虚拟场景技术与运动仿真研究

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摘要

虚拟场景（Virtual Scene）技术的研究始于20世纪50年代，在游戏、GIS、虚

拟实验等领域得到广泛的应用。运动仿真技术(Motion Simulation)在工业控制、机

械制造等领域有大量的应用。两者的结合，既具备精确性和实时性，又具有交互性

和沉浸感。

本文以汽车ESP实验视景仿真平台为应用背景，着重讨论了虚拟场景和运动仿

真技术衔接中出现的诸如通信、数据转换等问题。根据汽车动力学模型和运动学模

型推导出汽车的轨迹转换方程，使虚拟场景中汽车能够严格依照其物理规律运动。

并提出了实用的碰撞检测方法，提高了虚拟场景的实时性。同时完成了汽车三维模

型制作和虚拟场景元素制作等工作。

采用了基于UDP的应用协议进行运动仿真模型和虚拟场景间通信，协议包括数

据包各字段设置、异常处理、流量控制、同步机制等。通过考察汽车主要部分的空

间几何关系，使用OpenGL完成汽车三维模型和场景中元素的制作。

研究了四轮和六轮汽车的二自由度动力学模型和各种转向模型，推导出不同条

件下的汽车转向方程，将运动仿真模型的输出参数转换为虚拟场景中汽车三维模型

的坐标和姿态。

使用基于向量叉乘的算法完成碰撞检测，实现了汽车与其它三维场景元素的相

交测试，降低了场景在碰撞检测时的开销。同时采用天空盒、标志板等技术降低场

景在渲染时的开销。

汽车ESP实验视景仿真平台的具体应用表明，两种技术的结合，可以使运动仿

真具备较高的交互性和良好的沉浸感。可应用于各类虚拟实验平台、模拟驾驶系统

模拟作战系统等。

关键词：虚拟场景运动仿真碰撞检测 OpenGL

ABSTRACT

T h e r e search o f v i r t u a l s c e n e c o m m e n c e s i n 1 9 5 0 s, w h i c h i s w i d e l y a p p l i e d i n

m a n y f i e l d s s u c h a s g a mes , G I S a n d v i r t u a l e x p e r i m e n t s . M o t i o n s i m u l a t i o n h a s

a p p l i c a t i o n s i n m a n y f i e l d s s u c h a s i n d u s t r y c o n t r o l a n d m a c h i n e m a n u f a c t u r e .

The combination of the two technologies takes on characters of accuracy and real-time,

as well as interaction and immersion.

With the background of automobile ESP scene simulation platform, the problems

emerging from combination of the two technologies, such as communication and data

transformation problems, are emphatically discussed. According to dynamic model and

k i n e m a t i c s m o d e l, t r a c e t r a n s f o r m a t i o n e q u a t i o n s a r e d e d u c e d ; t h e r e f o r e

the automobile’s act in virtual scene can strictly accord with physics laws. A practical

collision detect algorithm is proposed to improve the real-time performance of virtual

scene. Meanwhile, automobile 3D model, and virtual scene elements are completed.

Communication between motion simulation and virtual scene is implemented with

U D P - B a s e d p r o t o c o l i n c l u d i n g fi e l d s e t t i n g s , e x c e p t i o ns h a n d le , f l o w c o n t r o l a n d

synchronization mechanism. Through observing the geometry relation of main parts of

t h e a u t o m o b i l e , a u t o m o b i l e 3 D m o d e l , s c e n e e l e m e n t s a r e i m p l e m e n t e d w i t h

OpenGL.

Steering models and 2DOF dynamic models for both four wheels and six wheels

automobile are studied, then automobile steering equations are deduced to transform the

par ameters which dyna mic model outputs to automobil e's coordinates and posture in

virtual scene.

C o l l i s i o n d e t e c ti o n i s c o m p l e t e d w i t h v e c t o r - c r o s s - p r o d u c t a l g o r i t h m , b y w h i c h

intersection test between 3D automobile model and other elements in virtual scene is

c o m p l e t e d , a n d c o l l i s i o n d et ec t i o n c o s t i s c u t d o w n . M e a n w h i l e , t e c h n o l o g i e s l i k e

skybox and billboard are applied to cut down the virtual scene rendering cost.

T h e a p p l i c a t i o n o f a u t o m o b i l e E S P s c e n e s i m u l a t i o n p l a t f o r m s h o w s t h a t t h e

c o m b i n a t i o n o f t w o t e c h n o l o g i e s e n a b l es h i g h i n t e r a c t i o n a n d g o o d i m m e r s i o n i n

m o t i o n s i m u l a t i o n s . I t c a n b e a p p l i e d i n a l l k i n d s o f vi r t u a l exp e r i m e n t a l pl a t f o r ms,

driving stimulation systems and campaign simulation systems, etc.

K e y W o r d：V i r t u a l S c e n e , M o t i o n S i m u l a t i o n , C o l l i s i o n D e t e c t i o n ,

OpenGL

第一章  绪论
目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章　绪论..........................................................................................................1
§1.1 研究背景与意义......................................................................................1
§1.2 国内外研究现状......................................................................................1
§1.3 主要工作..................................................................................................2
§1.4 论文结构..................................................................................................2
第二章　虚拟场景技术..........................................................................................4
§2.1 虚拟场景技术概述..................................................................................4
§2.2 虚拟场景绘制技术..................................................................................5
§2.2.1 基于几何图形绘制技术...............................................................5
§2.2.2 基于图像的建模和绘制技术.......................................................7
§2.3 虚拟场景建模技术..................................................................................9
§2.3.1 物理建模.......................................................................................9
§2.3.2 特殊效果建模.............................................................................10
第三章　运动仿真技术........................................................................................12
§3.1 运动仿真技术概述................................................................................12
§3.2 汽车转向运动学模型............................................................................13
§3.2.1 汽车转向基本原理.....................................................................13
§3.2.2 侧偏现象下的转向.....................................................................14
§3.2.3 三轴汽车转向.............................................................................15
§3.3 汽车转向动力学模型............................................................................17
§3.3.1 两轮二自由度转向模型.............................................................18
§3.3.2 三轴二自由度全轮转向模型.....................................................19
§3.3.3 汽车仿真实验系统.....................................................................22
第四章　视景仿真平台设计及实现....................................................................24
§4.1 视景仿真平台系统结构........................................................................24
§4.2 网络通信................................................................................................25
§4.2.1 初始化参数.................................................................................25
§4.2.2 运动学模型参数.........................................................................25
§4.2.3 异常处理.....................................................................................26
§4.3 汽车和场景绘制....................................................................................27
§4.3.1 汽车三维模型.............................................................................27
§4.3.2 天空盒和布告板.........................................................................30
§4.3.3 3D模型导入................................................................................33
§4.3.4 汽车轨迹显示.............................................................................34
1

虚拟场景技术与运动仿真研究
§4.4 轨迹转换方程........................................................................................36
§4.4.1 无侧偏转向方程.........................................................................36
§4.4.2 侧偏现象下转向方程.................................................................37
§4.4.3 三轴全轮转向方程.....................................................................38
§4.5 碰撞检测................................................................................................39
§4.5.1 线段碰撞检测.............................................................................40
§4.5.2 矩形碰撞检测.............................................................................41
§4.5.3 长方体碰撞检测.........................................................................43
第五章　虚拟场景优化........................................................................................46
§5.1 性能优化................................................................................................46
§5.1.1 细节层次算法(LOD)..................................................................46
§5.1.2 二叉空间分割树(BSP)...............................................................47
§5.2 功能优化................................................................................................49
§5.2.1 环境参数反馈.............................................................................49
§5.2.2 粒子系统.....................................................................................51
第六章　结束语....................................................................................................55
参考文献................................................................................................................56
第一章　绪论
§1.1 研究背景与意义
随着计算机图形学的发展，虚拟场景技术应用越来越广泛。虚拟场景使用计
算机构造一个虚拟环境，同时通过模拟人眼的视角观察该虚拟环境，以获取真实
感。三维游戏设计[1]、虚拟实验[2]、三维地理信息系统（GIS）[3]等都使用了该技术。
运动仿真技术是建立仿真模型和对仿真模型实验的一种技术。运动仿真通过
模拟各种物体的运动轨迹，反映出物体的真实运动状态，通过和理想的运动状态
对比，分析物体的设计或者物体控制器的设计是否符合要求。运动仿真技术在车
辆电控装备设计中有着广泛的应用。
虚拟场景可以使用多种技术实现，典型的有
DirectX、OpenGL、VRML、Java3D 等。虚拟场景中包含大量的三维模型，三维建模
工具也有如 3Dmax、Poser 等成熟的开发工具。通过这些工具建立的三维模型，导
2

第一章绪论

入到虚拟场景中，大大增强了真实感。

运动仿真也有许多广泛使用的工具，如用于机械运动仿真的 ProE、用于控制

系统仿真的 Matlab/Simulink 等。这些工具通过复杂的数学运算描述物体运动的物

理学特征，得到精确的实验数据，但是一般只是根据实验结果的数据来分析判断

运动模型的性能，不能满足实验的实时性、交互性要求。

虚拟场景与运动仿真的结合，把数学计算或实验获得的大量数据，按照其自

身的物理规律用三维图形或动画方式展示。利用虚拟场景的交互性，使运动仿真

模型能够和用户实时交互，从而使仿真结果可视化，具有直观性。

虚拟场景和运动仿真的结合，不仅可以用于车辆运动仿真，在飞行器运动仿

真、船只航行仿真、动植物生长仿真、医学影像仿真、地理信息系统等领域都有着广

泛的应用前景。

§1.2 国内外研究现状

国外的虚拟场景和运动仿真技术发展较早。汽车工业大量应用虚拟场景和运动

仿真技术进行驾驶模拟器的设计和开发，美国、德国、日本等国家的汽车公司和研

究所相继开发了许多汽车仿真平台。如福特汽车公司的TOEFP、康明斯公司的

VMS、美国交通部的VEESIM，日本日产汽车公司的CSVFEP，德国奔驰汽车公司

的TRASCO等。

美国机械仿真公司（Mechanical Simulation Cooperation）开发的车辆动力学仿

真软件在不同环境、不同驾驶员控制下，进行车辆的动力学建模以及各种行为和性

能的虚拟实验，该软件还提供了外部扩展模块，使用Matlab/Simulink来进行车辆的

动力学分析和控制。

国内虚拟场景和仿真技术发展也十分迅速，许多汽车驾驶模拟系统相继出现。

四川大学力腾软件公司采用了虚拟现实技术、网络技术、数据传感技术等开发了

汽车驾驶模拟系统。

吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱死制动系统（ABS）混合仿

真试验台进行了系统分析，建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、轮胎模型、路面

模型以及ABS液压系统模型，研制了由模拟仓、与运动模拟、计算机实时模拟与控

制、视景模拟、数据采集与触感模拟、声响模拟和中央控制台六个子系统组成的汽

车动态模拟器。

§1.3 主要工作

本文结合虚拟场景与运动仿真技术，设计并实现了一个汽车 ESP 实验的视景

仿真平台，用户通过视景仿真平台和汽车数学模型实时交互。主要对碰撞检测技

虚拟场景技术与运动仿真研究

术、汽车运动学模型进行了研究。其中也涉及到其它技术如标志板、视景剪裁、碰撞

检测技术、Matlab 通信机制等。具体的工作包括：

虚拟场景中各种场景元素的建模，通过组合简单几何体或导入3D 模型完成。

汽车可视化模型建模，通过组合简单几何体和参数曲面完成。

汽车运动过程碰撞检测技术的研究。

汽车运动学模型研究，将动力学模型传入的参数转化为汽车在虚拟场景中的

坐标和姿态参数；制定和动力学模型的通信协议。

其它优化性能和加强真实感的技术，如粒子系统、LOD、BSP 树等。

§1.4 论文结构

论文的章节安排如下：

第一章介绍虚拟场景技术与运动仿真研究的意义与相关技术，说明本文的研

究目的和任务要求。

第二章介绍虚拟场景技术的发展，以及关键技术和相关的研究成果。

第三章介绍运动仿真技术的相关概念，并建立汽车的转向模型。该模型由

Matlab/Simulink 中实现的动力学模型提供参数，从而精确地描述汽车运动。

第四章结合虚拟场景和运动学模型，设计并实现了一个视景仿真平台。详细

阐述了其中各个模块的设计与实现。

第五章对视景仿真平台进行进一步讨论，对性能优化和提高真实感做进一步

的工作。

第六章对论文进行总结，并指出有待进一步研究的工作。

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摘要：

摘要虚拟场景（VirtualScene）技术的研究始于20世纪50年代，在游戏、GIS、虚拟实验等领域得到广泛的应用。运动仿真技术(MotionSimulation)在工业控制、机械制造等领域有大量的应用。两者的结合，既具备精确性和实时性，又具有交互性和沉浸感。本文以汽车ESP实验视景仿真平台为应用背景，着重讨论了虚拟场景和运动仿真技术衔接中出现的诸如通信、数据转换等问题。根据汽车动力学模型和运动学模型推导出汽车的轨迹转换方程，使虚拟场景中汽车能够严格依照其物理规律运动。并提出了实用的碰撞检测方法，提高了虚拟场景的实时性。同时完成了汽车三维模型制作和虚拟场景元素制作等工作。采用了基于UDP的应...

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