第五章视景仿真关键技术研究_35_53

图 5-4 地形模型存储数据的三种方式
Fig.5-4 3 kinds of data storage modes of the terrain model
其中，三角网的采样点的分布可以是不规则的，可以按地形的起伏变化灵活的改变 取样密度，这样，较好地顾及了地貌特征，同时也可以减少数据冗余和失真。因而它比 较适用于实时动态地形仿真方面。但是对于 OpenGL 来说,上面所提到的三种数据格式都 不能在 OpenGL 程序中直接显示，我们还必须利用 OpenGL 提供的 API 来进行绘制， OpenGL 中提供了对点、线、多边形的绘制原语，但是要求给定的多边形必须是凸多边 形，所以一般采用三角形作为地形的表示单元，因为只有三角形才不可能被扭曲到使三 个顶点不在一个平面上。本系统地形就是采用了不规则三角网格式来建立的。
第五章 视景仿真关键技术研究
5.1 海底场景坐标系的相关技术
5.1.1 几何变换
所有的图形可视化系统的运动模型都是建立在坐标系基础之上的，因此，首先需要
建立起合适的鱼雷运动可视化系统的坐标系，本系统为了和 OpenGL 的规定保持一致， 采用右手坐标系，世界坐标系又称全局坐标系，是鱼雷在运动过程中的参考坐标系。系
目前，地形模型的存储数据表达方式主要有规则网格、不规则三角网和等值线这三
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种形式，如图 5-4 所示。
(a) 规则网格式
(b) 等值线式
(c) 不规则三角网式
(a) The regular grid type
(b) The isoline type
(c) The anomalous triangular grid type
⎡ cosθ sinθ 0 0⎤
[x*
y*
z*
1] = [x
y
z
1]
⎢⎢− sinθ ⎢0
cosθ 0
0 1
0⎥⎥ 0⎥
⎢ ⎣
0
0 0 1⎥⎦
3.缩放变换
若缩放变换的参考点为(xf，yf，zf)，其变换矩阵为：
⎡ 1 0 0 0⎤ ⎡sx 0 0 0⎤ ⎡ 1 0 0 0⎤
⎢ ⎢
0
1
0
0⎥⎥
⎢ ⎢
0
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图5-5(b) 海底地形 Fig.5-5(b) The benthal terrain
5.2.2 海底环境的光照模型
OpenGL 光照模型将光照分为四个独立的部分：环境光，散射光，镜面反射光和发 射光，这四种光被分别计算，然后叠加起来。环境光是指经过多次反射而来的光，无法 确定其最初的方向，但当特定的光源关闭后，它们将消失。全局环境光并非来自特定的 光源，这些光经过了多次散射，已经无法确定其光源位于何处。散射光来自同一方向， 照射到物体表面后，将沿各个方向均匀反射，因此，无论从哪个方向观察，表面的亮度 都相同。镜面反射光来自特定方向，也被反射到特定方向。镜面反射度与之相关。材质 发射光用于模拟发光物体。在 OpenGL 光照模型中，表面的发射光增加了物体的亮度， 它不受光源的影响，另外，发射光不会给整个场景中增加光线[9]。
系统中最基本的几种几何变换包括平移变换，旋转变换，缩放变换。
1. 变换矩阵[9] 三维图形的几何变换矩阵可用 T3D 来表示，其形式如下：
⎡ a11 a12 a13 a14 ⎤
T3D
=
⎢ ⎢
a21
⎢ ⎢
a31
a22 a32
a23 a33
a24
⎥ ⎥
a34
⎥ ⎥
⎣a41 a42 a43 a44 ⎦
(5.1)
观察图 5-3 的投影，显示屏四边形区域向后扩展成梯形区域。透视投影将距离近的 物体显示较大，将距离观察点远的物体显示较小。透视点到视点的连线与屏幕的交点为 显示点，遵循上述规律，在透视投影中显示立体图形优势就很明显了。
5.2 海底视景仿真
一个优秀的海底视景仿真系统是一个很复杂而且具有一定模糊性的信息决策和信 息控制系统。它的模型的创建和实现都比较复杂，分析和处理仿真数据时工作量都非常 大。要建立一个复杂的虚拟场景，建立场景中的模型是很重要的一步。虚拟环境模型的 建立是视景仿真技术的核心内容，虚拟环境建模的目的主要是获取实际三维环境的三维 数据，并根据应用的需要，把获取的三维数据绘制成相应的虚拟环境模型。本文场景中 的实体模型主要采用建模软件3D Studio MAX来建立，在它提供的界面下导出生成3DS 格式的文件。
⎡ a11 a12 a13 ⎤
T3D 可分为 4 个矩阵，其中：⎢⎢a21
a22
a23
⎥ ⎥
产生缩放、旋转、错切等几何变换，[a41
⎢⎣a31 a32 a33 ⎥⎦
a42 a43]产生平移变换。
2.平移变换
⎡ 1 0 0 0⎤
[x*
y*
z*
1] = [x
y
z
1]
⎢ ⎢
0
⎢0
1 0 0⎥⎥ 0 1 0⎥
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(5.3) (5.4) (5.5)
(5.6)
系统中采用 MFC 提供的定时器触发模式来实现三维动画的。Windows 提供的基于 定时器(Timer)的动画技术是按照固定的时间间隔向程序发送绘制消息，系统根据更新的 数据来实现运动实体的位置、姿态的变化。
5.1.2 投影变换
投影方法是空间中的物体映射在假定屏幕上的方式。一般定义为两种投影方式：平 行投影(Orthographic Projection)和透视投影(Perspective Projection)[9]。
(1) 平行投影 OpenGL 首先假定屏幕存在。因为透过屏幕与透过现实生活中的窗口观察物体不同， 屏幕中的物体已经不可以相对观察者变化了，所以 OpenGL 又为屏幕设定了一个观察位 置，即距离屏幕一定距离的一个观察点 A。A 位置的不同在平行投影中对屏幕的影像不 会有影像。图 5-2 是一种平行投影的方式，B 处为显示屏，“光线”由 C 处平行照射在 屏幕上，将影像显示在屏幕上。
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(2)选择光照模型：其包括四项内容，即全局环境光强度，观察点靠近场景还是位于 无穷远处，对物体的正面和背面是否采用相同的光照计算，以及是否将镜面反射颜色同 环境颜色和散射颜色分开，并在纹理操作后应用它。函数 有:glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambient)，
在海底视景仿真中，海底环境的仿真是基础。鉴于海底环境的特殊性，其仿真方法 与其它的仿真系统比如陆地仿真、天空仿真等相比有着比较大的差异，主要表现在海底 环境的光照模型、海底地形生成和海水的效果渲染等几个方面。
5.2.1 海底地形的生成
在视景仿真系统里，具有真实感的三维海底地形有着广泛的应用，它不仅可以用来 制作虚拟现实环境中的各种海底环境，还可以提供地理信息系统中资源的三维定位、地 理查询、路径规划等功能。另外，它在舰船导航、海洋勘探、电影制作、游戏娱乐等方 面都有比较好的应用前景。正是由于真实感三维海底地形的应用十分广泛，所以它引起 了图形研究者们很大的兴趣。图形研究者们在这个领域做了大量的研究工作，也取得了 较大的进展。真实感三维海底地形绘制的最大难点在于如何在三维海底地形模型上随着 视点及其它需要(如显示比例等)实时地模拟真实海底地形的各种状态。鉴于实际上的海 底地形结构十分复杂，所以建立和计算海底地形的物理模型十分困难，并且由于海底地 形本身的特异性决定了其存储数据量非常庞大，要实时地模拟某一特定地形上的动态变 化也比较困难。
对于纹理映射，一般地说，纹理定义在一个二维的平面区域，可以用数学函数解析 地表达。在这个平面区域里的每一个点都定义有一个灰度值或颜色值，则称该平面区域 为纹理空间。在图形绘制时，应用纹理映射方法可以确定三维景物表面上任一可见点 P (i ,j ,k)，在纹理空间的对应位置(x ,y)，而(x ,y)处所定义的颜色值描述了三维景物表面 P(i ,j ,k)点的纹理属性。从数学的观点看，纹理映射 F 可用下式来描述：(x ,y)=F(i ,j ,k)。
sy
0
0⎥⎥
⎢ ⎢
0
1
0 0⎥⎥
⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢ 0 0 sz 0⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥
⎢ ⎢⎣
−
x
f
−yf
−zf
1⎥⎥⎦
⎢ ⎣
0
0
0
1⎥⎦
⎢ ⎢⎣ x f
yf
zf
1⎥⎥⎦
⎡ sx
0
0
0⎤
⎢
=
⎢ ⎢
0 0
sy 0
0
0⎥⎥
sz
0⎥
⎢⎢⎣(1− sx ) ⋅ x f (1− sy ) ⋅ xy (1− sz ) ⋅ xz 1⎥⎥⎦
统中取海底任意一点为坐标原点，向东的方向为 X 轴方向，垂直向上为 Y 轴的正方向， 南方为 Z 轴的正方向。
鱼雷的物体坐标系原点在鱼雷上，鱼雷绕世界坐标系的 X 轴的旋转角为俯仰角(α)， 逆时针为正，绕世界坐标系的 Y 轴旋转角为偏航角(φ)，逆时针为正方向，绕世界坐标 系的 Z 轴旋转角为滚转角(ψ)，同样也是以逆时针为正方向。
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER,lmodel_viewer)，……其中近 视点还是远视点只影响镜面反射区的计算。
(2) 透视投影 另一种投影模式就是透视投影，OpenGL 首先假定屏幕存在，并为屏幕设定一个观 察位置，即距离屏幕一定距离的观察点 A，图 5-3 是一种透视投影的方式，B 处为显示 屏，“光线”由 C 处照射到屏幕上，并将影像显示在屏幕上。
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A
B
C
图 5-3 透视投影 Fig.5-3 Perspective projecty*
z*
1] = [x
y
z
1]
⎢⎢0 ⎢0