基于Vega平臺的視點控制技術的研究與設計

王傳喜，趙 剛

（四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064）

視點是計算機圖形學中的概念，作用類似于攝像機的鏡頭或者人的眼睛。視點控制的過程，實質上就是模型視圖變換的過程。視點控制包括控制視點位置和控制視點方向，其中視點的位置決定了視點與觀察者之間的距離，視點的方向決定了觀察對象是否可見。在觀察運動物體的時候，為了有充分的時間觀察它，就需要視點的速度和物體運動的速度相同。

在Vega環境中底層化了4種視點定位模式，分別是動態定位視點模式 （Motion Model）、束縛定位視點模式（Tether）、導航路徑定位視點模式（Path Navigator）、手動定位視點模式（Manual）[1]。其中束縛定位視點模式包括跟隨束縛、固定束縛、旋轉束縛3種模式；Vega環境中視點控制的過程，類似于人眼觀察環境的過程。如果視點控制不合理，即使三維模型很精、仿真系統的功能很完備，同樣導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平臺上，文獻針對視點的研究有兩類：一是通過調節視角觀察一個靜止的物體[2]，另一種是僅僅用Lynx編輯視點[3]。對用Lynx編輯ADF文件、Vega API編程、外部輸入設備等，聯合實時動態控制視點的文獻沒有闡述清楚。文中正是基于手動定位視點模式，設置合理的算法，通過Vega API編程和鍵盤聯合實時動態控制視點的。

1 視點控制的算法設計

1.1 數學模型的建立

將運動的物體A的坐標記為A點，將運動的物體B的坐標記為B點，將線段AB的中點記為M點，且M點是焦點。為了實時觀察到兩個運動物體的全過程，需要合理的設置視點，因此采用延長BA到C點，線段AC的長度為dAC，設視點和C點的高度值相同，即視點和C點在同一水平面上，作CN垂直與CB，使線段NC的距離為dNC，則N點的三維坐標就是視點的三維坐標。其視點與物體空間位置關系如圖1所示。

圖1 視點與物體空間位置關系圖Fig.1 Spatial location diagram of the viewpoint and objects

1.2 焦點和視點坐標的解算

C點和N點都在Z0=z的平面內，則N（xN，yN，zN），其中：

則N（xN，yN，zN）就是需要定位的視點。

2 視點控制的實現

利用上述視點控制算法，在三維視景仿真平臺Vega上，用Lynx編輯好ADF文件，通過實時獲取運動物體A和運動物體B的坐標，調用視點控制的算法實時計算出視點和焦點坐標，利用Vega API編程就可以實時觀察動態運動物體A和運動物體B運動的全過程、且可以通過鍵盤動態調節視點。在編寫Vega程序之前，應該清楚Vega程序架構和主要執行順序等。其系統工作流程圖如圖2所示。

2.1 Lynx配置ADF文件

運行Vega應用程序前，需對各種參數初始化，運行期間保持參數的不斷更新。各種參數都存放在ADF文件中，Lynx界面實質是用來編輯ADF文件的[4]。將需要用的模塊中的特定參數進行修改，其他的參數使用Lynx界面提供的缺省值。主要配置為：將兩個運動體模型、地景模型加入到場景中，設置運動模型的運動模式，利用路徑工具（Path Tool）添加運動體運動的導航路徑，將場景運動體的定位方法設置成路徑導航。為了滿足實時改變觀察者位置的要求，將視點定位方式設置成手動。

圖2 系統工作流程圖Fig.2 Flow chart of the system operation

2.2 關鍵的Vega API編程

Vega提供了完整的C語言應用程序接口API和豐富的函數庫。在用視點模塊設計和操作視點時，Vega也提供了相應的類和函數。用Lynx編輯ADF文件，并解算出視點和焦點的位置信息后，在VC6.0的環境中，調用Vega API開發庫函數實現視點調節的功能。利用Vega實時的獲取兩個運動體的位置信息，并通過視點控制算法計算出焦點M和視點N的三維坐標。視點定位方法是視點相對于運動體A相對靜止，因此視點定位采用相對于本機的手動STATIC視點，并使視點始終注視焦點。兩個運動體在運動的過程中，它們的坐標位置是不斷變化、持續更新的，引起焦點也是實時變化的。通過Vega API函數調節視點的關鍵代碼如下：

pos0=vgNewPos（）；

//新建一個三維位置

vgPosVec（pos0，xobs，yobs，zobs，0，0，0）；

//對三維位置賦值

vgProp（obs，VGOBS_TETHERSTATE，VGOBS_STATIC）；

//設定視點的定位方式為手動定位

vgPos（obs，pos0）；

//將三維位置信息傳遞給視點

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

//設定焦點的三維位置信息

vgProp（obs，VGOBS_LOOKAT_TARGET，VGOBS_L_POS）；

/

/設定視點的屬性是觀察具體的三維坐標點

vgObservLookatPos（obs，pos0）；

//設定視點觀察的是焦點信息

2.3 鍵盤動態調節視點

在三維實時視景仿真系統中，為了獲得最佳的觀察效果，需要對視點調試算法中的dAC和dNC的大小實時動態的調節。在三維視景仿真中，習慣并普遍流行用鍵盤控制運動這種操作方式。因此采用鍵盤實時調節dAC和dNC的大小，協同控制視點的方法。 其中 keyInput（vgWindow*win）[5]函數用于響應所有的鍵盤事件，實際上處理鍵盤的函數是vgGetWinKey（vgWindow*win），此函數返回被按下鍵的相應的ASCII碼整數值[6]，*win代表指向Vega窗口的指針。幀循環中加入鍵盤輸入事件，就可以通過鍵盤動態調節視點相對于運動體A的相對位置，優化三維視景仿真系統中的視點調節，增加沉浸感。其按鍵協同調節視點的定義如表1所示。

表1 按鍵協同調節視點的定義Tab.1 Definition of keyboard collaborative control viewpoint

3 Vega仿真結果

在Vega視景仿真平臺上，以飛機為例，通過實時動態的控制視點，實時逼真的再現了飛機B從遠方逐漸向飛機A接近的全過程，且可以通過鍵盤實時動態調節視點，仿真效果良好。飛機A與飛機B的距離是698 m的仿真圖如圖3所示。飛機A與飛機B的距離是172 m的仿真圖如圖4所示。

圖3 兩架飛機距離是698 m的仿真圖Fig.3 Distance of two plane：698 meter

4 結束語

文中在三維視景仿真的高性能軟件Vega平臺上，深入研究視點控制的基本原理，建立了三維數學模型，提出了用向量解算動態的視點和焦點位置的方法，借助Vega API編程和外部輸入設備，實現了實時動態觀察兩個物體運動的全過程，并且可以用鍵盤協同控制視點，驗證了視點控制算法的正確性、有效性，提高了三維實時視景仿真直觀性、靈活性、可控性，增強了視景仿真的真實性、實時性和交互性。本項視點控制的研究具備較好的通用性，對于某些對視點要求較高的三維視景開發系統有較大的推廣價值，對于基于底層的OpenGL視景仿真開發也有一定的借鑒意義。

圖4 兩架飛機距離是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：國防工業出版社，2002.

[2]陳亮，歐陽清，劉志強.虛擬艦船艙室的無遮擋顯示研究[J].艦船電子工程，2010（1）：156-159.

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.

[3]宋志明，康鳳舉.視景仿真的關鍵技術[J].計算機應用，2004（5）：67-68.

SONG Zhi-ming，KANG Feng-ju.Key techniques in scene simulation[J].Computer Applications，2004（5）：67-68.

[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實時三維視景仿真技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.