王傳喜，趙 剛

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064）

視點(diǎn)是計(jì)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(diǎn)控制的過程，實(shí)質(zhì)上就是模型視圖變換的過程。視點(diǎn)控制包括控制視點(diǎn)位置和控制視點(diǎn)方向，其中視點(diǎn)的位置決定了視點(diǎn)與觀察者之間的距離，視點(diǎn)的方向決定了觀察對(duì)象是否可見。在觀察運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)候，為了有充分的時(shí)間觀察它，就需要視點(diǎn)的速度和物體運(yùn)動(dòng)的速度相同。

在Vega環(huán)境中底層化了4種視點(diǎn)定位模式，分別是動(dòng)態(tài)定位視點(diǎn)模式 （Motion Model）、束縛定位視點(diǎn)模式（Tether）、導(dǎo)航路徑定位視點(diǎn)模式（Path Navigator）、手動(dòng)定位視點(diǎn)模式（Manual）[1]。其中束縛定位視點(diǎn)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(diǎn)控制的過程，類似于人眼觀察環(huán)境的過程。如果視點(diǎn)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(tái)上，文獻(xiàn)針對(duì)視點(diǎn)的研究有兩類：一是通過調(diào)節(jié)視角觀察一個(gè)靜止的物體[2]，另一種是僅僅用Lynx編輯視點(diǎn)[3]。對(duì)用Lynx編輯ADF文件、Vega API編程、外部輸入設(shè)備等，聯(lián)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制視點(diǎn)的文獻(xiàn)沒有闡述清楚。文中正是基于手動(dòng)定位視點(diǎn)模式，設(shè)置合理的算法，通過Vega API編程和鍵盤聯(lián)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制視點(diǎn)的。

1 視點(diǎn)控制的算法設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

將運(yùn)動(dòng)的物體A的坐標(biāo)記為A點(diǎn)，將運(yùn)動(dòng)的物體B的坐標(biāo)記為B點(diǎn)，將線段AB的中點(diǎn)記為M點(diǎn)，且M點(diǎn)是焦點(diǎn)。為了實(shí)時(shí)觀察到兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的全過程，需要合理的設(shè)置視點(diǎn)，因此采用延長(zhǎng)BA到C點(diǎn)，線段AC的長(zhǎng)度為dAC，設(shè)視點(diǎn)和C點(diǎn)的高度值相同，即視點(diǎn)和C點(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)就是視點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其視點(diǎn)與物體空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 視點(diǎn)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(diǎn)和視點(diǎn)坐標(biāo)的解算

C點(diǎn)和N點(diǎn)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(diǎn)。

2 視點(diǎn)控制的實(shí)現(xiàn)

利用上述視點(diǎn)控制算法，在三維視景仿真平臺(tái)Vega上，用Lynx編輯好ADF文件，通過實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)物體A和運(yùn)動(dòng)物體B的坐標(biāo)，調(diào)用視點(diǎn)控制的算法實(shí)時(shí)計(jì)算出視點(diǎn)和焦點(diǎn)坐標(biāo)，利用Vega API編程就可以實(shí)時(shí)觀察動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)物體A和運(yùn)動(dòng)物體B運(yùn)動(dòng)的全過程、且可以通過鍵盤動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)視點(diǎn)。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(duì)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(shí)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(gè)運(yùn)動(dòng)體模型、地景模型加入到場(chǎng)景中，設(shè)置運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)模式，利用路徑工具（Path Tool）添加運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航路徑，將場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)體的定位方法設(shè)置成路徑導(dǎo)航。為了滿足實(shí)時(shí)改變觀察者位置的要求，將視點(diǎn)定位方式設(shè)置成手動(dòng)。

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(kù)。在用視點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)和操作視點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)和焦點(diǎn)的位置信息后，在VC6.0的環(huán)境中，調(diào)用Vega API開發(fā)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)調(diào)節(jié)的功能。利用Vega實(shí)時(shí)的獲取兩個(gè)運(yùn)動(dòng)體的位置信息，并通過視點(diǎn)控制算法計(jì)算出焦點(diǎn)M和視點(diǎn)N的三維坐標(biāo)。視點(diǎn)定位方法是視點(diǎn)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)體A相對(duì)靜止，因此視點(diǎn)定位采用相對(duì)于本機(jī)的手動(dòng)STATIC視點(diǎn)，并使視點(diǎn)始終注視焦點(diǎn)。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)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(diǎn)也是實(shí)時(shí)變化的。通過Vega API函數(shù)調(diào)節(jié)視點(diǎn)的關(guān)鍵代碼如下：

pos0=vgNewPos（）；

//新建一個(gè)三維位置

vgPosVec（pos0，xobs，yobs，zobs，0，0，0）；

//對(duì)三維位置賦值

vgProp（obs，VGOBS_TETHERSTATE，VGOBS_STATIC）；

//設(shè)定視點(diǎn)的定位方式為手動(dòng)定位

vgPos（obs，pos0）；

//將三維位置信息傳遞給視點(diǎn)

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

//設(shè)定焦點(diǎn)的三維位置信息

vgProp（obs，VGOBS_LOOKAT_TARGET，VGOBS_L_POS）；

/

/設(shè)定視點(diǎn)的屬性是觀察具體的三維坐標(biāo)點(diǎn)

vgObservLookatPos（obs，pos0）；

//設(shè)定視點(diǎn)觀察的是焦點(diǎn)信息

2.3 鍵盤動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)視點(diǎn)

在三維實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)中，為了獲得最佳的觀察效果，需要對(duì)視點(diǎn)調(diào)試算法中的dAC和dNC的大小實(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)這種操作方式。因此采用鍵盤實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)dAC和dNC的大小，協(xié)同控制視點(diǎn)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(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)視點(diǎn)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)體A的相對(duì)位置，優(yōu)化三維視景仿真系統(tǒng)中的視點(diǎn)調(diào)節(jié)，增加沉浸感。其按鍵協(xié)同調(diào)節(jié)視點(diǎn)的定義如表1所示。

表1 按鍵協(xié)同調(diào)節(jié)視點(diǎn)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(tái)上，以飛機(jī)為例，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制視點(diǎn)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)視點(diǎn)，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(tái)上，深入研究視點(diǎn)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(dòng)態(tài)的視點(diǎn)和焦點(diǎn)位置的方法，借助Vega API編程和外部輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的全過程，并且可以用鍵盤協(xié)同控制視點(diǎn)，驗(yàn)證了視點(diǎn)控制算法的正確性、有效性，提高了三維實(shí)時(shí)視景仿真直觀性、靈活性、可控性，增強(qiáng)了視景仿真的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和交互性。本項(xiàng)視點(diǎn)控制的研究具備較好的通用性，對(duì)于某些對(duì)視點(diǎn)要求較高的三維視景開發(fā)系統(tǒng)有較大的推廣價(jià)值，對(duì)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(guó)防工業(yè)出版社，2002.

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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.

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[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(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.