毕业设计(论文)-图形建模与虚拟现实技术在仿真中的应用研究.doc
《毕业设计(论文)-图形建模与虚拟现实技术在仿真中的应用研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-图形建模与虚拟现实技术在仿真中的应用研究.doc(25页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、河南师范大学本科毕业论文河南师范大学本科毕业论文 学号:图形建模与虚拟现实技术在仿真中的应用研究学院名称: 计算机与信息技术学院 专业名称: 计算机科学与技术 年级班别: 姓 名: 指导教师: 2009 年05月24 河南师范大学本科毕业论文图形建模与虚拟现实技术在仿真中的应用研究摘 要 本文对虚拟现实技术如何应用于系统仿真进行了深入的研究,分析了虚拟现实技术应用于系统仿真的适用性与局限性,提出了将图形建模技术作为其应用于系统仿真的切入点与结合点,阐述了将虚拟现实技术与图形建模技术结合应用于仿真过程所涉及的理论基础及关键技术,并对它们在过程工业系统仿真中的应用作了大胆的尝试。本文的研究在图形建
2、模系统的基础上,将虚拟现实技术有机地结合进来,进一步实现了基于虚拟现实建模语言VRML的虚拟仿真场景展示系统。文中详细描述了图形建模系统与虚拟仿真场景展示系统的体系结构与功能模块,并深入论述了系统开发过程中涉及的技术难点及解决方案。关键词 仿真;虚拟现实;虚拟仿真;图形建模;虚拟现实建模语言Application of Virtual Reality and Graphic Modeling Technology in System SimulationAbstract How to apply virtual reality technology to system simulation h
3、as been studied thoroughly in this paper.The applicability and limitation of applying virtual reality to system simulation has been analyzed.And graphic modeling technology has been proposed as the medium of this application.The theory foundation and key technology of combining virtual reality techn
4、ology and graphic modeling technology and applying them to system simulation has been discussed in this paper.The developed system has been applied to process industry system simulation.Virtual simulation system based on VRML has been implemented.In this paper,the architecture and function modules a
5、re introduced in detail,and the difficulties and solutions in the process of developing the systems are also been discussed thoroughly. Key Words simulation;virtual reality; virtual simulation; virtual reality modeling language前 言图形建模的大致思想就是利用图标代表现实中的物理设备,图标与算法库中的算法建立起对应关系,建模时在前台的图形环境中利用图标调用方式完成对后台算
6、法库中算法的调用,用联线关联任意两个相关的图标,表示物流的方向,从而构成过程流程仿真的框架。利用图形建模技术,不仅可以直观地描述系统中各对象之间复杂的逻辑关系,简化建模过程,而且为仿真建模中的信息可视化获取以及表达提供了便捷的途径。虚拟现实是一门集成了人与信息的科学,其核心是由计算机生成的三维交互式虚拟环境。其本质是运用计算机对现实或虚构的世界进行全面的仿真,从而生成一个逼真的融合了三维视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的感觉世界,让用户可以从自己的视点出发,利用自然的技能,通过某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。虚拟现实技术是一项综合的技术,涉及计算机图形技术、人机接口技术、多媒体技术
7、、传感技术、高度并行的实时计算技术、立体视觉以及人工智能等多方面的新技术。系统仿真是建立相应物理系统的数学模型在计算机上进行解算的过程4。从技术应用角度看,系统仿真技术是以相似原理、系统技术、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域相关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用数学模型或部分实物对具有不确定性因素的现实系统或假想系统进行动态实验研究的一门综合性技术。虚拟现实和系统仿真之间的交集所构成的“虚拟现实仿真系统13”在内容、理论和方法上都有新的特点和亮点,它综合了虚拟现实和系统仿真各自的优点和长处。把虚拟现实与系统仿真有机的结合起来,可以形成一种虚拟现实仿真系统,将两类
8、系统的特点结合成为一个有机体,使用户可以在一个虚拟空间中将个人的偏好和独立行为融合到虚拟现实仿真过程中去。1 虚拟现实与图形建模在仿真中的应用分析1.1 虚拟现实技术的适用性虚拟现实技术具有实时的三维空间表现能力,能够实现以人为中心的人-机交互方式。从理论上讲,把虚拟现实技术与仿真技术结合起来就可以得到一个虚拟现实仿真系统。但这种结合并不是简单的相加,而是融合了两种类型系统的特点的有机体。虚拟现实系统是基于仿真的,对于虚拟现实系统来说,其核心是仿真引擎。虚拟现实系统依赖仿真引擎来推动虚拟世界中时间的流逝,处理交互事件、对象的行为、模拟自然规律并决定虚拟世界的状态。而对于系统仿真来说,无论是对真
9、实世界还是虚构世界的仿真,都可以利用虚拟现实技术作为仿真模型以及仿真结果数据的三维表现形式,实现仿真系统中的高级人-机界面。1.2 虚拟现实技术的局限性虚拟现实技术的应用确实可以带来很多好处,尤其是虚拟现实系统带来的沉浸感和交互性使用户可以在虚拟世界中自由的移动和浏览;可以控制虚拟世界中的物体从而影响虚拟世界的状态;能够直接观察到问题并着手解决等。但虚拟现实技术并不能解决所有问题,并不能代替仿真过程中的所有方法与手段。所以,虚拟现实技术在具有强大优势的同时,也具有其局限性。虚拟现实系统不适用于宏观决策问题,主要原因在于宏观问题不易建立三维模型,而且宏观决策关注的不是感觉上的直观与细节问题。虚拟
10、现实需要与其它类型的表现形式加以配合,才能发挥出最佳的效果。1.3 虚拟现实与图形建模的结合机制实际系统往往都是宏观、微观决策相混杂的,有时候不易区分,而且宏观、微观问题有些情况下也是可以相互转化的。虚拟现实在仿真系统中主要是以表现和参与为目的的。对于仿真建模阶段,采用图形建模方式,而在仿真模型的展示阶段,则采用虚拟现实技术。将两者有机的结合起来,达到了很好的应用效果5。当然,这两者在仿真中的应用并不是相互孤立的,它们之间是相互联系,并存在数据依赖关系的。2 图形建模虚拟仿真系统的设计方案与技术基础2.1 项目背景基于前面基础理论的研究,本课题的一部分实践工作集中于开发图形建模系统;开发此项目
11、的目的就是彻底改变原有的建模方式,为用户提供一个直观、友好的图形化建模环境,提高建模的速度和质量,适应市场的需求,跟上软件发展的流行趋势。其中图形建模系统为用户提供一个界面友好、功能齐全、操作简便的图形化建模环境;虚拟仿真场景展示系统为用户展示目标系统的具有动态性和交互性的三维虚拟场景模型,使用户对目标系统有更加直观感性的认识和更深层次的理解。2.2 系统设计的总体结构如图2.1所示为图形建模虚拟场景展示系统的总体结构。图标编辑工具图标管理工具建模环境模型管理工具图标库算法库模型库三维属性数据库仿真数据库二维仿真模型三维虚拟设备库三维虚拟场景 图2.1 图形建模虚拟场景展示系统的总体结构(1)
12、图标编辑工具:提供了直线、矩形、圆角矩形、椭圆、扇形、弦形、多边形等基本的图元工具,利用图形元素组合渲染成代表流程中实际设备的图标;(2)图标库:把利用图元构建的各种类型的图标集中管理起来,形成图标库;(3)图标管理工具:系统提供一个树型的图标管理工具,用户可以利用它把图标按照不同的种类组织管理起来;(4)算法库:存储表征了设备行为特性的各种工艺算法;(5)模型库:存储用户在建模环境中搭建的仿真模型;(6)建模环境:根据用户当前要做的工作为用户提供不同类型的工作环境,不同的工作环境将与不同的管理工具和数据库相关联;(7)模型管理工具:为用户提供一个树状结构的模型管理工具,便于对模型的选择和操作
13、,以及与模型服务器的连接等;(8)二维仿真模型:用户在建模环境中,利用设备图标搭建目标系统的仿真模型,并设置设备单元与算法库中相应算法之间的绑定关系,以及各个设备单元之间的连接关系;(9)三维属性数据库:将用户在图形建模过程中设定,或在图形建模画布中自动取得的三维属性信息,以及其他描述信息,记录在三维属性数据库中,以便生成三维虚拟仿真场景时获取相应信息;(10)仿真数据库:在运行仿真模型时,与仿真数据库进行交互,将模型运行的实时数据写入数据库,可以对这些数据进行图形化的显示,供用户对仿真过程进行分析;(11)三维虚拟设备库:存储了直接利用VRML语言编写的,或者利用3DS MAX制作并导出的基
14、于VRML的虚拟设备模型;(12)三维虚拟场景:根据图形仿真模型以及其他必要的数据,生成的基于VRML的动态的、交互性的虚拟仿真场景。2.3 系统开发的技术基础系统的开发工作是在Windows 2000操作系统下的Visual C+集成开发环境中完成的。在开发的过程中采用了先进的面向对象技术、MVC设计模式、MFC应用框架,以及ActiveX控件技术。2.3.1 面向对象技术面向对象程序设计技术的提出,主要是为了解决传统程序设计方法15结构化程序设计所不能解决的代码重用问题。面向对象的编程方法具有四个基本特征:(1)抽象:抽象包括两个方面,一是过程抽象,二是数据抽象。过程抽象是指任何一个明确定
15、义功能的操作都可被使用者看作单个的实体看待。数据抽象定义了数据类型和施加于该类型对象上的操作,并限定了对象的值只能通过使用这些操作修改和观察。(2)封装:即现实世界可以被描绘成一系列完全自治、独立的对象,把对象的过程和数据包装起来,通过一个接口与外部进行交互,因此封装使得对象的内部实现与外部接口分离开来。(3)继承:继承指一种类型的对象继承了另一种对象的特性。在面向对象程序设计中,继承是一种类的层次模型,是指一个子类继承父类的特征。(4)多态:主要是指变量多态和方法多态,变量多态是指同一个变量在运行时刻标识不同类型的对象,而方法多态主要是指同一个方法做不一样的动作。总之,面向对象程序设计具有许
16、多优点。由于面向对象编程的可重用性,可以在应用程序中大量采用成熟的类库,从而缩短了开发时间,提高了开发效率,并且所开发的程序可靠性更高、更强壮。2.3.2 MVC设计模式MVC(Model-View-Controller)是一种交互界面的结构组织模式。MVC把交互系统的组成分解成模型(Model)、视图(View)、控制器(Controller)三种部件。模型是软件所处理的问题逻辑在独立于外在显示内容和形式下的内在抽象,它封装了问题的核心数据、逻辑功能的计算关系,提供了完成问题处理的操作过程。视图把表示模型数据及其逻辑关系和状态的信息以特定的形式展示给用户。它从模型获得显示信息,并通过特定的显
17、示形式,把信息转达给用户。控制器是处理用户与软件的交互操作的,其职责是控制导致模型中任何变化的传播,确保用户界面与模型间的对应联系。它接受用户的输入,将输入反馈给模型,进而实现对模型的计算控制。模型、视图与控制器的分离,使得一个模型可以具有多个显示视图。如果用户通过某个视图的控制器改变了模型的数据,所有其它依赖于这些数据的视图都相应地反映到这些变化。因此,无论何时发生了何种数据变化,控制器都会将变化通知所有的视图,导致显示的更新。2.3.3 MFC程序设计框架MFC2.0是一种新的应用程序结构MFC文档/视图结构。在这种结构中,框架类繁重的任务被委派给几个不同的类,实现了数据存储和显示的分离6
18、。一般情况下,采用文档/视结构的应用程序至少应由以下对象组成:(1)应用程序是一个CWinApp派生对象,它充当全部应用程序的容器。(2)框架窗口是一CFrmeWnd派生对象,充当试图的容器。(3)文档是一个CDocument派生对象,它存储应用程序的数据,并把这些信息提供给应用程序的其余部分。(4)视窗是CView派生对象,它与其父框架窗口用户区对齐。视窗接受用户对应用程序的输入并显示与其相关联的文档数据。2.3.4 ActiveX控件技术ActiveX是对广泛使用的OLE控件技术的更新和升级,是对OLE控件技术的更名和重构。ActiveX依赖于COM技术,其实质是遵从一定的标准、与客户端交
19、互的COM对象。对象链接与嵌入(OLE)用于在不同的应用之间,甚至在多种类型信息之间进行集成,以实现高度的应用兼容性。OLE技术基于COM,并且考虑到了可重用的、即插即用对象的开发并且这些对象在多个应用之间是可以相互操作的。OLE还规定了可重用的、基于组件的软件开发规范,使得在这样的软件开发中,任何软件供应商都能以任何语言编写软件组件。基于组件的应用开发,其方法和组装电脑一样,可以用已制作好的组件部件来构筑应用。组件对象模型(COM)提供了接口和内部组件通信的标准。通过COM,一个实际应用可以采用其他任何一个应用对象或操作系统的特征,或允许软件组件的升级而不对整个系统的运行造成影响。2.4 虚
20、拟现实建模语言VRML2.4.1 VRML内容简介VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术规范是一种网络环境下描述虚拟三维模型、渲染以及提供交互操作的跨平台、开放式、解释性文本语言。一个VRML文件主要组成部分包括:VRML文件头、原型、造型节点和脚本、路由。文件头部分来告诉浏览器,该VRML文件符合的规范标准以及使用的字符集等信息。原型定义创建了带有指定名称、接口和整体的新节点类型。造型节点是VRML中的基本构造模块,正是由于造型节点的定义而产生了虚拟的VRML空间以及其中的虚拟物体。脚本是一套程序,通常作为一个事件级联的一部分而执行。路由是一种文本
21、描述的消息,一旦在两个节点之间创建了一个路由,第一个节点可以顺着路由传递消息给第二个节点,这样的消息被称为事件。2.4.2 VRML的工作原理与特性VRML的基本工作原理可概括为:文本描述、远程传输、本地计算生成。文本描述:VRML用类似HTML标记文本语言来描述三维场景。远程传输:是指用户浏览VRML描述的虚拟场景时,需要通过Internet将描述场景的文本从服务器传送到本地,由本地的浏览器解释VRML代码,并显示出三维虚拟场景。本地计算生成:是指描述虚拟场景的数据传送到本地后,浏览器对它进行解释计算,动态生成虚拟场景。VRML的基本特性可以概括为:统分结合、基于ASCII码的低带宽可行性、
22、实时3D着色引擎和它的可扩充性。统分结合模式:VRML的访问方式基于C/S模式,其中服务器提供VRML文件,客户通过网络下载希望访问的文件,并通过本地平台的浏览器(Viewer)对该文件描述的VR世界进行访问。可扩充性:VRML作为一种标准,不可能满足所有应用的需要。因而VRML是可扩充的,即可以根据需要定义自己的对象及其属性,并通过Java语言等方式使浏览器可以解释这种对象及其行为。3 图形建模系统的技术实现3.1 图形建模系统功能简介图形建模系统主要包括三方面的功能7:图形化定义设备和系统;仿真过程的图形交互操作;模型数据的图形化动态显示。图形建模系统的功能结构如图3.1所示。图形建模系统
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 图形 建模 虚拟现实 技术 仿真 中的 应用 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3282484.html