桌面虚拟校园漫游系统的研究与实现
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摘要
近几年来，虚拟现实技术的应用与研究得到迅速的发展，它是一门涉及众多学科的新兴技术，涉及计算机图形学、人工智能、多媒体技术以及人机接口技术等诸多领域，在许多领域具有广泛的应用前景，虚拟现实技术日渐成为计算机应用技术发展的主要研究方向之一。
在微机环境下，研究并实现了一种非沉浸式的虚拟现实系统——桌面虚拟校园漫游系统。该系统以太原理工大学的局部校区为虚拟空间，实现了立体显示与虚拟漫游的功能。在设计过程中，提出大规模场景的快速建模方法，并对场景的实时显示问题进行了深入的探讨与研究，给出了解决方案。在虚拟现实技术从理论研究向实际转化方面迈进了一大步。
本论文主要讨论了以下内容：
概述了虚拟现实技术的应用领域，国内外研究动态以及课题的研究背景及意义。
介绍了虚拟现实系统具有的特征、功能和构成，根据浸入程度的不同，对虚拟现实系统进行分类，以及在对虚拟现实系统的软硬件介绍的基础上，结合我们的具体实验条件，对该系统的软硬件配置需求作了详细阐述等。
三维图形显示技术是虚拟漫游系统中最重要的技术之一，主要包括真实感图形绘制技术、三维立体显示技术、计算机动画技术等三种技术。在这里特别是对消
口太原理工大学硕士研究生学位论文
隐处理、光照模型、明暗处理以及纹理映射技术进行了
深入的研究，讨论了纹理映射技术在建模过程中的应
用，同时对立体图形的生成算法以及块图形动画、逐帧
动画和实时动画的异同作了详细阐述。
三维物体的视图原理是虚拟场景建模技术的理论
基础，在OpenGL变换基础上，对openGL工作流程及
图形操作步骤做了深入的分析与探讨，对场景建模的几
何图元及定义做了全面阐述。提出用基本的几何图元来
对色彩单调的物体建模，对于自然场景中的复杂物体，
采用的是几何图元建模和纹理映射技术相结合的方法
来快速生成，达到了很好的效果。
最后主要讨论虚拟校园漫游系统的总体设计思想
与功能实现:在分析对象的基础上，对类进行了合理划
分;详细阐述了软件的系统结构与程序实现;深入剖析
了程序设计之中存在的一些关键技术问题，对改善程序
性能进行了有益的尝试与探讨。
Virtual Reality Technology is a new applied technology and it has been used in many fields. It concerns many subjects like Computer Graphics, Artificial Intelligence, Multimedia Technology, Man-machine Interface Technology, and so on. Virtual Reality became one of the most important computer applied technology.
In this system, we study and develop virtual walk-through system based on PC platform by VC++ computer programming language. The system realizes stereo display using the new three dimension graphics standard Open GL and realizes interactivity using real-time animation technology. Based on a local campus of TYUT as virtual space, it can provide a live present sense and participating sense of self-control. This research result is a big progress in the area of putting VR technology theory into practical use.
Following research work has been done in this thesis:
The development, the future and current situation of Virtual Reality System are introduced. The purpose of this thesis is introduced.
After introducing the component, feature and function of
virtual reality, the hardware and software are illuminated in the virtual walk-through systems by our practically environment.
3D graphical display technology is one of the most important technology in the virtual walk-through systems. It includes 3D realistic image display technology, Computer animation technology and 3D stereo display technology. We are in-deep research about Illumination Model, Shading technology, Texture mapping etc.
3D view graphic principle is the theories foundation of the modeling technology. On the OpenGL transform foundation, the workflow of OpenGL is analyzed and studied in this paper.
The total design and implement of the virtual walk-through system are mainly discussed at last. Based on analysis of objects, objects are classified reasonably, what is more, the architecture and program implement of software are described in detail. Finally, the key technologies in programming are deeply researched, which are useful for improving the function of program.
在微机环境下，研究并实现了一种非沉浸式的虚拟现实系统——桌面虚拟校园漫游系统。该系统以太原理工大学的局部校区为虚拟空间，实现了立体显示与虚拟漫游的功能。在设计过程中，提出大规模场景的快速建模方法，并对场景的实时显示问题进行了深入的探讨与研究，给出了解决方案。在虚拟现实技术从理论研究向实际转化方面迈进了一大步。
本论文主要讨论了以下内容：
概述了虚拟现实技术的应用领域，国内外研究动态以及课题的研究背景及意义。
介绍了虚拟现实系统具有的特征、功能和构成，根据浸入程度的不同，对虚拟现实系统进行分类，以及在对虚拟现实系统的软硬件介绍的基础上，结合我们的具体实验条件，对该系统的软硬件配置需求作了详细阐述等。
三维图形显示技术是虚拟漫游系统中最重要的技术之一，主要包括真实感图形绘制技术、三维立体显示技术、计算机动画技术等三种技术。在这里特别是对消
口太原理工大学硕士研究生学位论文
隐处理、光照模型、明暗处理以及纹理映射技术进行了
深入的研究，讨论了纹理映射技术在建模过程中的应
用，同时对立体图形的生成算法以及块图形动画、逐帧
动画和实时动画的异同作了详细阐述。
三维物体的视图原理是虚拟场景建模技术的理论
基础，在OpenGL变换基础上，对openGL工作流程及
图形操作步骤做了深入的分析与探讨，对场景建模的几
何图元及定义做了全面阐述。提出用基本的几何图元来
对色彩单调的物体建模，对于自然场景中的复杂物体，
采用的是几何图元建模和纹理映射技术相结合的方法
来快速生成，达到了很好的效果。
最后主要讨论虚拟校园漫游系统的总体设计思想
与功能实现:在分析对象的基础上，对类进行了合理划
分;详细阐述了软件的系统结构与程序实现;深入剖析
了程序设计之中存在的一些关键技术问题，对改善程序
性能进行了有益的尝试与探讨。
Virtual Reality Technology is a new applied technology and it has been used in many fields. It concerns many subjects like Computer Graphics, Artificial Intelligence, Multimedia Technology, Man-machine Interface Technology, and so on. Virtual Reality became one of the most important computer applied technology.
In this system, we study and develop virtual walk-through system based on PC platform by VC++ computer programming language. The system realizes stereo display using the new three dimension graphics standard Open GL and realizes interactivity using real-time animation technology. Based on a local campus of TYUT as virtual space, it can provide a live present sense and participating sense of self-control. This research result is a big progress in the area of putting VR technology theory into practical use.
Following research work has been done in this thesis:
The development, the future and current situation of Virtual Reality System are introduced. The purpose of this thesis is introduced.
After introducing the component, feature and function of
virtual reality, the hardware and software are illuminated in the virtual walk-through systems by our practically environment.
3D graphical display technology is one of the most important technology in the virtual walk-through systems. It includes 3D realistic image display technology, Computer animation technology and 3D stereo display technology. We are in-deep research about Illumination Model, Shading technology, Texture mapping etc.
3D view graphic principle is the theories foundation of the modeling technology. On the OpenGL transform foundation, the workflow of OpenGL is analyzed and studied in this paper.
The total design and implement of the virtual walk-through system are mainly discussed at last. Based on analysis of objects, objects are classified reasonably, what is more, the architecture and program implement of software are described in detail. Finally, the key technologies in programming are deeply researched, which are useful for improving the function of program.
引文
[1] 黄心渊．《虚拟现实技术与应用》．北京：科学出版社1999，5—41
[2] 杨宝民 朱一宁．《分布式虚拟现实技术及其应用》．北京：科学出版社2000，4-34
[3] 赵沁平．《DVENET分布式虚拟环境》．北京：科学出版社2002，7-19
[4] 张茂军．《虚拟现实系统》．北京：科学出版社2001，3-81
[5] 张秀山．《虚拟现实技术及编程技巧》．长沙：国防科技大学出版社1999，16-49
[6] 徐晓刚 高兆法 王秀娟．《Visual C++6.0入门与提高》．北京：清华大学出版社1999，123-128
[7] 李颖 薛海斌．《Open GL技术应用实例精粹》．北京：国防工业出版社2001，4-289
[8] Larry F Hodges.Basic principles of stereographics software development.SPIE,1991,1457:9-17
[9] Van de Wettering M.The application visualization system-AVS2.0.Proceedings Pixel, 1992
[10] Catmull E.Subdivision algorithm for computer display of curved surfaces.[Ph.D thesis] Dept.of Computer Science,Univ. of Utah, Salt Lake City,Utah, 1974
[11] 吴斌译．《Open GL编程权威指南》第三版．北京：中国电力出版社2001，45-356
[12] 吕锋，崔晓辉．VRML在水泥生产过程层次仿真模型库研究中的应用．系统仿真学报，2001，13(5)：637-639．
[13] 周惠等．航天视景仿真特殊效果图形生成技术．系统仿真学报，2001，13(6)：711-713．
[14] 钟跃崎等．一种三维织物建模与仿真算法．系统仿真学报，2001，13(6)：714-716．
[15] 周天等．面向虚拟场景生成的Morphing扩充方法．系统仿真学报，2001，13(6)：717-719．
[16] 杨孟洲等．分布式虚拟现实系统体系结构．计算机应用研究，2000，7：1-3．
[17] 张国宣等．基于VR的多模式多代理人机交互接口．计算机应用研究，2000，10：91-94．
[18] 田新成等．一种多微机遥现虚拟现实(VR)系统体系结构．计算机应用研究，2000，10：90-98．
[19] 杨孟洲等．多用户分布式虚拟环境系统MUDVE的实现技术．计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(2)：173-178．
[20] 向文国等．虚拟现实技术在热动力系统仿真钟的应用．计算机应用研究，2000，8：73-76．
[21] 郑援等．虚拟实体对象的行为建模方法研究．国防科技大学学报，1998，20(1)：78-81．
[22] 吴锐等．VRML技术在面向CSCW的母线槽布线专家系统的应用．计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(8)：690-685．
[23] 漆驰等．摄像机图像序列的全景图拼接．计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(7)：605-609．
[24]陶品等．虚拟装配仿真平台的研究与发展．系统仿真学报，2001，13(6)：704-706．
[25]倪桂名等．机场系统计算机仿真研究的应用于发展．系统仿真学报，2002，14(1)：112-115．
[26]周廷美等．虚拟汽车风洞．系统仿真学报，2002，14(1)：107-109．
[27]王涛等．虚拟现实技术在企业自动化流程界面中的初步研究．系统仿真学报，2001，13(6)：707-710．
[28]娄渊胜，朱跃龙等．基于虚拟现实技术的实事漫游系统研究及实现．计算机工程，2001，27(6)：98-99．
[29]李德强，黄莎白．反坦克导弹模拟训练器三维图形生成方法的研究．系统仿真学报，2002，14(1)：22-24．
[30]D. Gourlay. Virtual reality and telemedicine for home health care. Computers & Graphics 24(2000) 695-699.
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[32]韩新，李杰．城市消防指挥中心系统仿真模型．计算机仿真，2000，(1)：12-18．
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[35]Robert A. Drebin, etc, Volume Rendering. Computer Graphics, Vol. 22, Num.4, Aug. 1998
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[39] M.Iqbal,M.S.J.Hashmi. Design and analysis of a virtual factory layout. Journal of Materials Processing Technology 118(2001) 403-410．
[40] Randy S Haluck. Are Surgery Training Programs Ready for Virtual Reality?A Survey of Program Direction in General Surgery. Haluck et al. Vol. 193, No. 6, December 2001 660-665．
[41] T.P.Grantcarov. Virtual reality computer simulation.Surgical Endoscopy (2001) 15:242-244．
[42] By N. Okan, Metropolitan State University. Virtual Reality. Futurics Vol. 25, No. 3 & 4, 2001．
[43] M.Iqbal, M.S.J.Hashmi. Design and analysis of a virtual factory layout. Journal of Materials Processing Technology 118(2001) 403-410．
[44] Randy S Haluck. Are Surgery Training Programs Ready for Virtual Reality?A Survey of Program Direction in General Surgery. Haluck et al. Vol. 193, No. 6, December 2001 660-665．
[45] T.P.Grantcarov. Virtual reality computer
simulation. Surgical Endoscopy (2001)15:242-244.
[46] By N. Okan, Metropolitan State University. Virtual Reality. Futurics Vol. 25, No. 3 & 4,2001.
[47] 江早，王洪成．《0penGL VC/VB图形编程》．北京：科学出版社2001，34-245
[48] 赵沁平，沈旭昆，夏春和．DVENET：一个分布式虚拟环境．计算机研究与发展，1998，35(12)：1065-1068
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[51] 钟蓓 顾建鹏．《C++面向对象程序设计实用教程》．北京：北京航空航天大学出版社1999，23-67
[52] 石教英．《虚拟现实基础及实用算法》．北京：科学出版社2002，76-116
[53] 陈元琰 邓宗明 张睿哲等．《Visual C++6.0编程实用技术与案例》．北京：清华大学出版社2001，257-281
[54] 王建平 李团结 王宇红．《Visual C++6.0编程》．北京：科学出版社2000，24-57．
[55] 侯俊杰．《深入浅出MFC》(第三版)，湖北：华中科技大学出版社2001，307-334．
[56] Marc Levoy, Display of Surface from Volume Data. IEEE Computer Graphics and Application. May. 1998.
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