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1、. . .三维虚拟场景中三维虚拟仪表程序设计毕业论文目 录摘 要IVAbstractV第1章 绪论11.1 什么是三维虚拟仿真11.2 三维虚拟仿真应用行业11.3 三维虚拟仿真技术国外研究现状21.3.1 美国研究现状21.3.2 日本的研究状况31.3.3 我国三维虚拟仿真技术的研究现状41.4 三维虚拟仿真技术对仪表的仿真41.5 三维虚拟仿真技术与三维虚拟仪表51.6 论文章节安排5第2章 三维虚拟仪表的相关知识62.1 三维虚拟仪表的发展史62.2 常见三维虚拟仪表开发系统62.3 本文所采用的语言和工具62.3.1 常用开发虚拟仪表的语言和工具62.3.2 本文选择的语言和工具62
2、.4 基于OpenSceneGraph程序开发背景和环境介绍72.4.1 基于OpenSceneGraph程序开发背景72.4.2 开发工具VS200892.4.3 C+语言简介92.4.4 开发环境的配置102.5 本章小结13第3章 需求分析153.1 三维虚拟仪表分析153.1.1 一般仪表类型153.1.2 一般仪表的构件和功能153.1.3 三维虚拟仪表的分析设计153.2 三维虚拟仪表的三维模型153.3 语言和工具要求16第4章 概要设计174.1 三维虚拟仪表的组成174.2 背景模板174.3 刻度表174.4 坐标系184.5 总结18第5章 详细设计195.1 osg如何
3、绘制基本几何图元195.1.1 构建几何图元框架和颜色设置195.1.2 设置图元纹理235.2 三维虚拟仪表的绘制275.2.1 三维虚拟仪表背景模板的绘制275.2.2 三维虚拟仪表刻度表的绘制325.2.3 坐标系的绘制385.2.4 文字和数字标签的绘制395.3 三维虚拟仪表功能实现445.3.1 刻度表指针转动功能实现445.3.2 坐标系曲线图绘制功能实现445.3.3 数据数字显示功能的实现455.4 本章小结45结论46致 谢47参考文献48第1章 绪论1.1 什么是三维虚拟仿真三维虚拟仿真技术是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高
4、科技手段生成逼真的视、听一体化的特定围的虚拟环境，用户借助必要的设备（鼠标、方向盘等外部配件）以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。主要优势表现为：不受场地限制；表现效果更为优美、逼真，具有很强的交互性，走进三维虚拟仿真中的虚拟环境，恰如身临其境。1.2 三维虚拟仿真应用行业三维虚拟仿真技术主要可应用的行业有：（1） 建筑：城市规划、道路桥梁建设、场馆展示等随着计算机图形技术的不断发展，人们在不断地尝试和找寻各种适合建筑业的三维图形技术，正因为它比平面图更直观，在很多场合更能说明问题，比如建筑、文化设施的合理性，以及各种周边综合环境的考虑等
5、方面都比平面数据更有说服力。在目前通用的三维技术中，三维虚拟仿真无疑又是一个极具优势的应用技术，在规划应用中已成为规划师的理想选择。传统的三维动画技术对于实际的规划而言并不是很理想，如规划师想换个视觉角度或者换个高度来观察具体的规划成果，动画就不能满足这个简单的要求。三维仿真技术却可以让我们能随意在三维的数字化城市里沿着街道行走，在观察两边建筑的同时，随意停留下来对重点规划地段进行各种规划方案的探讨,我们可以实时地可交互地从各种视角，从各种高度来观察这一新古典主义风格的建筑，以及他同周边环境的关系。 其次，我们所关心的问题是，我们对重点建筑的立面改造或一些新建筑的装修，行道树种的种植或选择，街
6、灯的样式选择，绿地文化景观的设计和布置等都可以实时地交互进行，更改和替换的过程与结果展示时间是分钟级的而不是天或几天的概念，也许这是建筑规划师们的梦寐以求的，如右图就是同一建筑物的两种方案，我们可以随意切换，来比较各自的效果，然后选择最佳的设计方案，这也是三维仿真技术优势的重要体现。最后，还有一点也是很重要的，就是三维数据库的概念，传统的三维效果图对于一个城市的整体规划来说过于局限，简单的对于一个街区来说，一个大城市，一条街少则几公里，大则十几公里，那么沿街将会有多少建筑物？成百上千，靠一的效果图显然是不行的，我们无法把握街区的总体效果，更谈不上管理了。传统的三维动画的制作，也是无法胜任这种大
7、数据量的制作任务的。而三维仿真技术却能够支撑这种大数据量的三维图形数据库，管理好相应的项目，协调图形数据同图形可视化硬件之间的关系，使系统能保证在数据量不断扩展的情况下不会产生系统性能的下降，满足我们现时的各种规划要求。（2） 房产：小区环境展示、虚拟样板房、地板瓷砖涂料效果虚拟等作为一家专业的模型设计公司，在经历了多年的房产交易会后感觉到现有的房产模型制作软硬件档次不高、缺乏亮点，千篇一律，从模型上根本无法将精品楼盘和变通楼盘很好的区分开，使客户在选房看房时多少有点疑虑。房产模型品质的高低直接影响潜在客户的购买欲望。而传统的房产模型只能体现位置、绿化、层数等表面事物，根本回答不了客户心中的一
8、万个问号。经过本公司技术人员长期的设计构思，针对楼盘的户型、不同的装修风格、阳台景观、日照等因素制作成多媒体模型控制系统，通过三维虚拟仿真技术进行交互式的展示，当客户查看某一户型时,可以提供几种不同的装修方案给客户浏览，给顾客一种身临其境的感觉。可将三维虚拟仿真系统刻成光盘，在大型房产交易会上分发给有意向的目标客户使客户能随时随地的全面了解房产信息。（3） 交通：道路桥梁规划设计、城市交通仿真、铁道系统仿真等（4） 消防：消防演练、环境熟悉、模拟事故等（5） 军事：数字沙盘、虚拟战场等（6） 设计：设计效果展示等（7） Cg行业：互动广告、三维产品展示等（8） 工业：工程仿真、设备管理、虚拟生
9、产线、高危生产等（9） 文物保护：古迹复原、虚拟漫游等（10） 娱乐：三维PC游戏、模拟器游戏等（11） 地理：气候、植被、水利模拟等（12） 教育：立体几何教学、物理化学课件模拟等1.3 三维虚拟仿真技术国外研究现状三维虚拟仿真技术一经应用，就向人们展示了诱人的前景，因此世界各国特别是发达国家进行了广泛的研究，并且取得了瞩目的成果。下面主要介绍美国和日本研究现状。1.3.1 美国研究现状美国是三维虚拟仿真技术的发源地，美国的三维虚拟仿真的研究技术水平基本上就代表了国际三维虚拟仿真发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件等方面。美国宇航局的Ames实验室：
10、将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”的试验计划。现在NASA已经建立了航空、卫星维护三维虚拟仿真训练系统，空间站三维虚拟仿真训练系统，并且已经建立了可供全国使用的三维虚拟仿真教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行三维虚拟仿真技术研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外壳手术仿真、建筑仿真等。Loma Linda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及三维虚拟仿真技术的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，
11、首创了三维虚拟仿真技术儿科治疗法。麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是三维虚拟仿真技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有三维虚拟仿真记住的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用三维虚拟仿真技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HIT Lab）将三维虚拟仿真技术研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式VR 系统。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环
12、境中的流体实时仿真系统。从90 年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。1.3.2 日本的研究状况在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模三维虚拟仿真技术知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。NEC 公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD 中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。京都
13、的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y 记录器的受力反馈装置。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。东京大学原岛研究室开展了 3 项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了
14、九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。富士通实验室正在研究虚拟生物与三维虚拟仿真环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。1.3.3 我国三维虚拟仿真技术的研究现状和一些发达国家相比，我国三维虚拟仿真技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展三维虚拟仿真技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把三维虚拟仿真技术列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国最早开展此项技术试验的是挂靠
15、在西北工业大学电子工程系的虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。1.4 三维虚拟仿真技术对仪表的仿真三维虚拟仿真技术室许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心里学等等。虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前三维虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储加工处理为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服。我们期待着有朝一日，三维虚拟仿真技术能对多维信息处理，并成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力的工具。1.5 三维虚拟仿真技术与三维虚拟仪表三维虚拟仿真技术是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体
