基于OpenGL的三維仿真技術(shù)研究【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)含任務(wù)書(shū)+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】,基于,opengl,三維,仿真,技術(shù)研究,獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書(shū),開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 中期總結(jié) 本人選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題為《基于 三維仿真技術(shù)研究》，從開(kāi)始選題、進(jìn)行系統(tǒng)分析、撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告至今，設(shè)計(jì)工作已進(jìn)行了一半，在已完成的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我能以較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待每一個(gè)實(shí)施細(xì)節(jié)，認(rèn)真克服并解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題，為下一步深入設(shè)計(jì)打下了穩(wěn)定的基礎(chǔ)?，F(xiàn)就完成的工作情況進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)下一步的進(jìn)度情況進(jìn)行安排。 一．進(jìn)展情況 在三月初，我首先進(jìn)行了課題可行性的研究，在研究時(shí)，我深入 學(xué)習(xí)三維圖形原理算法， 進(jìn)行了課題定位和可行性分析 ,確定了用戶的需求和具體設(shè)計(jì)目標(biāo)。 三月下旬，我進(jìn)行了系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繪制出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，對(duì)系統(tǒng)的各種具體功能進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，繪制功能模塊的草圖，進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)分析與設(shè)計(jì)，明確了系統(tǒng)中主要功能應(yīng)以何種代碼和語(yǔ)句進(jìn)行描述，確定輸入輸出設(shè)計(jì)方案。同時(shí)將所做的內(nèi)容，提供給 張 老師指導(dǎo)，對(duì)于潛在的錯(cuò)誤，給予糾正。以免日后返工。 四月上旬，我進(jìn)行了系統(tǒng)中涉及的 模型轉(zhuǎn)換和模型導(dǎo)入學(xué)習(xí)，以及場(chǎng)景的繪制，實(shí)現(xiàn)了基本的場(chǎng)景繪制，包括地形和天空功能模塊的實(shí)現(xiàn)。 四月下旬，我進(jìn)行了功能模塊代碼的編寫(xiě)。功能模塊中實(shí)現(xiàn)的功能較多，特別是有的功能需要較 為復(fù)雜的步驟，我在設(shè)計(jì)時(shí)能認(rèn)真地編寫(xiě)分析代碼，不放過(guò)每個(gè)相聯(lián)系的具體環(huán)節(jié)，在代碼的輸入過(guò)程中，我力求不發(fā)生語(yǔ)法錯(cuò)誤，在運(yùn)行前時(shí)，都要檢查兩遍，使代碼的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句較為嚴(yán)謹(jǐn)穩(wěn)固。每當(dāng)檢查完后，我都能進(jìn)行測(cè)試，觀察其有無(wú)邏輯和使用上的問(wèn)題。 至此，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作已進(jìn)行到代碼編制基本完畢狀態(tài)。 二．問(wèn)題和解決方法 在系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我遇到了調(diào)試的困惑，在調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題，于是我通過(guò)和同小組成員討論，向呂老師咨詢，或者到網(wǎng)上查資料，到網(wǎng)上發(fā)貼子，錄找解決問(wèn)題的方法。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，最終使我的軟件成型 了，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也清晰明了。同時(shí)對(duì)下一步的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)書(shū)中的工作進(jìn)度計(jì)劃表，安排接下來(lái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 在代碼設(shè)計(jì)時(shí)我遇到的問(wèn)題也很多。對(duì)于 導(dǎo)入模型 這一大功能，使用語(yǔ)句多了存在邏輯上的隱患，語(yǔ)句少了又無(wú)法完成相應(yīng)功能。于是，我及時(shí)調(diào)整了思路，對(duì)語(yǔ)句進(jìn)行了適量的修改。不過(guò)，在設(shè)計(jì)搜索結(jié)果時(shí)又不知怎樣 顯示模型數(shù)據(jù)。通過(guò)我反復(fù) 研究實(shí)驗(yàn) ，最終 采用了 式的小車(chē)模型 ，本系統(tǒng)就是上述方式來(lái)顯示結(jié)果。 通過(guò)這一階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，使我在獨(dú)立思考能力上與解決實(shí)際問(wèn)題能力上都經(jīng)受了一場(chǎng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我深切體會(huì)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的重 要性和必要性，畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢驗(yàn)。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我在軟件開(kāi)發(fā)方面有很大的提高，具備了獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。 三．下一步安排 在完成了以上工作的基礎(chǔ)上，我計(jì)劃對(duì)做好的部分進(jìn)行更細(xì)致的檢查和排錯(cuò)，同時(shí)安排下一步的設(shè)計(jì)工作如下： 五月上、中旬要完成系統(tǒng)主程序的編寫(xiě)，系統(tǒng)的調(diào)試，程序的功能相關(guān)聯(lián)，對(duì)控件的功能進(jìn)行不斷完善，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和性能分析。使本系統(tǒng)最終成為成品軟件。 四 在五月的下旬，我計(jì)劃在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，開(kāi)始畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)，計(jì)劃使論文的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 與程序緊密貼近，論文整體更具有科學(xué)性，合理性，規(guī)則性。論文的具體結(jié)構(gòu)目錄如下： 第一章 緒論 第二章 研究背景和意義 第三章 三維仿真的原理 第四章 原理 第五章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 第六章 系統(tǒng)測(cè)試 結(jié)束語(yǔ) 參考文獻(xiàn) 致 謝 附錄 共計(jì)劃用半個(gè)月的時(shí)間，即 6 月初完成論文主要部分的撰寫(xiě)，然后讓 張 老師指導(dǎo)。 目錄 第一章 緒論 .................................................................................................................. 1 究背景和意義 .................................................................................................... 1 內(nèi)外 3D 仿真技術(shù)應(yīng)用 ....................................................................................... 1 外研究現(xiàn)狀 .............................................................................................. 1 內(nèi)研究現(xiàn)狀 .............................................................................................. 2 D 仿真技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展 ............................................................................. 2 術(shù)簡(jiǎn)介 .................................................................................................. 2 展歷程 ....................................................................................... 3 術(shù)特點(diǎn) ....................................................................................... 4 要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................................ 4 第二章 三維仿真基礎(chǔ)理論 .................................................................................. 6 維圖形學(xué)基礎(chǔ) .................................................................................................... 6 .................................................................................................................. 6 量 .............................................................................................................. 6 陣 .............................................................................................................. 7 礎(chǔ)原理 ............................................................................................... 7 據(jù)類(lèi)型 .................................................................................... 7 作方式 .................................................................................... 7 狀態(tài)機(jī) ....................................................................................................... 8 染管線 .................................................................................... 9 標(biāo)變換 ............................................................................................... 9 標(biāo)系統(tǒng) .................................................................................................... 10 點(diǎn)變換 .................................................................................................... 10 型變換 .................................................................................................... 11 影變換 ................................................................................................... 11 口變換 .................................................................................................... 13 第三章 程原理 ............................................................................... 14 染環(huán)境搭建 ........................................................................................ 14 制的圖形輸出為位圖 ........................................................................ 15 本圖元繪制 ...................................................................................................... 16 照和材質(zhì) ............................................................................................ 17 照 ............................................................................................................ 17 質(zhì) ............................................................................................................ 18 場(chǎng)景中添加光線的步驟 ........................................................................ 18 示列表 .............................................................................................................. 20 配顯示列表編號(hào) .................................................................................... 20 建顯示列表 ............................................................................................ 21 用顯示列表 ............................................................................................ 21 毀顯示列表 ............................................................................................ 22 理貼圖 .............................................................................................................. 23 建紋理圖像 ............................................................................................ 23 理纏繞 ................................................................................................... 25 理對(duì)象 .................................................................................................... 26 貼圖紋理 ............................................................................................... 27 游 ...................................................................................................................... 27 第四章 充電車(chē)仿真系統(tǒng)程序 ........................................................................... 30 統(tǒng)簡(jiǎn)介 ............................................................................................................... 30 序模塊和流程圖 ............................................................................................... 31 體流程圖 ............................................................................................... 31 示模塊 ................................................................................................... 32 據(jù)接口模塊 ........................................................................................... 32 撞檢測(cè)模塊 ........................................................................................... 33 跡顯示模塊 ........................................................................................... 34 度調(diào)控模塊 ........................................................................................... 34 序運(yùn)行結(jié)果 ....................................................................................................... 35 結(jié) ....................................................................................................................... 37 第五章 總結(jié)和展望 ................................................................................................ 38 結(jié) ....................................................................................................................... 38 望 ...................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 40 致謝 ................................................................................................................................... 42 附錄 ................................................................................................................................... 43 I 摘 要 近幾年，電影院真實(shí)的 3D 場(chǎng)景，游戲中炫酷的特效，海外旅行，戰(zhàn)斗機(jī)虛擬演習(xí)，設(shè)計(jì)模擬展示等等都是三維仿真的魔力展現(xiàn)。三維仿真一直都是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。它被廣泛的應(yīng)用到計(jì)算機(jī)可視化、軍事仿真、虛擬漫游、以及商務(wù)虛擬展示等領(lǐng)域。 本文研究了基于 3D 仿真技術(shù)，包括 程序框架構(gòu)建，基本坐標(biāo)系統(tǒng)、三維圖形的原理、三維矩陣的變換、渲染交互理論以及三維模型的導(dǎo)入等，構(gòu)建了一個(gè)充電 車(chē)兩車(chē)對(duì)接充電的過(guò)程，真實(shí)的模擬了兩車(chē)在真實(shí)環(huán)境下對(duì)接的各種可能情況，詳細(xì)計(jì)算了充電和碰撞距離，以及充電過(guò)程，大大減少了充電車(chē)檢測(cè)的成本和時(shí)間。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)接收真實(shí)的汽車(chē)的速度和角度數(shù)據(jù)，用以充電車(chē)進(jìn)行跟蹤循跡至待沖車(chē)輛，還利用軌跡球技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)控模塊，可以任意模擬充電對(duì)接的角度用以測(cè)量預(yù)估充電的安全性和穩(wěn)定性，確立最佳的充電位置。該系統(tǒng)將輔助科技設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者更便捷、安全的完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和檢測(cè)，大大推進(jìn)了三維仿真技術(shù)在工業(yè)和環(huán)保事業(yè)中等的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 3D 仿真 程 漫游 n D in in so is an It is to on D of to in to in is to of he of to of in 3D 第 1 頁(yè) 第一章 緒論 本章共 3 小節(jié)，分別講述了本系統(tǒng)的研究背景和意義，簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外三維仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，描述了系統(tǒng)采用的 維仿真技術(shù)的基本概況和發(fā)展歷程。 究背景和意義 3D 虛擬仿真是利用 3D 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)真實(shí)體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，它具有真實(shí)性、可操作性和簡(jiǎn)單重復(fù)性等特征，能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界，幫助用戶構(gòu)造虛擬世界操作從而減少實(shí)際的實(shí)驗(yàn)成本和危險(xiǎn)。 隨著三維仿真技術(shù)的發(fā)展成熟，越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)計(jì)等開(kāi)始使用三維仿真技術(shù)進(jìn)行前期的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，大大減少了實(shí)際開(kāi)發(fā)的成本和實(shí)際，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的可靠 性。石油能源的緊缺，環(huán)境污染的嚴(yán)重使汽車(chē)能源向電能以及新能源的轉(zhuǎn)型，當(dāng)今電池車(chē)的技術(shù)日漸成熟，比如硅谷誕生的“特斯拉”電池車(chē)性能良好，深受大眾喜愛(ài)，但是充電卻成為了其推廣的最大阻礙。修建充電樁的成本很高，為了達(dá)到使用方便，必須短距離就建立一個(gè)充電樁。但是如果把充電樁變成移動(dòng)式的充電車(chē)就將大大減少成本，使環(huán)保的電池車(chē)成為馬路“環(huán)保達(dá)人”！ 內(nèi)外 3D 仿真技術(shù)應(yīng)用 外研究現(xiàn)狀 近幾年深入研究 3D 仿真技術(shù)的國(guó)外公司已經(jīng)趨近成熟，并且將 3D 仿真技術(shù)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 虛擬洛杉磯（ —— 是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（ 于 1994 年的一個(gè)科研與運(yùn)用相結(jié)合的項(xiàng)目，計(jì)劃覆蓋面積超過(guò) 10,000平方英里，是當(dāng)今城市仿真系統(tǒng)中最成功最為復(fù)雜的系統(tǒng) 【 3】 。視景包括從洛杉磯盆地的衛(wèi)星影像到街道景觀，精確到植物、建筑物的窗口、外墻的紋理等。 費(fèi)城城市模型 (—— 是由美國(guó) 司利用 件和其自我開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件工具，在 1996 年初的開(kāi)始 第 2 頁(yè) 制作，至今已經(jīng)完成費(fèi)城的中心區(qū)共 35 個(gè)街區(qū)。費(fèi)城此項(xiàng)目的主要特點(diǎn)就是將完整的費(fèi)城的模型用 據(jù)格式，通過(guò)使用 任何人都可以享受到虛擬的實(shí)時(shí)費(fèi)城旅游體驗(yàn)。城市的設(shè)計(jì)人員以及建筑師們通過(guò) 覽器可以對(duì)城市的三維景觀直觀的漫游，也可對(duì)真實(shí)的城市景觀去進(jìn)行分析，獲得精準(zhǔn)的土地以及建筑結(jié)構(gòu)這方面的相關(guān)的資料信息，大大地解決了建筑師在委托設(shè)計(jì)此項(xiàng)目時(shí)候缺乏詳細(xì)資料的問(wèn)題。費(fèi)城的模型同時(shí)也提供了精確的三維地下的管線系統(tǒng)，方便了城市的地下管網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)以及更新，所以獲得了美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)的 (度評(píng)價(jià)。 一家專門(mén)從事三維實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的美國(guó)公司，在視景仿真領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。其無(wú)與倫比的強(qiáng)大三維實(shí)體建模工具和三維地景生成工具，被公認(rèn)為是當(dāng)今最近優(yōu)秀的建模軟件。其可以滿足航海，紅外線，雷達(dá)，電路網(wǎng)絡(luò)，交通管理等多種模擬需求 【 5】 。 內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)的 3有比較先進(jìn)的 3002 年，中視典與中科院遙感所合作，成功開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一個(gè)數(shù)字地球原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)為數(shù)字地球的研究工作提供了一個(gè)可操作的虛擬平臺(tái)，已經(jīng)在能源、災(zāi)害、數(shù)字城市、數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)等各個(gè)方面的研究提供服務(wù)，并在 02 年和 07 年國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目數(shù)字奧運(yùn)仿真中發(fā)揮了重要的作用，是相關(guān)部門(mén)指定的 08 奧運(yùn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)服務(wù)商 【 7】 。 2010 年上海世博會(huì)中國(guó)館的動(dòng)態(tài)《清明上河圖》驚艷四方，他采用的 3D 仿真技術(shù)完美展現(xiàn)了古代的繁華生活，惟妙惟肖，如圖所示。 D 仿真技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展 隨著 3D 仿真技術(shù)的日益成熟，他將越來(lái)越被應(yīng)用到生活當(dāng)中，滲透到各個(gè)方面。未來(lái)的 3D 仿真技術(shù)將會(huì)大量應(yīng)用于演示虛擬仿真，安全培訓(xùn)虛擬仿真，礦山地形演示虛擬仿真，美術(shù)館虛擬仿真，數(shù)字展館虛擬仿真 事故演練。 術(shù)簡(jiǎn)介 一個(gè)底層圖形庫(kù)規(guī)范。它為程序員提供了一個(gè)小的幾何圖元庫(kù)和一 第 3 頁(yè) 個(gè)支持 2D/3D 幾何對(duì)象繪圖命令庫(kù)，通過(guò)圖元和命令來(lái)控制對(duì)象的呈現(xiàn)（繪圖）。術(shù)適用于從普通 大型圖形工作站等各類(lèi)計(jì)算機(jī)，而且還可以與各種操作系統(tǒng)兼容，從而成為主導(dǎo)地位的跨平臺(tái)的專業(yè) 3D 圖形應(yīng)用開(kāi)發(fā)包，進(jìn)而也成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 語(yǔ)言 關(guān)系 緊密。 使程序員很容易 熟練 高的可移植性。 目標(biāo)就是作為一種獨(dú)立于硬件的接口 、 流線型的，在當(dāng)今 的 主流操作系統(tǒng) 中（ T/2000/ 都有其相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。 但是 述 3 函數(shù) (這類(lèi)函數(shù)可 以 允許你指定相對(duì)來(lái)說(shuō) 較為復(fù)雜 些 的形狀、例如 飛機(jī)、 身體的某個(gè)部位、汽車(chē)、分 子 或分 機(jī) 等 )。在 須 依 據(jù)少數(shù) 的 幾個(gè)基本圖元 (例如點(diǎn)、 曲 線、 四 邊形 )來(lái)創(chuàng)建你所 想 要的模型。 為適應(yīng) 統(tǒng)下 的 序獨(dú)立編程接口需求而設(shè)計(jì)出來(lái)的，該接口被設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單又實(shí)用。從 移除 統(tǒng)操作是一個(gè)很英明的決定，這意味著 圖形系統(tǒng)能夠被用于更加廣泛的操作系統(tǒng)中 (包括功能很強(qiáng)大但是昂貴的圖形工作站和需大量圖形運(yùn)算地視頻游戲、個(gè)人電腦和互動(dòng)電視機(jī)的機(jī)頂盒 )。 單化了 行渲染的程序的實(shí)現(xiàn)。 展歷程 1992 年 7 月， 司首次發(fā)布了 本，后又與微軟公司合作開(kāi)發(fā)了 T 版本的 而使部 分原來(lái)必須在高級(jí)圖形工作站上面運(yùn)行的大型的 3D 圖形處理軟件也能在微機(jī)上運(yùn)用。 1995 年 本，此版本較 能提高很多，同時(shí)加入了一些新功能。包括 — 提高頂點(diǎn)位置、色彩指數(shù)、法線、顏色、紋理坐標(biāo)、引入了新的紋理特性、多邊形邊緣標(biāo)識(shí)的傳輸速度，等等。 2003 年的 7 月份， 同公布了 括了式 擴(kuò)展規(guī)格的繪制語(yǔ)言即“ 乘方紋理、隱蔽 查詢、頂點(diǎn) 能等。 2004 年 8月， 本發(fā)布。 持了新的 展特性、 第 4 頁(yè) 及其他多項(xiàng)新增特性。 2008 年 作組在 008 大會(huì)上宣布了 形接口規(guī)范， 言以及其他新增功能再次為未來(lái)開(kāi)放 3D 接口的發(fā)展指明方向。 2011 年 8 月 9 日，于溫哥華舉行的 011 大會(huì)上， 布了最新的 準(zhǔn)，對(duì)于支持的現(xiàn)有硬件的 入了一些新的支持特性。同樣， 要應(yīng)用在 別硬件（如 D 5000/6000，00/500 系列顯卡），不過(guò) 開(kāi)發(fā)者社區(qū)曾經(jīng)表示，部分特性可以通過(guò)擴(kuò)展功能在最老支持 別的硬件上實(shí)現(xiàn)。 術(shù)特點(diǎn) 為當(dāng)前三維行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，是從事三維工作開(kāi)發(fā)人員必須掌握的開(kāi)發(fā)工具，它的具有以下特點(diǎn)： ? 圖形質(zhì)量好、性 能高 ? 當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ? 穩(wěn)定性高 ? 可移植性強(qiáng) ? 充分的可擴(kuò)展性 ? 適應(yīng)性強(qiáng) ? 易用性高 要研究?jī)?nèi)容 本文主要研究了基于 三維仿真技術(shù)的研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 系統(tǒng)采用嵌入 染環(huán)境的窗口進(jìn)行三維圖像的繪制，先進(jìn)行主窗口渲染，在視圖模型下繪制出初始狀態(tài)的地形和小車(chē)。然后對(duì)小車(chē)軌跡進(jìn)行讀取計(jì)算，碰撞檢測(cè)，軌跡的顯示，還可以通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行角度調(diào)控等。 主要工作包括： 第一章 介紹了三維仿真技術(shù)的背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第二章 本章主要介紹了三維仿真的基礎(chǔ)三維圖形學(xué)，對(duì)點(diǎn)，向量，矩陣，還有 第 5 頁(yè) 工 作方式、坐標(biāo)系統(tǒng)以及變換透視等重要三維圖像的基礎(chǔ)知識(shí)。 第三章 本章共包含了七小節(jié)，系統(tǒng)的講述了利用 術(shù)實(shí)現(xiàn)三維仿真的實(shí)際編程基礎(chǔ)。 第四章 本章主要針對(duì)充電車(chē)三維仿真系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹，對(duì)其系統(tǒng)的功能和模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了講解，包括主窗口模塊，數(shù)據(jù)接口模塊，碰撞檢測(cè)模塊等 。 第五章 總結(jié)了本課題的研究成果，同時(shí)對(duì)沒(méi)有研究成功的方法也做了系統(tǒng)的總結(jié)，并在接下來(lái)的時(shí)間里繼續(xù)努力的去完善它。 第 6 頁(yè) 第二章 三維仿真基礎(chǔ)理論 本章包含了三小節(jié)，主要介紹了三維仿真的基礎(chǔ)三維圖形學(xué)，對(duì)點(diǎn)，向量，矩陣，還有 工作方式、坐標(biāo)系統(tǒng)以及變換透視等重要三維圖像的基礎(chǔ)知識(shí)。 維圖形學(xué)基礎(chǔ) 點(diǎn)是圖形中最基本的幾何對(duì)象。 3D 場(chǎng)景中用三維坐標(biāo) x,y,z 表示一個(gè)點(diǎn)，例如點(diǎn)A(2， 3)。并且三維空間兩點(diǎn)間的距離 D 也和二維空間相似，兩點(diǎn) A( B(距離為： 222 )12()12()12( ????? 公式 2 向量 向量是一個(gè)具既有數(shù)量又有方向的量。向量的方向用來(lái)描述其在空間的指向 【 1】 。單位向量就是大小為 1 的向量，向量歸一化即為 ： ||o r m?公式 2量的運(yùn)算在三維世界坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)，向量的運(yùn)算包括點(diǎn)乘運(yùn)算和叉乘運(yùn)算。向量點(diǎn)乘的結(jié)果表示了兩個(gè)向量的方向相似程度，向量的點(diǎn)乘運(yùn)算公式： ?c o s|||| ??? ?? 公式 2量 叉乘運(yùn)算的到的是兩個(gè)向量的垂直向量，其結(jié)果應(yīng)用于 3D 圖形很多領(lǐng)域，比如光照，物理計(jì)算和碰撞檢測(cè)等等。向量叉乘運(yùn)算公式： ),,( A y B xA x B yA x B zA z B xA z B yA y B ???? ?? 公式 2第 7 頁(yè) 陣 矩陣是三維圖像的重要基礎(chǔ)，在線性代數(shù)里面，矩陣是以行和列的形式組成的數(shù)字塊。通常用 m*n 來(lái)定義矩陣的尺寸，它表示此矩陣為 m 行 n 列。一個(gè)矩陣通常用第 i 行第 j 列表示。例如 3*3 矩陣 B 表示如下： ???????????222120121110020100 公式 2三維世界里面，最重要的就是矩陣的乘法計(jì)算，矩陣的乘法有三種情況： 1、 標(biāo)量和矩陣相乘； 2、 向量和矩陣相乘； 3、 矩陣和矩陣相乘，且 ； 礎(chǔ)原理 據(jù)類(lèi)型 義了自己的數(shù)據(jù)類(lèi)型，主要有 同的 現(xiàn)在選擇哪些 C 語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)表示 數(shù)據(jù)類(lèi)型方面存在某些差異。使用 己定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型，就可以在 碼跨平臺(tái)移植時(shí)避免不匹配類(lèi)型的問(wèn)題。 作方式 令模式是典型的 C/S(戶 /服務(wù)器 )模型，通常是把用戶程序 (客戶 )發(fā)出的命令提交給內(nèi)核程序 (比如服務(wù)器 )，內(nèi)核程序再對(duì)各種指令進(jìn)行編譯，并初步處理，再交給操作系統(tǒng)而轉(zhuǎn)交給硬件。上述的過(guò)程可在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成，也能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由不同的計(jì)算機(jī)一 體合作完成， 過(guò)上述的合作實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)透明。 第 8 頁(yè) 應(yīng)用程序框架作流程 封裝在庫(kù)或共享程序集中，應(yīng)用程序 在 發(fā)出 行 處理。 再 傳 給 服務(wù)內(nèi)核 去 處理后 將 進(jìn)一步交 給 操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng) 依 據(jù)具體的硬件，例如 用 不同的顯示卡 來(lái) 具體處理。 例如 調(diào)用調(diào)用公共驅(qū)動(dòng)程序 或者 廠家的服務(wù)驅(qū)動(dòng)程序， 然后再 傳給視頻顯示驅(qū)動(dòng)， 由 驅(qū)動(dòng)程序 的 驅(qū)動(dòng)顯卡向顯示屏幕 進(jìn)一步 提供顯示。 此 處理過(guò) 程 完全 在計(jì)算機(jī) 的 后臺(tái)完成，基本 上 不需程序員 的參與。程序員只要 在 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 的 部分， 而 管理硬件的工作 都 交 給 計(jì)算機(jī)完成。 狀態(tài)機(jī) 一種狀態(tài)機(jī)模式，它保持自身的狀態(tài)，除非用戶輸入一條命令讓它改變狀態(tài)。 首先，從本質(zhì)上講，我們現(xiàn)在的電腦就是典型的狀態(tài)機(jī)。可以對(duì)照理解：電腦的存儲(chǔ)器，可以記住電腦自己當(dāng)前的狀態(tài)（當(dāng)前安裝在電腦中的軟件、保存在電腦中的數(shù)據(jù)，其實(shí)都是二進(jìn)制的值，都屬于當(dāng)前的狀態(tài)）。 電腦的輸入設(shè)備接收輸入，最后可以得出輸出。當(dāng)它進(jìn)入到某個(gè)特殊的狀態(tài)時(shí)，它就不再接收任何輸入，繼而 停止工作。 其次讓我們先對(duì)照理解一下： 以記錄自己的狀態(tài)（比如：當(dāng)前所使用的顏色）。 以接收輸入，依據(jù)輸入的內(nèi)容以及自己的狀態(tài)，來(lái)判斷自己的狀態(tài)是否修改，并且可以得到輸出（比如我們調(diào)用 收到這個(gè)輸入后會(huì)修改自己的“當(dāng)前顏色”狀態(tài)；我們調(diào)用 輸 第 9 頁(yè) 出一個(gè)矩形）。 夠進(jìn)入到停止?fàn)顟B(tài)，不再繼續(xù)接收輸入。這個(gè)或許在我們的程序當(dāng)中表現(xiàn)得不是太明顯，不過(guò)在當(dāng)下程序退出前， 定先停止當(dāng)下的工作的。 舉例 來(lái)說(shuō)比如我們可以使用 數(shù)來(lái)選擇一種顏色，以后繪制的所有物體都是這種顏色，除非再次使用 數(shù)重新設(shè)定。可以使用 數(shù)來(lái)設(shè)置一個(gè)紋理坐標(biāo)，以后繪制的所有物體都是采用這種紋理坐標(biāo)，除非再次使用數(shù)重新設(shè)置。可以使用 數(shù)來(lái)指定混合功能的源因子和目標(biāo)因子，以后繪制的所有物體都是采用這個(gè)源因子和目標(biāo)因子，除非再次使用數(shù)重新指定?？梢允褂?數(shù)來(lái)指定光源的位置、顏色，以后繪制的所有物體都是采 用這個(gè)光源的位置、顏色，除非再次使用 數(shù)重新指定。 染管線 有超強(qiáng)的圖形繪制能力，包括繪制物體、啟動(dòng)光照、管理位圖、紋理映射、動(dòng)畫(huà)、圖像增強(qiáng)以及交互技術(shù)等功能。作為圖形硬件的軟件接口， 要是將三維的物體投影到一個(gè)二維平面上，之后處理得到像素，進(jìn)行顯示。 描述圖像的像素 (在執(zhí)行一系列操作后，最終將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成像素?cái)?shù)據(jù)。也就是說(shuō)， 基于點(diǎn) 的。在 ，無(wú)論何種情況，指令總是被順序處理。由一組頂點(diǎn)定義的圖元(行完繪制操作后，后繼圖元才能起作用。絕大部分 現(xiàn)都有相似的操作順序，即稱為 染管線的一系列相關(guān)的處理階段。 標(biāo)變換 過(guò)對(duì)相機(jī)模擬可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基本的三維變換，即投影變換、幾何變換、視口變換、裁剪變換等。同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)了矩陣堆棧等。理解掌握了有關(guān)坐標(biāo)變換的內(nèi)容，就算真正走進(jìn)了精彩地三維世界。 第 10 頁(yè) 標(biāo)系統(tǒng) 在真實(shí)的世界中，所 有的物體都具有三維特征，但是計(jì)算機(jī)僅僅能處理的是數(shù)字，可以顯示出來(lái)二維圖形，而將二維數(shù)據(jù)及三維物體緊密聯(lián)系在起來(lái)的唯一的紐帶就是—— 坐標(biāo)。 為了數(shù)字化將要顯示的三維物體，就要在這個(gè)三維物體處在的空間里面定義一個(gè)合適的坐標(biāo)系。這個(gè)坐標(biāo)系的單位長(zhǎng)度和坐標(biāo)軸的指向都要適合對(duì)此三維物體的描述，這個(gè)坐標(biāo)系被稱作世界坐標(biāo)系。重要的一點(diǎn)就是世界坐標(biāo)系，它是永遠(yuǎn)不變的 【 10】 。 定義了局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系就是坐標(biāo)系用物體的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)的，其物體的旋轉(zhuǎn)或者平移等操作全是圍繞著局部坐標(biāo)系進(jìn)行的。此時(shí) ，若物體模型在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或者平移操作時(shí)，局部坐標(biāo)系隨之也執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)或者平移操作。需要注意的地方是，如果對(duì)物體模型進(jìn)行縮放操作，則局部坐標(biāo)系也要進(jìn)行相應(yīng)的縮放，假若縮放比例在各坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)不同，那么經(jīng)過(guò)一系列旋轉(zhuǎn)等操作后，局部坐標(biāo)軸可能不一定相互垂直。不管是在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行變換，還是說(shuō)在局部坐標(biāo)系中進(jìn)行變換，程序的代碼都是相同的，只不過(guò)不同的坐標(biāo)系所考慮的變換方式不相同罷了。 計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化的三維物體做了適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚砗?，要使其在圖形顯示器上面顯示，就需要先在圖形顯示器的屏幕上定義出一個(gè)二維的直角坐標(biāo)系， 這個(gè)坐標(biāo)系被稱作屏幕坐標(biāo)系。這個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向通常選取為平行于此屏幕的邊界，坐標(biāo)原點(diǎn)一般取左下角，長(zhǎng)度單位通常取為一個(gè)象素。 點(diǎn)變換 視點(diǎn)變換明確了場(chǎng)景里面物體的視點(diǎn)方向和位置，就向上述提到的，它可以看作是在場(chǎng)景當(dāng)中放置的一臺(tái)照相機(jī)。讓相機(jī)鏡頭面向要拍攝的物體，相機(jī)（即視點(diǎn)）定位在坐標(biāo)系的原點(diǎn)（相機(jī)初始方向都指向 Z 負(fù)軸），它和物體模型缺省的位置是對(duì)應(yīng)的，明顯的，如若視點(diǎn)變換不進(jìn)行，物體和相機(jī)是重疊的。 執(zhí)行視點(diǎn)變換和執(zhí)行模型變換的命令是一樣的，思考一下，我們?cè)谟孟鄼C(jī)拍照時(shí)，我們通常保 持被拍的物體位置不變，而將相機(jī)遠(yuǎn)離物體，這就類(lèi)似于三維世界的視點(diǎn)變換。此外，我們也可讓相機(jī)的位置保持不變，而將物體遠(yuǎn)離相機(jī)，這就類(lèi)似于模型轉(zhuǎn)換。結(jié)果就是，在 世界，以逆時(shí)針去旋轉(zhuǎn)物體就類(lèi)似于以順時(shí)針去旋轉(zhuǎn) 第 11 頁(yè) 相機(jī)。所以，我們必須把模型變換同視點(diǎn)變換結(jié)合在一塊來(lái)考慮，也就是說(shuō)對(duì)這兩種變換單獨(dú)去進(jìn)行考慮是沒(méi)有意義的。除了使用模型變換命令來(lái)執(zhí)行視點(diǎn)變換以外，用庫(kù)還提供了 函數(shù)，該函數(shù)共三個(gè)變量，分別表示了視點(diǎn)的位置、相機(jī)的瞄準(zhǔn)方向參考點(diǎn)以及相機(jī)的朝上方向。該函數(shù)的原型為： 該函數(shù)定義了視點(diǎn)矩陣，要用該視點(diǎn)矩陣乘以當(dāng)前的矩陣。 義了當(dāng)前視點(diǎn)的位置； 及 量指明了參考點(diǎn)位置，該點(diǎn)通常作為相機(jī)所要瞄準(zhǔn)場(chǎng)景的中心軸上的點(diǎn)； 量指明了朝上向量方向。一般，視點(diǎn)變換操作在模型變換操作之前使用，以便模型變換先對(duì)三維物體產(chǎn)生作用。場(chǎng)景中三維物體的頂點(diǎn)通過(guò)模型變換以后移動(dòng)到所想要的位置，然后再對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行視點(diǎn)的定位等等操作。視點(diǎn)變換和模型變換共同構(gòu)建成了模型視景矩陣。 型變換 模型變換是在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行的。當(dāng)其缺省時(shí)，物體模型的中心默認(rèn)定位在世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)。 這個(gè)坐標(biāo)系中，共有三個(gè)命令，可以用來(lái)進(jìn)行模型變換。 1、模型平移 —— f d }( x, y, z);該函數(shù)沿著 x 軸、z 軸按照指定的 x,y,z 值平移物體（或者按照相同的值來(lái)移動(dòng)物體的局部坐標(biāo)系）。 2、 模型旋轉(zhuǎn) —— x, y, z)。該函數(shù)的第一個(gè)變量是制定模型旋轉(zhuǎn)角度的 位是度，其后三個(gè)變量用來(lái)表示以原點(diǎn) A（ 0,0,0）到點(diǎn) B(x,y,z)的連線為軸線來(lái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)物體。 比如， 結(jié)果是繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 45 度。 3、模型縮放 —— x, y, z );此函數(shù)可以沿著 x,y,數(shù)有三個(gè)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng) x、 y、 z 軸坐標(biāo)方向的變換比例因子。缺省時(shí)默認(rèn)為 示物體沒(méi)變化。在程序中，若物體 Y 余值都為 表明將立方體變成了長(zhǎng)方體。 影變換 經(jīng)過(guò)模型視景變換之后，場(chǎng)景中的三維物體被放在了所想要的位置上，但是顯示 第 12 頁(yè) 器僅能用二維圖象來(lái)體現(xiàn)三維物體，因此就得靠投影進(jìn)一步降低維數(shù)（投影變換相當(dāng)于相機(jī)選擇鏡頭）。實(shí)際上，投影變換的根本目的就是構(gòu)建一個(gè)適 合的視景體，裁剪掉視景體外多余的部分，最終視景體內(nèi)的有關(guān)部分才能進(jìn)入圖像。投影包括兩種：正視投影（ 透視投影（ 透視投影是符合人們的心理習(xí)慣的，即是離視點(diǎn)近的物體比較大，而離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體比較小，遠(yuǎn)到極點(diǎn)就會(huì)消失，成為一個(gè)滅點(diǎn)。它的視景體可以被看作是一個(gè)底部和頂部都被切割了的棱椎，也就是所謂的棱臺(tái)。這個(gè)投影一般被用于視覺(jué)仿真、動(dòng)畫(huà)影視以及其它的許多需要真實(shí)性展現(xiàn)的方面。 視投影的函數(shù)共兩個(gè)，其中函數(shù) 的原型為： 它創(chuàng)建了一個(gè)具有透視的視景體。其實(shí)現(xiàn)的是構(gòu)建出一個(gè)透視投影矩陣，然后用此透視矩陣去乘以當(dāng)前的矩陣。該函數(shù)參數(shù)僅僅定義了近裁剪面的右上角點(diǎn)（ - 左下角點(diǎn)（ - 三維立體空間坐標(biāo)；最后一個(gè)參數(shù) 遠(yuǎn)裁剪平面的 Z 負(fù)值，其左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)空間坐標(biāo)由函數(shù)根據(jù)透視投影原理自動(dòng)生成。 示離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，它們的值總是正值。另一個(gè)透視函數(shù)是： 它創(chuàng)建了一個(gè)的透視視景體，但是它和前面的的參數(shù)不同，參數(shù) 義視野在 面的角度，范圍是 [參數(shù) 投影平面寬度與高度的比率；參數(shù) 別是遠(yuǎn)近裁剪面沿 Z 負(fù)軸到視點(diǎn)的距離，它們總為正值。以上兩個(gè)函數(shù)缺省時(shí)，視點(diǎn)都在原點(diǎn)，視線沿 Z 軸指向負(fù)方向。 正射投影，即是平行投影。正射投影的視景體是類(lèi)似于一個(gè)矩形的平行管道，也即是一個(gè)立方體。正投影的一個(gè)最大特點(diǎn)是不管論物體離相機(jī)有多遠(yuǎn)，投影出來(lái)的三維物體的大小尺寸是不變。正射投影也有兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)函數(shù)是： 它創(chuàng)建一個(gè)平行視景體。實(shí)際上這個(gè)函數(shù)的操作是創(chuàng)建一個(gè)正射投影矩陣，并且用這個(gè)矩陣乘以當(dāng)前矩陣。其中近裁剪平面是一個(gè)矩形，矩形左下角點(diǎn)三維空間坐標(biāo)是（ 右上角點(diǎn)是（ 第 13 頁(yè) 遠(yuǎn)裁剪平面也是一個(gè)矩形，右上角點(diǎn)是（ - 左下角點(diǎn)空間坐標(biāo)是（ - 所有的 同時(shí)為正或者同時(shí)為負(fù)。 另一個(gè)函數(shù)是： 它是特殊的一個(gè)正射投影，此函數(shù)主要用于將二維圖像投影到二維屏幕上。它的 省值分別為 有的二維物體 Z 坐標(biāo)都是 以它的裁剪面就是一個(gè)右上角點(diǎn)為（ 左下角點(diǎn)為（ 矩形。 口變換 視口變換實(shí)際上就是在二維的視口平面上顯示視景體內(nèi)投影的三維物體。運(yùn)用相機(jī)模擬的方式，我們很好理解視口變換相當(dāng)于就是把照片進(jìn)行放大與縮小。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里面，視口變換的定義 —— 將經(jīng)過(guò)幾 何變換、裁剪變換和投影變換后的物體顯示在屏幕窗口指定的區(qū)域里面，這個(gè)區(qū)域一般為矩形，被稱作視口。 相關(guān)函數(shù)是： x,y,此函數(shù)定義了一個(gè)視口。函數(shù)參數(shù) (x, y)是視口在屏幕窗口坐標(biāo)系中的左下角點(diǎn)坐標(biāo)，參數(shù) 省時(shí)，參數(shù)值