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基于转K7型转向架的三维交互仿真系统的研究与实现

作　者: 扈园园
导　师: 龚卓蓉
学　校: 北京交通大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 人机交互模型简化碰撞检测仿真培训桌面式虚拟现实系统
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 75次
引　用: 1次
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内容摘要

目前,铁路车辆科技正在向着高速重载的方向快速发展,各种新技术不断推出,车辆的技术性能和检修指标不断更新,相关资料和培训教材十分复杂繁多;而各路局现有的培训方式主要以二维图纸或文字形式的检修规程和手册为主,这使得铁路职工的教育培训工作十分困难,并严重阻碍了新技术的传播和发展。正是出于这个目的,本文进行基于车辆系统的三维交互仿真培训系统的研究与实现工作。本文以货车用转向架的三维交互仿真系统为实现原型,结合三维动画技术、多媒体技术和虚拟现实技术等技术,构建了一个基于桌面式计算机的三维交互仿真平台,并实现对转向架系统内部结构、工作原理以及相关技术参数等的模拟仿真。该系统以人机交互方式逼真地再现实际培训过程,可用于操作人员和检修人员任何时间、任何地点的培训工作,使其摆脱场地、空间、时间和环境等外部因素的制约,实现高效、自由、能动的培训。本文的研究工作主要是围绕转K7型转向架的三维交互仿真系统进行的,分析并解决人机交互界面、人机交互方式以及转向架系统的内部结构、拆装过程和工作原理等的仿真实现,具有很强的实用性和研究价值。本文主要讨论了三个问题:三维模型简化、交互界面和交互技术实现以及碰撞检测,分别进行分析并给出解决方法。三维模型简化技术是当前计算机仿真技术、可视化技术和虚拟现实技术等面临的重要问题。交互界面和交互技术则是交互系统的核心内容,本文进行的主要是以鼠标、键盘、耳麦和显示器等普通桌面式计算机输入输出设备为交互设备的交互系统研究工作。碰撞检测问题是为了提高系统的真实感和交互性而提出的。本文工作中的创新之处体现在两个方面:(1)在模型简化问题上,采用简化和平滑处理相结合的办法,在既达到最大程度精简的目标下,又能兼顾模型的表面外观,实现既简又美的模型优化效果。(2)以易用和准确的原则,采用人性化的交互方式构建了转向架的三维交互仿真培训系统。在交互界面中,设计了多层信息模块,如菜单面板、小窗口快捷图和实时模型名称光标跟踪显示等方法,辅助用户进行交互式培训过程。在交互方式上,充分利用鼠标三键功能实现交互过程,以使操作者将注意力集中在培训内容上。在交互操作过程中,设计热区和箭头跟踪等实时管理和提示用户操作进程,以提示和帮助用户合理高效地完成相关操作。本文的出发点是构建简单、实用而高效的桌面式仿真培训系统,解决各路局的培训问题,降低培训成本,提高培训效率。从这个意义上来说,这种方法可同样用于各路局培训系统的开发,并可推而广之用于其他行业各种培训系统。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-13
1 引言  13-23
  1.1 三维交互仿真技术的内涵  13-14
    1.1.1 三维交互仿真与三维动画仿真的比较  13-14
    1.1.2 三维交互仿真技术的内涵  14
  1.2 课题背景与意义  14-17
    1.2.1 生产培训系统分析  15
    1.2.2 用户培训系统分析  15-16
    1.2.3 研究目的与意义  16-17
  1.3 国内外研究现状  17-19
  1.4 本文技术路线和研究内容  19-21
  1.5 论文结构  21-23
2 三维交互仿真培训系统构建方法  23-41
  2.1 三维交互仿真培训系统分析与设计  23-24
    2.1.1 复杂装备培训系统存在的问题  23
    2.1.2 三维交互仿真培训系统功能需求分析  23-24
  2.2 三维图形实时绘制分析与设计  24-31
    2.2.1 硬件层次分析  25
    2.2.2 软件层次分析  25-30
    2.2.3 实时绘制方案设计  30-31
  2.3 人机交互技术分析  31-34
    2.3.1 人机交互技术分析  31-33
    2.3.2 人机交互方案设计  33-34
  2.4 碰撞检测问题分析  34-39
    2.4.1 碰撞问题描述  35-36
    2.4.2 碰撞检测算法  36-38
    2.4.3 碰撞检测方案设计  38-39
  2.5 三维交互仿真系统构建方法  39
  2.6 小结  39-41
3 三维图形实时绘制优化设计  41-56
  3.1 三维模型数据优化分析与实现  41-46
    3.1.1 三维模型数据结构分析与处理  41-46
    3.1.2 三维模型的多分辨率模型简化实现  46
  3.2 三维网格模型简化分析与实现  46-49
  3.3 层次细节技术分析与实现  49-52
    3.3.1 单元分割法  49-50
    3.3.2 层次细节模型法  50-52
  3.4 实例引用优化分析与实现  52-54
  3.5 小结  54-56
4 人机交互技术分析与设计  56-71
  4.1 材质模型和光照模型设计  56-57
    4.1.1 材质模型分析与处理  56
    4.1.2 光照模型设计  56-57
  4.2 交互技术分析  57-61
    4.2.1 人机界面分析与设计  57-59
    4.2.2 三维交互技术分析与设计  59-61
  4.3 交互功能模块设计  61-65
    4.3.1 三维模型选取功能模块  61-62
    4.3.2 三维模型操纵功能模块  62-64
    4.3.3 三维模型释放功能模块  64-65
  4.4 碰撞检测  65-69
  4.5 三维交互平台运行实例  69-70
  4.6 小结  70-71
5 三维交互仿真系统构建实例  71-77
  5.1 开发平台  71-72
  5.2 转K7型转向架系统结构及特点  72-74
    5.2.1 转K7型转向架系统结构  72-73
    5.2.2 转K7型转向架系统特点  73-74
  5.3 交互仿真系统架构体系  74-75
  5.4 交互仿真系统与其他系统的集成设计  75-76
  5.5 小结  76-77
6 结论与展望  77-79
  6.1 结论  77-78
  6.2 展望  78-79
参考文献  79-82
作者简历  82-84
学位论文数据集  84

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