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摘要：以实验室中的小型无人地面车辆（SU）为背景，在VisualC++环境下，以通用标准三维图形函数库OpenGL为工具开发了一个小行无人地面车辆虚拟漫游系统。介绍了如何实现仿真系统的一些关键技术，如操纵杆控制的实现、运动控制、视点漫游技术的实现等。该仿真系统既可为操纵人员提供模拟操纵平台，也可为开发人员提供辅助设计、开发平台。
关键词：OpenGL；无人车辆；虚拟现实；虚拟漫游
1672-7800（2013）001-0102-03
0引言
小型无人地面车辆（SU）的运动环境复杂，进行无线操控需要操作员具有一定的熟练程度。利用虚拟现实技术可实现虚拟现实环境下的模拟训练，从而提高操作员的熟练程度。
虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是20世纪末发展起来的一项集计算机、传感与测量、仿真、微电子技术于一体，利用计算机生成的一种虚拟环境，通过视、听、触，甚至味觉，使用户身临其境，并能够与之发生交互作用。其实时性、沉浸性和交互性是VR技术的3个重要特征。交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，是VR技术的基础，交互是否自然、实时，决定了虚拟环境的真实程度和用户置身其中的认知能力。
目前，大多数用户通过键盘、鼠标等输入设备实现与虚拟场景进行交互，改变了视点的位置或视线方向，从而实现了用户在虚拟场景中漫游。
OpenGL是SGI公司推出的三维图形开发标准，提供的各种几何变换函数可以快速实现漫游。为此，本文采用OpenGL提供的基本几何变换控制虚拟漫游视点位置，并在基于SU的可视化漫游系统中予以应用。
1漫游系统框架
图1是使用实现漫游系统的流程。程序采用双缓冲的绘图方式。在显示当前帧的同时，计算机在后台计算SU在下一帧中的位移、偏转角、视点的位置、视点的朝向。计算好以后，将这些参数传递给图形函数进行渲染，最后将渲染好的帧替换当前帧。
图1漫游系统框架
2操纵杆控制实现
操纵杆是小型无人地面车辆在实际操作过程中的主要控制设备，通过操纵杆来控制SU的各种运动。因此，本文选用操纵杆作为SU可视化仿真平台的主要交互方式，使操纵者能够实现从模拟平台到实际操作的快速转变。
操纵杆作为计算机的一种输入设备在Windows系统中是以多媒体的形式出现的，是媒体控制接口（MCI）的一部分。在VC中对操纵杆的响应是利用MCI提供的一组检测游戏操纵杆、确定操纵杆性能、位置、按钮信息的函数来实现的。
本系统采用北通幻影操纵杆，该操纵杆手感佳，控制灵活，采用USB接口，即插即用，带有可编程的按钮（图2）。
图2操纵杆
（2）消息处理：初始化工作完成以后，系统就可以捕获到游戏操纵杆，Windows会把所有的操纵杆消息发送给当前对话框窗口。当操纵杆的方向改变时，产生的是MM_JOY1MOVE消息；当功能按钮被按下时，产生MM_JOY1BUTTONDOWN消息；当操纵杆z值发生变化时，产生MM_JOY1ZMOVE。通过编制WindowProc（）回调函数，对各消息进行处理。
为方便控制，需要将捕获到的操纵杆数据进行必要的处理和转化，比如将X轴方向的65536个档位的位置信息（从0～65535）转化为对称的位置信息。检测设需要的数据范围是s～s之间，s为正值，转换结果为r，读取的摇杆数据为m，那么转换公示为：r=（2s×m）/6553
在速度控制上，协议规定：沿Y轴正半轴数值越大，表示无人车辆在前进方向速度越大；沿Y轴负半轴数值越小，表示无人车辆在后退方向速度越大。在方向控制上，协议规定：操纵杆位于第一象限时，无人车辆向右前方转弯；操纵杆位于第二象限时，无人车辆向左前方转弯；操纵杆位于第三象限时，无
3小车在场景中的运动控制
为了实现对三维模型的实时驱动，首先要建立一个定时器，定时器由函数SetTimer（nID，simulationStep，NULL）完成。simulationsStep是仿真步长，定时器每隔一个仿真步长产生一个WM_TIMER消息。WM_TIMER的消息处理函数OnTimer（）每隔一个仿真步长执行一次，在函数OnTimer（）中更新三维模型的位置和姿态，就可以实现对三维模型的驱动。OpenGL提供了两个函数glTranslatef（）和glRotatef（）来确定小车模型在空间中的位置和姿态。它们分别对小车模型进行平移和旋转变换。函数glTranslatef（）平移小车模型到场景中的某一点上，该点由括号内的参数决定，而glRotatef（）将在该点上的小车模型旋转到一定姿态。在场景中绘制小车模型前，先计算出经过t时间所运动到的新一点的位置量和姿态参数，然后调用上面两函数进行绘制。下面这段程序可将实体在场景中（New_x，New_y，New_z）位置上以Rotate_x、Rotate_y、Rotate_z姿态显示。其中，Rotate_x表示俯仰角；Rotate_y表示平转角；Rotate_z表示倾侧角。
glPushMatrix（）；
glTranslatef（New_x，New_y，New_z）；//新一点的位置量将模型移到新位置上
glRotatef（Rotate_x，
在三维视景仿真系统中，视点即为“人眼”的化身，其功能与现实世界的照相机类似。漫游实际上就是通过不断移动视点或改变视线方向（观察方向）而产生的三维场景的重新绘制过程。因此，三维场景中只需要通过不断改变视点和观察点的位置来实现漫游。
三维场景漫游功能提供了用户与场景之间的交互，用户的输入导致了视点及其视线方向改变时，所看到的部分场景也会相应变化，这样就模拟了用户在不同角度对场景的观察。在漫游过程中，通过键盘、操纵杆来实时更改视点位置和观察方向以达到对场景的控制。
OpenGL提供了函数gluLookAt（）来完成相机的放置。gluLookAt（eyex，eyey，eyez，centerx，centery，centerz，upx，upy，upz）；其中，（eyex，eyey，eyez）指定眼睛的位置（视点的位置）也即相机放置的位置；（centerx，centery，centerz）指定被观察的场景对象的位置也即相机拍摄目标对象；（upx，upy，upz）指定观察者的角度也即相机的拍摄角度。
通过改变函数中各参数值就可以完成视点的不同方式设置。系统放置了三个相机，第一个相机模拟小车前侧摄像头，第二个相机模拟小车后侧摄像头，这两个相机视点的位置和三个姿态角均由小车决定。设小车在三维场景中的位置是（New_x，New_y，New_z），姿态角为（Rotate_x，Rotate_y，Rotate_z），视点距小车的距离为d，那么视点的3个角（Rotate_x1，Rotate_y1，Rotate_z1）、位置（New_x1，New_y1，New_z1）分别为：
New_x1=New_x+d×cos（Rotate_x）×sin（Rotate_y）
New_y1=New_y+d×sin（Rotate_x）
New_z1=New_z+d×cos（Rotate_x）×cos（Rotate_y）
Rotate_x1=Rotate_x
Rotate_y1=Rotate_y
Rotate_z1=Rotate_z
第三个相机跟踪小车尾的运动，并且视点的位置可通过键盘的输入改变。它放置在离车尾距离为Distance的地方，Distance参数随用户对上下键的操作而改变，以实现相机的拉近与放远效果。同时，左右键可使相机左右摇摆，能从各个水平角度观察小车的运行情况。其中，上下左右键分别对应键盘的“↑”、“↓”、“→”、“←”。操纵杆的按键2至按键4这3个按键分别切换视点到小车前侧摄像头、后侧摄像头、可变视点对应的视景。
图3前侧视点
图4后侧视点
图5全景视点
5结语
本文利用OpenGL开放性三维图形库进行设计，在VisualC++环境下，结合仿真系统的关键技术操纵杆控制的实现、运动控制、视点漫游技术的实现等，开发了一个小型无人地面车辆虚拟漫游系统。该漫游系统为实时仿真系统的研究应用提供了一种实现途径。
参考文献：
李湘德，彭斌.虚拟现实技术发展综述[J].技术与创新管理，2004（6）.
陈文萍，邓俊辉，唐泽圣.基于图像的虚拟场景实时漫游[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004（9）.
[3]刘惠义.虚拟视景交互漫游过程中视点的运动控制方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，20
[4][美]RICHARDSWRINGHTJR.OpenGL超级宝典[M].第3版.北京：人民邮电出版社，2005.
[5]刘瑜，王新民，李俨.USB操纵杆在飞机视景仿真系统中的应用[J].测控技术，2007（12）.
（责任编辑：余晓）
关键词：OpenGL；无人车辆；虚拟现实；虚拟漫游
1672-7800（2013）001-0102-03
0引言
小型无人地面车辆（SU）的运动环境复杂，进行无线操控需要操作员具有一定的熟练程度。利用虚拟现实技术可实现虚拟现实环境下的模拟训练，从而提高操作员的熟练程度。
虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是20世纪末发展起来的一项集计算机、传感与测量、仿真、微电子技术于一体，利用计算机生成的一种虚拟环境，通过视、听、触，甚至味觉，使用户身临其境，并能够与之发生交互作用。其实时性、沉浸性和交互性是VR技术的3个重要特征。交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，是VR技术的基础，交互是否自然、实时，决定了虚拟环境的真实程度和用户置身其中的认知能力。
目前，大多数用户通过键盘、鼠标等输入设备实现与虚拟场景进行交互，改变了视点的位置或视线方向，从而实现了用户在虚拟场景中漫游。
OpenGL是SGI公司推出的三维图形开发标准，提供的各种几何变换函数可以快速实现漫游。为此，本文采用OpenGL提供的基本几何变换控制虚拟漫游视点位置，并在基于SU的可视化漫游系统中予以应用。
1漫游系统框架
图1是使用实现漫游系统的流程。程序采用双缓冲的绘图方式。在显示当前帧的同时，计算机在后台计算SU在下一帧中的位移、偏转角、视点的位置、视点的朝向。计算好以后，将这些参数传递给图形函数进行渲染，最后将渲染好的帧替换当前帧。
图1漫游系统框架
2操纵杆控制实现
操纵杆是小型无人地面车辆在实际操作过程中的主要控制设备，通过操纵杆来控制SU的各种运动。因此，本文选用操纵杆作为SU可视化仿真平台的主要交互方式，使操纵者能够实现从模拟平台到实际操作的快速转变。
操纵杆作为计算机的一种输入设备在Windows系统中是以多媒体的形式出现的，是媒体控制接口（MCI）的一部分。在VC中对操纵杆的响应是利用MCI提供的一组检测游戏操纵杆、确定操纵杆性能、位置、按钮信息的函数来实现的。
本系统采用北通幻影操纵杆，该操纵杆手感佳，控制灵活，采用USB接口，即插即用，带有可编程的按钮（图2）。
图2操纵杆
2.1操纵杆功能
操纵杆功能包含了对它性能的查询，记录操纵杆的位置和按键情况，以及接受对操纵杆事件反应的消息。应用程序可以使用下列函数来接收操纵杆的输入信息：①joyGetNumDevs：返回操纵杆功能能够支持的操纵杆的数量；②joySetCapture：捕获操纵杆信息，并将操纵杆消息发送到指定的窗口以及发送消息的频率；③joyGetDevCaps：返回操纵杆的性能参数；④joyGetCapture：使操纵杆的输入在规定的时间间隔内或者当操纵杆状态有所改变时，发送到一个指定的窗口。2.2操纵杆功能实现
（1）捕获函数：该操纵杆采用消息响应机制，因此，要完成对操纵杆的编程，首先要实现捕获操纵杆，本文中利用VC提供的捕获函数joySetCapture（）来实现，该函数可以返回操纵杆的状态信息。例如，操纵杆未连接到系统或是操纵杆的驱动不存在。（2）消息处理：初始化工作完成以后，系统就可以捕获到游戏操纵杆，Windows会把所有的操纵杆消息发送给当前对话框窗口。当操纵杆的方向改变时，产生的是MM_JOY1MOVE消息；当功能按钮被按下时，产生MM_JOY1BUTTONDOWN消息；当操纵杆z值发生变化时，产生MM_JOY1ZMOVE。通过编制WindowProc（）回调函数，对各消息进行处理。
为方便控制，需要将捕获到的操纵杆数据进行必要的处理和转化，比如将X轴方向的65536个档位的位置信息（从0～65535）转化为对称的位置信息。检测设需要的数据范围是s～s之间，s为正值，转换结果为r，读取的摇杆数据为m，那么转换公示为：r=（2s×m）/6553
6.0-s，从而使控制效果直观。
对操纵杆来说，要设置操纵杆的X轴坐标和Y轴坐标，以及死区。由于长时间对操纵杆进行操作，产生0点漂移，导致摇杆在自由状态下控制量不为0，因此要给操纵杆工作区域设置一个死区范围，保证操纵杆在死区范围内控制量为0，不会产生误动作。在速度控制上，协议规定：沿Y轴正半轴数值越大，表示无人车辆在前进方向速度越大；沿Y轴负半轴数值越小，表示无人车辆在后退方向速度越大。在方向控制上，协议规定：操纵杆位于第一象限时，无人车辆向右前方转弯；操纵杆位于第二象限时，无人车辆向左前方转弯；操纵杆位于第三象限时，无
摘自：学士论文www.udooo.com
人车辆向左后方转弯；操纵杆位于第四象限时，无人车辆向右后方转弯；在每一象限的转弯大小由X轴和Y轴坐标大小控制，通过按键1和操纵杆的共同控制，无人车辆即可实现向左或向右中心转向。3小车在场景中的运动控制
为了实现对三维模型的实时驱动，首先要建立一个定时器，定时器由函数SetTimer（nID，simulationStep，NULL）完成。simulationsStep是仿真步长，定时器每隔一个仿真步长产生一个WM_TIMER消息。WM_TIMER的消息处理函数OnTimer（）每隔一个仿真步长执行一次，在函数OnTimer（）中更新三维模型的位置和姿态，就可以实现对三维模型的驱动。OpenGL提供了两个函数glTranslatef（）和glRotatef（）来确定小车模型在空间中的位置和姿态。它们分别对小车模型进行平移和旋转变换。函数glTranslatef（）平移小车模型到场景中的某一点上，该点由括号内的参数决定，而glRotatef（）将在该点上的小车模型旋转到一定姿态。在场景中绘制小车模型前，先计算出经过t时间所运动到的新一点的位置量和姿态参数，然后调用上面两函数进行绘制。下面这段程序可将实体在场景中（New_x，New_y，New_z）位置上以Rotate_x、Rotate_y、Rotate_z姿态显示。其中，Rotate_x表示俯仰角；Rotate_y表示平转角；Rotate_z表示倾侧角。
glPushMatrix（）；
glTranslatef（New_x，New_y，New_z）；//新一点的位置量将模型移到新位置上
glRotatef（Rotate_x，
1.0，0.0，0.0）；//根据新的姿态参数调整模型姿态绕x轴旋转
glRotatef（Rotate_y，0.0，1.0，0.0）；//模型绕y轴旋转
glRotatef（Rotate_z，0.0，0.0，1.0）；//模型绕z轴旋转
4视点漫游实现在三维视景仿真系统中，视点即为“人眼”的化身，其功能与现实世界的照相机类似。漫游实际上就是通过不断移动视点或改变视线方向（观察方向）而产生的三维场景的重新绘制过程。因此，三维场景中只需要通过不断改变视点和观察点的位置来实现漫游。
三维场景漫游功能提供了用户与场景之间的交互，用户的输入导致了视点及其视线方向改变时，所看到的部分场景也会相应变化，这样就模拟了用户在不同角度对场景的观察。在漫游过程中，通过键盘、操纵杆来实时更改视点位置和观察方向以达到对场景的控制。
OpenGL提供了函数gluLookAt（）来完成相机的放置。gluLookAt（eyex，eyey，eyez，centerx，centery，centerz，upx，upy，upz）；其中，（eyex，eyey，eyez）指定眼睛的位置（视点的位置）也即相机放置的位置；（centerx，centery，centerz）指定被观察的场景对象的位置也即相机拍摄目标对象；（upx，upy，upz）指定观察者的角度也即相机的拍摄角度。
通过改变函数中各参数值就可以完成视点的不同方式设置。系统放置了三个相机，第一个相机模拟小车前侧摄像头，第二个相机模拟小车后侧摄像头，这两个相机视点的位置和三个姿态角均由小车决定。设小车在三维场景中的位置是（New_x，New_y，New_z），姿态角为（Rotate_x，Rotate_y，Rotate_z），视点距小车的距离为d，那么视点的3个角（Rotate_x1，Rotate_y1，Rotate_z1）、位置（New_x1，New_y1，New_z1）分别为：
New_x1=New_x+d×cos（Rotate_x）×sin（Rotate_y）
New_y1=New_y+d×sin（Rotate_x）
New_z1=New_z+d×cos（Rotate_x）×cos（Rotate_y）
Rotate_x1=Rotate_x
Rotate_y1=Rotate_y
Rotate_z1=Rotate_z
第三个相机跟踪小车尾的运动，并且视点的位置可通过键盘的输入改变。它放置在离车尾距离为Distance的地方，Distance参数随用户对上下键的操作而改变，以实现相机的拉近与放远效果。同时，左右键可使相机左右摇摆，能从各个水平角度观察小车的运行情况。其中，上下左右键分别对应键盘的“↑”、“↓”、“→”、“←”。操纵杆的按键2至按键4这3个按键分别切换视点到小车前侧摄像头、后侧摄像头、可变视点对应的视景。
图3前侧视点
图4后侧视点
图5全景视点
5结语
本文利用OpenGL开放性三维图形库进行设计，在VisualC++环境下，结合仿真系统的关键技术操纵杆控制的实现、运动控制、视点漫游技术的实现等，开发了一个小型无人地面车辆虚拟漫游系统。该漫游系统为实时仿真系统的研究应用提供了一种实现途径。
参考文献：
李湘德，彭斌.虚拟现实技术发展综述[J].技术与创新管理，2004（6）.
陈文萍，邓俊辉，唐泽圣.基于图像的虚拟场景实时漫游[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004（9）.
[3]刘惠义.虚拟视景交互漫游过程中视点的运动控制方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，20
源于：查抄袭率硕士毕业论文www.udooo.com
04（6）.[4][美]RICHARDSWRINGHTJR.OpenGL超级宝典[M].第3版.北京：人民邮电出版社，2005.
[5]刘瑜，王新民，李俨.USB操纵杆在飞机视景仿真系统中的应用[J].测控技术，2007（12）.
（责任编辑：余晓）