摘  要： 介紹了在Windows系統(tǒng)平臺(tái)及Visual C++ 6.0的MFC基礎(chǔ)類庫(kù)環(huán)境下，采用OpenGL技術(shù)與串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的飛行仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與程序?qū)崿F(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)  OpenGL  六維鼠標(biāo)  串行口

　　虛擬現(xiàn)實(shí)是一種創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，計(jì)算機(jī)可以產(chǎn)生一個(gè)三維的虛擬環(huán)境,通過(guò)人的視覺(jué)、觸覺(jué)等作用于人[1]。 用戶以客觀世界的實(shí)際動(dòng)作或以人類熟悉的方式操作虛擬系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)立體交互,使人產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬環(huán)境生成器和高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。
　　目前，OpenGL在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域是功能較強(qiáng)，最具發(fā)展前途的實(shí)現(xiàn)工具。OpenGL是美國(guó)高級(jí)圖形和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司（SGI）所開(kāi)發(fā)的三維圖形庫(kù)，在當(dāng)前已經(jīng)成為事實(shí)上的高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)[2]。OpenGL是一個(gè)獨(dú)立的工作平臺(tái)，用它編寫(xiě)的程序可以在不同的硬件平臺(tái)(如工作站或個(gè)人微機(jī))中使用，也可以在多種操作系統(tǒng)(如Windows系列、OS/2等)下運(yùn)行。
　　經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及設(shè)備被很多領(lǐng)域應(yīng)用，而飛行仿真是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文所研究的飛行仿真系統(tǒng)采用新型六維控制器(六自由度鼠標(biāo))作為輸入設(shè)備，監(jiān)視器作為輸出設(shè)備，以O(shè)penGL作虛擬環(huán)境生成器，構(gòu)成一套高性能計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高度仿真的飛行模擬器運(yùn)動(dòng)。
1  構(gòu)建應(yīng)用程序框架
　　應(yīng)用Visual C++ 6.0建立一個(gè)基于MFC的應(yīng)用程序框架，并將VC庫(kù)文件opengl32.lib、glu32.lib和glaux.lib包含在應(yīng)用程序中。
　　為使OpenGL函數(shù)庫(kù)的調(diào)用有效，首先應(yīng)設(shè)置渲染窗口。OpenGL的渲染處理完全不同于Windows的圖形設(shè)備接口GDI。要使Windows的窗口格式為OpenGL所接受，需進(jìn)行下列設(shè)置。
1.1 建立圖形操作描述表
　　OpenGL作圖窗口必須設(shè)置為WM_CLIPSIBLINGS和WM_CLIPCHILDREN風(fēng)格。
　　在Windows98/2000系統(tǒng)下，窗口程序首先要處理設(shè)備描述表(Device Contexts，DC)，它包括若干在窗口上如何顯示圖形的信息。而在OpenGL程序中，必須創(chuàng)建圖形操作描述表（Rending Context，RC），這是DC中專用于OpenGL的一種。但是RC不同于其他的DC，它只需要一個(gè)句柄就可以任意調(diào)用OpenGL函數(shù)，而其他DC調(diào)用每個(gè)GDI函數(shù)時(shí)都需要一個(gè)句柄。
　　使用時(shí)先通過(guò)wglCreateContext（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)RC，然后調(diào)用wglMakeCurrent（）函數(shù)啟動(dòng)它，就可在所定義的窗口內(nèi)調(diào)用OpenGL函數(shù)繪制飛行器了。
　　m_pDC=new CClientDC(this)；
　　hrc=wglCreateContext(m_pDC->GetSafeHdc( ))；
　　wglMakeCurrent(m_pDC->GetSafeHdc( )，hrc)；
1.2 設(shè)置像素格式
　　像素格式指定設(shè)備的繪圖屬性，包括繪圖界面的顏色表示模式、顏色位數(shù)、累積緩存區(qū)、深度緩存區(qū)和模板緩存區(qū)的位數(shù)。每個(gè)OpenGL顯示設(shè)備都支持某一特定的像素格式。像素格式用PIXELFORMATDESCRIPTOR結(jié)構(gòu)來(lái)表示，通過(guò)設(shè)置這一結(jié)構(gòu)的成員值使之支持OpenGL。建立了圖形操作描述表并初始化PIXELFORMATDESCRIPTOR結(jié)構(gòu)后，應(yīng)以此結(jié)構(gòu)為變量調(diào)用ChoosePixelFormat( )函數(shù)為設(shè)備描述表選擇像素格式，最后調(diào)用SetPixelFormat( )將其設(shè)置為當(dāng)前像素格式。
　　int pixelformat；
　　pixelformat=ChoosePixelFormat(m_pDC->GetSafeHdc( )，&pfd)；
　　SetPixelFormat(m_pDC->GetSafeHdc( )，pixelformat，&pfd)；
2  繪制場(chǎng)景
2.1 準(zhǔn)備工作
　　開(kāi)始繪制場(chǎng)景之前，需要用背景顏色刷新顯存。飛行器在天空的背景中飛行，因此應(yīng)將清除顏色緩沖區(qū)的顏色設(shè)為淡藍(lán)色，然后刷新顏色緩沖區(qū)和深度緩沖區(qū)。
　　glClearColor(0.75，0.75，1.0，1.0)；
　　glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)；
　　準(zhǔn)備工作還要考慮計(jì)算機(jī)屏幕是二維的，要用它顯示逼真的三維物體就要用到圖形變換技術(shù)。同時(shí)程序還要保證，當(dāng)用戶隨意改變窗口大小時(shí)，飛行器不會(huì)變形失真。因此需要定義初始的坐標(biāo)變換。視圖類的OnSize事件對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行處理。
2.2 設(shè)置光照效果
　　創(chuàng)建三維立體的場(chǎng)景時(shí)，添加光線效果對(duì)于飛行器的真實(shí)感非常重要。OpenGL的光照模型將光照成分劃分為四個(gè)獨(dú)立的部分：發(fā)射光、環(huán)境光、散射光和鏡面反射光。OpenGL獨(dú)立計(jì)算這四種光照成分，然后將其結(jié)果疊加，從而得到最終的效果。
　設(shè)置光照應(yīng)分二步進(jìn)行。首先使用glLightfv( )函數(shù)設(shè)置光源的屬性和值，創(chuàng)建系統(tǒng)光源。本文定義了四個(gè)GLfloat數(shù)組sunposition、suncolor、sunambient和sunspecular，分別作為光源位置、光源的散射光亮度、環(huán)境光亮度和鏡面反射光亮度的屬性值。然后用glEnable(GL_LIGHTING)啟動(dòng)OpenGL的光照處理功能。再用glEnable(GL_LIGHT0)打開(kāi)設(shè)置的光源。
3  繪制飛行器
　　飛行器是一個(gè)較為復(fù)雜的三維圖形對(duì)象，它需要使用二次曲面和多邊形鑲嵌工具來(lái)創(chuàng)作，并通過(guò)OpenGL的紋理映射技術(shù)給飛行器穿上漂亮的外衣。
3.1 飛行器構(gòu)造原理
　　按照組成飛行器對(duì)象的幾何形體的特點(diǎn)，可將飛行器構(gòu)造用二次曲面（quadric）和多邊形(polygon)表示。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)頭用錐形表示；機(jī)體是柱形；尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)用錐形的柱體來(lái)表示；飛行器的頂棚可以用一個(gè)拉長(zhǎng)的球體來(lái)表示，把球體的透明度設(shè)為0.65，使之具有玻璃的效果，這些部分是二次曲面。例如機(jī)體繪制命令為：
　　gluCylinder(quadric，0.25，0.25，3.5，20，2)；
　　而機(jī)翼和機(jī)尾的各個(gè)部分都是多邊形的，應(yīng)使用多邊形鑲嵌工具來(lái)繪制。例如機(jī)尾繪制命令為：
　　gluTessBeginPolygon(tess，NULL)；
　　gluTessBeginContour(tess)；
　　for (i=0；i<6；i ++)
    　　　gluTessVertex(tess，tail[i]，tail[i])；
　　gluTessEndContour(tess)；
　　gluTessEndPolygon(tess)；
3.2 程序?qū)崿F(xiàn)方法
　　程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用了顯示列表技術(shù)。OpenGL的顯示列表是事先存儲(chǔ)的用于稍后執(zhí)行的一組OpenGL命令序列。分析了飛行器的幾何形體構(gòu)造、設(shè)置完繪制命令并進(jìn)行紋理貼圖美化飛行器外表后，就可將各個(gè)部分的構(gòu)造程序代碼編輯到顯示列表里存儲(chǔ)起來(lái)了。
　　F16Body=glGenLists(1)；
　　glNewList(F16Body，GL_COMPILE)；
　　最后調(diào)用函數(shù)glEndList( )，標(biāo)志一個(gè)顯示列表的結(jié)束。
　　在視圖類的DrawScene( )事件的適當(dāng)位置用函數(shù)glCall-
List(F16Body)調(diào)用顯示列表，從而按照預(yù)先定義的順序執(zhí)行飛行器模型的繪制。
4  六維鼠標(biāo)控制的飛行仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
4.1 六維鼠標(biāo)的工作原理
　　現(xiàn)實(shí)中飛行器是可以進(jìn)行三維移動(dòng)以及三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，因此在飛行仿真系統(tǒng)中就需要一種可以實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)模式的輸入控制設(shè)備。這里選擇了一種新型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維控制器，即六維鼠標(biāo)。
　　該六維鼠標(biāo)基于力控制原理，通過(guò)集成A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)的COM1口（串行口1）相連，采用串行通信機(jī)制。操作者握住鼠標(biāo)，向所要移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的方向用力，鼠標(biāo)將受到的六維力傳遞到內(nèi)部的微型六維力敏感元件，接著通過(guò)鼠標(biāo)內(nèi)部機(jī)制生成與該力成正比的電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)放大后采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，利用力Jacobian矩陣求出鼠標(biāo)受到的空間作用力情況[3]。六維鼠標(biāo)的控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)將三個(gè)力分量分別乘以某個(gè)大于零的系數(shù)，生成飛行器作空間直線運(yùn)動(dòng)的位移分量，從而控制仿真系統(tǒng)中飛行器的平移運(yùn)動(dòng)；將三個(gè)力矩分量經(jīng)過(guò)一定算法的變換后產(chǎn)生飛行器繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，從而控制飛行器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 在算法中應(yīng)用到了六維鼠標(biāo)的標(biāo)定矩陣G6×6。具體變換算法請(qǐng)查閱文獻(xiàn)3。圖1描述了六維鼠標(biāo)的工作原理流程。

4.2 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　六維鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)之間采用串口通信，所以在程序設(shè)計(jì)中選用了MSComm控件。該控件通過(guò)串行端口傳送和接收數(shù)據(jù)，從而為應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)串行通信功能[4]。MSComm控件將通信的大部分底層操作都封裝在控件內(nèi)部，應(yīng)用程序只需獲取和設(shè)置相應(yīng)的控件屬性即可，簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜度。在Visual C++ 6.0中使用該控件的基本流程如圖2所示。

　　本仿真系統(tǒng)中當(dāng)控件插入工程后，應(yīng)將串口初始化及打開(kāi)命令放在視圖類的OnCreate（）事件中。在應(yīng)用程序建立時(shí)就打開(kāi)串口，準(zhǔn)備接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。
　　應(yīng)用MSComm控件的OnComm( )事件作為對(duì)六維鼠標(biāo)輸入數(shù)據(jù)的響應(yīng)事件，并在事件處理中實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的運(yùn)動(dòng)控制。首先檢測(cè)串口的GetCommEvent( )事件，如果該事件返回值為2，表示接收緩沖區(qū)內(nèi)的字符數(shù)達(dá)到Rthreshold值，發(fā)生接收事件（comEvReceive）。接下來(lái)編寫(xiě)接收數(shù)據(jù)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)將鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三個(gè)平移分量（Xp、Yp、Zp)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量(Xr、Yr、Zr)。將Xp、Yp、Zp、Xr、Yr、Zr六個(gè)控制變量傳遞給DrawScene( )函數(shù)，在飛行器繪制之前修改視景坐標(biāo)系，從而控制飛行器的運(yùn)動(dòng)。
　　glTranslatef(Xp，0.0f，0.0f)；
　　glTranslatef(0.0f，Yp/10，0.0f)；
　　glTranslatef(0.0f，0.0f，-Zp)；
　　glRotated(Xr-37，1.0，0.0，0.0)；
　　glRotated(Yr-7，0.0，1.0，0.0)；
　　glRotated(Zr-2，0.0，0.0，1.0)；
　　glCallList(F16Body)；
       系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

5  結(jié)  論
　　本文所開(kāi)發(fā)的飛行器仿真系統(tǒng)使用Visual C++ 6.0作為軟件平臺(tái)，應(yīng)用OpenGL來(lái)開(kāi)發(fā)具有六維運(yùn)動(dòng)能力的飛行模擬器和高度真實(shí)感的三維地形，以六維鼠標(biāo)作為飛行器的控制輸入設(shè)備，通過(guò)串行通信機(jī)制控制計(jì)算機(jī)中的仿真系統(tǒng)。用戶通過(guò)給六維鼠標(biāo)施加不同方向、不同大小的力來(lái)自由控制系統(tǒng)中飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器在虛擬地形環(huán)境中的三維移動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界中飛行器運(yùn)動(dòng)的仿真。
參考文獻(xiàn)
1   毛玉姣，王梅，陳遠(yuǎn).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用.圖書(shū)情報(bào)知識(shí)，1997；(4)
2   戴達(dá)強(qiáng)，姜曉彤，朱欣華.OpenGL在圖形仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2001；(9)
3   趙現(xiàn)朝，金振林.六維鼠標(biāo)中力矩與轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換的一種新方法.  計(jì)算機(jī)工程，2002；(7)
4   李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐.北京：人民郵電出版社，2002