虚拟现实场景监控实现

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1、虚拟现实技术在现场监控系统实现  2009-1-1621:04:551998年美国VPLResearch公司的创始人JaronLanier首次正式提出"VirtualReality（VR）"这个名词，它的意思为"计算机产生的三维交互环境，在使用中人是’投入’在这个环境中的"，虽然虚拟现实已提出多年，但由于受软硬件等各方面条件的制约，使之只能在实验室的一些中、小型机上才能得以部分实现，无法移植到微机的平台上来，也一直不能普及。近年来由于硬件技术的大发展，加之Windows95的广泛使用及OpenGL等出色三维开发

2、软件的问世，使虚拟现实在微机上实现成为可能。　　将虚拟现实技术融入企业现场信息监控体系中，是目前国际自动控制领域的一个研究热点，其目标是提供一种高度融洽的人机关系，利用虚拟场景来和用户进行交互，并以逼真的三维界面使用户在监控室中的操作就像在真实的现场中进行操作一样。但该技术的实现又具有相当的难度，需要涉及虚拟技术、计算机控制、现场总线、计算机图形学、数字图象处理、空间解析几何等众多领域。因此该技术还处于实验和研究阶段，即使在国外也未有具体地应用实例，在国内目前尚未有相关的论文或研究成果。我们受上海市科委发展基金

3、资助支持，研究该项技术，目前在虚拟场景的实现和虚拟设备类库的开发中已取得了一些进展，也积累了一些经验，本文将对这两项技术进行探讨。2．系统的基本组成　　基于虚拟现实技术的现场信息监控体系由三个模块组成，即虚拟现实模块、控制模块和现场总线模块。各模块间通过DDE来实现通信。各模块的功能如下：　　虚拟现实模块：虚拟现实模块的实现是本文讨论的重点，它利用OpenGL提供的强大图形功能来绘制虚拟三维场景；用VisualC++来建立虚拟设备图形类库，使之既有高质量的三维场景又利于用户的二次开发。　　控制模块：利用组态软件

4、Labview来实现具体的控制功能。　　现场总线模块：具体实现各控制设备间的通信。3．虚拟场景的开发　　虚拟场景三维造型部分大都采用OpenGL开发，OpenGL是在SGI等多家世界著名公司倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制订的一个通用的开放式三维图形标准，它独立于任何操作系统以外，因而以它为基础开发的应用程序可方便地在各平台间移植。利用VisualC++面向对象的特性编制的虚拟设备图形类库使用户能轻松自如的在虚拟场景中任意增减控制设备，使二次开发变得轻而易举。之外，在实现的过程中还用了多线程、远程调用、

5、DDE等技术，因不涉及虚拟现实这里就不详细展开。　　3.1虚拟现实场景的OpenGL实现　　3.1.1虚拟环境的数据描述　　控制现场环境通常较复杂，信息量大，不但要绘制大量的背景和现场设备，还要表现出各部件间的连动关系。以控制中的生产流水线为例，启动一个开关不仅要求通过虚拟现实的技术较真实的表现出这一动作，还要表现出由此引发的机械及整条流水线具体的工作变化。因而对虚拟环境的数据描述的要求非常高，必须要有一种功能强，效率高的图形工具来对其进行描述。　　OpenGL的图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，

6、还提供了复杂的三维物体（球、锥、多边体等）、复杂的曲线和曲面（如Bezier、Nurbs等曲面和曲线）的绘制函数，它甚至还可以方便地将一二维图片伸展成三维立体图。因而可以方便地描述虚拟场景，并且算法效率也很高，在很大程度上提高了三维图形的显示速度，由于OpenGL的使用使虚拟场景的数据描述得以很好的解决。　　3.1.2虚拟场景变换的实现　　虚拟场景不仅要提供接近真实的3D界面，还应有很好的透视效应（既近大远小），能缩放，旋转，以增强图形显示的真实感。但又不能应此而破坏虚拟场景的连贯性和高效性。这就对场景变换提出

7、了很高的要求。　　OpenGL图形库的变换包括模视变换和投影变换。利用这二种变换足以满足虚拟场景变换的任何需要。　　模视变换是通过矩阵变换来实现的，每进行一次变换，OpenGL会根据变换参数产生变换矩阵，再右乘当前模视变换矩阵，从而获得新的当前模视矩阵。模视变换按产生的变换矩阵的不同可分为平移、旋转、变比、镜像四种变换。　　投影变换的目的是将三维场景中的物体投影到二维平面上。投影变换定义一个取景体，该取景体决定物体是如何投影到窗口平面上的，并且它还定义了哪些物体或物体的哪些部分从最终的图像中剪切出去。投影变换同

8、样是使用矩阵变换来实现的，与模视变换不同的是它使用投影矩阵。投影变换有两种：一是透视投影，这种投影得到的效果与人眼观察世界的效果相同；另一种是平行投影，它的最大特点是无论物体距离视点多远，投影后的尺寸不变。　　3.1.3图形的消隐技术　　消隐是增加虚拟场景真实性的重要手段，目的是找出并消除要显示的物体中不可见的部分，不进行消隐的图形在物体的位置和形状等方面的信息是不完整的，会产生歧义现