基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的分布式視景仿真系統(tǒng)開發(fā)*

徐恒杰，林 濤，張 鯤，張 利

（清華大學(xué) 微納電子系，北京 100084）

1 引言

視景仿真綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，通過三維圖像、聲音等手段生動(dòng)地展現(xiàn)仿真過程，使觀察者獲得比數(shù)字、文字、曲線等傳統(tǒng)形式更加直觀、深刻的感受[1]?；诖藘?yōu)勢(shì)，它已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和普及促使對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能方面的仿真和評(píng)估日益成為網(wǎng)絡(luò)通信研究的重要方面。國內(nèi)近年來對(duì)兩者的研究都處于快速發(fā)展階段，但對(duì)兩者結(jié)合的研究工作尚處于初級(jí)階段。筆者把分布式視景顯示與OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)相結(jié)合，通過視景仿真技術(shù)來表現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的特征，對(duì)通信仿真結(jié)果中的非視覺物理量進(jìn)行可視化顯示，并開發(fā)了比較豐富的視景顯示內(nèi)容。

2 仿真系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為逼真地展示分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信效果，把視景平臺(tái)設(shè)置成海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并把各海上作戰(zhàn)模型作為網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)模型，模擬自然環(huán)境變化、噪聲干擾及通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、消失等因素對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能的影響[2]。本仿真平臺(tái)不僅要能完成通信系統(tǒng)技術(shù)體制的性能分析，也要能進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的組織運(yùn)用分析，為通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置提供參考。因此，通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)應(yīng)能對(duì)預(yù)定的通信方案進(jìn)行仿真分析。

本仿真系統(tǒng)的主要功能包括：1）模擬動(dòng)態(tài)的海洋綜合環(huán)境。本系統(tǒng)綜合運(yùn)用圖形化建模、軟件編程等手段，模擬了海洋的天空、云朵、海面等自然環(huán)境，并構(gòu)建了環(huán)境數(shù)據(jù)庫（包括實(shí)體模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等）。然后把這些環(huán)境內(nèi)容依據(jù)不同的視景顯示平臺(tái)和視點(diǎn)位置做出渲染并顯示。2）通信網(wǎng)絡(luò)組建、仿真及可視化。利用工具選單在屬同一視景平臺(tái)的3D實(shí)體模型間組建通信網(wǎng)絡(luò)并通過后臺(tái)的OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[3]仿真其通信過程，通信仿真結(jié)束后在相應(yīng)視景顯示平臺(tái)用直觀可視化方式顯示非視覺物理量，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信噪比、誤碼率、通信頻段等。3）戰(zhàn)場(chǎng)效果模擬。本仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了一些戰(zhàn)場(chǎng)效果，對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的運(yùn)動(dòng)和攻擊、節(jié)點(diǎn)模型之間及與自然環(huán)境間的碰撞都進(jìn)行逼真模擬，并制作了相應(yīng)的爆炸、煙霧、火花、水柱、水花等特效。

從用戶角度看，本仿真系統(tǒng)需要擁有良好的人機(jī)交互界面。一方面，允許在仿真過程中靈活輸入各種組網(wǎng)或運(yùn)動(dòng)指令，對(duì)場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，如自由改變視點(diǎn)、切換顯示畫面、改變海洋環(huán)境、發(fā)起通信或攻擊等；另一方面，仿真系統(tǒng)必須能夠生成合乎現(xiàn)實(shí)物理規(guī)律的三維場(chǎng)景，進(jìn)行實(shí)時(shí)視景展示。由于分布式系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)模型間既相對(duì)獨(dú)立又互相協(xié)同，仿真系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)接收本地控制平臺(tái)和其他特定控制平臺(tái)的仿真指令和更新通報(bào)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，反映全局態(tài)勢(shì)[2]。

3 仿真系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

分布式仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮當(dāng)前應(yīng)用要求和未來的擴(kuò)展性，而且系統(tǒng)中的實(shí)體模型普遍較復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，還存在基于網(wǎng)絡(luò)的控制平臺(tái)之間的交互，因此必須充分考慮系統(tǒng)內(nèi)模型和軟件模塊的可重用性和共享性。

3.1 硬件配置

根據(jù)仿真系統(tǒng)的功能要求，并考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、可移植性和擴(kuò)展性，本系統(tǒng)硬件主要由2個(gè)視景控制平臺(tái)和1個(gè)通信仿真平臺(tái)構(gòu)成。2個(gè)視景控制平臺(tái)各模擬1支編隊(duì)的行為，同時(shí)兼具實(shí)時(shí)場(chǎng)景顯示的功能。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)處于局域網(wǎng)中，各硬件節(jié)點(diǎn)的功能如下：

視景控制平臺(tái)（Client）模擬海洋自然環(huán)境和Client編隊(duì)的各種行為，實(shí)現(xiàn)隊(duì)內(nèi)成員間的組網(wǎng)通信及成員個(gè)體的運(yùn)動(dòng)、對(duì)敵攻擊等特性。編隊(duì)成員包括驅(qū)逐艦、預(yù)警機(jī)、直升機(jī)等5個(gè)節(jié)點(diǎn)模型。該控制平臺(tái)具有良好的人機(jī)交互界面，既能動(dòng)態(tài)顯示場(chǎng)景內(nèi)自然環(huán)境及Client和Server編隊(duì)節(jié)點(diǎn)模型的狀態(tài)屬性，又能對(duì)用戶的輸入指令精確響應(yīng)。

視景控制平臺(tái)（Server）在系統(tǒng)中具有兩種功能。一是模擬場(chǎng)景中Server編隊(duì)的行為，其成員包括巡洋艦、戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)等5個(gè)節(jié)點(diǎn)模型，具備上述Client控制平臺(tái)的所有對(duì)應(yīng)功能。二是充當(dāng)交互數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，雙方編隊(duì)的組網(wǎng)通信情況、通信仿真結(jié)果及所有節(jié)點(diǎn)模型運(yùn)動(dòng)、攻擊行為的更新數(shù)據(jù)都在該控制平臺(tái)內(nèi)匯集然后發(fā)布，這種設(shè)計(jì)主要考慮到整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及控制平臺(tái)子系統(tǒng)間場(chǎng)景屬性更新的同步。該控制平臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置。

通信仿真平臺(tái)利用基于專業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET開發(fā)的通信仿真驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)2支編隊(duì)所組建通信網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)如誤碼率、延時(shí)、信噪比等進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，然后反饋給視景控制平臺(tái)進(jìn)行可視化顯示。通信仿真平臺(tái)對(duì)各編隊(duì)所有已建網(wǎng)絡(luò)都能仿真，但只與Server端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即所有組網(wǎng)信息及仿真結(jié)果都在它與Server之間進(jìn)行傳輸，然后由Server判斷進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或自用。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)本仿真系統(tǒng)的功能要求和硬件配置，針對(duì)分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了精細(xì)的模塊化設(shè)計(jì)。視景控制平臺(tái)的軟件部分主要由5大功能模塊組成，分別是模型數(shù)據(jù)模塊、仿真控制功能模塊、用戶交互功能模塊、網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊和視景顯示功能模塊。這5大功能模塊中仿真控制功能模塊是居中的核心模塊，它又分成模型控制子模塊和系統(tǒng)控制子模塊。模型控制子模塊主要針對(duì)與節(jié)點(diǎn)模型本身相關(guān)的控制內(nèi)容，如運(yùn)動(dòng)、發(fā)起攻擊、沉沒等，這些內(nèi)容在各模型間具有某些相似之處，可以進(jìn)行抽象化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制子模塊主要針對(duì)和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的控制內(nèi)容，涉及到模型間的協(xié)調(diào)和整個(gè)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的可信度，是設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵部分。軟件模塊的具體結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

仿真系統(tǒng)開發(fā)中用到的支撐軟件包括：

1）預(yù)處理軟件，如三維建模軟件Creator和圖像處理軟件Photoshop。

2）視景支撐軟件，如可視化仿真軟件 Vega[1]和OpenGL三維圖形庫[4]。

3）通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（如OPNET）。

4）開發(fā)平臺(tái)及語言，如VS2005，MFC和C語言。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理

本仿真系統(tǒng)作為一個(gè)綜合性的仿真平臺(tái)，軟硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及面廣，需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心布局，分步驟分階段地實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在框架結(jié)構(gòu)中，處于核心地位的仿真控制單元將調(diào)度本地場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，處理來自用戶的交互指令和通信接口的請(qǐng)求，最后驅(qū)動(dòng)視景顯示單元完成場(chǎng)景的渲染工作。本地場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫單元管理著子系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、基本模型庫、紋理庫以及其他場(chǎng)景數(shù)據(jù)。場(chǎng)景模型可以通過建模工具進(jìn)行優(yōu)化，然后重新組合到數(shù)據(jù)庫中。用戶交互單元接收來自用戶的輸入，傳送到仿真控制單元執(zhí)行。通信接口單元接收來自仿真系統(tǒng)中其他控制平臺(tái)的信息和請(qǐng)求，發(fā)送自身的信息和請(qǐng)求。視景顯示單元根據(jù)控制單元的驅(qū)動(dòng)來完成用戶所訂制的顯示內(nèi)容。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 OPNET仿真機(jī)制

OPNET軟件是美國OPNET Technology公司開發(fā)的大型通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包，采用離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)制，其中“事件”是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化[3]。其仿真核心通過維護(hù)全局事件列表來確保每一事件都在正確的時(shí)刻和模塊下被執(zhí)行。在仿真粒度上，OPNET以Packet為基本通信單位來模擬網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，一個(gè)Packet可以包含多個(gè)存儲(chǔ)信息的分組域。仿真過程中，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)建、修改、檢查、復(fù)制、發(fā)送、接收以及銷毀分組。在建模層次上，OPNET采用3層建模機(jī)制來描述網(wǎng)絡(luò)：

1）網(wǎng)絡(luò)層，描述被仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)量及其各自的位置。

2）節(jié)點(diǎn)層，OPNET中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)、路由器）都抽象地稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由一系列描述其特性的屬性構(gòu)成。

3）進(jìn)程層，描述節(jié)點(diǎn)內(nèi)部具有的行為、決策和算法，如某路由協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)過程。

4.2 OpenGL圖形化繪制

本文所實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的諸多界面效果采用OpenGL開放性三維圖形庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。OpenGL是輸出到圖形硬件的一個(gè)軟件編程接口，它包含有許多的命令，可以用來定義3D物體和交互式三維應(yīng)用的各種操作[4]。利用OpenGL，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了半透明的操作選單及消息窗口；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間發(fā)生通信時(shí)，OpenGL繪制的三維運(yùn)動(dòng)線段將表示通信鏈路，而且線段的顏色和粗細(xì)分別代表通信的頻段和流量；當(dāng)鼠標(biāo)指向該線段時(shí)，將彈出仿真數(shù)據(jù)窗口以顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的性能。下面以繪制三維運(yùn)動(dòng)線段為例說明OpenGL的使用，首先定義OpenGL所要繪制線段的顏色：

glColor3f（red，green，blue）；

定義線段的格式及其運(yùn)動(dòng)速度：

glEnable（GL_LINE_SMOOTH）；

glLineStipple（5，pattern）；

glEnable（GL_LINE_STIPPLE）；

glEnable（GL_BLEND）；

glBlendFunc（GL_SRC_ALPHA， GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA）；

glHint（GL_LINE_SMOOTH_HINT，GL_DONT_CARE）；

定義線段的粗細(xì)：

glLineWidth（lineWidth）；

glBegin（GL_LINES）；

glVertex3f（x1，y1，z1）；

glVertex3f（x2，y2，z2）；

glEnd（）；

glDisable（GL_LINE_STIPPLE）；

4.3 仿真實(shí)時(shí)性

在確保場(chǎng)景模型逼真度的前提下，如何提高仿真實(shí)時(shí)性一直是視景仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。三維實(shí)體建模一般分兩步：一是幾何建模，用基本面構(gòu)建對(duì)象的立體外觀；二是形象建模，對(duì)模型進(jìn)行增強(qiáng)視覺效果的處理。為降低視景系統(tǒng)的計(jì)算開銷，提高仿真實(shí)時(shí)性，在用Creator軟件進(jìn)行建模時(shí)可以在保證物體模型的真實(shí)性和可塑性的基礎(chǔ)上，盡量使模型所含的面數(shù)最少[5]。這樣可以減少系統(tǒng)的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的渲染速度；而且單個(gè)多邊形有一系列的屬性和頂點(diǎn)，可以把許多屬性相同的多邊形整合成網(wǎng)格，就能使多邊形共享共同的屬性和頂點(diǎn)。在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處理網(wǎng)格效能更高，可以大大提高運(yùn)行性能和顯示效果。為減少組成模型的面片數(shù)，還可以通過紋理映射技術(shù)代替低細(xì)節(jié)層次的模型，這樣用極少的多邊形進(jìn)行紋理映射后就能得到真實(shí)感較強(qiáng)的模型平面。大量高分辨力紋理的使用也會(huì)給系統(tǒng)帶來沉重負(fù)擔(dān)，為提高實(shí)時(shí)性，可以采用紋理拼接和Mipmap技術(shù)。紋理拼接可以使系統(tǒng)只調(diào)用視點(diǎn)觀察到的一小塊紋理，Mipmap技術(shù)可產(chǎn)生一系列精度不同的紋理。

4.4 碰撞檢測(cè)技術(shù)

仿真系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)模型間的攻擊行為以及節(jié)點(diǎn)模型與自然環(huán)境間的接觸等都涉及到碰撞檢測(cè)技術(shù)，碰撞后所觸發(fā)的一系列效果也是表現(xiàn)仿真真實(shí)性的重要內(nèi)容。碰撞檢測(cè)的基本任務(wù)就是確定2個(gè)或多個(gè)模型彼此之間是否發(fā)生了接觸或穿透，本系統(tǒng)采用是否發(fā)生了線形相交的判斷技巧，實(shí)現(xiàn)了2種情形的碰撞檢測(cè)：1）視點(diǎn)與周圍環(huán)境模型的碰撞檢測(cè)，使視點(diǎn)變化時(shí)能隨地形或障礙物形狀而改變位置，不至穿透地表或進(jìn)入障礙物模型內(nèi)部；2）場(chǎng)景內(nèi)節(jié)點(diǎn)模型與周圍環(huán)境模型的碰撞檢測(cè)，本系統(tǒng)為場(chǎng)景內(nèi)所有模型均進(jìn)行了碰撞檢測(cè)設(shè)置，而且依據(jù)對(duì)象類型分別設(shè)置了不同碰撞效果，如導(dǎo)彈擊中飛機(jī)或艦船將引發(fā)爆炸起火、飛機(jī)墜海時(shí)產(chǎn)生水柱、艦船碰撞時(shí)著火下沉等。視景仿真軟件Vega能夠?qū)reator建立的模型文件中各個(gè)不同的部分進(jìn)行分類 （如地形可分為陸地、海洋等），然后設(shè)置標(biāo)記，利用分類標(biāo)記和碰撞對(duì)象還能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞發(fā)生后產(chǎn)生不同效果。

5 仿真結(jié)論

本文的軟硬件設(shè)計(jì)確保了仿真系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和逼真性，圖4和圖5顯示了本仿真系統(tǒng)的工作效果。隨著分布式仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真系統(tǒng)將不斷向復(fù)雜化和大型化發(fā)展，使得大規(guī)模仿真成為可能。筆者提出的分布式視景仿真系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上為大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的研究提供了參考，下一步還可從增加分布式規(guī)模、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能理論分析方面對(duì)其深入開發(fā)。

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