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发布时间:2020-07-22 10:03:09

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作者:牛余朋

出版社:电子工业出版社

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EON虚拟仿真高级应用

EON虚拟仿真高级应用试读:

前言

虚拟现实技术是近年来新兴的一种信息技术,它与多媒体和网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。它以计算机技术为核心,利用并综合三维建模技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术等最新发展成果,通过计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、听觉、触觉等多种感官体验的虚拟世界,从而使人们产生一种身临其境的感觉,使之与计算机融为一体。

虚拟现实的初级应用主要有两种,一种是建筑漫游,另一种是产品展示,都只是浏览,这也是现在市场上应用最多的。虚拟现实的中级应用主要是虚拟拆装仿真。虚拟现实的高级应用是将软件部分更多地和硬件结合起来,达到高度的仿真效果,给人更好的沉浸感,例如结合仿真器、各种虚拟硬件去实现仿真的体验,让人在体验的过程中学到更多的东西。高级应用在操作训练、战场仿真方面比较多。虚拟现实的高级应用对软件要求非常高,目前只有极少数虚拟现实软件才能满足上述需要。

EON是一款由美国EON Reality公司开发的实时3D多媒体仿真工具,适合工商业、学术界和军事等领域使用。EON易学易用、表现逼真、整合性强,可以广泛应用于教学研究、企业和院校培训,以及营销展示等领域。

为便于读者理解和掌握设计EON的相关技术,本书分四篇进行了探讨:基础入门篇主要介绍当前虚拟现实领域的一些基本概念和EON的基础知识;节点介绍篇主要介绍EON中一些常用节点的使用方法;高级进阶篇主要介绍在掌握EON基础知识之后如何更加深入地设计EON仿真程序;案例应用篇主要从动态加载、数据库和文件访问、动画仿真、流程控制、虚拟装配以及EON如何与外部程序交互等几个方面进行了详细的示例讲解,并进行仿真实验,书中的每个示例都给出了详细的仿真源程序。

本书由牛余朋组织编写,李攀编写第1、2章,陈静雯编写第3、4章,李晨飞编写第5、6章,牛余朋编写第7至13章,成曙编写第14、15章,高强编写第16章。在本书编写过程中,王红召、李伟、王娜对书中部分内容提出了很好的修改意见,并给予了大力支持和帮助;我的妻子给予了大力支持,在时间上给予了全力保障;感谢电子工业出版社的编辑,没有他们,本书不可能如期顺利出版。

本书的工程应用性较强,对于虚拟现实初学者(尤其是在校学生)及虚拟仿真工程师都会有较大的启发。本书既可作为高等院校相关专业的教材,也可供从事虚拟仿真相关工作的人员参考。

在编写过程中,本书参考和应用了一些文献资料,特向原作者表示感谢。

由于编者水平有限,加之时间仓促,书中难免会有错误和不妥之处,敬请读者批评指正。牛余朋2019年4月第一篇 基础入门篇第1章 虚拟现实技术及EON软件介绍1.1 虚拟现实技术1.1.1 虚拟现实技术的基本概念

虚拟现实(Virtue Reality,VR)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互,从而产生与真实环境类似的感受和体验。作为计算机仿真的组成部分,虚拟现实采用计算机图形图像技术,根据仿真的目的,构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境,可达到非常逼真的仿真效果。

虚拟现实技术具有以下五个主要特征:(1)沉浸性:是指虚拟现实技术能使人产生身临其境的感觉,就像真正的客观世界一样。(2)交互性:是指虚拟现实技术能够使用户与虚拟环境中的对象发生交互关系,其中人是交互的主体,虚拟对象是交互的客体,主体和客体之间的交互是全方位的。(3)构想性:是指虚拟现实技术不仅能使用户获取新的知识,提高感性和理性认识,还能使用户产生新的构思。(4)动作性:是指用户能以客观世界的实际动作或方式来操作虚拟系统,让用户感觉其面对的是一个真实的环境。(5)自主性:是指虚拟环境中对象可按各自的模型和规则自主运动。

虚拟现实的关键技术主要包括:动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发技术、系统集成技术等。

通过虚拟现实技术,可帮助人们更好地操作、体验一些在现实生活中存在困难或危险的活动,如危险的科学研究、军事演练、手术模拟等;也可以通过虚拟现实技术感受各国风光,以及诸如冒险等生活中难以做到的活动项目。同样,虚拟现实技术在娱乐、游戏方面也有巨大的作用,可为人们的休闲生活增加更多的乐趣。当今时代是科技高速发展的时代,虚拟现实技术的发展也有着重大的突破。虚拟现实技术是一项造福人类的技术,在医疗、教育、军事、娱乐等各个领域均有广阔的应用前景,可为科技的发展、社会的进步、人们的便利生活做出巨大贡献。

虚拟现实技术具有以下优点:(1)可节省成本。由于设备、场地、经费等硬件的限制,通常许多实验都无法进行,而利用虚拟现实技术,便可以足不出户地做各种实验,可在保证效果的前提下,极大地节省成本。(2)可规避风险。真实实验或操作往往会带来各种危险,利用虚拟现实技术进行虚拟实验,可在虚拟实验环境中安全地去做各种危险的实验。

例如,虚拟的飞机驾驶教学系统,可避免学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。在虚拟的飞机驾驶训练系统中,学员可以反复操作控制设备,学习各种天气情况下飞机的起飞、降落等技术,通过反复训练,达到熟练掌握驾驶技术的目的。(3)不受空间和时间的限制。利用虚拟现实技术,可以彻底打破时间与空间的限制,大到宇宙天体,小至原子,都可以进入这些物体的内部进行观察。例如,一些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程,通过虚拟现实技术可以在很短的时间内呈现出来。1.1.2 虚拟现实技术的发展现状

虚拟现实技术发展大体上可以分为四个阶段,有声、形的动态模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963年以前),虚拟现实萌芽为第二阶段(1963—1972年),虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段(1973—1989年),虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段(1990—2004年)。(1)美国。美国是VR技术的发源地,其研究水平基本上代表了VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

美国北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早、最著名的大学。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋,这些技术都是VR技术的基础。1985年MIT成立了媒体实验室进行虚拟环境的研究。SRI研究中心建立了视觉感知计划,研究现有VR技术的进一步发展;1991年后,SRI研究中心进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究,试图通过仿真来减少飞行事故。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HIT Lab)将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺伊州立大学研制出了在车辆设计中支持远程协作的分布式VR系统。乔治·梅森大学研制出了一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。

从20世纪90年代初起,美国率先将虚拟现实技术用于军事领域,主要用于以下四个方面:一是虚拟战场环境,二是进行单兵模拟训练,三是实施诸军兵种联合演习,四是进行指挥员训练。(2)日本。在实用虚拟现实技术的研究与开发中,日本致力于建立大规模VR知识库的研究;另外,在虚拟现实的游戏方面也做了很多研究工作。

东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。NEC公司开发了一套虚拟现实系统,它能让操作者使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型。京都的先进电子通信研究所(ATR)开发了一套系统,它能用图像处理来识别手势和面部表情,并把它们作为系统输入。日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面;东京大学原岛研究室开展了3项研究:人类面部表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取;东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。筑波大学研究了一些力反馈显示方法,开发了九自由度的触觉输入器、虚拟行走原型系统。富士通实验室有限公司研究了虚拟生物与VR环境的相互作用。(3)中国。和一些发达国家相比,我国的VR技术还有一定的差距,但已引起有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情开展了VR技术的研究。在紧跟国际新技术的同时,国内的一些重点院校已积极投入这一领域的研究。

国内最早开展此项技术研究的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成,解决了表情的合成和唇动的合成等技术问题,并正在研究人说话时头势和手势动作、语音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实与临场感进行了研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术—立体显示技术进行了研究,他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码的新方案,获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速率,并且通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究了虚拟现实中的视觉接口技术,完成了虚拟现实中体视图像的算法回显及软件接[2]口,他们在硬件上完成了LCD红外立体眼镜,并且已经实现商品化。北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一,我国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。另外,西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所、江苏科技大学计算机科学与技术系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

各大高校和科研机构对虚拟现实技术的探索研究,足以体现我国对这一技术的重视以及这一技术的重要性,相信我国在虚拟现实技术的探索工作在不久的将来会取得重大成果。1.1.3 虚拟现实技术的应用领域

中国信息通信研究院发布的《中国虚拟现实应用状况白皮书(2018年)》指出,虚拟现实是新一代的信息通技术关键领域,具有产业潜力大、技术跨度大、应用空间广的特点。目前,虚拟现实产业正处于初期增长阶段,我国各级政府积极出台专项政策,各地产业发展各具特色。现阶段我国虚拟现实产业生态初步形成,产业链主要涉及内容应用、终端器件、网络通信/平台和内容生产系统等细分领域。在产业应用方面,应用趋势呈现规模化与融合化的发展态势。其中,规模化是指通过云化虚拟现实(Cloud VR)实现内容上云、渲染上云,从而解决用户体验、终端成本、技术创新与内容版权等方面现有的痛点。融合化是指虚拟现实与文化娱乐、医疗健康、工业制造、教育培训、商贸创意等传统行业的融合创新,丰富虚拟现实技术应用场景,助推传统行业转型升级。该白皮书详细阐述了虚拟现实在十几个场景下的应用案例。(1)虚拟现实+影视。当前,虚拟现实技术在影视制作中的应用,主要是通过构建出可与影视场景交互的虚幻三维空间场景,结合对观众的头、眼、手等部位动作捕捉,及时调整影像呈现内容,从而形成人景互动的独特体验。(2)虚拟现实+直播。在传统方式的视频直播中,观众往往不能全方位地了解直播对象周围的环境状况,无法切身感受现场氛围,而VR直播可将活动现场还原到虚拟空间中,其优势在于:一是身临其境,借助VR头显,观众可以身临其境地在现场观看比赛,增加观众观看节目的趣味性;二是能自由选择位置和角度,时刻关注自己感兴趣的场景;三是互动性强,VR直播的现场氛围要远远高于通过普通显示屏观看,在这种现场氛围的烘托下,观众的情绪极易被充分调动,增加观看的愉悦感。(3)虚拟现实+线下主题馆。VR线下主题馆将传统电竞与虚拟现实技术相结合,结合空间光学动作捕捉系统、精确的多相机同步管理运算系统与特殊体感交互设备等,玩家可以化身为游戏中的虚拟角色,在特定游戏场景中自由行动,同时借助本地网络环境或云平台,可以让多人/多地的在线合作或对抗成为可能,极大地增强游戏的可玩性和趣味性。(4)虚拟现实+文物保护。我国是世界文化遗产大国,近年来国家在不断加大对文物古迹的保护力度,其意义绝不仅仅是把文物修好、保护好,更重要的是承担文化传承和推广的责任,弘扬优秀传统文化精神。将虚拟现实技术创新性地应用于文物保护工作,可以建立数字化的文物保护方法,为文物的保存、修复和展示提供新的技术手段,让历史得以数字化再现,文明得以信息化传承。(5)虚拟现实+科研教学。在临床中,80%的手术失误是由人为因素引起的,所以手术训练极其重要。在传统的训练方式中,动物解剖实验(如小白鼠)的成本并不低,且多数无法重复使用;而人体解剖素材涉及伦理道德等问题,更加稀缺。虚拟现实技术可以帮助学生在虚拟手术台上反复练习,虽然无法完全取代真实的练习,但可以作为预习和强化记忆的手段,具备在医学领域推广应用的条件。(6)虚拟现实+运维巡检。在工业生产制造过程中,为维护设备安全稳定运行而展开的运维巡检工作量非常巨大,虚拟现实技术的到来,可以使生产人员通过安全的数据可视化头显对设备运转状态、生产环境以及潜在隐患等关键信息进行监测和排查,有利于全面、准确、实时地了解整体生产制造的情况,从而提高生产安全系数和生产效率。(7)虚拟现实+产品设计。以工业互联网/物联网平台为基础,虚拟现实成为实现数字孪生(Digital Twins)的核心技术之一。依托特定的工具软件,可以在虚拟空间中构建出与物理世界完全对等的数字镜像,成为将产品研发、生产制造、商业推广三个维度的数据全部汇集的基础,实现数据信息与真实物理环境间的互动,可为进行阶段性数据验证、业务流程参考等提供重要支撑。(8)虚拟现实+自动驾驶。据兰德智库预计,L5级别的自动驾驶车辆在正式上路之前需要进行110亿英里(1英里≈1.61 km)的路测。与此形成鲜明对比的是,目前该领域的领头羊Waymo在2018年7月宣布真实路测里程仅刚突破800万英里,其余厂商则差距更大。因此,在不能无限扩大自动驾驶测试车队规模的情况下,通过虚拟现实技术模拟真实道路环境进行测试成为业界的主流解决方案,如使用NVIDIA DGX和Tensor RT 3进行仿真,工程师可以在5小时内完成约48万千米的道路测试。按照这个速度,两天之内可完成全美所有道路的测试,这将极大地加快自动驾驶汽车研发、量产的进度。(9)虚拟现实+课堂教育。在教育场景中,虚拟现实技术可通过自然的交互方式,将抽象的学习内容可视化、形象化,为学生提供传统教材无法实现的沉浸式学习体验,提升学生获取知识主动性,实现更高的知识保留度。目前,教育已成为虚拟现实技术应用行业中发展最快也是最先落地的领域。随着政策的鼓励和市场的驱动,预计虚拟现实教育市场还将持续增长。(10)虚拟现实+安全消防。虚拟现实技术的发展填补了安全消防教育在感知交互需求方面的空白,通过构造出特定的安防培训场景,将传统的教学元素(如图形和数据)嵌入生动的虚拟环境中,通过模拟特定的危险情景,更容易激发体验者的紧张感并提升专注度,强化事故演练效果。(11)虚拟现实+数字展馆。传统展馆多采用展品陈列、图片展示、人员讲解等方式向观众传达信息,难以实现多角度欣赏、近距离观看的功能,很难快速引起观众的兴趣。虚拟现实技术与展馆展示相结合,不仅体现了其开放、共享、多媒体呈现的特点,数字化呈现实体展馆的全部内容,还可突破实体展馆的时空局限性,利用图文、视频、三维模型等资料,对重点展品进行延展和补充,加强可视化的网络互动体验,使得展览内容更加丰富多样。(12)虚拟现实+商业营销。虚拟现实+商业营销是指利用虚拟现实技术,使消费者获得逼真的感官体验,充分调动消费者的感性基因,从而影响其消费决策。虚拟现实+商业营销可分为线上和线下两种方式,线上营销是电商2.0版,VR/AR电商通过三维建模技术、VR/AR设备以及交互体验,可以带给消费者更好的消费体验;线下营销则是在产品的实体店或展示活动现场,利用VR/AR设备给消费者带来有趣的互动体验,增加消费者的兴趣与购买欲。(13)虚拟现实+房地产。虚拟现实技术使看房者在线上即可浏览房源的全貌,步入房间查看细节,除了沉浸式的体验,还可以得到房间长、宽、高、年限、周边配套等全方位数据展示,便于全面掌握房屋信息。对于开发商/中介来说,通过分析用户行为数据,可在实现房源精准推销的同时节省人力资源投入的成本,有助于提升业务成交效率和企业运营收益。

以虚拟现实为代表的新一轮科技和产业革命蓄势待发,虚拟现实与实体经济的结合将给人们的生产方式和生活方式带来革命性的变化。虚拟现实正在加速向生产生活领域渗透,“虚拟现实+”时代业已开启。1.2 EON软件介绍1.2.1 EON软件概述

EON是美国EON Reality公司开发的一款用来研发交互式三维虚拟仿真的可视化设计软件,它是一个完全基于GUI的设计工具,可以在几乎不需要任何编程经验的情况下构建复杂、高质量的3D交互式仿真程序。该软件通过运用3D可视化虚拟现实技术,能够开发出适用于销售、教育、培训和虚拟现实场景漫游等多种功能强大的多媒体可视化交互程序。

EON Studio可以轻松导入各种3D模型,用各种模型制作软件(如3DS MAX、LightWave等)或计算机辅助设计软件(如SolidWorks、ArchiCAD、AutoCAD等)制作的模型都可以很方便地导入EON Studio。在导入模型后,可以通过EON Studio直观的图形设计界面或者编写脚本程序,方便地为模型添加各种行为,甚至可以通过EON Studio集成的EON SDK编写C++代码来实现。

EON仿真程序能够以多种方式发布于Internet、CD-ROM 或投影显示系统等,也可以与其他支持微软ActiveX 控件的工具相结合,如PowerPoint、Word、Macromedia Authorware、Director、Shockwave、Visual Basic等。

EON的显著特点是具有良好的人机交互界面,对于初学者来说易于上手,提供了丰富的便于操作的节点,同时也为高级专业人员提供了强大的交互功能和丰富的扩展接口,能够满足各个层次研究人员的需要。更为重要的是,它能够支持绝大多数的3D建模软件生成的模型,不用担心兼容性的问题,可轻松方便地导入模型,不需要重新建立模型,更不需要烦琐的编程。另外,EON对设备要求低,在家用的PC上就能够运行,支持多种操作系统,移植性好。

EON提供了一个发布向导,它可以方便地把EON所生成的仿真程序嵌入网页中,以实现网页与三维场景间的通信,方便虚拟系统在网络上共享。1.2.2 EON产品家族介绍

EON软件系列包括EON Professional、EON SDK和EON ICATCHER/ICUBE等。

1.EON Professional

EON Professional 包括EON Studio、视觉效果、CAD、物理、人物等模块。EON Professional提供了一套全新的、性能非常优异的模块,实现了工业级别的虚拟现实,它实际上是EON Studio增强版,其视觉效果模块可提供实时的最高级的真实度,CAD模块支持多种2D/3D格式的模型,物理模块允许用户实时、真实地模拟复杂的机械系统,人物模块可将高度真实的、活动的人物集成到EON应用中。(1)EON Studio模块。EON Studio是EON Professional的基本模块,是快速开发虚拟装配、视景仿真应用的编辑工具。EON Studio可以构建强大的沉浸式仿真,用于开发交互式3D应用程序。使用EON Studio,即使没有经验的用户也可以快速、简捷地建立复杂且高质量的交互应用。

无论为架构、营销,还是为培训创建3D应用程序,EON Studio都提供了一系列独特的优势和功能,使其成为开发人员的首选。(2)视觉效果模块。对于诸如设计预览、销售等对可视化要求较高的应用,视觉效果模块可利用基于CG脚本语言的实时可视化效果来实现更高级的真实度。CG脚本语言可在PC上生成实时的、具有照片真实度的效果,能够实现阴影交互计算。

利用具有易操作界面的EON实时渲染和可视化效果库,程序员可以直接对图形硬件进行操作,大大加速逼真效果的开发。

目前,视觉效果模块包括:phong-shading,bumpmapping,darkmapping,立方环境贴图,基于HDR图像的光照、皮革、树木、玻璃、水、织物,以及非照片真实度的hatch-shading。程序员可以利用嵌入在EON Professional用户界面的CG脚本语言扩充这个模块。(3)CAD模块。对于工业用户,EON Professional带有模块,它可以快捷地把多种2D/3D格式的模型转换成EON格式,支持30多种格式,如AutoCAD、CADKEY、KGES、Maya、3DS MAX、LightWave、SOFTIMAGE 3D、SolidWorks等。此外,它还支持在关键帧、自动常规校正、顶点缝合、几何/平面削减、保持UV贴图和纹理的情况下任意调节的组合贴图。

EON的CAD模块是与Right Hemisphere联合开发的,它基于成功的Deep Exploration产品,而且将EON自主技术与Polytools和CoreCAD模块融合起来。它还具有多种CAD插件,可以把MicroStation、CATIA、Alias、Unigraphics、Pro/E和STEP直接转换成EON的文件格式EOZ或EOP,并且可以通过批处理方式完成这种转换。(4)物理模块。为了适应对虚拟装配和视景仿真中3D实体运动有很高真实度需求的应用,EON Professional提供了重力、摩擦、运动学、物体间的物理限制等功能,它非常适合需要把现实的真实度加入应用中的情形。物理模块基于成功的Vortex物理引擎,该引擎利用牛顿基本定律,其力学功能非常强大,它还包括一个全新的、性能优异的碰撞检测算法(可大大提高运算速度),以及一个高逼真度的车辆动力学引擎。(5)人物模块。人物模块可使开发人员、工程师、建筑师和城市规划设计师在观看设计的场景时加入活动的人物,从而得到更真实的效果。这个模块提供的高精度虚拟人物还可以用于制造、应急和安保人员的培训。人物模块可以与来自Archvision的Real People库实现无缝的连接。

2.EON SDK

EON SDK是一个二次开发工具,虽然EON Professional提供的功能非常丰富,但用户有时会对某些功能有些特殊要求,因此EON提供了EON SDK这个功能完善的开发工具。通过Visual C++,可以扩展EON Professional的所有功能,它们可像EON所提供的标准节点一样来安装和使用,并完全集成在EON中。

3.EON ICATCHER/ICUBE

EON ICATCHER/ICUBE提供了高质量的单通道或多通道大屏幕显示,为用户提供了沉浸式的3D立体体验。用户可沉浸在数字化的环境中,看到悬浮在屏幕前面的物体,在该环境中的交互功可使用户成为3D应用的参与者,而不仅仅是观看者。

EON ICATCHER有不同的模块,可以支持单通道、多通道、平面形、弧形、CAVE形等各种形式立体显示。

EON ICUBE是一个基于PC的虚拟现实技术,参与者可通过图像和声音完全沉浸在其中。作为最受欢迎的沉浸式虚拟现实解决方案,EON ICUBE可配置4~6面墙,是高端可视化系统开发中重要的创新和里程碑。

本书重点介绍EON Studio模块的使用方法和技巧,然后在此基础上对其他使用频繁的模块进行简要的介绍。1.2.3 系统需求(1)通用需求。

● DirectX:Version 9.0c。

● .NET framework:Version 2.0。(2)开发需求。

● 计算机内存:不小于2 GB。

● 屏幕分辨率:不小于1024×768。

● 操作系统:Windows XP SP2、Windows 7 SP1、Windows 8、Mac OS 10.8。(3)运行需求。

● 操作系统:Windows XP或者更高版本,Mac OS 10.7或者更高版本。

● 显卡:DX9(需要支持ShaderModel 3,从而可以使用基于着色器的材质)。

● CPU:需要SSE2指令集的支持。

● 浏览器:IE、Chrome、Firefox、Safari等。第2章 EON Studio入门2.1 如何快速获取帮助

在EON Studio模块的某些视窗中可快速启动帮助文档。当某个节点或元件被选中时,通过按下键盘上的F1键,可以很方便、快捷地调出该节点或元件的帮助文档。

按下F1键后,所调出的帮助文件的内容取决于用户当前所在的视窗,具体如下:(1)节点视窗:在该视窗中按下F1键后,显示被选中节点的帮助文档。(2)元件视窗:在该视窗中按下F1键后,显示被选中元件的帮助文档。(3)仿真树视窗:在该视窗中按下F1键后,显示被选中节点的属性设置帮助界面;按下Enter键后,显示被选中节点或元件的属性对话框;按下Shift + Enter组合键后,显示被选中节点或元件的域对话框。2.2 EON Studio工作区

打开EON Studio软件,其工作界面如图2-1所示。图2-1 EON Studio的工作界面2.2.1 工作区默认视图

当第一次打开EON Studio后,会发现在EON Studio的工作区下有许多默认的视窗,将其称之为EON Studio启动后的默认布局。当创建EON仿真程序时,这些视窗将发挥不同的作用,实现不同的功能。这些默认的视窗主要包括以下几种:(1)仿真树视窗(Simulation Tree Window),固定模式,处于右侧。(2)组件视窗(Component Window),多文档界面模式,处于左侧。(3)属性栏视窗(Property Bar Window),固定模式,处于仿真树视窗右侧。(4)逻辑关系视窗(Route Window),多文档界面模式,处于左侧。(5)蝶状视窗(Butterfly Window),默认不显示,如果将其显示后,默认处于浮动模式。(6)查找视窗(Find Window),默认不显示,如果将其显示后,默认处于浮动模式。(7)日志视窗(Log Window),固定模式,处于底部。

注意:如果在后期的设计过程中不小心把上述各个视窗的位置调整乱了,可以执行菜单“View→Default Layout”来快速恢复EON Studio启动后的默认布局,如图2-2所示。图2-2 恢复默认布局的菜单2.2.2 视窗布局模式

EON Studio的视窗有三种布局模式:固定模式(Docked)、浮动模式(Floating)和多文档界面模式(MDI Child)。在任一视窗的标题栏上单击鼠标右键,在弹出的菜单(右键菜单)中可以改变该视窗的布局模式。视窗布局模式的设置如图2-3所示。图2-3 视窗布局模式的设置

1.固定模式(Docked)

当一个视窗处于固定模式(Docked)时,那么它在EON Studio工作区中就处于一个固定的位置。用户可以将一个视窗固定于工作区的顶部(Top)、左侧(Left)、底部(Bottom)或右侧(Right),在相应视窗上单击鼠标右键进行设置即可,如图2-4所示。图2-4 设置视窗处于固定模式时的位置

2.浮动模式(Floating)

在EON Studio中,处于浮动模式(Floating)的视窗可以被移动到屏幕的任何位置。对于一个处于固定模式的视窗,在移动它的同时按住Ctrl键,可将其变为浮动模式。浮动模式使EON Studio的用户界面更加灵活,有效工作空间不再受EON Studio工作区的限制,可以将其拖曳到屏幕的任何位置。

3.多文档界面模式(MDI Child)

处于多文档界面模式的视窗可以在EON Studio的主视窗中任意移动。用户可以通过Ctrl+Tab组合键在若干处于多文档界面模式的视窗中任意切换(切换时,视窗不可处于最小化模式)。

处于多文档界面模式的视窗有以下三种显示方法,如图2-5所示。图2-5 处于多文档界面模式的视窗显示方式

● 最小化(Minimized):以图标方式显示。

● 最大化(Maximized):满视窗显示。

● 还原(Restored):恢复为原始大小。

利用菜单“Window”下的“Cascade”“Tile”“Arrange Icons”可以对处于多文档界面模式中所有打开的视窗进行重新排列,图2-6所示是执行菜单“Window→Tile”后,对处于多文档界面模式下三个打开的视窗重新排列后的布局图。图2-6 视图的重新排列

当EON Studio的多个视窗设定为MDI Child模式时,它们的显示方式可以设定为工作簿模式或者非工作簿模式,设置方式为选择菜单“View→Workbook mode”。工作簿模式的显示方式如图2-7所示。图2-7 工作簿模式的显示方式

在工作簿模式下,处于MDI Child模式下的所有视窗都可以通过Tab键进行切换;在非工作簿模式下,只能在菜单“Window”列出的视窗之间进行手动切换,如图2-8所示,这种方式比较麻烦,所以建议使用工作簿模式。图2-8 通过菜单“Window”进行视窗切换2.3 EON Studio视窗

EON Studio的主视窗是由许多视窗组成的。当运行EON Studio时,有些视窗会被显示,而有些则被隐藏,视窗的布局与最近一次关闭EON Studio时的布局相同,这使得用户可以在最适合自己的布局中工作。2.3.1 仿真树(Simulation Tree)视窗

仿真树视窗类似于Windows中的资源管理器树状结构,可以展开或者收缩,且节点可以复制和粘贴。

仿真树视窗是EON Studio中建立仿真程序最常用、最重要的视窗,如何在仿真树中对节点和元件进行合理排列是构建仿真程序的重点,而仿真树中的节点和元件则是通过在组件视窗中一步步添加的。

仿真树视窗中有两个面板,一个是仿真树本身,另一个是在仿真树中用到的本地元件,本节主要介绍仿真树结构。

1.默认的仿真树结构

当第一次启动EON Studio时,看到的便是系统默认的仿真树结构,它提供了创建一个仿真程序必需的基本架构,如图2-9所示。图2-9 默认的仿真树结构

表2-1是对于默认的仿真树结构中相关节点的简要说明。表2-1 默认的仿真树结构中的节点

由于Simulation节点和Scene节点对于整个仿真程序来讲非常重要,并且这两个节点不属于节点库,所以在这里首先对这两个节点进行详细介绍。

2.Simulation节点

Simulation节点是整个仿真树的根节点,在该节点上单击鼠标右键,在右键菜单中选择“Properties”可弹出节点属性(Node Properties)对话框,如图2-10所示。图2-10 打开Simulation节点的节点属性对话框(1)Settings选项卡。

Description:关于本EON仿真程序的相关描述,使用Ctrl + Enter组合键可实现多行输入。

Password:可通过该选项为EON仿真程序设置密码。

Show performance statistics:选中该选项后,可在仿真视窗的标题栏显示仿真运行时的统计信息。(2)Search Paths选项卡。EON将按照Search Paths选项卡上指定的路径搜索外部引用(如声音、网格和纹理文件),所有使用外部引用的节点将按照指定的顺序自动搜索这些路径,不同的路径用分号分隔。如果要添加新的搜索路径,请在文本框中输入搜索路径,或单击“Add Path”按钮添加搜索路径,如图2-11所示。

注意:同一路径不能添加两次。图2-11 Search Paths选项卡(3)Size/Aspect Ratio选项卡。该选项卡用于定义仿真视窗的尺寸大小,如图2-12所示。图2-12 Size/Aspect Ratio选项卡

① Fixed Size选项:

Active:当该选项框被选中后,仿真视窗的尺寸大小被设定为宽高不变的固定大小。

Width:仿真视窗的宽度(单位为像素)。

Height:仿真视窗的高度(单位为像素)。

② Fixed Aspect Ratio选项:

Active:当该选项框被选中后,仿真视窗的尺寸大小设定为按宽高比例变化。

Width:仿真视窗的宽度比例系数。

Height:仿真视窗的高度比例系数。

3.Scene节点

场景(Scene)节点位于仿真树节点(Simulation)的正下方。在仿真树中双击Scene节点可弹出其节点属性对话框,如图2-13所示。图2-13 Scene节点的节点属性对话框(1)Translation/Rotation选项卡。

Translation:相对于坐标系原点(X、Y和Z)的偏移量。

Rotation:偏航、俯仰和滚转的角度设置(Heading、Pitch和Roll)。

Hidden:隐藏Scene节点下的所有网格节点(仿真树下的所有网格节点都位于Scene节点之下,选中该选项将隐藏仿真树中的所有网格节点)。

Start Values:应用并保存当前值。(2)Scale选项卡。该选项卡用于更改可视节点的比例。由于所有的可视节点都位于场景(Scene)节点下方,因此该选项卡将会缩放所有的可视节点,但是缩放比例变化在仿真视窗中无法观察到,如图2-14所示。图2-14 Scale选项卡

X、Y和Z:按指定的比例系数在三个坐标方向上缩放所有的可视节点。

Proportional scaling:选中该选项后,三个坐标方向上的缩放比例将保持一致。

Start Values:应用并保存当前值。(3)Background选项卡。仿真视窗的背景可以是单色或者.ppm、.png格式的图像。指定背景图像(Image)后,背景颜色(Color)将不再起作用,如图2-15所示。图2-15 Background选项卡

注意:在EON版本9中,节点属性对话框中的Color设置将不再生效,请使用视口(Viewport3)节点中的字段ClearColor更改仿真视窗的背景颜色。(4)Fog选项卡。利用合适的图形硬件,EON可以产生雾化效果。在Fog选项卡中,Start distance和Stop distance用于确定雾化区域的界限,注意这些距离是表示沿着Y轴并且相对于Scene节点的距离;Density设置为0~1。雾化效果质量取决于安装的图形硬件处理参数的方式。要启用雾化效果,请选中“Fog mode is enabled”,如图2-16所示。图2-16 Fog选项卡

注意:如果希望在运行时更改雾化的类型,则需要在SceneModifier节点中更改FogAmbiance域的值。

具体参数设置如下:

Linear:使用雾化参数Start distance和Stop distance,使雾化的厚度在这两个值之间变化。

Exponential:基于密度和到摄像机的距离,以指数形式增加。

Start distance:雾化开始的距离(沿Y轴,相对于Scene节点)。

Stop distance:雾化停止的距离(沿Y轴,相对于Scene节点)。

Density:雾化密度在0~1范围内,雾化效果取决于硬件。

Fog color:Red、Green和Blue三个基色的取值范围(0~1)。

Change:显示颜色选择对话框。

Fog mode is enabled:选中时启用雾化模式。

Start Values:应用并保存当前值。

注意:雾化效果的质量取决于计算机的显卡。如果性能较差,请使用RGB颜色和抖动(Dither)渲染设置。启用这些选项后,雾化效果将始终可见。要更改渲染设置,请从Simulation菜单中选择Configuration,打开设置对话框,在设置对话框中选中“Render”,然后单击“Edit”按钮进行修改即可。如果已经启用了雾化效果,那么使用着色器的材质会在上述设置对话框中保存后进行重新编译。(5)Ambient Light选项卡。该选项卡的设置如图2-17所示。

Ambient Light:这种类型的光源在所有方向上均以相等的强度照射到所有的物体上,如间接太阳光。Ambient Light颜色以RGB值定义,可在Red、Green和Blue属性中输入颜色值,或单击“Change”按钮并从颜色选择对话框中选择颜色。Ambient Light可产生类似于反射太阳光的照明效果。

Start Values:应用并保存当前值。

4.右键菜单

右击仿真树中的任意一个节点或元件时,将弹出如图2-18所示的菜单(右键菜单)。图2-17 Ambient Light选项卡图2-18 右击仿真树中节点或元件弹出的菜单

节点或元件的右键菜单包含的命令如表2-2所示。表2-2 节点或元件的右键菜单包含的命令续表

5.仿真树视窗的使用(1)展开和收缩子树。在仿真树视窗中,如果某个组件前带有“+”号,那么将其称之为一个子树。单击子树结构的“+”号可展开一个子树,若要展开所有的子树,可通过工具栏中的展开子结构按钮,或通过菜单“Edit→Simulation tree→Expand Branch”来实现。展开子树后,子树最上层的“+”号会成“-”号,单击子树结构的“-”号可以将该子树重新收缩回来。若要收缩所有的子树,可通过工具栏中的收缩子结构按钮,或通过菜单“Edit→Simulation tree→Collapse Branch”来实现,如图2-19所示。图2-19 展开或收缩子树的方式(2)创建一个组件的引用。组件的引用相当于Windows中的快捷方式,首先选择要创建引用的源组件,单击鼠标右键,在右键菜单中选择“Copy as Link”,然后选择目标组件,单击鼠标右键,在右键菜单中选择“Paste”即可,如图2-20所示。

所有通过“Copy as Link”菜单创建的组件引用,在其图标的左下方都会有一个小箭头。图2-20 创建组件的引用2.3.2 组件(Components)视窗

1.简介

组件视窗是EON中的常用视窗,如图2-21所示,组件视窗列出了用于创建仿真程序的所有节点(Nodes)和元件(Prototypes)。图2-21 组件视窗

EON中的节点被分门别类地存储在节点库中,如代理(Agent)节点、基本(Base)节点、运动(Motion Model)节点和传感器(Sensor)节点等;元件也被分门别类地存储在元件库中。在组件视窗中,节点和元件是通过两个不同的面板来分别显示的。另外,可以通过导入库文件的方式向组件视窗中添加更多的节点和元件。

EON可以根据需要打开多个组件视窗,例如,如果需要同时打开元件库和节点库,那么只需打开第二个组件视窗即可,打开方法是在主菜单栏中选择“Window→New Component Window”,如图2-22所示。图2-22 打开第二个组件视窗

2.查找节点

如果知道节点所属的群组,便可以直接从下拉菜单中选择该群组,并从列表中选择所需的节点。快速查找节点的另一种方式是在搜索栏(该栏于下拉菜单的下方)中输入节点的第一个字母。如果不知道节点所属的群组,请确定下拉菜单中选择的是所有节点(All Nodes)。查找元件的方法与查找节点类似。查找节点和元件的界面如图2-23所示。图2-23 查找节点和元件的界面2.3.3 属性栏(Property Bar)视窗

所有组件都具有预设的属性值,通过属性栏视窗可以快速地访问和修改这些属性值,如图2-24所示,可以在此视窗中控制所选组件的大小、形状、颜色、移动和其他可用属性,还可以调整坐标设定、导入文件、激活节点等,或根据特定节点或元件分别执行对应的其他功能。图2-24 属性栏视窗

1.属性栏视窗布局

在EON的默认视窗布局中,属性栏视窗在仿真树视窗的右侧,该视窗被分割成了两栏:域名和域值,列宽可以通过拖曳标题列的分隔条进行调整。

对于某个节点来说,它们所有的可用节点域分别显示在每一行上,但是有七个默认的节点域除外,这七个默认节点域属于所有节点的通用域,一般不要编辑这些域,默认情况下EON也不会显示它们,如果一定要访问它们,请参考本节最后的属性栏设置对话框部分的内容。

当在仿真树视窗中选择的对象不同时,那么属性栏视窗中显示的属性也就会跟着发生变化,例如,在仿真树视窗中选择了一个新的节点或者仿真程序被运行后,属性栏视窗中的属性值是会被实时更新的。

属性栏视窗的每一行一般代表节点的某个节点域,但有时也可以表示节点(如果当前节点包含子节点或具有其他节点的引用时,便会出现这种情况),如图2-25所示。

2.为不同类型的节点域赋值

如果某个节点域的值被定义在一个范围之内,且为整数或浮点数类型,那么可以使用滑块控件来更改域值。对于FluidMaterial、ShaderMaterial、UltraHDRMaterial、Viewport 3等节点,在拖动滑块时,设定的新值会立即生效并应用到3D仿真效果中,这将增加反馈时间,并使设置视觉属性变得更容易。

但是对于其他节点来说,在释放滑块之前,设定的新值不会立即生效并应用到3D仿真效果中,但某些选定节点和域除外(如FluidMaterial、ShaderMaterial、UltraHDRMaterial、Viewport3)。并非所有节点域的滑块值都可启用,这是因为某些值非常敏感,如果用户滑动滑块过快则会出现性能问题。

EON中节点域的数据类型共8种,分别是Text、Numeric、Boolean、FileName、Enumeration、Numeric Range、Compound、Color。下面分别对这8种数据类型的节点域进行赋值说明。(1)文本型(Text)和数值型(Numeric)。在为数据类型是文本型(Text)和数值型(Numeric)的节点域设置一个新值时,只需要在属性栏视窗的列表中找到这个域名,然后在对应的域值一列中单击鼠标即可进行修改,如图2-26所示。如果要在字符串中间插入文本,通过鼠标或键盘将光标定位到想插入的地方后进行输入即可。图2-26 在属性栏视窗中对文本型的节点域进行赋值

提示:对于数值型(Numeric)的节点域来说,可以通过单击向上/向下的箭头来修改域值。如果按住向上/向下箭头并拖动鼠标,则可以连续改变域值,就像一个滑块一样。(2)布尔型(Boolean)。对于布尔型的节点域来说,通过勾选复选框可将域值设置为TRUE,取消勾选则设置为FALSE,如图2-27所示。(3)文件型(FileName)。这种类型的节点域与文本型非常类似,唯一的不同之处是它有一个浏览(Browse)图标,通过该图标能够方便地通过标准的Windows文件对话框选择一个文件,如图2-28所示。图2-27 在属性栏视窗中对布尔型的节点域进行赋值图2-28 在属性栏视窗中对文件型的节点域进行赋值(4)枚举型(Enumeration)。有些节点域的取值范围是有限个离散值,如灯光(Light2)节点,其域值为环境光(Ambient)、定向光(Directional)、平行光(Parallel Point)、点光源(Point)和聚光源(Spot)。当遇到这种数据类型的节点域时,属性栏视窗的域值一列就会在下拉列表中列出可选的值,选择其中一个值后关闭列表即可,下拉列表中方括号内的值代表该域的当前实际设定值,如图2-29所示。图2-29 在属性栏视窗中对枚举型的节点域进行赋值(5)数值范围型(Numeric Range)。有些域值不是离散的,而是连续的,但有一定的范围。在这种情况下,滑块也是非常适用的。在某一行的最右侧单击下拉箭头时,滑块就会出现在当前行的下方,这样就可以边拖动滑块边查看数值的改变。当松开鼠标按键时,这个域值就会被保存,同时滑块也会消失。如果要再次修改该域值,再次

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