CN1556505A - 虚拟分形场景三维漫游系统 - Google Patents

Abstract

虚拟分形场景三维漫游系统，该系统包括材质生成单元、实体构造单元、VRML浏览器、场景地图编辑单元和虚拟场景浏览单元，虚拟分形场景三维漫游系统的工作流程是：(1)开始；(2)设备初始化；(3)场景初始化；(4)交互处理，接收用户通过输入设备——输入的前进、后退、仰视、俯视、左转和右转信息，并使3D模型和观察的状态做相应的变换；(5)计算新对象信息；(6)图形渲染处理；(7)结束，否则系统返回到交互处理(4)；(8)回收资源。本发明具有结构简单、成本低、操作方便、场景环境生成速度快，显示效果立体感强等优点，完善了虚拟现实的实体库，适用于虚拟战场训练和虚拟驾车训练的需要。

Description

虚拟分形场景三维漫游系统

技术领域

本发明属于虚拟现实技术，特别涉及一种虚拟分形场景三维漫游系统。

背景技术

虚拟现实技术60年代首先在美国出现，80年代末、90年代初取得了快速的发展。1986年末，NASA的一个研究小组集成了一个VR的3D环境，用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它，可以用手势和系统进行初步交流。1990年芝加哥开设战争游戏中心，推出了许多比较成熟的软硬件产品，但造价昂贵，应用推广较困难。我国在“几何造型方法”和“建筑环境建造及其实时漫游技术”等方面进行了研究，但缺乏对野战虚拟战场环境和虚拟驾车训练的研究。虚拟现实的三个基本要素之一是建立三维立体的虚拟境界。建立三维立体虚拟环境的关键技术是研究三维实体，虚拟境界中野外环境是必不可少的，如应用于虚拟战场、虚拟驾车训练等场景中的树、山、云、高地、海浪等是构成要件，但是目前的三维实体库中还没有这些要件。

发明内容

本发明的目的是以分形图形学与虚拟现实技术交叉相结合的方法，提供一种结构简单、成本低、场景环境生成速度快、显示效果立体感强的虚拟分形场景三维漫游系统。

本发明包括材质生成单元、实体构造单元、VRML浏览器、场景地图编辑单元和虚拟场景浏览单元，材质生成单元生成的材质文件通过数据接口传递给实体构造单元和虚拟场景浏览单元，实体构造单元生成的实体以VRML文件的形式传递给VRML浏览器，并以实体文件的形式通过数据接口传递给场景地图编辑单元和虚拟场景浏览单元，场景地图编辑单元生成的地图文件通过数据接口传递给虚拟场景浏览单元，虚拟场景浏览单元的数据通过数据接口传递给头盔显示器，本发明的工作流程是：(1)开始；(2)设备初始化，主要是将图形设备初始化；(3)场景初始化，加载各种资源，即各种实体对象，进行场景组织，构成场景；(4)交互处理，接收用户通过输入设备——输入的前进、后退、仰视、俯视、左转和右转信息，并使3D模型和观察的状态做相应的变换；(5)计算新对象信息，根据观察的位置、角度等参量，根据场景组织本身的特性，提取出渲染的对象并重新计算获得各对象的状态；(6)图形渲染处理，将经过处理生成的3D对象显示在计算机屏幕上；(7)结束，否则系统返回到交互处理(4)；(8)回收资源。

由于采用以上技术方案，本发明具有结构简单、成本低、操作方便、场景环境生成速度快，显示效果立体感强等优点，完善了虚拟现实的实体库，适用于虚拟战场训练和虚拟驾车训练的需要。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的系统数据流程图；

图3是本发明虚拟场景浏览的数据流程图；

图中：1材质生成单元、2实体构造单元、3 VRML浏览器、4场景地图编辑单元、5虚拟场景浏览单元、6头盔显示器、7数据接口、8材质文件、9 VRML文件、10地图文件、11实体文件。

具体实施方式

下面结合树、山地虚拟场景实例进一步说明虚拟分形场景三维漫游系统和工作过程。

如图1所示，虚拟分形场景三维漫游系统包括头盔显示器6、材质生成单元1、实体构造单元2、VRML浏览器3、场景地图编辑单元4和虚拟场景浏览单元5，其中，头盔显示器6用数据线与虚拟场景浏览单元5相连，材质生成单元1生成的材质文件8通过数据接口7传给实体构造单元2和虚拟场景浏览单元5，实体构造单元2生成的实体既可以以VRML文件9的形式传给VRML浏览器3，也可以用实体文件11的形式传给场景地图编辑单元4和虚拟场景浏览单元5，场景地图编辑单元4生成的地图文件10传给虚拟场景地图浏览单元5。

如图2、图3所示，虚拟分形场景三维漫游系统运行工作流程是：首先建立材质库，材质生成单元1采用分形的方法生成树干的纹理，来模拟自然界中树干表面粗糙、凹凸不平的特点，生成的材质以材质文件8的形式保存，为树干提供纹理图象；进行实体编辑构造，由实体编辑构造单元2应用基于分形图形学的自相似原理和布朗运动原理，生成自定义的实体对象如分形山地、分形树及其它3D模型等。本系统中主要采用分形理论中的“中点偏移法”和Diamond-Square算法来生成分形山地，利用自然界中存在的植物和树在生长形态上都具备分形特点，即局部和整体的自相似性，使用递归的方式生成分形树，并以文件形式保存。将树干和树叶配合适当的纹理贴图，设定其形态参数后，就可以得到具有真实感很强的分形树；然后进行场景空间定义，由场景地图编辑单元4将各种实体如分形山地、分形树及其它模型种植到逻辑画布上，再加上天空、环境的设定，形成场景空间，目标是建立场景空间的整体感觉，以地图文件10的形式保存；虚拟场景浏览由虚拟场景浏览单元5进行，其工作过程是：(1)首先是设备初始化19，主要是将图形设备初始化；(2)场景初始化20，加载各种资源，进行场景组织，构成场景。本系统中的资源即各种实体对象，地形、树木、模型以及图片、声音等，载入实体文件，实质上是对文件信息的解释并转换为三维实体对象，或分形实体对象，即文件数据到内存数据的转换过程，把场景空间设计成四叉树，场景的生成过程即为四叉树的生成过程，加载实体时，根据地图文件中实体对象的位置信息，计算出实体所在分割单元在树中的位置，每个分割单元是一个链表容器，用以容纳所分配的实体，某些范围内不存在实体，就不生成相应的分支；(3)交互处理21，接收用户输入信息，并使3D模型和观察状态做相应的变换，主要的输入设备是键盘，利用计算机图形学的图形变换基础，通过OpenGL的坐标变换来实现前进、后退、仰视、俯视、左转和右转，关键技术是利用坐标变换矩阵计算出每走一步后的观察点坐标，即用当前的坐标分别乘以旋转和平移矩阵而得到新坐标，当用户进入虚拟浏览时，首先确定用户的观察点位置，当接到旋转指令时，只需先把当前观察点坐标矩阵与旋转矩阵相乘以得到新的变换矩阵，从而实现旋转，然后再与平移矩阵相乘，因为此时没有平移动作，T_x、T_y、T_z都为零，平移变换矩阵即为单位矩阵，所以此次操作不发生效果变化，这时因为只是原地旋转，所以观察点坐标不变，如果接到平移指令，同样先确定观察点位置，然后当前坐标与旋转矩阵相乘得到新变换矩阵，以恢复先前旋转后的场景，再把新的当前变换矩阵与平移矩阵相乘实现平移，这样用户就行走了一步，此时观察点已不在先前的地方，需通过下列语句改变坐标：

T_x+＝Distance*(-sin(Angle*PI/180))；

Tz+＝Distance*cos(Angle*PI/180)；其中，Distance为步距，Angle为旋转的角度，因为视点只能在x、z轴上移动，所以y轴的值始终不变；(4)计算新对象信息22，根据当前观察的位置、角度等参量，根据场景组织本身的特性，提取出渲染的对象并重新计算获得各对象的状态：以处理山地地形为例，利用的是地形单元重复拼接的方法，当视点变化时，把视点坐标到世界坐标原点的偏移坐标(x，y)对地形单元的宽度求模，即可得出视点所在位置的地形状态；(5)图形渲染处理23，将经过处理最终生成的3D对象显示在计算机屏幕上，也是采取(4)中同样的原理，将被渲染位置的地形数据取出，然后贴图处理后就可以提交显示了。当视点变化时，距离视点不同距离的物体应该采用LOD自动调整层次，实现图形的高速渲染；(6)结束24，若选择yes，则回收系统资源25，结束整个系统的运行，否则系统回到交互处理21，继续运行本系统，用户可通过佩戴的头盔显示器6，以第一人称的视角在虚拟场景空间自由观察、漫游。

Claims (2)

1.虚拟分形场景三维漫游系统，其特征是，该系统包括材质生成单元、实体构造单元、VRML浏览器、场景地图编辑单元和虚拟场景浏览单元，材质生成单元生成的材质文件通过数据接口传递给实体构造单元和虚拟场景浏览单元，实体构造单元生成的实体以VRML文件的形式传递给VRML浏览器，并以实体文件的形式通过数据接口传递给场景地图编辑单元和虚拟场景浏览单元，场景地图编辑单元生成的地图文件通过数据接口传递给虚拟场景浏览单元，虚拟场景浏览单元的数据通过数据接口传递给头盔显示器。

2.如权利要求1所述虚拟分形场景三维漫游系统，其特征是所述虚拟场景浏览的工作流程是：

(1)开始；

(2)设备初始化，主要是将图形设备初始化；

(3)场景初始化，加载各种资源，即各种实体对象，进行场景组织，构成场景；

(4)交互处理，接收用户通过输入设备——输入的前进、后退、仰视、俯视、左转和右转信息，并使3D模型和观察的状态做相应的变换；

(5)计算新对象信息，根据观察的位置、角度等参量，根据场景组织本身的特性，提取出渲染的对象并重新计算获得各对象的状态；

(6)图形渲染处理，将经过处理生成的3D对象显示在计算机屏幕上；

(7)结束，否则系统返回到交互处理(4)；

(8)回收资源。

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