回声测深仪的三维模拟与控制

摘要

航海技术、轮机工程是实践性很强的专业，培养学生时需要大量实践场所，为此相关高校都购置或开发了航海类模拟器。当前，国内外主流的航海模拟器(如：上海海事大学航海科学研究所研制的船舶操纵模拟器、航海雷达导航模拟器，大连海事大学航海技术研究所研制的船舶操纵模拟器、便携式船舶操纵模拟器；挪威的挪康公司(Kongsberg Maritime AS)、英国的英国船商有限公司(TransasMarine UK Ltd．)研制的航海模拟器)均采用三维视景来描述船舶及其周围环境，操作者可操纵船舶在虚拟的三维世界中漫游，其船舶操纵部分普遍采用硬件模拟(使用开关、旋钮、键盘等设备实现对船舶的操纵与控制)或二维图像模拟(使用二维图像来描述真实的开关、旋钮等，并实现对船舶的操纵与控制)。采用硬件模拟需要复杂的安装调试工作、各硬件本身和相互之间的关联部分容易出现故障，而二维图像模拟真实感又较差。 作为船舶操纵模拟器的探索性研究，本课题开发回声测深仪的三维模拟器。在微型计算机上，使用OpenGL技术开发三维模拟器，在此模拟器中实现三维漫游和控制，也就是使用者能在虚拟三维空间中的任意位置、任意角度来观看回声测深仪，并能够进行相关的操作。这样既降低了模拟器开发成本，又提高了模拟器的真实性。 详细研究三维创作软件3DS MAX输出的3ds文件格式，通过分析转换成ASCII字符的3ds文件，较详细的绘制了3ds文件的块结构图，并指出了几乎所有数据块的结构及其用途，为正确使用3ds文件数据奠立了坚实的基础。 结合3ds文件的结构特点和OpenGL的数据特点，给出了装载3ds模型的类定义，并对数据进行了必要的转换，正确将数据保存到OpenGL 数据结构之中。分析了计算法线向量的两种方法，给出了由组成面的点的三维数据计算点的法线向量的方法。 从查阅到的相关文献来看，文献中都提到了再现三维模型需要读取3ds文件中三维模型的材质块数据和顶点数据、面列表数据，而忽视了关键帧数据。本课题提出了正确再现3ds三维模型数据必须读取并使用关键帧数据的观点，详细分析了显示实例物体、参考物体与显示普通物体的不同，并正确显示了实例物体和参考物体。深入分析关键帧数据，提出了正确显示子物体的方法和步骤。 本课题采用三维的模拟操作控制部分，回声测深仪的开关、旋钮以及进行的所有操作都是在三维虚拟空间中进行，由于采用纯软件实现所以安装、调试模拟器就很简单，又因为采用三维的交互控制所以又有较好的真实感。

目录

文摘

英文文摘

声明

0 前言

0.1 研究的目的和意义

0.2 国内外研究概况

0.2.1国内研究概况

0.2.2国外研究概况

0.3 本课题主要研究的内容和方法

0.4 小结

1 三维建模

1.1 OPENGL建模环境

1.2 通用三维建模环境

1.2.1 AutoCAD

1.2.2 3ds MAX

1.3 利用3DS MAX建立回声测深仪的三维模型

1.3.1使用放样技术

1.3.2使用贴图提高模型的真实感

1.3.3布尔运算减少物体数目

1.3.4创建三维文字

1.3.5创建实例物体或参考物体减少系统数据

1.3.6建立物体之间的继承关系

1.4 小结

2 3DS文件格式的分析

2.1 3DS文件格式简介

2.1.1 3ds文件是基于“块”存储

2.1.2 3ds文件的块层次图

2.2 3DS文件中主要数据块分析

2.2.1物体数据块

2.2.2材质数据块

2.2.3关键帧数据块

2.3 小结

3 将3DS文件数据转换为OPENGL数据

3.1 OPENGL下的三维模型数据结构

3.2 将3DS数据保存在OPENGL数据结构中

3.2.1装载3ds模型的类定义

3.2.2读取物体的网格数据

3.2.3读取物体的关键帧数据

3.3 小结

4 在OpenGL中再现回声测深仪三维模型

4.1 OpenGL操作顺序

4.2 OpenGL初始设置

4.3 计算顶点的法线向量

4.3.1计算解析曲面的法线向量

4.3.2根据多边形数据计算法线向量

4.4 显示普通物体

4.5 显示实例物体和参考物体

4.6 显示子物体

4.7 小结

5 实现对回声测深仪的交互与控制

5.1 SKIPPER ED-162型回声测深仪的功能与基本操作

5.1.1基本功能

5.1.2基本操作与控制

5.2 系统整体规划

5.3 基于VISUAL C++6.0对OpenGL环境的交互与控制基础

5.3.1 3ds模型装载类

5.3.2鼠标点击拾取物体

5.3.3鼠标控制自由旋转算法

5.3.4调节视点位置

5.4 回声测深仪的模拟操作与控制

5.4.1创建与计算水深数据

5.4.2模拟船舶航行

5.4.3数字水深与报警预置深度的显示

5.4.4模拟记录水深的显示

5.4.5基本操作的实现

5.5 小结

6 结论

参考文献

攻读学位期间正式发表的论文

附 录

致 谢