毕业设计（论文）基于OGRE的虚拟校园漫游系统的设计与开发.pdf

摘要摘要自20世纪90年代以来，虚拟现实技术作为一种最为强大的人机交互技术，一直是 信息领域研究开发和应用的热点方向之一。近年来，随着计算机软件和硬件技术的发展 以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。本文从具体课题出发，构建虚拟现实漫游的系统框架，并创建实时动态渲染处理结 构，同时建立虚拟漫游交互机制来完成虚拟环境与外设的双向实时控制。并且充分考虑 虚拟漫游实际情况以及OGRE渲染引擎的特点，结合系统应用背景和需求，本文设计了 基于OGRE的虚拟现实系统架构，主要研究内容包括：(1)基于虚拟现实漫游系统的互操作性和可重用性，设计了虚拟现实漫游系统的系统 结构，包含功能明确的三个端：渲染端、网络服务端和控制端。并且渲染端封装了 ORGE 渲染引擎，实现了快速实时的渲染；(2)基于DSP28335完成了健身自行车与虚拟环境的智能交互控制，利用DSP的加 强捕获模块ECAP捕获速度和方向信号，输入到计算机中作用于虚拟环境，实现人与虚 拟环境的实时的快速的交互。根据本文所论述的原理和方法，成功设计并实现了基于微机平台的健身自行车虚拟 漫游交互系统。控制平台面板可完成与网络服务平台的连接，控制信号的获取以及对应 渲染终端信息的显示。实验表明，本系统能较好地模拟人在实际环境中骑车的感受，实 现实时的虚拟交互。且本系统设计高度模块化，各个部分功能独立，可直接应用于其它 虚拟现实交互控制系统当中，应用前景广阔。本系统后续工作将进一步完善场景对于外 部设备的反馈控制，最终实现双向的智能感知和实时交互。关键词OGRE虚拟现实渲染交互控制TMS320F28335IAbstractAbstractSince 19 9 0s,virtual reality as one of the most powerful technique has been a hot research spot in information field.In recent years,with the development of software and hardware of computer and increasingly aware of its important role,it began to be used in all aspect of life and showed a wide prospect.This paper is based on a specific topic,built a systems framework of virtual reality,and created a real-time dynamic structure for rendering.Interaction mechanisms of the virtual tour system to complete virtual environment was built by controlling the two-way real-time peripherals.Taking the actual circumstances of virtual tour and the characteristics of the OGRE rendering engine into account,and combining with the background and needs of this system application,a virtual reality system architecture based on the foundation of OGRE was designed.Main work of the paper included:(l)Based on the interoperability and reusability of virtual reality system,this paper designed the architecture of virtual reality system,containing three features:rendering side,network service and control client.In rendering side,the ORGE rendering engine was encapsulated,which enabled fast and real-time rendering;(2)This paper completed the smart interactive control of fitness bike with virtual environment based on DSP28335.Using the strengthen capture module ECAP of DSP,rate and direction information was captured,then the information was entered into a virtual environment in computer to achieve the interaction with virtual environment real-time and fast.According to the principles and methods of this article,a fitness bike interactive virtual tour system based on the personal computer platform was designed and implemented successfully.Control Panel could complete the connection with the platform of network services platform,acquirement of the control signal and displayment of corresponding render terminal information.Experiments showed that this system can be a better simulation for people to achieve real-time virtual interaction in the real world riding experience.And this system was highly modularization,all parts of the functionas were independence and could be applied to other virtual reality systems directly.In the follow-up work,this system will further iiAbstractthe feedback control with external device will be improved to complete the real-time interaction finally.Key words OGRE virtual reality render interactive control TMS320F28335ill第1章引言第1章引言1.1 课题的研究背景、来源及意义虚拟现实（VirtualReality,简写为VR）技术又称灵境技术，是近十几年正在逐步兴起 的高新的科学技术，它利用计算机模拟产生虚拟场景，是一种可以产生虚拟现实环境的 计算机仿真技术口。这种场景通过计算机创建的，通过人的各种体验等作用于人，使人 能够产生身处虚拟环境的感觉。它涉及到各种综合的方面3句，使人可以通过仿真环境融 入这个虚拟的计算机体系并操纵场景中的物体进而进行交互。虚拟漫游技术是虚拟现实技术的一个重要的分支。虚拟现实系统从根本上来说是一 种人和计算机交互的技术的产物，可以使人在所创建的体系结构中进行融入其中的的各 种行为区叫虚拟漫游技术让人可以从不同方面的体验各种前所未有的尝试。一个全面的 虚拟现实系统应该具有人所能感觉的的全部体验行为，并且可以使模拟环境达到难以分 辨真假的最终目的。用户和计算机虚拟环境的交互控制是虚拟漫游系统的关键，可以让 用户通过自己的操作来控制模拟环境内实体并且从虚拟环境得到实时的全面的回馈。技术发展到现在，人们能够完全的融入这种技术创建的虚拟现实场景系统中去，并通过 各种传感器设备实时捕捉与虚拟现实环境进行实时的多角度的相互影响，从而定从综合 复杂的虚拟环境中得到自己想要的数据和反馈效果。本文结合实际课题，在开发虚拟校园漫游系统的基础上，以虚拟校园漫游的控制为 切入点，深入研究了基于ORGE的虚拟现实漫游技术，并实现了基于健身自行车的虚拟 校园漫游系统，既有产品的发布，又有理论的提高。1.1.1 研究的背景近年来，虚拟现实技术在建筑领域、城市设计规划和环境设计等领域得到了较为广 泛应用。随着科技的进一步发展，越来越多的用户渴望体验各种不同的虚拟漫游的效果。并且希望观察者自己能够随意地选择漫游路径，真正地设身处地的体验在虚拟环境里的 感受。虚拟现实技术在环境漫游领域有着独特的魅力，体现在它的实时性、交互性及立 体性等多方面纥针对具体的虚拟校园漫游，教育部在一系列相关的文件中明确的涉及河北大学工学硕士学位论文到了虚拟校园漫游，提出了虚拟校园漫游系统在当前科技虚拟环境科技领域的地位和作 用助。虚拟校园漫游系统也是虚拟现实技术在教育领域中较早的实际应用。虚拟校园漫 游系统可以为游客的浏览提供相对完整的三维可视化虚拟环境。另外以教学为目的，通 过一系列人性化的设置，以虚拟现实技术作为远程教育平台，可以进行远程虚拟教育。虚拟现实技术可为高校扩招后设置分校和远程教育网点提供电子教学场所。通过网络，可对各个教学网点提供开放性的、远距离的持续教学，还可为社会提供最新的技术和职 业培训的场所，进而创造更大的经济和社会效益。在本课题中，通过对虚拟现实及具体 的虚拟现实引擎OGRE的系统学习，分析了虚拟现实漫游系统的特点，对目前国内外虚 拟现实漫游的实现技术进行了分析总结和比较，对虚拟现实漫游中的某些关键技术进行 理论分析和应用研究，特别是对OGRE渲染引擎的特点做了深入的研究，实现一个虚拟 现实漫游系统。1.1.2 课题的来源科技部国际科技合作项目(the Ministry of Science and Technology international co-operation in science and technology program of China under Grant No.2008DFR 10530)o河北省科技厅指导性计划(the Science and Technology Bureau of Hebei Province Directional plan under Grant No.07 2135140)o1.1.3 目的及意义自上个世纪以来，虚拟现实技术作为一种应用于虚拟环境的控制技术，一直是现代 科技研究和应用的兴趣点。虚拟现实技术的虚拟各种人轻易不能达到的各种复杂条件的 环境，它在军事领域得到了很大的重视并率先得到了应用久近年来，科技的进一步 发展提高了计算机硬件的不断更新，从而从另一个侧面加速了的应用和发展，使虚拟技 术在应用到了社会和科技领域的各个方面，并且越来越体现出了它的不同应用领域的巨 大价值。虚拟战场、虚拟城市等一系列虚拟现实技术的应用使以前的许多行业发生了翻 天覆地的改变句。在国内，虚拟现实技术的研究起步仅仅是近些年的事，对于其中的 多交这个方面来说研究更是很少。当前的科学技术的发展，使虚拟现实交互技术将现实 完全的全面的虚拟化，人将身在各种各样的虚拟环境中，感受前所未有的体验的乐趣。2第1章引言作为一项综合的技术，虚拟现实技术整合了图像处理、计算机图形学、传感器技术等多 方面当前科学领域的热门技术“5”从系统上来说，虚拟现实交互体系囊括了检测环节、反馈环节、传感器应用、控制环节以及数学建模等方面。从系统上看，虚拟现实交互系 统包括检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块以及建模模块等。在该系统中，主 要采用了动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术及系统集 成技术。在该系统中，首先，第一步需要虚拟环境实时动态的生成虚拟物体；第二步就 是用户通过人的各种感触与虚拟环境进行交互；之后利用传感器进行数据的传输达到交 互目的U78,实现应用。1.2 研究内容及创新点本文从具体课题出发，构建虚拟现实漫游的系统框架，并创建实时动态渲染处理结 构，同时建立虚拟漫游交互机制来完成虚拟环境与外设的双向实时控制。并且充分考虑 虚拟漫游实际情况以及OGRE渲染引擎的特点，结合系统应用背景和需求，本文在一般 的虚拟漫游系统的基础之上，设计基于OGRE的虚拟现实系统架构。课题的创新点包括:(1)基于虚拟现实漫游系统的互操作性和可重用性，本文设计的虚拟现实漫游系统 结构包含功能明确的三个端：渲染端、网络服务端和控制端。并且渲染端封装了 ORGE 渲染引擎，实现了快速实时的渲染；(2)基于DSP28335完成健身自行车与虚拟环境的智能交互控制：在本自行车虚拟 现实交互系统中，主要是借助各种传感器实时地捕捉人体作用于自行车而产生的各种运 动参数。利用DSP的加强捕获模块ECAP捕获速度和方向信号，输入到计算机中作用 于虚拟环境，实现人与虚拟环境的实时的快速的交互。这其中用到了 DSP控制技术和 虚拟现实平台通信技术。底层控制均由DSP系统完成。1.3 论文的组织结构第一章绪论部分简要介绍研究背景、课题来源、研究内容、研究目的意义以及论文 的创新点。第二章讨论了虚拟漫游及交互控制技术。介绍了虚拟漫游及交互控制技术的国内外 研究现状、典型的虚拟漫游平台，并且基于对比，阐述了 OGRE渲染引擎的特点。3河北大学工学硕士学位论文第三章介绍了漫游系统的功能模块、包括服务器端，控制端和渲染端。第四章介绍了基于OGRE的漫游场景的设计与实现。分析了 OGRE场景中结构，以及场景初始化过程，优化了场景视点的设置，还有所用的具体的碰转检测。第五章介绍了基于TMS320F28335的交互控制的实现、交互控制系统的整体框架。并且具体的阐述了交互控制系统外部数据采集系统，最后是交互控制信息分布式渲染的 具体过程。第六章对全文的研究工作进行总结和展望，指出了需要进一步改进的方面。4第2章虚拟漫游及交互控制技术第2章虚拟漫游及交互控制技术2.1 国内外的研究现状在国外，虚拟漫游技术已经比较成熟口久在室内设计装璜方面，美国灯光空间软件 公司开发了灯饰可视化软件(Lightscape Visualization System)和LEL居室环境系统并 得到广泛应用。德国统一后，重新规划建设首都柏林需要城市规划模型，德国ART+COM 公司与VPL研究中心利用VPL的VR系统成功建立电脑模型，其民族广场就是利用这 个模型规划的。值得一提的是美国为争取1996年的夏季奥运会主办权，美国亚特兰大 市政府与大学及计算机公司设计了一套大型虚拟实境系统，将该市现有的、在建的及计 划建设的奥运设施栩栩如生地表现出来，为该市夺得1996年奥运会的主办权立下了汗 马功劳。美国是虚拟漫游技术应用最早的国家，例如美国的斯坦福大学已经做了虚拟校 园系统，美国北卡罗纳大学(UNC)的计算机系是VR研究最早最著名的大学，他们主 要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。由Brooks教授领导的小组 研制成功了第一个用于建筑设计的Wall-through虚拟建筑漫游系统，用户可以在虚拟的 UNC计算机系大楼里面漫游，另外澳大利亚的墨尔本大学、加拿大的多伦多大学也相 继实现了完整的虚拟校园的漫游。UC Berkeley漫游工作室在建筑漫游方面的工作颇具 代表性。1996年，他们对Berkeley大学计算机系教学楼Soda Hall进行了事前漫游，及 时发现并修正了建筑设计中的缺陷，由于研究小组开发了高效的漫游引擎，实现了 Soda Hall在SGI PowerSeries 320平台上的实时漫游。在国内，我国相对来说各种技术起步比较晚，当然虚拟现实技术也不例外。由于整 体的引进和开发比较滞后，我国的虚拟现实技术与欧美的先进水平差距还很大，其发展 明显落后于发达国家2叫但是最近几年随着国家的科技进步和对外开放的不断涉及到各 个方面，我国投入了大批的人力物力应用到了这一新事物的开发和应用。例如，国家就 明文规定了虚拟现实技术作为一项明确的科技战略在新时期的重要作用】。在虚拟现实 方面，国内许多大学都应用不同的工具开发了自己独具特色的虚拟校园系统，例如，香 港中文大学自己投资开发的虚拟校园在其虚拟校园环境中，人可进行立体漫游、点 坐标和环境地点的查询、环境事物的增加和删除等行为，并可基于立体沉浸和文本对话 5河北大学工学硕士学位论文实现在网络的虚拟空间中与其他用户的交互2支北京航空航天大学利用本身资源，开发 了自己的虚拟校园环境，使参观者可以设身处地的参观北航的各种环境设施，同时作为 一种策略也一定的程度上的宣传了自己。总之，虚拟校园提供给用户的是一个开放的系 统，设计人员和管理部门可以利用它进行规划设计和方案评审。学校其他部门、教职员 工、学生也可以通过虚拟校园对校园规划提出自己的感受，参与校园规划建设。2.2 渲染引擎的选择目前进行虚拟漫游设计的开发，在平台的选择上大致分为三个方面的情况，一种开 发方式是直接利用面向硬件底层API的调用，从而达到自主开发引擎的目的，这种方式 运行效率较高、设计灵活、有自主产权；第二种是用第三方软件商开发提供的带有商业 意义的虚拟现实引擎，使用者不需要对具体的技术细节进行研究即可以通过该引擎制作 出比较实用的虚拟漫游产品；第三种开发方式是专门面向网络的开发方式。2.2.1典型的虚拟漫游平台(l)OpenGLo OpenGL是一个专门的3D图形渲染函数库，可以自己独立的进行虚 拟图形的软件而不依赖系统环境，有良好的平台移植性侬。但是现在这种技术发展比较 缓慢，唯一的可升级的就是增加一些指令集，但是它们直接兼容性做的不是很好，受到 进一步发展的很大约束。另外，这种技术要求的硬件环境比较高，甚至要求独立的图形 渲染CPU,一定程度上加大了开发成本和开发困难，不能利用现有资源进行开发，制约 很大。因此，此项技术目的只用于利用它开发中间产品环节；(2)Direct 3D。Direct 3D是微软自己开发的比较权威的支持windows系统的图形渲 染函数库，它可以不涉及图形显示接口直接对各种硬件底层进行编程操作，功能强大。利用到了很多系统本身的优势，可以加速进行虚拟图形的渲染，明显的提高了工作效率,Direct3D可以作为虚拟系统和底层硬件的中间层内。其图形设备的硬件抽象层，可以直 接对于显卡进行操作，而且具有跨平台性。另外，强大的系统支持可以使其直接进行编 程，而不需要进行底层细节的了解。但是DireQX有一个很突出的劣势，就是依赖微软 公司windows操作系统的支持，跨平台性比较差；(3)wTKo wTK是有著名的Sun公司自主研发的图形渲染开发工具包1261。它能 6第2章虚拟漫游及交互控制技术够大大的简化使用者开发的过程，为Java使用者进行图形绘制开发提供了极大的方 便，目的性很强，功能很强大，一定程度上加速了程序的开发；(4)VEGAo VEGA是MultiGen-Paradigm公司开发进行图形设计的图形软件，用 于图形的实时绘制和图形建立等2支这个软件将各种针对虚拟环境的各种工具结合起 来，目的是针对不同的要求，进行快速的实时的构建和渲染。它能明显的提高应用，快速的缩短开发所花费的人力物力。其模块化的设计，使开发者可以很容易的进行移 植，方便了开发；(5)OpenGVS软件包。OpenGVS是Quantum3D公司设计的图形软件。它提供了强 大的图形渲染功能28。并且提供了大量的异构函数，使使用者可以全面细致开发具体的 细节层次。另外，针对底层的开发可以进行各种设备的直接驱动，加速图形的逼真和渲 染快速性。但是其不是一个独立的图形软件，只能作为其他图形软件的捆绑软件进行使 用，限制了其自己功能的独立改进。2.2.2 OGRE的特点和典型应用国内外的虚拟现实环境软件现在已经具有了相当的技术水平。但是以上介绍的几种 平台，有些没有底层控制、缺乏数据库支持；有些硬件设备交互性差，功能扩展困难。它们的共同点是具有相同的结构，它们都是一种应用程序，尽管可以通过插件或者添加 模块方式进行升级，但是其结构在软件打包发行时已经确定，其功能也大体确定，可升 级余地小。OGRE是近年来出现的开放性图形渲染引擎，它对更底层的系统库(如：Direct3D 和OpenGL)的全部使用细节进行了抽象和封装，并提供了基于现实世界对象的接口和 其它类，方便与其它引擎配合工作。同时，基于C+开发的面向对象且使用灵活的3D 引擎。它的目的是让开发者能更方便和直接地开发基于3D硬件设备的应用程序或游戏。良好的面向对象的设计及模式应用，可方便完成分布式系统结构。OGRE渲染引擎的特 点网如下:(1)效率特性：简单、易用的面向对象接口设计使你能更容易地渲染3D场景，并使你的实现产 品独立于渲染API(如Direct3D/OpenGL/Glide等等)7河北大学工学硕士学位论文 可扩展的程序框架(framework)使你能更快的编写出更好的程序 为了节省你的宝贵时间，OGRE会自动处理常见的需求，如渲染状态管理，hierarchical culling,半透物体排序等等 清晰、整洁的设计加上全面的文档支持平台和3D API支持：支持 Direct3D 和 OpenGL 支持 Windows 平台，用 Visual C+6(或 Visual C+.Net)和 STLport 来编译 支持Linux平台，用gcc 3+(或gcc 2.9 x)和STLport来编译 材质/Shader支持 支持从PNG、JPEG或TGA这几种文件中加载纹理；自动产生MipMap；自动 调整纹理大小以满足硬件需求 支持可程序控制的纹理坐标生成(如环境帖图)和转换(平移、扭曲、旋转)材质可以拥有足够多的纹理层，每层纹理支持各种渲染特效，支持动画纹理 自动应用多通道渲染和多纹理，从而大幅度提高渲染质量 支持透明物体和其它场景级别的渲染特效 通过脚本语言可以不用重新编译就设置和更改高级的材质属性(3)网格 Meshes：高效的网格数据格式 提供插件支持从Milkshape3D导出OGRE本身的.mesh和.skeleton文件格式 支持骨骼动画(可渲染多个动画的组合)支持用贝赛尔样条实现的曲面(4)场景特性：拥有高效率和高度可配置性的资源管理器，并且支持多种场景类型。使用系统默 认的场景组织方法，或通过亲自编写插件使用自己的场景组织方法 通过绑定体(如绑定盒)实现的场景体系视锥拣选 提供的BspSceneManager插件是快速的室内渲染器，它支持加载Quake3关卡和 shader脚本分析 优秀的场景组织体系；场景结点支持物体的附属(attach),并带动附属物体一起 运动，实现了类似于关节的运动继承体系8第2章 虚拟漫游及交互控制技术(5)特效：粒子系统包括可以通过编写插件来扩展的粒子发射器(emitter)和粒子特效影响 器(affector)通过脚本语言可以不用重新编译就设置和更改粒子属性。支持并 自动管理粒子池，从而提升粒子系统的性能 支持天空盒、天空面和天空圆顶，使用非常简单 支持公告板，以实现特效 自动管理透明物体(系统自动帮你设置渲染顺序和深度缓冲)(6)其它特性：资源管理和文档加载(ZIP、PK3)支持高效的插件体系结构，它允许你不重新编译就扩展引擎的功能 运用Controllers你可以方便地改变一个数值。例如动态改变一个带防护罩的飞船 的颜色值 调试用的内存管理器负责检查内存溢出本文利用OGRE完成的虚拟校园漫游系统的渲染效果图如图2-1所示。图24OGRE渲染效果图2.3数据交互模块的选择2.3.1 单片机与DSP器件的比较单片机应用范围广，流行的是8位机，DSP是专门做数字处理的芯片，也可纳入 单片机。DSP可以说是一种高级的单片机其相对于单片机突出的特点就是具有高 9河北大学工学硕士学位论文速运算能力，通过其运算密集型的优势，比单片机的事务密集型的运算模式有个很大 提高。单片机实际上就是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、ROM、时钟、定时/计数 器、多种功能的串行和并行I/O 口的一个简易的数字信号处理器。单片机也可以进行数 字运算，但是8位乘法和除法的操作周期相当长，但DSP的乘法和除法基本上可以一 个指令周期能执行完成。DSP可以进行16位甚至32位的数字运算，这是单片机所不 能够完成的其具有位处理功能，明显的特点就是事物控制口I而DSP可以说是具有更 高集成度的单片机。其拥有快速的CPU,并且内部存储介质的容量更大，尤其是其内 部的多级流水线的操作，本质上大大提升了 DSO的性能，并且可以进行复杂的函数运 算，有DSP功能的芯片最明显的标准就是单周期MAC,也就是说一个机器周期内能完 成一个乘法运算其乘积再加上相同位数的操作。且较快执行快速傅立叶变换FFT。这 些都是其他的微控制器（单片机）和微处理器（电脑CPU）所不能比的。DSP其间以 前和单片机相比的劣势就是其昂贵的价格。但是随着科技的发展，尤其是硬件的不断 跟新换代，DSP的价格也是迅速下降，满足普通用户的需求。DSP明显的特点是利用 JTAG动态仿真，相比于单片机其调试更加快捷和方便。随着DSP的大量应用和技术 的不断改善，各种新型的DSP器件不断个涌现，功能越来越强大。这一趋势为数字信 号的实时动态处理提供了强大的支持。随着DSP产品越来越多的吸引人们的视线，用 DSP器件来作实时处理已成为将来科技领域的一个发展方向32。2.3.2 TMS320F28335型数字信号处理器DSP芯片我们选择了当前最新的TMS320F28335M34来实时快速的采集速度和方 向信息。来保证数据采集的及时性和准确性。TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款TMS320c28X系列浮点DSP控 制器。与TI前代领先数字信号处理器相比，增加了单精度浮点运算单元（FPU）和高精度 PWM；并且ash增加了 1倍；增加了 DMA功能，能够将ADC的转换结果等直接存入 DSP的任一存储空间；增加了 1个CAN通讯模块；增加了 1个SCI接口；增加了 1个 SPI接口。分割并强化了事件管理器，使其动能更加强大，但又不失灵活性。这些升级,使28335的性能平均提高50%。并且，得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算 法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期,10第2章虚拟漫游及交互控制技术降低开发成本。茂琴愉入 LCD接口 扩展的检入检出口 键盘接口 CAN图2-2 DSP28335实验板11河北大学工学硕士学位论文第3章漫游系统的功能模块3.1系统的整体结构本文设计的交互式虚拟现实系统的基本架构如图3-1所示，包括了控制平台、网络 传输平台和场景渲染平台三部分。渲染信息 0图3-1系统整体构架（1）网络传输平台：网络传输平台的主要内容就是为控制端和渲染端提供了一个交 互的中介，渲染端和控制端端通过开启的服务器端交互数据信息来更新自己。它是以网络引擎RAKNET为基础，定义基于XML的动态数据结构及各层次之 间的通信协议31,完成对于多控制端和多渲染端的对应信号传输，以实现通讯的实时性和准确性；（2）渲染平台：分布式虚拟现实交互控制系统渲染端的主要任务是实现三维场景的 渲染，生成实时的虚拟环境；在虚拟环境中创建具有物理特性的实体对象并完 成实体和环境的交互；（3）控制平台：控制端是虚拟现实和机构的接口层。采用正向运动学分析完成机构 对虚拟环境速度、加速度、转向等输入的控制；同时，根据碰撞实体的物理特 性及碰撞的方位，给出碰撞反馈算法，进而利用反向运动学分析得到机构的反 馈信息，最终完成环境与机构的实时交互控制。12第3章漫游系统的功能模块3.2 服务器模块在DVR系统中，由网络服务器管理用户之间的通讯。网络服务平台是采用网络指 令的模式，实现多网络节点的控制逻辑。本平台引入RakNet网络引擎，定义了基于XML 的动态数据结构及各层次之间的通信协议，完成对于多控制平台和多渲染平台的信号传 输。控制端将更新信息打包实时发送至服务器，服务器将更新信息解包并按一定的服务 器逻辑发送至相应的渲染端。渲染端根据接收的更新信息作自身的场景更新。这种结构 的主要优点是消息分发负担从用户主机转移到服务器。由于用户主机只是简单的对每个 本地更新发送一个消息到服务器，并从服务器接收所有相关远程实体的状态更新。用户 主机只需要对消息很少的处理、存储、发送来维持一个大的虚拟现实的状态一致。3.2.1 通讯方式本文中服务器端以UDP网络传输协议为基础,运用了基于UDP网络传输协议的C+网络库一Raknet。Radnet是一个基于UDP网络传输协议的C+网络库区”，允许程序员 在他们自己的程序中实现高效的网络传输服务。通常情况下用于游戏，但也可以用于其 它项目。Raknet有很多优点，例如：高性能：在同一台计算机上，Radnet可以实现在两 个程序之间每秒传输25000条信息；跨平台：当前Radnet支持Windows,Linux,Macs,可以建立在Visual Studio,GCC,Code:Blocks,DevCPP和其它平台上等。具体的通信 方式如图3-2所示。.13 一 战在完成客户数据的1 楼受和龙送图3x 荻制数据/、2交互系统通信原理13河北大学工学硕士学位论文服务器端启动后，给渲染端和控制端分配各自的ID,渲染端和控制端通过发送数 据包给服务器端来连接对方，通过开启的服务器端交互数据信息来更新自己。在客户端 OGRE内部的帧时长变量mFrameTime,控制类中添加一个标志量用来判断mFrameTime 值是否已同步，以防止其他要素更改已经同步好的时间片长度值；客户端每帧都接收来 自服务器端的数据包，并从中取出这一帧的时间片长度。调用控制端内部mFrameTime 控制类的中的函数，将取出的时间片长度值赋给mFrameTime；客户端系统取出帧时长 控制类中的mFrameTime作为参数传入更新系统的函数中。依次调用的各个函数分别用 时间片长度更新系统的属性。控制端通过以上过程，能够保证各客户端内部系统所使用 的参数严格一致。具体工作流程如图3-3所示。图3-3服务器端每帧工作原理3.2.2 数据传输格式该分布式三个端的交互是基于Raknet协议的。在Raknet协议中，Packet是网络传输中用于存储数据的一个最重要的数据结构，它 的结构如下：Struct Packet(PlayerlD playerld;Unsigned long length;Unsigned long bitsize;Char*data;)PlayerlD表明了包的出处。每一个连接服务器的客户端都将被分配一个唯一的ID 号，用于标识自己。Length和bitsize用于说明这个结构中的数据长度和比特大小。Data 14第3章漫游系统的功能模块为传播的数据。在本文中，控制端和渲染端都定义了自己的Packet,用于和服务器传递和交互信息。由于OGRE是用C+进行的封装，故在实际传输中为了继承的方便本系统把Packet改造 成：渲染端：class RenderPacket(Public:string mldentify;Vector3 mPosition;Quaternion mOrientation;Vector3 mSpeed;map mStates;map mCommands;)；控制端：class ControllerPacket(Public:string mldentify;float mAcceleration;float mTinyOrient;map mStates;map mCommands;)；15河北大学工学硕士学位论文图3-4虚拟现实服务器端3.3 控制端功能模块控制平台是虚拟场景和控制终端的接口。一方面采用正向运动学分析完成控制节点 对虚拟场景速度、加速度、方向等输入的控制；另一方面根据虚拟场景的碰撞反馈信息,利用反向运动学分析得到控制节点的反馈信息，最终完成虚拟场景与控制节点的双向交 互控制。这些数据信息的处理过程为先发送到服务器端的数据库，然后服务器从数据库 中取出数据，然后将数据发送给渲染端，更新渲染端的内容。渲染端的数据经由服务器 反馈给控制端，控制端根据得到的调试信息，给出合理的参数设置。从而优化虚拟环境 速度、加速度、转向等数据；同时，根据碰撞实体的物理特性及碰撞的方位，给出碰撞 反馈算法1383叫反馈碰撞物体的信息，进而利用反向运动学分析得到机构的运行信息，最终完成环境与机构的实时交互，实现对机构的控制。在客户端OGRE内部的帧时长变量mFrameTime,控制类中添加一个标志量用来判 断mFrameTime值是否已同步，以防止其他要素更改已经同步好的时间片长度值；客户 端每帧都接收来自服务器端的数据包，并从中取出这一帧的时间片长度。调用控制端内 部mFrameTime控制类的中的函数，将取出的时间片长度值赋给mFrameTime；客户端系 统取出帧时长控制类中的mFrameTime作为参数传入更新系统的函数中。依次调用的各 个函数分别用时间片长度更新系统的属性。控制端通过以上过程，能够保证各客户端内 部系统所使用的参数严格一致。16第3章漫游系统的功能模块图3-5虚拟现实控制端3.4 渲染端功能模块场景渲染平台是基于图形渲染引擎OGRE实现了虚拟场景的渲染。渲染平台生成实 时的虚拟环境，在虚拟环境中创建具有物理特性的实体对象并完成实体和环境的交互。OGRE引擎由多个功能模块组成，每个功能模块在完成各自功能的同时，通过互相配合,共同实现OGRE的强大功能和优秀特性。OGRE的基本模块大致可分为核心模块、平台 服务及管理模块、文件和插件系统、渲染系统及工具箱五部分。结构如图3-6所示。核心系统OgreMain平台服务及管理文件和插件系统渲染系统 RenderSystems沙m球妲 UUXDO图3-6 OGRE功能结构其中，OGREMain模块是该引擎的核心模块加川，它提供了包括场景组织体系、资17河北大学工学硕士学位论文源管理、事件监听、内存管理、渲染器和几何通道以及日志和异常处理等17个基本特 性；平台服务和管理(PlatformManagers)模块则提供对Windows和非Windows平台的 基本服务和管理；文件插件系统(Plugins)为引擎提供在文件系统文件夹中定位资源的 能力；渲染系统(RenderSystems)引擎提供了基于OpenGL SDL、DirectX的图形渲 染接口；工具箱(Tools)模块支持3DSMax、位图字体的创建、骨骼动画、游戏脚本语 言、OGRE模块的修改等。本文利用可视化开发工具Visual Studio.NET将开发层的交 互虚拟场景封装为Windows APL作为面向用户的界面，应用层是交互控制的基础，同 时为网络分布式架构地开发奠定了基础。界面如图3-7所示。图3-7虚拟现实渲染端18第4章基于OGRE的漫游场景的设计与实现第4章基于OGRE的漫游场景的设计与实现OGRE是面向对象的图形渲染引擎，具有简单、易用的面向对象接口，可扩展程序 框架能快速地编写程序，良好的开源特