虚拟自然环境软件设计与实现

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1、虚拟自然环境软件设计与实现作者：付尧指导教师：赵志宏副教授南京大学研究生毕业论文(申请工程硕士学位)南京大学软件学院2011年7月TheDesignandRealizationofSoftwareforVirtualNaturalEnvironmentFu，YaoSubmiHedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringSupervisedbyAssociateprofessorZhao，Zhihong

2、SoftwareInstituteNANJINGUNIVERSITYNanjing，ChinaJuly，2011南京人学T程硕士论文摘要随着计算机应用水平的不断提高，虚拟现实技术被广泛的应用到了各个行qk领域，包括工程应用，模拟训练，科学研究等等，具有巨大的应用价值和J“阔的发展前景。同时，该技术是许多学科交叉、集成的产物，涉及计算机、人工智能、计算机图形学、心理学、智能控制等各个知识领域，研究难度较大。虚拟现实的四个特点包括交互性、沉浸感、多感知性和构想性，它们是相互关联的。良好的交互性和多感知性

3、是沉浸感的提前，而良好的沉浸感又能激发用广的想象力，实现其构想性的特点。而要实现良好的沉浸感，虚拟环境的影响至关重要。虚拟环境，是虚拟现实技术的一个主要研究领域，其真实性和交互性既是虚拟环境本身的基本要求，也是虚拟现实技术的重要特点和研究内容。真实的虚拟场景-nJ。以说是整个虚拟现实的核心，沉浸感的实现涉及到很多方面，但是实现的根本因素就是虚拟环境的真实性。真实性是虚拟环境的最重要的特征，而要使虚拟环境真实可信。涉及的冈素很多，其tI·，生活-I·司空见惯的自然环境特效比如光照、雨雪、天空、雾效等等

4、在真实自然环境中刁i可或缺。如果在虚拟场景lII实现这些效果，可以很大程度上提高场景的真实性。本文对实现虚拟自然环境的真实性和交互性进行了深入的分析，并以此为皋础，架构一个综合的虚拟自然环境软件。该软件通过前台窗口，实时渲染虚拟景物，并通过操作器与使用者实现交互。虚拟自然环境良好的真实性和交互性是该虚拟自然环境软件的实现重点。该软件使用了OSG(OpenSceneGraphic)作为图形渲染引擎，前台使用了MFC作为窗口开发包。本文主要T作包括以下几项：首先，也是最主要的工作，就是对虚拟自然场景的设

5、计与实现。要实现的各种自然景观有天空、雨雪、雾效等，并进行了详细讨论，需要对这些元素的基本特征进行分析，在此基础上对其实现手段和算法进行设计和分析。然后对三维图形引擎OSG进行了分析，对其各种特征，各个功能模块以及渲染流程等进行详细了解，然后或者利用其接口，或者自己继承其基类设计各种具体子类，实现了天空、雨雪、雾效和灯光等虚拟场景中比较常见的几种自然因素，南京大学工程硕士论文摘要从而使虚拟场景更加真实生动。同时，可以接受前台的配置控制，对各种因素进行动态的配置，实现各种效果。其次，对软件的前台展示界

6、面和虚拟环境控制窗口进行了设计实现。后台三维引擎仅仅实现了场景的后台渲染处理，要使虚拟自然环境能够展示在用户面前，还需要一个展示窗口，这就是前台界面的主要作用。同时，为了满足不同的虚拟场景需求，利用MFC界面库实现了前台界面的控制窗口，从而能够对虚拟场景中各个自然要素进行实时配置，实现不同的天气效果，具体涉及的工作包括对虚拟场景配置展示窗口的设计，控制窗口的创建，消息定义、产生、传递接收与处理等等。同时，一个完整的虚拟环境系统不足一个封闭的系统，它需要接受外界的输入信号，并对其产生反馈，这就是操作器

7、的作用，操作器作为重要的人机接口，也是本系统的一个实现重点，是虚拟场景软件的一个重要组成部分，它是用广与场景进行交互的主要手段，一个设计良好的操作器，能够很大程度上提高虚拟场景的交互性和用户的使用体验，本系统中主要用到了两种操作器，一jpi-是利用TrackBall技术实现的鼠标操作器，另‘币

8、-是自定义的键盘操作器，从而满足不同操作习惯的需求。真实自然环境是一‘个非常复杂的系统，要想在虚拟场景IlI使其完全再现，几乎是一i可能完成的任务。本文仅仅是对四类比较常见的自然因素进行模拟，可以说是众多自然

9、冈素-I一的+。部分，为了使虚拟场景更加的真实．可以继续提炼更多的白然因素进行模拟，比如光晕，阴影，波纹，水波等等，使虚拟环境更加生动真实。本文的主要工作是对虚拟环境中比较常见的几种自然因素，包括天空，雨雪，风，光线等等的特征进行分析和算法设计，并用三维引擎进行了实现，最后基本达到了真实性的要求，可以移植到其他虚拟环境中应用，提高虚拟环境的真实性。关键词：OSG，虚拟场景，MFC，自然环境特效，操作器AbstractAlongwiththecontinuousdeve