基于OpenGL的列车视景仿真研究
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摘要
随着虚拟现实技术的飞速发展,计算机仿真技术目前正广泛应用于军事和国民经济的各个领域。在铁路交通领域,为了使列车司乘等工作人员更快更好地熟悉和掌握列车的编组和运行工况,这就需要现代化的培训手段。依托于计算机仿真技术的列车仿真系统具有经济、安全、灵活及可重复的优点,正在列车驾驶培训中发挥越来越大的作用。
本论文利用VC++中的MFC,基于OpenGL函数库,从底层出发开发一个具备自主知识产权的列车视景仿真原型系统。
论文主要工作包括以下几点:
1.在MFC环境下基于OpenGL函数库建立了列车视景仿真程序框架,建构了一个交互性良好的操作界面,界面分为场景设置视区、绘图视区和控制操作视区三部分
2.通过几何变换、投影变换、视图变换、视口变换等,将现实中观察到的三维场景物体,转换为二维计算机屏幕所能表示的二维图像。同时通过几何变换中的移动变换、旋转变换、缩放变换将场景组装在一起,变化它们的输入参数来实现动画效果。
3.将建模方法分为一般建模、三维模型导入和特殊建模方法。应用特殊建模的方法完成了对仿真中很多特效场景物和场景的建模工作。基于位图的灰度值来实现对地形的建模,基于不同混合方法实现对晴空、车窗、树木、雪花等的建模。采用上述的建模方法完成的场景和场景物的模型具有较好的视觉效果。
4.本文构建了平面铁路线的统一模型,采用链表结构将各线路连接起来。应用场景设置窗口和对话框输入方式,建立了较好的用户交互功能。场景物的放置采用鼠标拾取坐标的方法,使操作更方便。
5.针对列车虚拟运行场景仿真这种大面积场景渲染的实际情况,提出了运用单元分割法与雾化效果相结合,应用场景块与视点的距离判断其渲染显示与否的方法,提高了场景渲染的效率,同时也保证了较好的视觉效果。
Along with the rapid development of Virtual Reality (VR) ,the computer simulation wins the extensive use in many fields of military and national economics. In the field of railway traffic, we need modern means of training train conductors to familiarize and master the working condition faster and better. In view of the computer simulation, the train simulation system owns the virtue of economy、safety、flexibility and repeatability, and is used more and more in the training。
By use of MFC of VC++ and OpenGL, This thesis researches the scene simulation prototype system with autonomous intellectual property:
The main research works in this thesis has been summed as following:
1. Based on MFC and OpenGL functions, the programming frame of train scene simulation system has been successfully set up, and the program interface with interactive ability has been split into three parts: scene installing part, scene displaying part and user controlling part.
2. By use of modeling, projection, viewing operation, objects in the three-dimensional space can be translated into second-dimensional figure which the screen describes. And by modeling operations include rotation, translation, scaling, scenes can be assembled up. We can change their parameters to make the animation.
3. The modeling method is classified into general modeling, 3D leading-in and special modeling method.by the way of special modeling we model many special scenes and objects easily.for example, we model terrains based on the grey data of bitmaps and based on different blending we model sun shine,train window,tree and snow successfully. Scenes meet the driver's demands of the human's vision after using these methods.
4. The thesis builds a united model for the plane railway, and adopts the chain data structure to connect them. By the means of scene-installing window and dialog-inputting, the system has better interactive ability .It makes easy to lay down the scene by mouse picking up points.
5.In view of the scene simulation of train movement with the large scene, the thesis uses methods of combining Cell Segmentation with fog operation and distance judgment between the scene and the observer to choose the displaying-scene, which promotes efficiency and meets the driver's demands of the human's vision.
本论文利用VC++中的MFC,基于OpenGL函数库,从底层出发开发一个具备自主知识产权的列车视景仿真原型系统。
论文主要工作包括以下几点:
1.在MFC环境下基于OpenGL函数库建立了列车视景仿真程序框架,建构了一个交互性良好的操作界面,界面分为场景设置视区、绘图视区和控制操作视区三部分
2.通过几何变换、投影变换、视图变换、视口变换等,将现实中观察到的三维场景物体,转换为二维计算机屏幕所能表示的二维图像。同时通过几何变换中的移动变换、旋转变换、缩放变换将场景组装在一起,变化它们的输入参数来实现动画效果。
3.将建模方法分为一般建模、三维模型导入和特殊建模方法。应用特殊建模的方法完成了对仿真中很多特效场景物和场景的建模工作。基于位图的灰度值来实现对地形的建模,基于不同混合方法实现对晴空、车窗、树木、雪花等的建模。采用上述的建模方法完成的场景和场景物的模型具有较好的视觉效果。
4.本文构建了平面铁路线的统一模型,采用链表结构将各线路连接起来。应用场景设置窗口和对话框输入方式,建立了较好的用户交互功能。场景物的放置采用鼠标拾取坐标的方法,使操作更方便。
5.针对列车虚拟运行场景仿真这种大面积场景渲染的实际情况,提出了运用单元分割法与雾化效果相结合,应用场景块与视点的距离判断其渲染显示与否的方法,提高了场景渲染的效率,同时也保证了较好的视觉效果。
Along with the rapid development of Virtual Reality (VR) ,the computer simulation wins the extensive use in many fields of military and national economics. In the field of railway traffic, we need modern means of training train conductors to familiarize and master the working condition faster and better. In view of the computer simulation, the train simulation system owns the virtue of economy、safety、flexibility and repeatability, and is used more and more in the training。
By use of MFC of VC++ and OpenGL, This thesis researches the scene simulation prototype system with autonomous intellectual property:
The main research works in this thesis has been summed as following:
1. Based on MFC and OpenGL functions, the programming frame of train scene simulation system has been successfully set up, and the program interface with interactive ability has been split into three parts: scene installing part, scene displaying part and user controlling part.
2. By use of modeling, projection, viewing operation, objects in the three-dimensional space can be translated into second-dimensional figure which the screen describes. And by modeling operations include rotation, translation, scaling, scenes can be assembled up. We can change their parameters to make the animation.
3. The modeling method is classified into general modeling, 3D leading-in and special modeling method.by the way of special modeling we model many special scenes and objects easily.for example, we model terrains based on the grey data of bitmaps and based on different blending we model sun shine,train window,tree and snow successfully. Scenes meet the driver's demands of the human's vision after using these methods.
4. The thesis builds a united model for the plane railway, and adopts the chain data structure to connect them. By the means of scene-installing window and dialog-inputting, the system has better interactive ability .It makes easy to lay down the scene by mouse picking up points.
5.In view of the scene simulation of train movement with the large scene, the thesis uses methods of combining Cell Segmentation with fog operation and distance judgment between the scene and the observer to choose the displaying-scene, which promotes efficiency and meets the driver's demands of the human's vision.
引文
[1]马飞.列车驾驶模拟器突发事件的视景仿真研究.西南交通大学.硕士学位论文.2007
[2]唐冰.基于微机的多通道列车视景仿真系统的研究.西南交通大学.硕士学位论文.2003
[3]吴家铸.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.2001.7
[4]宋晓伟.地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现.北京交通大学.硕士学位论文.2006
[5]和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发与实用技术.重庆:重庆大学出版社、清华大学出版社.2003
[6]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发[M].北京:中国水利水电出版社.2003
[7]潇湘工作室.OpenGL超级宝典[M].北京:人民邮电出版社.2001.
[8]范乃梅、熊坤.基于OpenGL的三维地形的生成与简化[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2006.08.84-87
[9]朱婷婷.磁浮列车系统视景仿真.西南交通大学.硕士学位论文.2006.
[10]Grigore C.Buidea著,魏迎梅栾悉道译虚拟现实技术北京:电子工业出版社,2005
[11]吕希奎、韩峰、韩春华.线路三维仿真系统中对称物的简化绘制方法[J].兰州交通大学学报(自然科学版).2004.12.30-33
[12]喻细辉.立交桥虚拟现实建模及可视化数据生成研究.昆明理工大学.硕士学位论文.2003
[13]陈应松.OpenGL在数字化货车超限监测模拟仿真中的应用研究.西南交通大学.硕士学位论文.2003.
[14]郑勉.平面连杆机构三维可视化分析与仿真.西南交通大学.硕士学位论文.2002
[15]金岩通.基于OpenGL的虚拟视景仿真平台开发.西北工业大学.硕士学位论文.2006
[16]候庆.三维地形地貌可视化研究.贵州大学.硕士学位论文.2006.
[17]郭文普、孙继银.视景生成中的几个关键技术[J].系统仿真学报.2001.11.233-238
[18]罗斌、易思蓉.铁路线路三维景观动态仿真系统中纹理的应用[J].计算机工程2002.08.255-257
[19]周晓莉、苏虎、杨吉忠.铁路车辆运行仿真系统.综述.2005.52-53
[20]左鲁梅、黄心渊.纹理映射技术在三维游戏引擎中的应用.计算机仿真.2005.10 146-147
[21]黎华、肖伟、黄海峰、夏斌.三维真实感地形生成的关键技术研究.测绘科学.2006.07.57-58
[22]冯霞.纹理映射扩展的一个应用.中国民航学院学报.2002.06.32-35
[23]张立强、童小华、杨崇俊、刘冬林.三维地形的动态生成及空间分析.同济大学学报.2003.06.738-742
[24]赵庆展、张清、宁川.基于OpenGL的DEM地形可视化和虚拟漫游系统.计算机系统应用.2006.05.66-69
[25]薛安、马蔼乃、李大宏.基于OpenGL实现真实感地形表现的研究.中国图象图形学报.2001.08.800-805
[26]陈应松,胡汉春,肖世德.基于OpenGL纹理映射技术实现动态图像的应用.计算机仿真.2004.05.130-132
[27]靳海亮、高井祥、康建荣.基于VC和OpenGL的地形三维可视化.微计算机应用.2006.09.577-581
[28]谭同德、乔木、丁安国.基于OpenGL的虚拟环境建模技术.河南科技大学学报.自然科学.2006.04.37-39
[29]段晓娟.基于OpenGL的纹理映射技术.长沙大学学报.2000.12.40-41
[30]戴晨光、张永生.基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术.测绘工程.1999.09.56-60
[31]徐利明.可漫游的虚拟场景建模与实现.系统仿真学报.2006.01.120-124
[32]王朝辉、钱雪军.Vlult iGen Creator/Vega在城市交通列车运行视景仿真系统中的应用.计算机应用.2006.05.29-31
[33]刘丹.缓和曲线精确计算的通用公式.广西交通科技.2001.02.61-63
[34]殷素峰、杨胜强.基于OpenGL的3DS图形文件的中模型数据的获取.机械工程与自动化.2005.06.68-69
[35]李顶峰、蒲浩.一种基于OpenGL的二维地景真实感绘制技术.2005.05.52-55
[36]一种快速地形纹理生成和虚拟漫游方法.赵庆展,,周可法2,张清3干旱区地理200608 563-568
[37]任海军、文俊浩、徐玲.一种二维数字城市的构建和实现方法.重庆大学学报(自然科学版).2006.04.101-104
[38]孙艳英、杨克俭.一种快速生成二维地形的算法.交通与计算机.2004.01.44-46
[39]郑姨婷、智明.LO D技术在实时渲染系统的应用.福建电脑.2007.04.107-108
[40]陈东亮、陆达.关于在OpenGL中装载3ds模型文件的分析.福建电脑.2007.05.59-60
[41]孙艳英.三维场景建模及其实时渲染方法.武汉理工大学.硕士学位论文.2004
[42]张帆.虚拟场景中自然景物模拟.南京理工大学.硕士学位论文.2006
[43]赵伟.虚拟现实中LOD技术的研究.山东科技大学.硕士学位论文.2003
[44]Amiouni S,Bartholdi J J,Vande Vate J H.Balanced Loading[J].Journal of Operations Research,1992,(3):238--254.
[45]Dowsland K A,William B D.Packing Problem[J].European Journal of Operational Research,1992,56:2--14.
[46]Dowsland K A.William B D.Three-dimensional Packing-solution Approaches and Heuristic Development[M].International Journal of Production Research.1991:1673--1685.
[47]Virtual Reality Improve Simulator Versatility[M].New York:IRJ 1997,4.
[48]A Valuable Training Tool[M].New York:IRJ.1997,7.
[49]Aliage D G.Visualization of Complex Models Using Dynamic Texture-based Simplification[A].Proceedings of IEEE Visualization' 96 [C], 1996.
[50]Airey J M, Rohlf J H, Brooks F P. Towards Image Realism with Interactive Update Rates in Complex Virtual Building Environment [J]. Computer Graphics, March 1990, 24(2).
[51] Mandelbrot B. The f ractal geometry of nature [M] . San Francisco :W. H. reeman ,1982.
[52] Marsh A , Simistira F , Robb R. VR in medicine : virtual colonoscopy [ J ] . Future Generation Computer Systems, 1998, 14:253 264.
[2]唐冰.基于微机的多通道列车视景仿真系统的研究.西南交通大学.硕士学位论文.2003
[3]吴家铸.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.2001.7
[4]宋晓伟.地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现.北京交通大学.硕士学位论文.2006
[5]和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发与实用技术.重庆:重庆大学出版社、清华大学出版社.2003
[6]和平鸽工作室.OpenGL高级编程与可视化系统开发[M].北京:中国水利水电出版社.2003
[7]潇湘工作室.OpenGL超级宝典[M].北京:人民邮电出版社.2001.
[8]范乃梅、熊坤.基于OpenGL的三维地形的生成与简化[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2006.08.84-87
[9]朱婷婷.磁浮列车系统视景仿真.西南交通大学.硕士学位论文.2006.
[10]Grigore C.Buidea著,魏迎梅栾悉道译虚拟现实技术北京:电子工业出版社,2005
[11]吕希奎、韩峰、韩春华.线路三维仿真系统中对称物的简化绘制方法[J].兰州交通大学学报(自然科学版).2004.12.30-33
[12]喻细辉.立交桥虚拟现实建模及可视化数据生成研究.昆明理工大学.硕士学位论文.2003
[13]陈应松.OpenGL在数字化货车超限监测模拟仿真中的应用研究.西南交通大学.硕士学位论文.2003.
[14]郑勉.平面连杆机构三维可视化分析与仿真.西南交通大学.硕士学位论文.2002
[15]金岩通.基于OpenGL的虚拟视景仿真平台开发.西北工业大学.硕士学位论文.2006
[16]候庆.三维地形地貌可视化研究.贵州大学.硕士学位论文.2006.
[17]郭文普、孙继银.视景生成中的几个关键技术[J].系统仿真学报.2001.11.233-238
[18]罗斌、易思蓉.铁路线路三维景观动态仿真系统中纹理的应用[J].计算机工程2002.08.255-257
[19]周晓莉、苏虎、杨吉忠.铁路车辆运行仿真系统.综述.2005.52-53
[20]左鲁梅、黄心渊.纹理映射技术在三维游戏引擎中的应用.计算机仿真.2005.10 146-147
[21]黎华、肖伟、黄海峰、夏斌.三维真实感地形生成的关键技术研究.测绘科学.2006.07.57-58
[22]冯霞.纹理映射扩展的一个应用.中国民航学院学报.2002.06.32-35
[23]张立强、童小华、杨崇俊、刘冬林.三维地形的动态生成及空间分析.同济大学学报.2003.06.738-742
[24]赵庆展、张清、宁川.基于OpenGL的DEM地形可视化和虚拟漫游系统.计算机系统应用.2006.05.66-69
[25]薛安、马蔼乃、李大宏.基于OpenGL实现真实感地形表现的研究.中国图象图形学报.2001.08.800-805
[26]陈应松,胡汉春,肖世德.基于OpenGL纹理映射技术实现动态图像的应用.计算机仿真.2004.05.130-132
[27]靳海亮、高井祥、康建荣.基于VC和OpenGL的地形三维可视化.微计算机应用.2006.09.577-581
[28]谭同德、乔木、丁安国.基于OpenGL的虚拟环境建模技术.河南科技大学学报.自然科学.2006.04.37-39
[29]段晓娟.基于OpenGL的纹理映射技术.长沙大学学报.2000.12.40-41
[30]戴晨光、张永生.基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术.测绘工程.1999.09.56-60
[31]徐利明.可漫游的虚拟场景建模与实现.系统仿真学报.2006.01.120-124
[32]王朝辉、钱雪军.Vlult iGen Creator/Vega在城市交通列车运行视景仿真系统中的应用.计算机应用.2006.05.29-31
[33]刘丹.缓和曲线精确计算的通用公式.广西交通科技.2001.02.61-63
[34]殷素峰、杨胜强.基于OpenGL的3DS图形文件的中模型数据的获取.机械工程与自动化.2005.06.68-69
[35]李顶峰、蒲浩.一种基于OpenGL的二维地景真实感绘制技术.2005.05.52-55
[36]一种快速地形纹理生成和虚拟漫游方法.赵庆展,,周可法2,张清3干旱区地理200608 563-568
[37]任海军、文俊浩、徐玲.一种二维数字城市的构建和实现方法.重庆大学学报(自然科学版).2006.04.101-104
[38]孙艳英、杨克俭.一种快速生成二维地形的算法.交通与计算机.2004.01.44-46
[39]郑姨婷、智明.LO D技术在实时渲染系统的应用.福建电脑.2007.04.107-108
[40]陈东亮、陆达.关于在OpenGL中装载3ds模型文件的分析.福建电脑.2007.05.59-60
[41]孙艳英.三维场景建模及其实时渲染方法.武汉理工大学.硕士学位论文.2004
[42]张帆.虚拟场景中自然景物模拟.南京理工大学.硕士学位论文.2006
[43]赵伟.虚拟现实中LOD技术的研究.山东科技大学.硕士学位论文.2003
[44]Amiouni S,Bartholdi J J,Vande Vate J H.Balanced Loading[J].Journal of Operations Research,1992,(3):238--254.
[45]Dowsland K A,William B D.Packing Problem[J].European Journal of Operational Research,1992,56:2--14.
[46]Dowsland K A.William B D.Three-dimensional Packing-solution Approaches and Heuristic Development[M].International Journal of Production Research.1991:1673--1685.
[47]Virtual Reality Improve Simulator Versatility[M].New York:IRJ 1997,4.
[48]A Valuable Training Tool[M].New York:IRJ.1997,7.
[49]Aliage D G.Visualization of Complex Models Using Dynamic Texture-based Simplification[A].Proceedings of IEEE Visualization' 96 [C], 1996.
[50]Airey J M, Rohlf J H, Brooks F P. Towards Image Realism with Interactive Update Rates in Complex Virtual Building Environment [J]. Computer Graphics, March 1990, 24(2).
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