三維虛擬場景中三維虛擬儀表程序設計終稿畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 UNIX、Linux、 Macosx、AIX和FreeBSD系統的移植能力，基于OpenSceneGraph開發的程序只要經過一次編寫就可以編譯運行在這些平臺上，不需要關心更多的代碼移植的細節。（5）開源。OpenSceneGraph為開源引擎，發布和使用基于OpenSceneGraph開發的軟件是不需要支付許可費用的；基于OpenSceneGraph開發的程序也不需要再次開放自身的源代碼，不存在侵犯軟件專利的可能。此外，開放源代碼使得開發者可以調試和檢查OpenSceneGraph的源代碼，了解其內部結構，從而更好的應用到自己的程序中。據世界權威的現代仿真網站的調查統計，OSG在世界仿真軟件市場的占有率已超過51%，如圖21所示。圖21 世界仿真軟件市場占有率綜上所述，OpenSceneGraph具有很大的發展前景，并且為我們本次畢業設計提供了許多很便利條件，所以我選擇用OpenSceneGraph來做本次畢業設計。 開發工具VS2008本次課程設計采用的是OpenSceneGraph，類似于C++，而Microsoft Visual Studio 2008使用的正是C++語言，所以我們選擇用Microsoft Visual Studio 2008即VS2008作為我們的開發工具。這里對Microsoft Visual Studio 2008做一個簡單的介紹。Microsoft Visual Studio 2008是對Visual Studio 2005一次及時、全面的升級。Microsoft Visual Studio 2008引入了250多個新特性，整合了對象、關系型數據、XML的訪問方式,語言更加簡潔。使用Visual Studio 2008可以高效的開發Windows應用。設計器中可以實時反映變更,XAML中的智能感知功能可以提高開發效率。同時Visual Studio 2008支持項目模板、部署程序和調試器。Visual Studio 2008可以高效開發Web應用，集成了AJAX ，包含AJAX項目模板，它還可以高效開發Office應用和Mobile應用。Microsoft Visual Studio 2008的系統組件包括：編輯器、編譯器、連接器、庫。編輯器：編輯器給使用者提供了一個創建和編輯C++源代碼的交互平臺。提供了大家熟知的常見功能例如：復制（Ctrl+C）、粘貼（Ctrl+V）、剪切（Ctrl+X）等，此外編輯器還提供了用不同顏色來區分不同的語言元素，自動標示關鍵字等功能。不但使代碼的可讀性更好了，而且在輸入這些單詞時如果出現錯誤還可以提供清楚地指示。編譯器：編譯器的功能是將源代碼轉換為目標代碼，并且檢測和報告編譯過程中出現的錯誤。編譯器可以檢測各種無效或不可識別的代碼并報告錯誤，還可以檢測諸如部分程序永遠不會被執行到這樣的結構性錯誤。編譯器出的目標代碼將被存儲在目標文件夾中。編譯器產生的目標代碼有兩種類型。連接器：連接器和編譯器一起根據源代碼產生各種模塊，從作為C++組成部分提供的程序庫中添加所需要的代碼模塊，并把各個模塊整合成一個可執行的整體，還能檢測并報告程序缺少的組成部分，或引用不存在的庫組件等錯誤。庫：庫就是微軟提供的預先編譯好的例程集合，它通過提供了專業的標準代碼單元，支持并擴展了C++語言。使用者可以在自己的程序中直接引用這些代碼，以執行常見的相關操作。這樣就節省了使用者親自編寫并測試實現這些代碼所需要的工作量，從而大大的提高了開發的效率。 C++語言簡介C++語言是一種面向對象的程序開發語言，它是基于C語言發展起來的。憑借其獨特的語言機制在計算機科學的各種領域中得到了廣泛的應用。面向對象的設計思想是在原來結構化的程序設計方法基礎上實現的一個質的飛躍，完美地的體現了面向對象的各種特性。是目前使用非常廣泛的面向對象程序語言。 開發環境的配置本課題主要使用三維渲染引擎OpenSceneGraph和Microsoft Visual Studio 2008進行開發，所以我們要預先對環境進行配置。這里就介紹一下OpenSceneGraph和Microsoft Visual Studio 2008開發環境的詳細配置。首先需要下載安裝Microsoft Visual Studio 2008和解壓安裝OpenScenceGraph的編譯包。然后要為OpenSceneGraph配置環境變量，,。圖22 OPENSCENEGRAPH_VERSION環境變量示意圖之后要增加變量OSGDIR，其值是OpenSceneGraph所安裝的目錄，如圖23所示,圖中“D:\Study\OpenSceneGraph”是我所安裝OpenSceneGraph的目錄。圖23 OSGDIR環境變量示意圖然后我們還要在Path變量中新增“%OSGDIR%\bin。”和“%OSGDIR%\bin\osgPlugins%OPENSCENEGRAPH_VERSION%”這兩項如圖24所示。接下來我們還要增加環境變量OSG_FILE_PATH，變量值設為“%OSGDIR%\data”如圖25所示。最后我們要增加環境變量OSG_NOTIFY_LEVEL，變量值為“WARN”。如圖26所示。圖24 Path中增加內容示意圖圖25 OSG_FILE_PATH環境變量示意圖圖26 OSG_NOTIFY_LEVEL環境變量示意圖到這里OpenSceneGraph的環境變量就設置好了，這一設置之后意味著Windows系統可以自動檢索到并調用以下兩個位置的OpenSceneGraph功能模塊和插件文件：D:\Study\OpenSceneGraph\binD:\Study\OpenSceneGraph\bin\在PATH變量中添加的環境變量使用了絕對路徑，這樣做的優點在于，當用戶的OpenSceneGraph版本或安裝位置改變時，不必再次修改PATH中的內容，直接修改OSGDIR和OPENSCENEGRAPH_VERSION這兩個環境變量值即可。此外我們還設置了兩個OpenSceneGraph內部專用的環境變量，OSG_FILE_PATH和OSG_NOTIFY_LEVEL，OSG_FILE_PATH主要用于指示數據文件位置，在編寫代碼讀取OpenSceneGraph模型和圖像文件的時候，該變量值所寫路徑中的文件可以被自動搜索到，OSG_NOTIFY_LEVEL的主要作用是指示調試信息輸出的條件。都配置好之后我們可以進入Windows控制臺下輸入osgViewer （代表當前的路徑），如果可顯示如圖27所示效果，則說明配置成功了。接下來我們要進入Microsoft Visual Studio 2008新建一個Win32 Console Application，之后對工程環境進行配置，首先打開工具選項文本編輯器文件擴展名里把“將無擴展文文件映射到”這一欄選中“Microsoft Visual C++”并打上勾，如圖28所示。接下來我們打開“項目屬性在當前工程版本中（我使用的是Release版）選中配置屬性C/C++常規”，在“附加包含目錄”中填入“$(OSGDIR)\include”,如圖29所示。圖27 圖28 文本編輯器配置示意圖圖29 頭文件目錄配置示意圖最后打開“配置屬性鏈接器常規”，在“附加庫目錄”欄中填入“$(OSGDIR)\lib”并在“配置屬性鏈接器輸入”的“附加依賴項”中添加“、、如圖210所示。圖210 依賴庫配置示意圖到這里我們的環境就配置完成了。 本章小結 本章主要介紹了開發三維虛擬儀表有哪些常見工具，以及我為什么選擇OpenSceneGraph，它有什么優勢，它的發展史以及它的組成模塊，此外還介紹了本次畢業設計用到的開發工具Microsoft Visual Studio 2008，并對其做了單間介紹，最后對OpenSceneGraph和Microsoft Visual Studio 2008的環境配置做了詳細介紹。第3章 需求分析 三維虛擬儀表分析 《三維虛擬場景中三維虛擬儀表程序設計》項目需要設計三維場景中的三維虛擬儀表，構建三維模型，所以首先得對現實生活中的一般儀表進行分析，結合生活中的一般儀表進行分析設計本次畢業設計要設計的三維虛擬儀表。 一般儀表類型 現實生活中，我們用到的儀表一般常見的有：壓力儀表，溫度儀表，液位儀表，流量儀表，分析儀表，電工儀器儀表，光學儀表，工業自動化儀表，試驗儀器儀表，量具儀表等等。 一般儀表的構件和功能 現實生活中，一般儀表的構建根據功能的不同，構件也不盡相同，如玻璃溫度計和時鐘表。玻璃溫度計主要由感溫泡、玻璃毛細管和刻度標尺三部分組成，它是用來測量溫度的。而時鐘表主要由時針、分針、秒針和整個儀表盤組成，它是用來顯示時間的。 三維虛擬儀表的分析設計 根據現實生活中的儀表，我們可以設計一個應用廣泛的三維虛擬儀表，它的左邊是一個類似于時鐘的表，由一個外圓，度量刻度和一根指針組成，指針指向的是數據大小，右邊則是一個坐標系，在坐標系上顯示的是左邊儀表數據的變化趨勢和大小，而在表的下面則是指針指向的數據大小數字化顯示，而這三個功能都需要在一個物體上顯示，即背景模板，我們將表、坐標系、數字化顯示都放置在這個背景模板上，這樣就能比較真實的展現一個三維虛擬儀表的結構和功能了。這類儀表可于速度儀表，即顯示速度，也可以用于高度儀表，即顯示高度等等。 三維虛擬儀表的三維模型 要做好本設計，就要對設計要就有詳細的了解和分析。根據《三維虛擬場景中三維虛擬儀表程序設計任務書》，我將任務書對本設計的要求進行如下分析。 本設計要求的是在三維場景中，而在三維場景中，三維坐標系的設置并不是固定不變的，而是根據用戶需求設置的，所以在設計三維虛擬儀表的三維模型時，首先要對坐標系進行確定，因為只有確定了坐標系，我們才知道三維模型具體位置在哪兒，該怎么放置它，也才能進行三維模型的設計。在確定坐標系的時候，我們可以以整個場景的中心為原點，然后以這個原點中心繪制三維虛擬儀表的背景模板，這里我們將這個背景模板設置為一個扁平的長方體平板。在這個扁平的長方體平板的左邊，我們將繪制刻度表（外圓，度量刻度，指針），在它的右邊繪制二維坐標系（坐標系和數據變化曲線圖），在它的下方顯示數字的動態更新。這樣一個完整的三維虛擬儀表的三維模型就建立好了。在顯示生活中效果圖如31所示。圖31 實際儀表圖 語言和工具要求任務書要求設計利用開源圖形開發工具OpenSceneGraph的場景管理功能、更新回調機制、幀緩存對象技術，實現模型加載、儀表圖形繪制。要求了解虛擬仿真或三維游戲引擎結構及三維場景動態更新的相關技術。要求熟悉開發工具（Visual Studio 2008或QT）及開源三維圖形開發包OpenSceneGraph及其開發技術，熟悉面向對象程序設計語言C++及面向對象程序設計方法。 在項目開發周期上，要求采用軟件工程方法進行分析、設計、生成。在開發工具使用上，要求使用Visual Studio 2008或者QT。依據任務書的要求，本設計使用OpenSceneGraph開源開發包的相關技術，使用軟件工程的軟件項目生命周期方法進行分析設計，使用Visual Studio 2008作為開發工具。第4章 概要設計 三維虛擬儀表的組成 在三維虛擬儀表中，主要由背景模板（一塊扁平的長方體平板）、刻度表（外圓、度量刻度和指針）、坐標系（二維坐標系和該坐標系上的曲線圖）和指針指向的數據數字化顯示的區域。其視圖如圖41所示。圖41 三維虛擬儀表組成圖 背景模板 在建立三維虛擬儀表模型前，要為其建立一個三維的背景模板模型，就像是現實生活中儀表的一種載體，如鐘表，它就是將表鑲嵌在一個長方形或者其它形狀物體的內側，所以要將儀表鑲嵌或者貼在這個載體上。只是在這里我們為了建立模型方便，將這個背景模板設置成一個扁平的長方體平板。 在建立這個長方體平板三維模型時時，上一章說了，將整個場景的中心位置作為整個坐標系的原點，所以，我們只需以這個坐標原點為中心，繪制8個頂點，調整好這8個頂點的坐標位置，然后設置它的連接方式，就能形成一個扁平的長方體平板。這樣一塊長方體平板三維模型就這樣建好了。 刻度表 在上一節中，我們已經建立好了一個扁平的長方體平板三維模型，在此基礎上，我們要建立刻度表的模型，因為這本身就是在三維場景中，所以只需在長方體平板上生成一個刻度表就行了，就好像一張紙貼在了墻上，墻動，紙也會跟著動。 首先生成刻度表的外圓，我們可以將它看成是許許多多的點圍起來的一個點圓，然后用線將這些相鄰的點連接起來就成為了一個圓，而外圓內側的度量刻度則可以看成一根根短的線段，而每一根線段是由線段的兩個端點用線連接起來而成的，這樣我們就可以很快的生成外圓和外圓內側的度量刻度模型，在生成這兩個模型后，生成指針模型就很容易了，因為指針我們也可以看成是由一條線段的兩個端點連接起來的一條線段。這樣我們就建立好了刻度表的模型了。 坐標系 在建立好扁平長方體平板和刻度表的三維模型后，我們該在背景模板的右方生成坐標系模型了，生成坐標系模型的方法與生成指針模型的方法一樣，我們可以講坐標系看成是由兩條相互垂直相交的線段，每條線段則是由兩個頂點用線連接起來生成的，所以，同樣的方式，我們就可以生成坐標系的模型了。 總結 根據上面的方法和順序，我們總結一下本設計進行三維虛擬儀表三維模型設計的流程圖，如圖42所示。圖42 三維虛擬儀表模型生成流程圖第5章 詳細設計 osg如何繪制基本幾何圖元 首先我們要繪制一個圖形就要知道OSG是如何來繪制基本圖元的。其次是畫出圖元之后，并不代表完事了，如果我們想得到一個逼真的實體，我們就要設置它的顏色，紋理，材質，法線和光照等等，這樣才能算繪制好了一個幾何圖元。 構建幾何圖元框架和顏色設置在OpenGL中是使用頂點索引機制來高效地構建幾何圖元，同樣在OSG中也是使用頂點索引機制來