基于Vega平臺的視點控制技術(shù)的研究與設(shè)計

王傳喜，趙 剛

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064）

視點是計算機(jī)圖形學(xué)中的概念，作用類似于攝像機(jī)的鏡頭或者人的眼睛。視點控制的過程，實質(zhì)上就是模型視圖變換的過程。視點控制包括控制視點位置和控制視點方向，其中視點的位置決定了視點與觀察者之間的距離，視點的方向決定了觀察對象是否可見。在觀察運(yùn)動物體的時候，為了有充分的時間觀察它，就需要視點的速度和物體運(yùn)動的速度相同。

在Vega環(huán)境中底層化了4種視點定位模式，分別是動態(tài)定位視點模式 （Motion Model）、束縛定位視點模式（Tether）、導(dǎo)航路徑定位視點模式（Path Navigator）、手動定位視點模式（Manual）[1]。其中束縛定位視點模式包括跟隨束縛、固定束縛、旋轉(zhuǎn)束縛3種模式；Vega環(huán)境中視點控制的過程，類似于人眼觀察環(huán)境的過程。如果視點控制不合理，即使三維模型很精、仿真系統(tǒng)的功能很完備，同樣導(dǎo)致三維視景仿真的效果不佳。

在三維視景仿真的高性能軟件Vega平臺上，文獻(xiàn)針對視點的研究有兩類：一是通過調(diào)節(jié)視角觀察一個靜止的物體[2]，另一種是僅僅用Lynx編輯視點[3]。對用Lynx編輯ADF文件、Vega API編程、外部輸入設(shè)備等，聯(lián)合實時動態(tài)控制視點的文獻(xiàn)沒有闡述清楚。文中正是基于手動定位視點模式，設(shè)置合理的算法，通過Vega API編程和鍵盤聯(lián)合實時動態(tài)控制視點的。

1 視點控制的算法設(shè)計

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

將運(yùn)動的物體A的坐標(biāo)記為A點，將運(yùn)動的物體B的坐標(biāo)記為B點，將線段AB的中點記為M點，且M點是焦點。為了實時觀察到兩個運(yùn)動物體的全過程，需要合理的設(shè)置視點，因此采用延長BA到C點，線段AC的長度為dAC，設(shè)視點和C點的高度值相同，即視點和C點在同一水平面上，作CN垂直與CB，使線段NC的距離為dNC，則N點的三維坐標(biāo)就是視點的三維坐標(biāo)。其視點與物體空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 視點與物體空間位置關(guān)系圖Fig.1 Spatial location diagram of the viewpoint and objects

1.2 焦點和視點坐標(biāo)的解算

C點和N點都在Z0=z的平面內(nèi)，則N（xN，yN，zN），其中：

則N（xN，yN，zN）就是需要定位的視點。

2 視點控制的實現(xiàn)

利用上述視點控制算法，在三維視景仿真平臺Vega上，用Lynx編輯好ADF文件，通過實時獲取運(yùn)動物體A和運(yùn)動物體B的坐標(biāo)，調(diào)用視點控制的算法實時計算出視點和焦點坐標(biāo)，利用Vega API編程就可以實時觀察動態(tài)運(yùn)動物體A和運(yùn)動物體B運(yùn)動的全過程、且可以通過鍵盤動態(tài)調(diào)節(jié)視點。在編寫Vega程序之前，應(yīng)該清楚Vega程序架構(gòu)和主要執(zhí)行順序等。其系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

2.1 Lynx配置ADF文件

運(yùn)行Vega應(yīng)用程序前，需對各種參數(shù)初始化，運(yùn)行期間保持參數(shù)的不斷更新。各種參數(shù)都存放在ADF文件中，Lynx界面實質(zhì)是用來編輯ADF文件的[4]。將需要用的模塊中的特定參數(shù)進(jìn)行修改，其他的參數(shù)使用Lynx界面提供的缺省值。主要配置為：將兩個運(yùn)動體模型、地景模型加入到場景中，設(shè)置運(yùn)動模型的運(yùn)動模式，利用路徑工具（Path Tool）添加運(yùn)動體運(yùn)動的導(dǎo)航路徑，將場景運(yùn)動體的定位方法設(shè)置成路徑導(dǎo)航。為了滿足實時改變觀察者位置的要求，將視點定位方式設(shè)置成手動。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flow chart of the system operation

2.2 關(guān)鍵的Vega API編程

Vega提供了完整的C語言應(yīng)用程序接口API和豐富的函數(shù)庫。在用視點模塊設(shè)計和操作視點時，Vega也提供了相應(yīng)的類和函數(shù)。用Lynx編輯ADF文件，并解算出視點和焦點的位置信息后，在VC6.0的環(huán)境中，調(diào)用Vega API開發(fā)庫函數(shù)實現(xiàn)視點調(diào)節(jié)的功能。利用Vega實時的獲取兩個運(yùn)動體的位置信息，并通過視點控制算法計算出焦點M和視點N的三維坐標(biāo)。視點定位方法是視點相對于運(yùn)動體A相對靜止，因此視點定位采用相對于本機(jī)的手動STATIC視點，并使視點始終注視焦點。兩個運(yùn)動體在運(yùn)動的過程中，它們的坐標(biāo)位置是不斷變化、持續(xù)更新的，引起焦點也是實時變化的。通過Vega API函數(shù)調(diào)節(jié)視點的關(guān)鍵代碼如下：

pos0=vgNewPos（）；

//新建一個三維位置

vgPosVec（pos0，xobs，yobs，zobs，0，0，0）；

//對三維位置賦值

vgProp（obs，VGOBS_TETHERSTATE，VGOBS_STATIC）；

//設(shè)定視點的定位方式為手動定位

vgPos（obs，pos0）；

//將三維位置信息傳遞給視點

vgPosVec（pos0，xmiddle，ymiddle，zmiddle，0，0，0）；

//設(shè)定焦點的三維位置信息

vgProp（obs，VGOBS_LOOKAT_TARGET，VGOBS_L_POS）；

/

/設(shè)定視點的屬性是觀察具體的三維坐標(biāo)點

vgObservLookatPos（obs，pos0）；

//設(shè)定視點觀察的是焦點信息

2.3 鍵盤動態(tài)調(diào)節(jié)視點

在三維實時視景仿真系統(tǒng)中，為了獲得最佳的觀察效果，需要對視點調(diào)試算法中的dAC和dNC的大小實時動態(tài)的調(diào)節(jié)。在三維視景仿真中，習(xí)慣并普遍流行用鍵盤控制運(yùn)動這種操作方式。因此采用鍵盤實時調(diào)節(jié)dAC和dNC的大小，協(xié)同控制視點的方法。 其中 keyInput（vgWindow*win）[5]函數(shù)用于響應(yīng)所有的鍵盤事件，實際上處理鍵盤的函數(shù)是vgGetWinKey（vgWindow*win），此函數(shù)返回被按下鍵的相應(yīng)的ASCII碼整數(shù)值[6]，*win代表指向Vega窗口的指針。幀循環(huán)中加入鍵盤輸入事件，就可以通過鍵盤動態(tài)調(diào)節(jié)視點相對于運(yùn)動體A的相對位置，優(yōu)化三維視景仿真系統(tǒng)中的視點調(diào)節(jié)，增加沉浸感。其按鍵協(xié)同調(diào)節(jié)視點的定義如表1所示。

表1 按鍵協(xié)同調(diào)節(jié)視點的定義Tab.1 Definition of keyboard collaborative control viewpoint

3 Vega仿真結(jié)果

在Vega視景仿真平臺上，以飛機(jī)為例，通過實時動態(tài)的控制視點，實時逼真的再現(xiàn)了飛機(jī)B從遠(yuǎn)方逐漸向飛機(jī)A接近的全過程，且可以通過鍵盤實時動態(tài)調(diào)節(jié)視點，仿真效果良好。飛機(jī)A與飛機(jī)B的距離是698 m的仿真圖如圖3所示。飛機(jī)A與飛機(jī)B的距離是172 m的仿真圖如圖4所示。

圖3 兩架飛機(jī)距離是698 m的仿真圖Fig.3 Distance of two plane：698 meter

4 結(jié)束語

文中在三維視景仿真的高性能軟件Vega平臺上，深入研究視點控制的基本原理，建立了三維數(shù)學(xué)模型，提出了用向量解算動態(tài)的視點和焦點位置的方法，借助Vega API編程和外部輸入設(shè)備，實現(xiàn)了實時動態(tài)觀察兩個物體運(yùn)動的全過程，并且可以用鍵盤協(xié)同控制視點，驗證了視點控制算法的正確性、有效性，提高了三維實時視景仿真直觀性、靈活性、可控性，增強(qiáng)了視景仿真的真實性、實時性和交互性。本項視點控制的研究具備較好的通用性，對于某些對視點要求較高的三維視景開發(fā)系統(tǒng)有較大的推廣價值，對于基于底層的OpenGL視景仿真開發(fā)也有一定的借鑒意義。

圖4 兩架飛機(jī)距離是172 m的仿真圖Fig.4 Distance of two plane：172 meter

[1]龔卓蓉.Lynx圖形界面[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2]陳亮，歐陽清，劉志強(qiáng).虛擬艦船艙室的無遮擋顯示研究[J].艦船電子工程，2010（1）：156-159.

CHEN Liang，OU YANG-qing，LIU Zhi-qiang.Research on accessibility show in the virtual Scene of a cabin[J].Ship Electronic Engineering，2010（1）：156-159.

[3]宋志明，康鳳舉.視景仿真的關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2004（5）：67-68.

SONG Zhi-ming，KANG Feng-ju.Key techniques in scene simulation[J].Computer Applications，2004（5）：67-68.

[4]MultiGen-Paradigm Inc.Lynx User s Guide（Version 3.7）[M].Dallas：MultiGenPar-adigm Inc，2001.

[5] MultiGen-Paradigm Inc. Vega Programmers Guide（Version3.7）[M].Dallas：MultiGenPar-adigm，Inc，2001.

[6]王乘，李利軍，周均清，等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.