基于3D的虚拟运动仿真平台设计及Virtools功能实现

第36卷第4期2009年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science )Vol.36,No.42009基于3D 的虚拟运动仿真平台设计及V irtools 功能实现张雪鹏　陈国华3　戴莺莺　张爱军　何雪涛(北京化工大学机电工程学院,北京　100029)摘　要:针对虚拟仿真模拟对设计人员要求较高且不易实现等特点,本文将虚拟技术与网络技术结合,提出了基于虚拟现实技术进行可视化模拟的平台,利用3ds Max 和Virtools 技术实现多个运动单元在模拟运动中的避障及协同运动功能。

整个过程用3ds Max 构建虚拟运动场景和虚拟运动单元;用Virtools 进行数据处理,交互控制。

构建该虚拟平台不用花费高昂的开发成本和时间,节省了大量的资源,使虚拟现实技术更加实用。

关键词:仿真;虚拟现实;3ds Max ;Virtools 中图分类号:TP39119收稿日期:2008211227第一作者:女,1983年生,硕士生3通讯联系人E 2mail :chengh @引　言虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,是由计算机生成具有三维空间的虚拟环境,用户在此环境中利用特殊装置,以最自然的方式与环境交互,操作和控制环境,从而产生身临其境的效果。

随着计算机技术的发展和对复杂系统仿真的深入研究,虚拟现实技术已经广泛应用于许多领域[123],将虚拟现实技术应用于运动仿真平台的构建及研究,具有一定的现实意义。

构建虚拟运动仿真平台是一个复杂的过程,目前的虚拟现实技术多是基于虚拟现实建模语言[4](VRML )。

VRML 是基于语言文本的虚拟场景生成工具,其交互性差、语言复杂、不易实现。

本文采用以虚拟现实技术Virtools [526]为核心3ds Max [7]与Virtools 相结合的虚拟运动平台开发方法,具有真实性、交互性、语言简洁和易实现等特点。

本文基于虚拟现实技术,以行进中的运动单元为虚拟对象,应用交互虚拟平台Virtools 构建主要框架,采用3ds Max 三维软件对虚拟运动单元和场景进行制作,开发出三维动画演示程序,实现在虚拟世界中以三维动画形式直观地演示各种运动单元之间协同运动的全过程。

1　虚拟仿真平台的建立整个仿真平台的构建过程主要由以下3个步骤完成:模型的创建;模型的导入;模型的控制。

111　模型的创建三维模型的构建主要采用几何建模技术。

对象的轮廓和形状采用了点、直线、多边形图形、曲线或者曲面方程,甚至图像等方法表示。

针对运动场景中远景和近景将对象分为重点和非重点对象,对其分别采用精细建模、次精细建模和粗略建模方式;在整个建模过程中,将层次细节技术和纹理映射技术结合使用,降低了场景实时渲染的复杂度。

112　模型的导入把在3ds Max 做好的模型、材质,烘焙好,打好灯光以NMO 格式保存文件,然后在Virtools 中导入所生成的NMO 文件。

导入到Virtools 的三维世界编辑区的3D 或2D 元素可以加以观察、控制,也可以用安装SD K 插件编辑更多的行为模块(BBS ),从而实现虚拟单元在虚拟环境中各种运动功能。

113　模型的控制使用Virtools310软件进行控制,其中二维或三维模型的控制主要是通过Virtools 中内置的BBS 来实现的。

这些BBS 有500多个,能够对三维或二维模型进行各种基本操作如大小变化、旋转、缩放、颜色变化、光线变化、三维贴图等,复杂操作如行走、转向、后退等。

实现对三维世界编辑区中的模型的控制,一种方法就是直接调用行为模块库中的内置BBs ,一种是使用VC ++通过手工自动编写BBs 。

前者简单方便,后者更为灵活。

选择Data Resource中Anima2 tions类中的行为,用鼠标点击所要的动作行为并添加到3D Layout中的角色身上,并在Schematic中运用行为交互模块库中的行为模块编辑角色相应的脚本,形成3D交互动画。

本文采用将Virtools中行为模块添加到具体的虚拟运动单元上,然后在Schematic的相应的Script 中编辑各个参数,从而实现对虚拟单元的运动控制,构建一个逼真的虚拟运动仿真平台。

2　Virtools交互技术在虚拟运动环境中的实现211　功能设计该虚拟仿真平台主要是实现虚拟运动单元动作及其之间的协同运动、避障运动和最终的攻击运动,整个平台从功能上分为以下几个模块:(1)单个虚拟运动单元在虚拟空间中的翻转、转向、前进、后退、停止等动作;(2)虚拟运动单元之间协同运动控制,从而能够真实表现虚拟单元群体在虚拟空间中完成运动软件要求的各种集结、编队行进和围捕等任务的功能;(3)虚拟空间中模拟虚拟运动单元遇到障碍物时自动避障和在危险地带自动逃离的运动过程;(4)三维虚拟空间中模拟三维虚拟运动单元对目标物的探测、识别、捕获与定位的过程;(5)完成当虚拟运动单元到达既定目标位置后,围捕攻击的场景。

212　功能实现下面是部分用Virtools的BBs进行编程的虚拟单元运动实例。

(1)实现虚拟单元的转向、停止、前进等动作,①添加Character Controller到虚拟角色的Script,并编辑参数;②添加K eyboard Controller到虚拟角色的Script,并编辑参数。

③添加Prevent Collision以及K eep On Floor到虚拟角色的Script,并编辑输入参数,如图1所示。

(2)实现虚拟角色到达攻击目标位置后,进行围捕攻击的场景。

采用粒子技术模拟爆炸场景,①添加Character Curve Follow到虚拟角色的Script,并编辑参数;②添加Collision Detection到虚拟角色的Script,并编辑参数;③添加Send Message、En2 hanced Character K eep On Floor到虚拟角色的Script,并编辑参数,如图2所示。

(3)实现目标障碍物的爆炸场景,①添加Wait Message、Explode到目标障碍物的Script,并编辑参数;②添加Object K eep On Floor到目标障碍物的Script,并编辑参数;③点击Add Attributes Operation 添加Collision Manager2Fixed Obstacle到目标障碍物,并编辑参数,如图3和图4所示。

图1　虚拟角色运动脚本Fig.1　The script for the role of the virtual movement图2　虚拟角色到达目标障碍物脚本Fig.2　The script for the virtual role getting tothe goal barrier图3　目标障碍物爆炸脚本Fig.3　The script for the goal barrier explosion图4　虚拟仿真平台场景截图Fig.4　Screenshot of virtual simulation platform scene・49・北京化工大学学报(自然科学版) 2009年3　结束语本文利用3ds Max 和Virtools 交互技术构建的虚拟运动仿真平台,具有仿真程度高、交互性能好、语言简洁、容易实现等优点。

下一步将研究虚拟现实与真实环境之间的关联,以便实现虚拟仿真平台与实际运动单元之间的通讯和交互。

通过实际运动单元在虚拟空间的“映射”来反映实际运动单元的特性,从而更加直观、有效的反应平台的交互性、预见性和实用性。

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