立交桥虚拟现实建模及可视化数据生成研究
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摘要
随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术应用领域从最早的影视娱乐业、航空航天和军工等少数几个领域，不断扩展到更为广泛的领域，汽车驾驶模拟器就是一个新领域。昆明理工大学交通模拟实验室研究虚拟现实技术在汽车驾驶模拟器的应用已有几年的时间，成功开发了基于虚拟现实的汽车驾驶模拟系统。
本实验室最初的驾驶模拟系统，将模拟汽车动力学、交通管理及视景开发工具等功能集成一体。但是，一方面，由于驾驶模拟器的研究领域和应用范围的扩展，构造的虚拟场景的复杂度加大，使用OpenGL从底层构造像立交桥这样复杂的交通设施的虚拟场景，已经显得力不从心了。另一方面是，立交桥在城市道路中大量存在，在城市交通中发挥重要作用；在构造城市交通虚拟场景时，需要大量使用基于虚拟现实的可视化立交桥数据。因此需要开发一个独立的系统来生成基于虚拟现实的立交桥可视化数据，供研究开发使用。
本文从虚拟现实建模入手，研究虚拟环境下的立交桥三维建模方法，探讨基于约束的平面线形的数学模型。然后，讨论了立交桥三维空间数据可视化方法，定义了立交桥可视化数据的数据结构。同时，说明如何调用TrafficSimulation系统演示立交桥的虚拟场景，TrafficSimulation为专家评估立交桥造型效果提供了一个可视化工具。
交互设计在立交桥三维造型中非常重要，本文专门讨论了一些交互技术。论文阐述了几种二次曲线生成算法；说明如何应用二次曲线和三次Bezier曲线拟合改善曲线的光滑性。
采用立交桥虚拟现实建模及其可视化数据生成方法，开发了一个应用软件ProBridge。本文介绍了ProBridge设计流程及其功能。作为该软件的应用和使用说明，介绍了昆明市某立交桥的具体造型过程。
最后，论文总结了该课题的研究成果，展望了进一步研究的重点。
With the development of visual reality technology, application fields of virtual reality technology extend from few fields, such as movie and entertainment, aviation and space, and war industry to more fields. Driving simulator is a new field. The research of applications of visual reality technology on Driving simulator has been several years at Traffic Synthesis Laboratory of Kunming University of Science and Technology. And the vehicle simulation system oriented on virtual reality had been developed successfully.
The original driving simulator was assembled by integrating the various subsystems, such as vehicle dynamics, traffic management and scenario generation tool. On the one hand. Creating virtual scene of complicated traffic facility (for example crossroads) by using OpenGL has become very difficult. The research and application of driving simulator has been furthered and extended and the virtual scene models come to more complex. On the other hand, crossroads take great part in city traffic and there are a large number of crossroads in city. Additionally, generating virtual scene of city traffic need using a great deal of visual data of crossroads basing on virtual reality. Taken into consideration those factors, it is necessary to develop one system to generate visual data of crossroads oriented on virtual reality.
The article studies how to create 3-dimensional model of crossroads in virtual environment and discusses mathematics model of horizontal alignment, the paper explains crossroads data visualization and defines data structures of visual data. Using TrafficSimulation can demonstrate visual data of crossroads and expert can evaluate the crossroad form the demo program.
Interactive design is very important in development of crossroads design, so some
interactive technology has been discussed in detail. The paper expounds the algorithms of generating quadratic curve. Using quadratic curve and cubic Bezier curve enforces the smooth of curves.
The ProBridge is developed by the method of crossroads virtual reality model and 3D data.visualization The design flow and all kinds of functions of ProBridge are illuminated in the dissertation. Giving an example of modeling one Kunming crossroads show instruction manual of ProBridge.
In the last part, the paper sums up the fruits of the study and several key researches in future are put forward.
本实验室最初的驾驶模拟系统，将模拟汽车动力学、交通管理及视景开发工具等功能集成一体。但是，一方面，由于驾驶模拟器的研究领域和应用范围的扩展，构造的虚拟场景的复杂度加大，使用OpenGL从底层构造像立交桥这样复杂的交通设施的虚拟场景，已经显得力不从心了。另一方面是，立交桥在城市道路中大量存在，在城市交通中发挥重要作用；在构造城市交通虚拟场景时，需要大量使用基于虚拟现实的可视化立交桥数据。因此需要开发一个独立的系统来生成基于虚拟现实的立交桥可视化数据，供研究开发使用。
本文从虚拟现实建模入手，研究虚拟环境下的立交桥三维建模方法，探讨基于约束的平面线形的数学模型。然后，讨论了立交桥三维空间数据可视化方法，定义了立交桥可视化数据的数据结构。同时，说明如何调用TrafficSimulation系统演示立交桥的虚拟场景，TrafficSimulation为专家评估立交桥造型效果提供了一个可视化工具。
交互设计在立交桥三维造型中非常重要，本文专门讨论了一些交互技术。论文阐述了几种二次曲线生成算法；说明如何应用二次曲线和三次Bezier曲线拟合改善曲线的光滑性。
采用立交桥虚拟现实建模及其可视化数据生成方法，开发了一个应用软件ProBridge。本文介绍了ProBridge设计流程及其功能。作为该软件的应用和使用说明，介绍了昆明市某立交桥的具体造型过程。
最后，论文总结了该课题的研究成果，展望了进一步研究的重点。
With the development of visual reality technology, application fields of virtual reality technology extend from few fields, such as movie and entertainment, aviation and space, and war industry to more fields. Driving simulator is a new field. The research of applications of visual reality technology on Driving simulator has been several years at Traffic Synthesis Laboratory of Kunming University of Science and Technology. And the vehicle simulation system oriented on virtual reality had been developed successfully.
The original driving simulator was assembled by integrating the various subsystems, such as vehicle dynamics, traffic management and scenario generation tool. On the one hand. Creating virtual scene of complicated traffic facility (for example crossroads) by using OpenGL has become very difficult. The research and application of driving simulator has been furthered and extended and the virtual scene models come to more complex. On the other hand, crossroads take great part in city traffic and there are a large number of crossroads in city. Additionally, generating virtual scene of city traffic need using a great deal of visual data of crossroads basing on virtual reality. Taken into consideration those factors, it is necessary to develop one system to generate visual data of crossroads oriented on virtual reality.
The article studies how to create 3-dimensional model of crossroads in virtual environment and discusses mathematics model of horizontal alignment, the paper explains crossroads data visualization and defines data structures of visual data. Using TrafficSimulation can demonstrate visual data of crossroads and expert can evaluate the crossroad form the demo program.
Interactive design is very important in development of crossroads design, so some
interactive technology has been discussed in detail. The paper expounds the algorithms of generating quadratic curve. Using quadratic curve and cubic Bezier curve enforces the smooth of curves.
The ProBridge is developed by the method of crossroads virtual reality model and 3D data.visualization The design flow and all kinds of functions of ProBridge are illuminated in the dissertation. Giving an example of modeling one Kunming crossroads show instruction manual of ProBridge.
In the last part, the paper sums up the fruits of the study and several key researches in future are put forward.
引文
[1] 石教英主编．虚拟现实基础及实用算法．北京：科学出版社，2002
[2] 黄心冤编著．虚拟现实技术与应用．北京：科学出版社，1999
[3] Sutherland I. The ultimate display. Proc IFIP Congress, 1962, 506～508
[4] Sutherland I. A head-mounted three dimensional display. In: proceedings of Joint Computer Conference, 1968, 755～764
[5] 张茂军．虚拟现实系统．北京：科学出版社，2001
[6] latta J N, Oherg DI.A conceptual virtual reality model. IEEE CG&A, January 1994, 23～29
[7] Furness T A. The super cockpit and its human Factor thal lenges. Proc. Bunan Factory Society, 1986
[8] Research directions in Virtual Environments. Report of an NSF International Workshop. March 23～24, 1992, University North Carolina at Chapel Hill, Computer Graphics, 1992, 26(3): 153～177
[9] 曾纪国．驾驶模拟器三维视景系统的开发及应用．昆明：昆明理工大学研究生毕业论文，2001
[10] Oguchi Y. Riding Simulation in Safe Driving Education. Iatss Research 1993, 17(1): 54～71
[11] Driving simulating at Renault. http://www.experts.renault.com/.
[12] 蔡忠法，刘大键，章安元．基于虚拟现实的汽车驾驶模拟训练系统方案研究．系统仿真学报，2002，14(6)：771～774
[13] 熊坚，曾纪国等．主被动式网络化汽车驾驶模拟器的研究及应用．汽车工程，2002，24(2)：126～129
[14] 曾纪国，熊坚，万华森．驾驶模拟器三维场景自动生成系统的开发及应用．系统仿真学报，2002，14(6)：752～755
[15] 李辉，吴建国，游志胜．基于微机的面向对象三维图形引擎．计算机工程，
2001(4)：169～173
[16] 吴国雄，李方．互通式立交桥设计规范．北京：人民交通出版社，2002
[17] 杨少伟．道路立交桥规划与设计，北京：人民交通出版社，2000
[18] Michael J. Young. Master Visual C++ 6. SYBEX Inc. Alameda, CA,1998
[19] 刘静华，王永生著．最新VC++绘图程序设计技巧与实例教程．比京：科学出版社， 2001
[20] OpenGL Overview. http://www.opengl.org/index.html
[21] 向世明著．OpenGL编程与实例．北京：电子工业出版社，1999
[22] Mason Woo, Jackie neider. OpenGL Programming Guide. The OfFicial Guide to Learning OpenGL Version 1.2, Addison-Wesley
[23] 吴斌，毕丽蕴．OpenGL编程实例与技巧．北京：人民邮电出版社，1999
[24] 李颖，薛海斌等．OpenGL技术应用实例精粹．北京：国防工业出版社，2001
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[30] 成基华，范玉青等．新一代公路CAD系统及其发展趋势．国外公路，1999(3)：39
[31] 朱照宏，陈雨林等．道路路线CAD．上海：同济大学出版社．1998
[32] 唐泽圣等．三维数机场可视化．北京：清华大学出版社，1999
[33] 肖田元，张燕云，陈加栋．系统仿真导论．北京：清华大学出版社，2000
[34] McCormick B H, DeFanti T A, Brown M D. Visualization in Scientific Computing. Computer Graphics, 1987, 21(6)
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[36] 康凤举．现代仿真技术与应用．北京：国防工业出版社，2001
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[38] 孙家广等编著．计算机图形学(第三版)．北京：清华大学出版社，1998
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[46] Shi Yaobin, Zhang Xuelan. A method of quickly constructing and vendering 3Dgraphic scene[J]. Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese), 1999, 19(6):717～720
[47] 宿红毅，战守义，陈谊．在向仿真的虚拟现实开发平台的设计．北京理工大学学报，2001(1)：73
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