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基于OpenGL的三维仿真技术研究.rar

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    编号:20180913212649112    类型:共享资源    大小:10.77MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-13
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    基于 OpenGL 三维 仿真技术 研究
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    河 北 建 筑 工 程 学 院本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )题目基于 OpenGL 的三维仿真技术研究学 科 专 业 电子信息工程 班 级 电子 112 班 姓 名 杨凤云 指 导 教 师 张连连 指导教师职称 讲师 论文提交日期 2015 年 6 月 15 日 论文答辩日期 2015 年 6 月 23 日 答辩委员会主席签字:目录第一章 绪论 ...................................................................................................................11.1 研究背景和意义 .....................................................................................................11.2 国内外 3D 仿真技术应用 .......................................................................................11.2.1 国外研究现状 ...............................................................................................11.2.2 国内研究现状 ...............................................................................................21.2.3 3D 仿真技术的应用发展 .............................................................................21.3 OpenGL 技术简介 ...................................................................................................21.3.1 OpenGL 发展历程 ........................................................................................31.3.2 OpenGL 技术特点 ........................................................................................41.4 主要研究内容 .........................................................................................................4第二章 三维仿真基础理论 ...................................................................................62.1 三维图形学基础 .....................................................................................................62.1.1 点 ...................................................................................................................62.1.2 向量 ...............................................................................................................62.1.3 矩阵 ...............................................................................................................72.2 OpenGL 基础原理 ................................................................................................72.2.1 OpenGL 数据类型 ....................................................................................72.2.2 OpenGL 工作方式 .....................................................................................72.2.3 状态机 ........................................................................................................82.2.4 OpenGL 渲染管线 .....................................................................................92.3 OpenGL 坐标变换 ................................................................................................92.3.1 坐标系统 .....................................................................................................102.3.2 视点变换 .....................................................................................................102.3.3 模型变换 .....................................................................................................112.3.4 投影变换 ....................................................................................................112.3.5 视口变换 .....................................................................................................13第三章 OPENGL 编程原理 ................................................................................143.1 OpenGL 渲染环境搭建 .........................................................................................143.2 OpenGL 绘制的图形输出为位图 .........................................................................153.3 基本图元绘制 .......................................................................................................163.4 OpenGL 光照和材质 .............................................................................................173.4.1 光照 .............................................................................................................173.4.2 材质 .............................................................................................................183.4.3 向场景中添加光线的步骤 .........................................................................183.5 显示列表 ...............................................................................................................203.5.1 分配显示列表编号 .....................................................................................203.5.2 创建显示列表 .............................................................................................213.5.3 调用显示列表 .............................................................................................213.5.4 销毁显示列表 .............................................................................................223.6 纹理贴图 ...............................................................................................................233.6.1 创建纹理图像 .............................................................................................233.6.3 纹理缠绕 ....................................................................................................253.6.4 纹理对象 .....................................................................................................263.6.5 多贴图纹理 ................................................................................................273.7 漫游 .......................................................................................................................27第四章 充电车仿真系统程序 ...........................................................................304.1 系统简介 ................................................................................................................304.2 程序模块和流程图 ................................................................................................314.2.1 总体流程图 ................................................................................................314.2.2 显示模块 ....................................................................................................324.2.3 数据接口模块 ............................................................................................324.2.4 碰撞检测模块 ............................................................................................334.2.5 轨迹显示模块 ............................................................................................344.2.6 角度调控模块 ............................................................................................344.3 程序运行结果 ........................................................................................................354.4 小结 ........................................................................................................................37第五章 总结和展望 .................................................................................................385.1 总结 ........................................................................................................................385.2 展望 .......................................................................................................................38参考文献 .........................................................................................................................40致谢 ...................................................................................................................................42附录 ...................................................................................................................................43摘 要近几年,电影院真实的 3D 场景,游戏中炫酷的特效,海外旅行,战斗机虚拟演习,设计模拟展示等等都是三维仿真的魔力展现。三维仿真一直都是一个有趣的领域。它被广泛的应用到计算机可视化、军事仿真、虚拟漫游、以及商务虚拟展示等领域。本文研究了基于 OpenGL 的 3D 仿真技术,包括 OpenGL 的程序框架构建,基本坐标系统、三维图形的原理、三维矩阵的变换、渲染交互理论以及三维模型的导入等,构建了一个充电车两车对接充电的过程,真实的模拟了两车在真实环境下对接的各种可能情况,详细计算了充电和碰撞距离,以及充电过程,大大减少了充电车检测的成本和时间。该系统不仅可以实时接收真实的汽车的速度和角度数据,用以充电车进行跟踪循迹至待冲车辆,还利用轨迹球技术实现角度调控模块,可以任意模拟充电对接的角度用以测量预估充电的安全性和稳定性,确立最佳的充电位置。该系统将辅助科技设计开发者更便捷、安全的完成产品的设计和检测,大大推进了三维仿真技术在工业和环保事业中等的应用。关键词: 3D 仿真 OpenGL 编程 漫游 IAbstractIn recent years, realistic 3D scenes in movie theater, cool special effects in the game, overseas travel, fighter virtual exercise, design and simulation show and so are three-dimensional simulation . Three-dimensional simulation is an interesting area. It is widely applied to computer visualization, and military simulation, virtual roaming, business and other virtual exhibition.The paper focuses on the 3D simulation technology, OpenGL program includes the construction, conversion basic coordinate system, the principle of three-dimensional graphics, three-dimensional matrix theory and interactive rendering .The system to simulate the two car docking process.The system in detail to calculate the charge , collision distance and charging process.The system greatly reduces the charging vehicle testing cost and time. The system not only can receive the real vehicle data in real-time,the data is used to charge car calculating trajectory .But also realization of the angle and speed control ues he trackball technology, which could simulate charging docking angle and estimates charge of security and stability.It can establish the best charging location. The system can help developers to complete product design convenient and quickly.The system promote the application of three-dimensional simulation technology in the industrial and medium .Keywords: 3D simulation OpenGL programming roaming第 0 页第 1 章 绪论本章共 3 小节,分别讲述了本系统的研究背景和意义,简单介绍了国内外三维仿真技术的现状和发展趋势,描述了系统采用的 OpenGL 三维仿真技术的基本概况和发展历程。1.1 研究背景和意义3D 虚拟仿真是利用 3D 技术和网络技术来真实体现现实场景,它具有真实性、可操作性和简单重复性等特征,能够模拟现实世界,帮助用户构造虚拟世界操作从而减少实际的实验成本和危险。随着三维仿真技术的发展成熟,越来越多的工业设计等开始使用三维仿真技术进行前期的设计实验,大大减少了实际开发的成本和实际,同时提高了设计的可靠性。石油能源的紧缺,环境污染的严重使汽车能源向电能以及新能源的转型,当今电池车的技术日渐成熟,比如硅谷诞生的“特斯拉”电池车性能良好,深受大众喜爱,但是充电却成为了其推广的最大阻碍。修建充电桩的成本很高,为了达到使用方便,必须短距离就建立一个充电桩。但是如果把充电桩变成移动式的充电车就将大大减少成本,使环保的电池车成为马路“环保达人”!1.2 国内外 3D 仿真技术应用1.2.1 国外研究现状近几年深入研究 3D 仿真技术的国外公司已经趋近成熟,并且将 3D 仿真技术应用在各个领域。虚拟洛杉矶(Virtual Los Angeles) ——是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)始于 1994 年的一个科研与运用相结合的项目,计划覆盖面积超过 10,000平方英里,是当今城市仿真系统中最成功最为复杂的系统 【3】 。视景包括从洛杉矶盆地的卫星影像到街道景观,精确到植物、建筑物的窗口、外墙的纹理等。费城城市模型(ModelCity Philadelphia)——是由美国 Bentley 公司利用MicroStation 和 MasterPiece 软件和其自我开发出来的软件工具,在 1996 年初的开始第 1 页制作,至今已经完成费城的中心区共 35 个街区。费城此项目的主要特点就是将完整的费城的模型用 VRML 数据格式,通过使用 Internet 让任何人都可以享受到虚拟的实时费城旅游体验。城市的设计人员以及建筑师们通过 Internet 浏览器可以对城市的三维景观直观的漫游,也可对真实的城市景观去进行分析,获得精准的土地以及建筑结构这方面的相关的资料信息,大大地解决了建筑师在委托设计此项目时候缺乏详细资料的问题。费城的模型同时也提供了精确的三维地下的管线系统,方便了城市的地下管网系统的维护以及更新,所以获得了美国建筑师学会的(AIA)高度评价。 MultiGen-Paradigm 是一家专门从事三维实时系统开发的美国公司,在视景仿真领域一直处于领先地位。其无与伦比的强大三维实体建模工具和三维地景生成工具,被公认为是当今最近优秀的建模软件。其可以满足航海,红外线,雷达,电路网络,交通管理等多种模拟需求 【5】 。1.2.2 国内研究现状国内的 3D 仿真技术起步比较晚,拥有比较先进的 3D 仿真技术的是中视典公司。2002 年,中视典与中科院遥感所合作,成功开发出国内第一个数字地球原型系统,该系统为数字地球的研究工作提供了一个可操作的虚拟平台,已经在能源、灾害、数字城市、数字战场等各个方面的研究提供服务,并在 02 年和 07 年国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用,是相关部门指定的 08 奥运虚拟现实技术服务商 【7】 。2010 年上海世博会中国馆的动态《清明上河图》惊艳四方,他采用的 3D 仿真技术完美展现了古代的繁华生活,惟妙惟肖,如图所示。1.2.3 3D 仿真技术的应用发展随着 3D 仿真技术的日益成熟,他将越来越被应用到生活当中,渗透到各个方面。未来的 3D 仿真技术将会大量应用于演示虚拟仿真,安全培训虚拟仿真,矿山地形演示虚拟仿真,美术馆虚拟仿真,数字展馆虚拟仿真事故演练。第 2 页1.3 OpenGL 技术简介OpenGL 是一个底层图形库规范。它为程序员提供了一个小的几何图元库和一个支持 2D/3D 几何对象绘图命令库,通过图元和命令来控制对象的呈现(绘图)。OpenGL 技术适用于从普通 PC 至大型图形工作站等各类计算机,而且还可以与各种操作系统兼容,从而成为主导地位的跨平台的专业 3D 图形应用开发包,进而也成为行业标准。OpenGL与C语言关系紧密。OpenGL 的语法遵寻C语法,C语言应用广泛性使程序员很容易熟练OpenGL命令集。OpenGL 有极高的可移植性。OpenGL 设计的目标就是作为一种独立于硬件的接口、流线型的,在当今的主流操作系统中(Windows98/NT/2000/XP/Vista、Unix/Linux和Mac OS等)都有其相应的实现。但是OpenGL没有提供用于表述 3D物体模型的高层次函数(这类函数可以允许你指定相对来说较为复杂些的形状、例如飞机、身体的某个部位、汽车、分子或分机等)。在OpenGL中,必须依据少数的几个基本图元(Geometric Primitive)(例如点、曲线、四边形) 来创建你所想要的模型。GLUT 是为适应 windows 系统下的 OpenGL 程序独立编程接口需求而设计出来的,该接口被设计的简单又实用。从 OpenGL 中移除 windows 系统操作是一个很英明的决定,这意味着 OpenGL 的图形系统能够被用于更加广泛的操作系统中(包括功能很强大但是昂贵的图形工作站和需大量图形运算地视频游戏、个人电脑和互动电视机的机顶盒) 。GLUT 简单化了 OpenGL 进行渲染的程序的实现。1.3.1 OpenGL 发展历程1992 年 7 月,SGI 公司首次发布了 OpenGL1.0 版本,后又与微软公司合作开发了 Windows NT 版本的 OpenGL,从而使部分原来必须在高级图形工作站上面运行的大型的 3D 图形处理软件也能在微机上运用。1995 年 OpenGL 的 1.1 版本,此版本较 1.0 性能提高很多,同时加入了一些新功能。包括—提高顶点位置、色彩指数、法线、颜色、纹理坐标、引入了新的纹理特性、多边形边缘标识的传输速度,等等。2003 年的 7 月份,SGI 和 ARB 共同公布了 OpenGL 1.5。OpenGL 1.5 包括了第 3 页OpenGL ARB 正式扩展规格的绘制语言即“OpenGL Shading Language”。OpenGL 1.5新功包括:非乘方纹理、隐蔽查询、顶点 Buffer Object、Shadow 功能等。2004 年 8月,OpenGL2.0 版本发布。Opengl 2.0 支持了新的 shader 扩展特性、OpenGL Shading Language 以及其他多项新增特性。2008 年 Khronos 工作组在 Siggraph 2008 大会上宣布了 OpenGL 3.0 图形接口规范,GLSL1.30 shader 语言以及其他新增功能再次为未来开放 3D 接口的发展指明方向。2011 年 8 月 9 日,于温哥华举行的 SIGGRAPH 2011 大会上,Khronos 发布了最新的 OpenGL 4.2 标准,对于支持的现有硬件的 API 加入了一些新的支持特性。同OpenGL 4.1 一样,OpenGL 4.2 主要应用在 DX11 级别硬件(如 Radeon HD 5000/6000,NVIDIA GeForce 400/500 系列显卡),不过 NVIDIA 的开发者社区曾经表示,部分特性可以通过扩展功能在最老支持 OpenGL2/DX9 级别的硬件上实现。1.3.2 OpenGL 技术特点OpenGL 作为当前三维行业的标准,是从事三维工作开发人员必须掌握的开发工具,它的具有以下特点: 图形质量好、性能高 当前行业标准 稳定性高 可移植性强 充分的可扩展性 适应性强 易用性高1.4 主要研究内容本文主要研究了基于 OpenGL 的三维仿真技术的研究背景和国内外研究现状,系统采用嵌入 OpenGL 渲染环境的窗口进行三维图像的绘制,先进行主窗口渲染,在视图模型下绘制出初始状态的地形和小车。然后对小车轨迹进行读取计算,碰撞检测,轨迹的显示,还可以通过鼠标进行角度调控等。
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