飞行器三维动态视景的交互式仿真系统设计

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1、飞行器三维动态视景的交互式仿真系统设计飞行器三维动态视景的交互式仿真系统设计分 类 号学 号 M200972207学校代码 10487 密 级硕 士学位论文飞行器三维动态视景的交互式仿真系统设计学 位申 请人 :吴红岩 学科专 业 : 模式识别与 智能系统 指导教 师 :汪国有 教授 答辩日 期 :2012 年 1 月 12 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of EngineeringThe design of 3D aircraft interac

2、tive visual simulation systemCandidate : Wu Hongyan Major: Pattern Recognition and Intelligent System Supervisor : Professor Wang Guoyou Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, /.na January, 2011 独 创性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知,除 文中已经标明引用 的内 容外,本论文不包 含任 何其他个人或

3、集体已经发表或 撰写过 的研究成果。对本 文的 研究做出贡献的个 人和 集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月日学 位论 文 版 权 使用授 权 书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ,在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打“” )学位论文作者签名:

4、 指导教师签名: 日期: 年月日 日期: 年月 日 华中科技 大学硕士 学位论文摘 要 三维视景仿真是虚拟 现 实领域的主要研究课 题 ,它能为利用计算机 技 术为人们建立一个逼真度和可信 度都较高的虚拟场景, 在当前的很多领域中都 有了广泛的应用,包括交互式的游戏 娱乐、大型的工程漫游 、城市规划等,尤其是 军事方面关于武器的研制或飞行器的 飞行试验等,可以通过 该手段得到丰富的仿真 数据,是一种经济方便的可视化分析和研究方法。 本文主要研究了一个 飞 行器动态三维视景的 交 互式仿真系统开发与 设 计,结合需要的功能要求进行各 个模 块的开发,对视景 仿真系统的组成以及三 维场景建模、视景

5、加载与驱动、晴雾 雨雪环境的模拟、飞行 器导航控制、红外视景 效果等技术实现进行了详细的阐述和研究。 本文首先介绍了该视 景 仿真系统的整体设计 和 模块化开发流程,以 及 最终实现的功能和技术指标; 并对 Creator 模型建立所 用到的关键技术进行阐述, 重点研究了三维地形的处理与生成方法。然后研究了在 Vs 平台下利用 Vega API 对场景进行驱动和简单人机交互的程 序实现流程,实现了场 景在多天时下随着光照 变化的实时效果, 以及云和雾的仿真效果。 并利用粒子系统技术在飞行器飞行仿真系统中的应用,实现了雨和雪自然现象 的模拟,使场景的逼真 度大大提高。而对于已 有的可见光场景如何

6、生成相应的红外视景效果, 本文利用 Vega 软件提供的 Sensor vision 模块是模拟生成红外效果的一种便捷手段。 最后对于 飞行器 位置 姿态的交 互式实 时控 制与导航 控制, 本文 提出了一 种在Vega 环境中创建和使 用不同坐标系,以及对多坐标系间的数据转换问题的详细解决方法,实现了对飞行器 的六自由度位姿实时控 制和飞行器的弹道飞行 控制功能,对各类飞行器的视景仿真开发都有较高的参考意义和实用价值。关键词: 虚拟现实;视 景仿真;交互式;飞行控制;红外I华中科技 大学硕士 学位论文 Abstract 3D Visual Simulation is a main resea

7、rch topic in the field of Virtual Reality, and it can use computer technology for people to build a high fidelity and credibility of the virtual scene. There is a wide range of applications in many areas, such as an interactive game recreation, large engineering roaming, city planning and so on, esp

8、ecially on the development of military weapons or aircraft flight test, you can get much data through the means of simulation, providing convenient means of economic analysisThis paper mainly studies one vehicle dynamic three dimension visual simulation system of interactive development and design,

9、combined with the function of the need for the development of each module, as well as the technology on 3d scene modeling, visual loading and drive, the environmental simulation, aircraft navigation control, infrared visual effectsFirst the whole process of the system design and development is intro

10、duced, as well as the realized function and the technical specification. And then each chapter detailed introduces the development process and the techniques used, including 3d scene modeling, Vega interface configuration, MFC program drives, and the realisation particles technique of multi-day and

11、multi-weather changing environment simulation. The specific visible scene /long-wavelength infrared effects visual simulation are also studied, and vega software provides a Sensor Vision module for generating infrared effects as a convenient meansThe follow-up frame is the research on the interactiv

12、e pose and vehicle movement control under much-coordinate system, realize a new method of the six-freedom degrees real-time control on the pose and movement of aircraft navigation. It is highly feasible development and the practical value for a long-range missile flight and all kinds of aircraft vis

13、ual simulationKey Words: Virtual reality;Visual simulation;Interactive simulation;Flight control;Infra II华中科技 大学硕士 学位论文目 录 摘要 I ABSTRACT. II 1 绪论 1.1 目的和 意义( 1 ) 1.2 虚 拟现实 与 计算 机视景仿 真技术(2 ) 1.3 国内外 研究现 状 ( 3 ) 1.4 论文的 主要研 究 内容及组 织. ( 5 ) 2 飞行器三 维 视景系统总 体开发流程系统总 体开发 流 程( 6 ) 2.12.2 功能与 技术指 标 ( 8 ) 3

14、飞行器视 景仿真系统的 驱动程序设计 3.1 基于 MULTIGEN CREATOR 的三维建 模 技术 (10 ) 3.2 VEGA 开发工具 和环境 ( 15 ) 3.3 MFC 平台 下开发 基于 VEGA 的飞行视 景仿真系 统(16 ) 3.4 雨雪气 候现象 的 模拟技术 研究. (20 ) 3.5 本章小 结. ( 23 ) 4 不同坐标 系下实现飞行 器的交互控制仿真 4.1 常用坐标 系及坐 标 系之间变 换. (24 ) 4.2 飞行器 仿真系 统 中的坐标 系定义 及 变换 (27 ) 4.3 飞行器 位姿控 制 和运动控 制技术 (29 ) IV 华中科技 大学硕士 学

15、位论文4.4 本章小 结. ( 34 ) 5 红外视景 的仿真及实现 5.1 红外成 像仿真 原 理 ( 36 ) 5.2 利用 VEGA 仿真 软件模拟 生成红 外 场景(37 ) 5.3 本章小 结. ( 41 ) 6 工作总结 与展望 (42 ) 致 谢 (43 ) 参考文 献. (44 ) 附 录(47 )V 华中科技 大学硕士 学位论文1 绪 论 1.1 目的和意义 随着虚拟现实 Virtual Reality 理论和应用技术 以及计算机技术的发展, 相应的实现三维视景仿真技术也 越来越受到重视,已经 广泛应用于很多工程应 用领域,如交互式娱乐、大型工程漫 游、城市规划、虚拟现 实模

16、拟培训等方面。计 算机视景仿真是计算机技术应用于各 个领域的重要表现之一 ,也是一个重要的组成 部分,它有着1多感知性、 交互性好、 沉浸感、 自主性等主要特点 , 为仿真对象建 造一个逼真的三维模型,并可以使用户 身临其境地与虚拟环境 进行交互,并具有直观 高效、经济实用、安全等突出的优势,已成为世界各国的主要研究内容。 而在军事领域方面,仿 真建立虚拟逼真的战场 环境相关的技术更是越 来越受 到开发人员的重视,因为 其提供了一个精确、可 控、可重复的试验条件 ,克服了传统23实体试验技术和理论分析要求高、周期长、耗费大的缺点 ,能够 达到节约经费、提高质量、安全性高和 缩短周期的目的,而且 不受气候的影响,也不 受场地和空间的限制。 用户通过视景仿真得到相应的数据和结果, 并加以数据的分析, 清晰直观,节约了经费和视景,提 高了研发效率,并能有 效地避免一些实际试验 中可能发生的危险或意外事件,对军用模拟训练有着重要的价值和意义。 学科分类上,视景仿真 属于虚拟现实的范畴, 还涉及到计算机图形图 像学、人工智能、 传感器技术、 显示技