Моделирование пространства и объектов рабочей области

Visual Simulation Environment включает в себя две программы: графический и физический движок.

Графический движок — основной задачей этой программы является визуализация (рендеринг) двухмерной или трехмерной компьютерной графики. Графический движок работает в режиме реального времени.

Физический движок — производит симуляцию физических законов реального мира в виртуальном мире с той или иной степенью точности.

Физический движок позволяет создать виртуальное пространство, в которое можно добавить виртуальные статические и динамические объекты и указать законы взаимодействия тел и среды. Расчет взаимодействия тел выполняется самим движком. Рассчитывая взаимодействие тел между собой и средой, физический движок приближает физическую модель получаемой системы к реальной, передавая уточненные геометрические данные графическому движку. В состав MRDS входит физический движок AGEIA PhysX Engine.

Объекты в симуляторе могут создавать иерархию, реализуя отношение предок/потомок. Например, манипулятор и сенсор являются дочерними объектами робота.

После запуска симулятора в нем отображается мир с позиции главной камеры, которая соответствует позиции глаза. Для управления камерой используются следующие клавиши клавиатуры:

• ? W — движение вперед;
• ? S — движение назад;
• ? A — передвижение влево;
• ? D — передвижение вправо;
• ? Q — перемещение вверх;
• ? E — перемещение вниз.

Можно использовать сочетания этих клавиш. Удерживая нажатой клавишу Shift одновременно с одной из клавиш управления камерой, вы ускорите движение камеры в 10 раз.

Доступны следующие команды (клавиши) управления симулятором:

• ? F2 — изменяет режим рендеринга;
• ? F3 — включает/выключает физический движок;
• ? F5 — переключение между режимами Run и Edit;
• ? F8 — переключение активной камеры.

Симулятор может работать в следующих двух режимах.

• ? Edit — в данном режиме возможно изменение сцены, параметров объектов, находящихся на сцене, добавление новых объектов в сцену;
• ? Run — в данном режиме запускается процесс симуляции;
• ? симулятор поддерживает следующие режимы отображения сцены;
• ? Visual — полностью отображаются все объекты сцены;
• ? WireFrame — отображаются только линии треугольников, из которых построены объекты сцены;
• ? Physics — отображаются фигуры, из которых построены объекты и с которыми работает физический движок. Сложные объекты иногда представляются в виде простых объектов, таких как кубы и сферы. Если некоторые объекты не сталкиваются или передвигаются случайным образом, нужно переключиться в указанный режим и проанализировать фигуры, составляющие объекты;
• ? Combined — объединяет режимы Visual и Physics (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 — Режим Combined

Параллелепипед, размещенный внутри объекта, показывает центр масс. Если цвет параллелепипеда красный, то объект управляется вручную (т. е. является кинематическим), если — белый, то объект управляется физическим симулятором.

Настройки графического движка открываются после выбора пункта главного меню Render -> Graphics Settings. Рассмотрим параметры движка.

• ? Exposure — определяет значение экспозиции камеры. Увеличение значения экспозиции приводит к увеличению яркости сцены;
• ? Anti-aliasing — устанавливает значение сглаживания границ объектов;
• ? Rotation and Translation Movement Scale — используется для управления чувствительностью мыши и клавиатуры. С помощью указанных параметров можно настроить управление камерой мышью и клавиатурой так, что движение мыши в несколько миллиметров будет приводить к перемещению вдоль всего экрана;
• ? Quality level — выбор используемой версии шейдеров. Версия, которая поддерживается графической картой, отмечена как Recommend.

Время симуляции делится на дискретные промежутки, называемые фреймами. В каждом фрейме симулятор получает результаты обработки предыдущего фрейма из физического движка. Затем выполняется обновление каждого объекта сцены. После этого сцена отображается для каждой камеры, находящейся на сцене. В заключении сцена отображается для главной камеры, и физический движок переходит к обработке следующего фрейма.

Настройки физического движка открываются после выбора пункта главного меню PhysicsSettings. Рассмотрим параметры движка:

• ? Enable rigid body for default camera — позволяет связать с камерой физическое тело, имеющее форму сферы. В результате камера сможет взаимодействовать с объектами сцены (например, сталкиваться с ними). После установки данной опции камера будет отображаться в виде белого круга в центре экрана;
• ? Gravity — значение гравитации, действующей в симуляторе; определяется как сила, действующая вдоль оси Y. Данное значение является отрицательным, так как ось Y направлена в направлении, противоположном действия гравитации. Значение гравитации указывается в метрах в секунду;
• ? Time Base Run-time Settings — определяет отношение времени симулятора к реальному времени. Для повышения точности при перемещении робота необходимо уменьшить отношение времени симулятора к реальному времени. Для замедления времени в 10 раз в поле Real time Scale нужно установить значение 0.1;

Можно повысить точность симуляции, отведя на фрейм небольшой интервал времени, допустим, 60 микросекунд (0.6) и отключив визуализацию. Рендеринг можно запускать периодически для просмотра сцены. Виртуальный мир может включать следующие объекты:

• ? динамические — находятся под контролем физического движка, после их создания их позиция и движение определяются только гравитацией и взаимодействием с другими объектами;
• ? кинематические — могут взаимодействовать с другими объектами, но их расположение определяется вручную. Допустим, в сцене можно разместить доску, висящую в воздухе. Если она была бы динамической, то упала на землю. Позицию кинематических объектов другие объекты изменить не могут;
• ? статические — в процессе симуляции не изменяют свою позицию и состоят из фигур с нулевой массой. Они могут взаимодействовать с другими объектами, но не могут изменять свое положение.

Сцена, находящаяся в симуляторе, может быть сохранена в XML-файл и затем загружена. При загрузке сцены все объекты получают то же местоположение и скорость, которые они имели при сохранении сцены. Для сохранения сцены используется пункт меню File ^ Save Scene, для загрузки — File ^ Load Scene.

При сохранении сцены записываются два файла: первый содержит состояние сцены и имеет расширение .xml, второй содержит манифест для сцены и заканчивается на.manifest.xml.

Редактор симулятора открывается при выборе пункта Mode ^ Edit главного меню окна. После запуска редактора окно будет содержать отображение сцены, список объектов сцены и свойства выделенного объекта (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 — Симулятор в режиме Edit.

Объект можно отметить на сцене, если выделить его в списке объектов и нажать клавишу Ctrl. Если после выполнения данной операции камера не показывает объект, то можно использовать сочетания клавиш Ctrl, Shift и клавиш управления курсором для просмотра различных видов объекта:

• ? Ctrl + клавиша вверх: вид сверху;
• ? Ctrl + Shift + клавиша вверх: вид снизу;
• ? Ctrl + клавиша влево: вид справа;
• ? Ctrl + Shift + клавиша влево: вид слева;
• ? Ctrl + клавиша вправо: вид спереди;
• ? Ctrl + Shift + клавиша вправо: вид сзади.

Для перемещения выбранного объекта по сцене нужно выбрать направление движения в меню редактирования свойств (Move XYZ, Move XZ, Move X, Move Y, Move Z) и при нажатой левой кнопке мыши переместить курсор в нужном направлении. Также возможно указать точные координаты расположения объекта в том же меню. Подобным образом выполняется вращение объекта вдоль каждой из осей (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 — Меню управления объектом.

Редактор предоставляет возможность загрузки, сохранения и добавления новых объектов. К объектам также можно применять операции вставки, копирования и удаления.

Физический движок корректирует перекрытие динамических объектов (в реальном мире невозможное). Добавьте в сцену несколько объектов с одинаковыми координатами и нажмите клавишу F3. В результате объекты будут размещены по свободному пространству сцены без перекрытия.

При вставке объекта в сцену можно указать предка для данного объекта, которым может быть один из объектов сцены. В результате симулятор будет рассматривать эти два объекта как единое целое.

Объект может обладать такими свойствами:

• ? Position, Rotation — определяют позицию и угол наклона объекта к каждой из осей координат;
• ? MeshScale/MeshTranslation/MeshRotation — позволяют упростить подгонку формы (сетки) объекта к самому объекту. Это связано с тем, что разные средства создания трехмерных объектов могут использовать разные направления осей и масштаб;
• ? Meshes — отображает информацию о сетках, загруженных для объекта. Сетка может быть создана из фигур, которые составляют объект, или загружена из .obj-файла. Также данное свойство позволяет изменять цвет, яркость и другие параметры объекта. Если были изменены параметры материала, их можно сохранить, используя пункт меню File -> Save Material Changes.

Свойства, определяющие освещенность объекта:

• ? Ambient — определяет, как объект отражает свет, поступающий из окружающей среды, т. е. свет, отраженный от поверхности других объектов;
• ? Diffuse — определяет, как свет будет отражаться от объекта, если он будет освещен рассеянным светом. Данная величина определяет максимальное значение света, которое будет отражено частью объекта, повернутой к источнику света. Если некоторая часть объекта размещена перпендикулярно источнику света, то она ничего отражать не будет. Диффузный свет позволяет видеть объекты трехмерными;
• ? Specular — определяет, как много света будет отражаться от объекта при его освещении отраженным светом, обычно используемым для создания эффекта освещения солнцем. Цвет отраженного света эквивалентен цвету света, а цвет диффузного света — цвету объекта;
• ? Power — определяет плотность отраженного пятна, большее значение параметра соответствует меньшему отражению.

Каждый объект имеет состояние, представляющее собой набор параметров:

• а) Graphics Assets:
  • ? Default Texture — если с объектом не связана сетка, определяющая ее форму, то она генерируется из физических фигур, составляющих объект. В этом случае указанное свойство определяет текстуру, которая накладывается на сгенерированную сетку. Текстура должна быть двумерной и находиться в одном из следующих форматов: .dds, .bmp, .png, .jpg, .tif;
  • ? Mesh — файл, определяющий форму объекта. Формат файла — .obj или .bos. Симулятор для ускорения работы преобразует формат .obj в формат .bos и только после этого отображает объект. Для этого используется утилита Obj2Bos.exe.
• б) Misc:
  • ? Flags — определяет поведение объекта. Если флаги не определены, предполагается, что объект — динамический;
  • ? Kinematic — кинематический объект;
  • ? IgnoreGravity — на объект не имеет влияние гравитация;
  • ? DisableRotationX, DisableRotationY, DisableRotationZ — запрещает вращение объекта вдоль указанных осей;
  • ? DisableCollisions — объект не взаимодействует с другими объектами сцены;
  • ? Name — имя объекта (должно быть уникальным). При изменении имени некоторые сервисы не смогут работать с данным объектом.
• в) Motion:
  • ? Angular Velocity — вектор угловой скорость перемещения объекта в каждом из направлений;
  • ? Velocity — вектор скорости перемещения объекта в каждом из направлений.
• г) Physical Properties:
  • ? Mass/Density — масса и плотность объекта. Если хотя бы одна из фигур объекта имеет массу и плотность, то вычисляется масса и плотность всего объекта из суммы масс фигур, составляющих объект. Если сумма масс фигур равна нулю, симулятор использует величину Mass для определения массы объекта. Центр масс вычисляется так, как если бы плотность объекта была однородной. Указанные замечания также касаются и плотности объекта;
  • ? Inertia Tensor — тензор моментов инерции, определяет насколько сложно повернуть фигуру в различных направлениях. Например, цилиндр просто повернуть около его продольной оси, но сложно повернуть около двух других осей, вследствие распределения масс. Если вектор не определен, симулятор вычисляет его на основе расположения и относительной массы фигуры объекта;
  • ? Angular Damping/Liner Damping — данные параметры позволяют моделировать свойство трения. Большие значения данных параметров соответствуют более быстрому затуханию угловой или линейной скорости. При нулевом значении объект будет двигаться бесконечно до тех пор, пока не столкнется с другим объектом.