机械系统运动仿真结果的动画演示

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1、中 国 农 业 大 学 学 报 , 一机 械 系 统 运 动 仿 真 结 果 的 动 画 演 示 杭 伟 顾 文 艳 张 旭 毛 恩 荣 周 一 鸣中 国 农 业 大 学 车 辆 工 程 学 院摘 要 用 面 向 对 象 技 术 与 技 术 相 结 合 的 方 法 来 实 现 机 械 系 统 运 动 仿 真 结 果 的 动 画 演 示 。 采 用 这种 方 法 进 行 动 画 等 维 图 形 软 件 的 开 发 , 具 有 高 效 、 易 实 现 、 易 扩 充 等 优 点 , 是 一 种 切 实 可 行 的 图 形 软 件 开 发方 法 。关 祖 词 机 械 系 统 运 动 仿 真 动 画

2、面 向 对 象 程 序 设 计分 类 号,一,一 , ,一机 械 系 统 运 动 仿 真 分 析 已 成 为 运 动 学 与 动 力 学 研 究 的 一 种 重 要 手 段 和 方 法 。 仿 真 的 方 法有 物 理 仿 真 和 数 字 仿 真 。 数 字 仿 真 是 利 用 计 算 机 对 系 统 进 行 数 值 仿 真 和 图 形 仿 真 。 对 于 复 杂的 多 刚 体 系 统 , 计 算 机 在 每 次 仿 真 过 程 中 会 产 生 大 量 的 模 型 行 为 数 据 。 对 于 这 种 大 量 的 数 据 ,通 常 只 有 仿 真 专 业 研 究 人 员 经 过 仔 细 的 分

3、析 研 究 之 后 , 才 能 洞 察 其 中 发 生 的 情 况 与 问 题 , 但 这是 一 个 十 分 费 时 并 且 繁 琐 的 过 程 , 对 科 研 人 员 是 一 种 不 堪 忍 受 的 重 负 因 此 , 需 要 将 大 量 的 仿真 结 果 数 据 转 换 为 直 观 的 、 随 时 间 和 空 间 变 化 的 图 形 或 表 格 来 表 示 , 以 减 少 科 研 人 员 的 工 作量 , 提 高 仿 真 效 率 。 特 别 是 维 动 画 图 形 演 示 , 更 可 以 在 仿 真 实 时 运 行 过 程 和 事 后 分 析 中 展 示模 型 中 的 实 体 运 行 机

4、器 相 应 属 性 的 动 态 变 化 规 律 , 使 仿 真 研 究 人 员 对 系 统 模 型 得 到 概 念 化 和形 象 化 的 理 解 。笔 者 的 主 要 工 作 是 实 现 了 机 械 系 统 仿 真 结 果 的 动 画 演 示 , 并 开 发 出 相 应 的 软 件 系 统 。收 稿 日 期 一 一 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 杭 伟 , 北 京 清 华 东 路 号 中 国 农 业 大 学 东 校 区 信 箱 ,第 期 杭 伟 等 机 械 系 统 运 动 仿 真 结 果 的 动 画 演 示动 画 的 实 现图 形 对 象 的 表

5、示计 算 机 动 画 是 由 若 干 图 形 经 过 规 则 或 不 规 则 的 运 动 表 现 在 屏 幕 上 的 过 程 。 这 些 在 动 画 过程 中 出 现 的 图 形 物 体 称 为 图 形 对 象 。 如 何 实 现 图 形 对 象 的 表 示 , 笔 者 提 出 并 建 议 采 用 面 向 对 象的 方 法 。面 向 对 象 思 想 的 基 本 原 理 是 对 问 题 领 域 实 行 自 然 分 割 , 按 人 们 通 常 的 思 维 方 式 建 立 问 题领 域 的 模 型 。 其 方 法 及 建 模 技 术 是 将 一 个 复 杂 的 系 统 分 解 成 一 系 列 基 本

6、 对 象 , 把 各 个 对 象 按 照特 定 的 方 式 组 合 在 一 起 , 具 有 封 装 、 继 承 、 多 态 等 特 点 。 按 人 们 通 常 思 维 方 式 , 一 个 复 杂 多 刚 体系 统 是 由 一 系 列 图 形 对 象 组 成 的 , 每 个 图 形 对 象 都 具 有 一 般 属 性 及 其 各 自 特 有 属 性 , 这 种 问 题模 型 适 合 于 用 面 向 对 象 技 术 实 现 。 运 用 面 向 对 象思 想 的 抽 象 原 则 , 抽 象 出 一 个 具 有 图 形 对 象 基 本属 性 及 其 相 应 操 作 的 图 形 基 类 动 画 过 程

7、中 所 涉及 的 图 形 对 象 都 是 由 这 一 个 基 类 派 生 出 来 的 , 如图 所 示 。图 形 基 类 的 数 据 结 构 由 各 种 图 形 对 象 共 有的 与 动 画 有 关 的 数 据 及 其 相 应 操 作 方 法 构 成 川 。图 形 基 类图 图 形 对 象 派 生 类具 体 程 序 实 现 如 下所 属 构 件 的 标 识 号质 心 标 志 点 标 识 号图 形 标 识 号图 形 类 型图 形 颜 色川 构 造 函 数 绘 制 线 框 图 川 绘 制 实 体 图初 始 化 光 照 与 材 质利 用 面 向 对 象 的 派 生 机 制 , 在 图 形 基 类 的

8、 基 础 上 派 生 出 各 种 不 同 图 形 对 象 类 。 这 些 派 生 类继 承 了 基 类 所 有 属 性 和 服 务 , 同 时 又 可 以 特 化 和 扩 充 自 己 的 属 性 和 服 务 。动 画 图 形 设 计 与 显 示完 成 动 画 图 形 设 计 与 显 示 必 须 涉 及 计 算 机 图 形 学 。 直 接 利 用 计 算 机 图 形 学 原 理 来 设 计 并显 示 一 幅 图 形 需 经 过 繁 琐 的 矩 阵 运 算 , 工 作 量 非 常 大 。 为 了 降 低 动 画 图 形 设 计 与 显 示 的 难 度 ,减 少 程 序 开 发 人 员 的 工 作

9、量 , 必 须 借 助 于 现 有 的 一 些 图 形 开 发 软 件 , 如 , ,中 国 农 业 大 学 学 报 年, 等 。 笔 者 采 用 软 件 来 实 现 动 画 图 形 的 设 计 与 显 示 。是 一 个 非 常 优 秀 的 维 图 形 开 发 工 具 , 它 提 供 了 一 系 列 用 于 图 形 设 计 与 显 示 的图 形 函 数 , 包 括 模 型 变 换 、 色 彩 处 理 、 光 线 处 理 、 动 画 以 及 更 先 进 的 能 力 , 如 纹 理 映 射 、 物 体 运 动模 糊 效 果 等 。 另 外 , 还 提 供 了 双 缓 存 , 这 一 技 术 有 助

10、 于 动 画 演 示 的 实 现 。 用 设计 并 显 示 动 画 过 程 中 的 一 幅 图 形 , 需 要 经 过 以 下 几 个 步 骤视 点 变 换 和 模 型 变 换 。为 了 实 现 从 不 同 的 方 向 、 角 度 和 距 离 来 观 察 物 体 的 动 画 过 程 , 首 先 对 物 体 进 行 视 点 变 换 和模 型 变 换 , 即 对 物 体 进 行 平 移 、 旋 转 、 放 大 和 缩 小 等 变 换 。投 影 变 换 。利 用 投 影 变 换 将 维 图 形 变 换 为 维 图 形 。 投 影 变 换 实 质 是 定 义 一 个 视 景 体 , 使 视 景 体 外

11、多 余 的 部 分 被 裁 减 掉 , 最 终 图 像 只 是 视 景 体 内 的 有 关 部 分 。视 口 变 换 。利 用 视 口 变 换 将 经 过 前 面 几 种 变 换 后 的 图 形 物 体 显 示 于 屏 幕 指 定 的 区 域 内 , 这 个 区 域 通常 为 矩 形 , 称 为 视 口 。 如 果 采 用 照 相 机 模 拟 方 式 , 视 口 变 换 可 理 解 为 类 似 于 照 片 的 放 大 与 缩 小 。模 型 绘 制 。利 用 提 供 的 点 、 线 、 面 、 体 等 几 何 元 素 , 经 过 平 移 、 旋 转 、 变 比 等 几 何 变 换 , 组 合 成

12、为 不 同 的 机 构 模 型 。图 形 真 实 感 处 理 。对 所 绘 制 的 模 型 进 行 消 隐 、 色 彩 处 理 、 光 照 与 材 质 处 理 、 文 理 映 射 以 及 雾 化 、 反 走 样 、 融 合效 果 等 真 实 感 处 理 , 以 获 得 真 实 感 图 形 。交 换 缓 存 。采 用 双 缓 存 实 现 动 画 时 , 将 后 台 缓 存 内 绘 制 完 成 的 一 幅 图 形 交 换 到 前 台 显 示 , 将 前 台 缓 存移 到 后 台 绘 制 下 一 幅 图 形 。动 画 的 形 成动 画 过 程 每 帧 画 面 的 形 成 。 动 画 是 由 一 帧

13、帧 有 序 的 图 像连 续 播 放 形 成 的 , 而 每 帧 都 是 由 一 些 特 定 图 形 对 象 绘 制 在 屏幕 上 形 成 的 , 如 图 所 示 。 图 中 图 形 阵 列 用 来 存 储 动 画 演 示过 程 中 所 有 图 形 对 象 的 数 据 结 构 。动 画 效 果 的 形 成 。 将 仿 真 时 刻 推 进 形 成 的 一 帧 帧 画 面 连续 显 示 即 形 成 动 画 效 果 。 每 次 仿 真 时 刻 推 进 一 步 , 先 扫 描 判断 当 前 是 否 有 特 殊 事 件 发 生 , 如 果 有 则 处 理 当 前 事 件 如 窗口 的 改 变 、 动 画

14、 演 示 要 求 暂 停 、 动 画 视 点 改 变 等 , 然 后 根 据仿 真 时 刻 得 到 图 形 对 象 阵 列 中 所 有 图 形 对 象 的 数 据 表 示 , 并在 后 台 绘 制 。 当 图 形 对 象 阵 列 中 的 所 有 图 形 对 象 都 绘 制 完孺 时 刻绘 制 图 形图 动 画 每 帧 画 面 的 形 成后 , 即 生 成 一 帧 画 面 , 再 将 此 帧 切 换 到 前 台 显 示 , 随 后 将 仿 真 时 刻 再 推 进 一 步 , 并 不 断 重 复 以 上步 骤 。 动 画 生 成 的 全 过 程 如 图 所 示 。第 期 杭 伟 等 机 械 系 统

15、 运 动 仿 真 结 果 的 动 画 演 示仿仿 真 时 刻 为扫扫 描 事 件 表表表 仿 真 时 刻 推 进 一 步步处处 理 当 前 所 有 事 件件件 在 前 台 显 示 当 前 帧帧扫扫 描 当 前 帧 图 形 对 象 阵 列列图 动 画 生 成 全 过 程实 例运 用 面 向 对 象 技 术 和 技 术 , 笔 者 成 功 地 开 发 出 一 套 机 械 系 统 运 动 仿 真 结 果 动 画演 示 软 件 。 图 所 示 的 是 从 用 该 软 件 对 一 复 摆 机 构 仿 真 结 果 进 行 动 画 演 示 中 选 取 的 几 幅 不 同时 刻 复 摆 的 运 行 状 态 。

16、图 不 同 状 态 下 复 摆 的 运 行 状 态结 束 语由 于 面 向 对 象 具 有 封 装 性 、 继 承 性 和 多 态 性 等 特 点 , 所 以 运 用 面 向 对 象 思 想 来 开 发 机 械 系统 运 动 仿 真 结 果 动 画 演 示 软 件 , 便 于 程 序 的 调 试 与 维 护 , 可 大 大 减 少 编 程 代 码 , 并 且 对 软 件 的完 善 与 扩 展 十 分 有 利 。 用 技 术 来 实 现 动 画 图 形 设 计 与 显 示 , 可 以 降 低 软 件 开 发 难 度 ,减 少 开 发 工 作 量 , 比 较 易 于 实 现 逼 真 的 维 动 画 效 果 。 运 用 面 向 对 象 技 术 和 技 术 开发 动 画 演 示 软 件 , 是 一 种 值 得 推 广 的 做 法 。参 考 文 献史 扬 , 张 晨 曦 , 汪 诗 林 基 于 面 向 对 象 思 想 的 动 画 实 现 技 术 计 算 机 工 程 与 设 计 , , 一陈 先 国 , 向 忠 祥 , 崔 承 根 基 于 物 理 的 三