为RGB，大小以像素为单位，长和宽都应该是2的幂，否则会扭曲或无法正常显示。5．2DOF技术DOF(degree20f2freedom)完成了一个坐标系的定义和运动的约束，结合实时软件qJ实现其约束效果，aJ‘以使模型对象具有运动能力，DOF节点可以控制它的所有予节点，按照所设置的自由度范围运动。DOF节点在实际应用中要注意以下问题：在应用实时软件实现DOF效果时需要用到定义模型自由度的局部坐标系，要注意其位置的选取；创建DOF节点时一定要以Group节点或其他同级别的节点作为父节点；DOF节点在Creator中命名时，其字母的数字总数不能是2，也不能是4的倍数，否则后续场景驱动构建中，Vega软件与VgFind函数都不能识别。图l中柴油机的活塞，曲柄和曲轴都采用了DOF技术，而且曲柄还采用了DOF嵌套技术。5．3模型多边形优化【5】实例(instance)的运用。在复杂场景中，由于会使用到大量相同的几何体(如路灯)而使几何体数量迅速增加，这将大大增加存储空间。实例可以解决这个问题，实例就像是一个模型的众多的影子，实际物体只有r·个(相同的几何体共享同一个模型数据)，除了空间位置的不同之外，其他的属性都一样，在以后的使用过程中j{要通过运用实例的来引用该模型即可，也就是通过坐标矩阵变化安置在不同的位最显示同一个模型，这时只需要一个几何体数据的存贮空问。5．4模型结构优化【51通过物体组和相关组的嵌套来创建物体的层次结构。一个物体可能由多个形体构成，不必把每个形体(Object)都放入其自身的组节点(Group)qb，但一定规模的物体的各形体应归并在一起，放在一个共同的组节点之下。对于有层次结构的文件，执行效率要比没有层次结构的文件高。比如要呈现的形体不属于某个顶层组节点，那么这个顶层组节点下的所有形体都可以忽略了。5．5结合3DSMax建模3DSMax具有非常强大的点、线、面、几何体编辑功能，如编辑网格、布尔运算、放样、NURBS曲面等，这第五部分控制、决策及其他783些功能用于建立复杂的模型时特别有效。而且，应用3DSMax可以精确地确定模型的位置和尺寸，建模完成后还可以按照需要随时修改模型的高度以及底面的大小，但是在Creator中定位和修改模型却很难，如在3DSMax中用Extrude拉伸的立体，可以在修改堆栈中随时改变它的大小以改变立体的高度，而在Creator中用Wall拉伸好的立体，再很难改变它的高度了只能通过手动移动节点实现，这样就不能保持模型的精度了。在数据量大小上，Creator占有绝对的优势。对于Creator文件来说，一般的建筑物，大小只有50k左右，复杂的大型建筑物也不会超过1M，而对于3DSMax文件来说，一般都要超过100k，复杂一点的多达1～2M。因此对于大面积真实场景建筑物的建模，最好的实现方法就是再3DSMax中建模，然后导入到Creator中简化嘲。本文运用3DSMax建复杂曲面的方便，将3DSMax建立的复杂曲面文件导出，然后在Creator中导入模型文件简化模型。6Vega特技效果设计【7】使用Lynx面板或从Vega的API中动态进行操作并对现有的特技效果进行初始化，为创建用户新定义的特技效果，Vega特技效果仿真模块包含2个界面：一个是显示列表效果；另一个是粒子系统效果。显示列表特技效果效果可以改变形状，比例和随时间和属性由用户来设定。每个特技效果中包含了一个Vega显示列表，该Vega显示列表描述特技效果的几何体和属性。通过Vega的API，用户不仅能创建和管理特技效果，还可以创建用户自己的新颖特技效果。大部分现有的显示列表特技效果都会由更多种粒子系统所代替。该粒子系统效果包含着运动学和纹理动画。使用Lynx的对话框，通过人机对话形式定义定制的粒子系统来表现用多边形结构难于表现的复杂的视觉现象。一个特技效果有2种开始方式：模拟时间和相交矢量触发。模拟时间是在模拟时钟上以秒为单位设置特技效果开始的时刻，时钟的初始值位0。相交矢量触发，经常有必要把一个特技效果设置为模拟某些事先调整的时间，由一个不可预知的动态干扰结果触发一个特技效果。例如，一枚导弹击中其目标或者一架飞机掉到地面上，其目的是指定一个相交矢量触发一个特技效果。一旦相交矢量状态成为击中时，则立即触发特技效果。再次改变相交矢量状态前不再触发特技效果。Vega特技效果包含了一个粒子系统类，用户可以在很宽的范围内定义该类的特性和属性。所有粒子系统的有效特征都需要在Lynx界面里完成。～旦建立了一个必要的例子系统，即可动态地对某些特性和属性进行修改。可以把粒子系统的许多属性设为随时间而变化。图3柴油机的燃烧粒子效果图4柴油机的排气粒子效果7三堆场景模型实时渲染设计和程序设计场景模型建成后，通过Vega进行实时渲染的应用开发。Vega是一种用于实时仿真与虚拟现实应用的高性能软件环境和开发平台，由Lynx图形化用户接口和Vega库组成。通过Lynx的图形界面可建立实时驱动中所必需的对象。如：场景、窗口、通道等以及这些对象的初始化参数和之间的相互关系，在程序运行过程中利用Vega类函数完成用户交互中的选择功能(如漫游方式切换等)和其他特殊需要(如创建碰撞检测对象和粒予系统设置其参数等)。柴油机缸内的进排气过程和燃烧特效是用粒子系统设置其合适参数完成。784暴统仿真技术及其应用·第10卷7．1Vega应用程序的建立‘8】建立一个Vega应用程序中要分为3个步骤：．初始化：．定义：．系统配置。第l步，调用vgInitSysi垂l数初始化系统并创建共享的内存区和信号区。第2步，通过创建函数需要的事件和需要的类来定义系统。这一步可用两种不同方法完成，第一种方法是利用一个应用程序定义文件(ADF)的名称调用vgDefineSys函数，第二种方法是调用外部函数创建Vega类事件。注意，必须要在配置系统前定义Vega元素。第3步，进行系统配置，使ADF中的定义与函数调用结合起来，最后，调用vgConfigSysi垂t数完成步骤。7．2Vega应用程序的主循环【9】V堍a应用程序包括vgSyncFrame和vgFrame数的调用，通常由每个主循环或者每次需要一个新的显示时调用这些函数。vgSyncFrame函数把请求线程同步到一个给定的帧率上，其作用为·执行用户已定义的任何Postsync系统调回；·更新激活的运动系统，场景运动体，观察者，纹理等：·协调输入输出设备的同步。vgFramei函数在当前帧下进行Vegal筝J执行而引起的所有内部处理工作．其作用为·执行用户指定的任何preframe系统回调：·启动选择和绘制线程，选择某一通道并绘制己定义的回调。再对下一帧提供vgFrame醒l数之后更新。即使是最小的vega程序也要使用一个应用程序定义文件(ADO)和上述的5种函数，应用程序定义文件定义所有Vega参数。下面以一个名为“·．adf'’的文件为例，演示简单Vega应用程序代码。main()IvglnitSys0；vgDefineSys("*．adf”)：vgConfigSysO；while(1){vgSyncFrameO；vgFrame()；l}8结束语对复杂仿真场景的构建，除了要达到仿真的逼真度要求外，在场景的实时调用过程中最小量的占用内存是Creator的建模关键。本文建模的纹理贴图，实例化技术是场景优化的关键技术，大大的降低了内存的占有量，提高了场景的实时性．避免了在场景实时运行过程中出现跳帧现象。Creator是仿真建模软件中的佼佼者，但其仍有不足。Creator不适合建立精细模型，解决方法是通过CAD或3DSMAX软件建模。然后转A．Creator进行一定的修改后贴纹理。参考文献【l】孙家广等．计算机图形学【M】．北京：清华大学出版社。1999【2】刘晓艳，林珲，张宏．虚拟城市建设原理与方法【M】．北京：科学出版社，2003．【3】仇小鹏．杨平利，蒋阳．仿真建模利器／MultigenCreator[J]．计算机仿真。2007．24(5)：279·282【4】4纪良雄．视景仿真系统中阀门动态开关控制研究【J】．中国科技信息。2006．(11)：153．154【5】刘航．王春水，王积忠．基于CreatorNega的虚拟场景设计与实现【J】．计算机仿真．2007，24(9)：228-231【6】史琼芳。汪繁荣．结合3DSMAX和MultigenCreator进行三维城市建模的研究【J】．北京测绘．2007，(2)：16-18【7】龚卓蓉．可选模块的使用与开发【M】．北京：国防工业出版社．2003【81龚卓蓉．Vega程序设计【M1．北京：国防工业出版社。2002