某型訓(xùn)練模擬器視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

晏衛(wèi)東，金振中，石偉峰

(1．中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001;2．海軍駐航天二院軍代表室，北京 100854)

0 引言

視景仿真是仿真動畫的高級階段，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式，它是使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。視景仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)造仿真對象的三維模型或再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果［1－2］。某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)自引進(jìn)以來，一直采用常規(guī)軍事演習(xí)的方式來訓(xùn)練部隊(duì)、體驗(yàn)實(shí)戰(zhàn)。這種傳統(tǒng)的實(shí)裝訓(xùn)練方式不但耗費(fèi)大量資金和軍用物資，也大大縮短了裝備使用壽命，訓(xùn)練安全還難以保證。目前，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練模擬器，正朝著高逼真度、互聯(lián)互通和可擴(kuò)展性越來越好的方向發(fā)展，有效解決了部隊(duì)武器裝備的訓(xùn)練使用需求［3］。

1 仿真訓(xùn)練模擬器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4－5］

某型導(dǎo)彈武器仿真訓(xùn)練模擬器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。該系統(tǒng)是一個(gè)基于以太網(wǎng)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)，由綜合控制臺、仿實(shí)裝控制臺、軟模擬控制臺和視景仿真臺組成。綜合控制臺是系統(tǒng)的導(dǎo)演臺和時(shí)間服務(wù)器，并且作為系統(tǒng)接口部分與其他系統(tǒng)互聯(lián)，以適應(yīng)攻防聯(lián)合訓(xùn)練的擴(kuò)展需要?？紤]到研制成本和訓(xùn)練應(yīng)用效果，武器系統(tǒng)的核心部分仿實(shí)裝(如導(dǎo)彈發(fā)射控制臺等)，其硬件部分仿制實(shí)裝，控制軟件在功能和用戶界面(user interface，UI)上模擬實(shí)裝，利用I/O控制卡獲取操作手的按鍵和開關(guān)輸入并進(jìn)行信號處理。視景仿真控制臺通過視景仿真手段構(gòu)造三維視景環(huán)境，為參訓(xùn)人員營造逼真的沉浸效果。其他外圍設(shè)備，如目標(biāo)指示臺、電磁兼容和電源裝置等在軟模擬控制臺上實(shí)現(xiàn)，采用虛擬儀器形式，仿真設(shè)備操作面板實(shí)現(xiàn)功能。

2 視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 視景系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)［6－7］

視景系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有:視場角、分辨率、光點(diǎn)數(shù)、像素填充率、多邊形處理能力、紋理內(nèi)存、圖像更新率、顯示模式、顯示刷新率、傳輸延遲等。在本仿真訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)中，視景系統(tǒng)主要完成以下工作:

(1)數(shù)據(jù)庫

1)場景數(shù)據(jù)庫:包括有細(xì)節(jié)層次的地形模型和特征地物(海洋、島嶼、碼頭、建筑、地表、燈光等)，采用紋理貼圖增加逼真度;

2)通用模型庫:用于存儲建立地景數(shù)據(jù)庫所需的各種三維物體;

3)活動目標(biāo)庫:用于存儲三維運(yùn)動物體，包括飛機(jī)、車輛、船舶、雷達(dá)、發(fā)射裝置、導(dǎo)彈等;

4)紋理庫:用于存儲建立視景仿真的各種紋理資料;

5)材質(zhì)庫:用于存儲建立三維物體的各種材質(zhì)資料。

(2)效果

增強(qiáng)臨場感而模擬的各種特殊效果(煙、火焰、尾跡、爆炸、水花)。

(3)聲音模型

為了增強(qiáng)人在環(huán)境中的的沉浸感，獲得逼真的仿真效果而模擬的各種聲音，如發(fā)射架開關(guān)蓋、機(jī)械裝置鎖止、導(dǎo)彈點(diǎn)火等。

(4)大氣模擬

用于模擬大氣狀況和各種天氣氣象包括雨、雪、霧等。

(5)非實(shí)時(shí)任務(wù)

完成模擬視景的初始化。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of overall structure

(6)實(shí)時(shí)任務(wù)

1)自檢及開發(fā):完成系統(tǒng)自監(jiān)測和開發(fā)過程的視景顯示;

2)模擬發(fā)射及飛行:模擬導(dǎo)彈發(fā)射和飛行過程的視景顯示;

3)模擬裝彈:模擬碼頭裝載導(dǎo)彈的過程;

4)發(fā)射過程復(fù)現(xiàn):記錄數(shù)據(jù)回放過程的視景顯示;

5)場景數(shù)據(jù)庫管理:實(shí)時(shí)場景庫的調(diào)度、管理和修改。

2．2 關(guān)鍵技術(shù)

2．2．1 不規(guī)則物體的建模

對一些不規(guī)則形狀的物體建模，有時(shí)可能很難描述出它的外形(如彈體、機(jī)翼等)，這時(shí)可先畫出2個(gè)或多個(gè)裁面，然后用softTools把相鄰的2個(gè)面平滑連接起來，導(dǎo)彈的一個(gè)彈翼構(gòu)建出后可用Mirror工具把另一個(gè)彈翼映射出來。另一種對不規(guī)則物體的建模方法是先把物體的照片紋理(正向，側(cè)向等)貼在一個(gè)面上，然后把這個(gè)物體的輪廓勾畫出來，用wall工具進(jìn)行拉伸，再用其他工具進(jìn)行修正等，最后得到物體的三維模型。圖2是某型導(dǎo)彈和發(fā)射架的三維模型。

圖2 發(fā)射裝置模型Fig.2 Missile launcher model

2．2．2 碰撞檢測

在三維作戰(zhàn)場景中，存在眾多的虛擬實(shí)體，它們之間的碰撞是難免的。如導(dǎo)彈擊中目標(biāo)、車輛遇到障礙物。只有對實(shí)體間的相互碰撞進(jìn)行檢測，才能使實(shí)體作出正確的響應(yīng)。Vega中提供了bump，volume等幾種碰撞檢測的方法，但是這些方法都會占用大量的系統(tǒng)資源。針對這個(gè)問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種簡化的碰撞檢測方法。戰(zhàn)場中的碰撞可以分為運(yùn)動物體與靜止物體的碰撞和運(yùn)動物體之間的碰撞2種。所以可以采用幾何模型的最小包圍長方體或球體來進(jìn)行碰撞檢測。碰撞檢測一般在主循環(huán)中進(jìn)行，即每一幀都要判斷是否有碰撞行為發(fā)生。戰(zhàn)場中由于運(yùn)動物體多，地形龐大，碰撞檢測的計(jì)算量非常巨大，往往會影響到顯示的流暢。為了避免大量的運(yùn)算，系統(tǒng)按照地形的分塊，將空間在水平面上劃分成5×5個(gè)子空間。系統(tǒng)初始化時(shí)所有子空間設(shè)為無效，即不進(jìn)行任何碰撞檢測。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中地形分塊被調(diào)用時(shí)，對應(yīng)的子空間才變?yōu)橛行?，程序只處理處于有效子空間中的碰撞檢測。使用這種方法降低了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，使畫面顯示更為流暢［8］。

2．2．3 LOD 技術(shù)

LOD技術(shù)是一項(xiàng)既可以滿足顯示速度要求，又可以自動調(diào)節(jié)物體細(xì)節(jié)的技術(shù)，景物離得較遠(yuǎn)時(shí)，只提取一些輪廓即可，無法也無需分辨細(xì)節(jié)，此時(shí)可用簡單圖像代替詳細(xì)圖像，既可節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對顯示效果也無明顯影響，方便了實(shí)時(shí)顯示。景物距視點(diǎn)較近時(shí)，使用細(xì)節(jié)圖像。但是使用LOD時(shí)，必須預(yù)構(gòu)各種細(xì)節(jié)等級的模型以供調(diào)用，這勢必將增大場景數(shù)據(jù)庫，增加了建模的工作量。

2．2．4 外部調(diào)用及單元分割技術(shù)

在一個(gè)復(fù)雜的場景中，一般要包括地形模型，各種不動的實(shí)體模型和各種運(yùn)動的實(shí)體模型，如果將它們直接合并在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中無疑會影響仿真的實(shí)時(shí)性，采用外部調(diào)用方法將各物體調(diào)到地形場景中，可以使實(shí)時(shí)性得到大大改善。這種方法在地形建模過程中非常有效，當(dāng)真實(shí)數(shù)字地圖向三維數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換后，生成有高低起伏的地形時(shí)，地形的真實(shí)性很大程度上取決于所用多邊形的數(shù)量，但是多邊形的數(shù)量過多將嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)性，外部調(diào)用則可以使這一矛盾得到緩解。具體的講，先生成多邊形較多的一整塊地形模型，再將它分割成若干小單元地形，將這若干小單元地形分別存成不同的地形模型文件，再以外部調(diào)用方式分別調(diào)入，并重新構(gòu)成一個(gè)完整的地形。這樣，當(dāng)對該地形實(shí)時(shí)顯示時(shí)，可以根據(jù)視點(diǎn)所能看到的地形區(qū)域，動態(tài)的選擇各單元地形文件的調(diào)用，而不需要將整個(gè)地形文件全部調(diào)用，十分有效地提高了軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)性［9］。

3 視景系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

視景仿真控制臺作為某型導(dǎo)彈武器仿真訓(xùn)練模擬器的組成部分，是對模型及實(shí)彈發(fā)射全過程進(jìn)行再現(xiàn);通過視角變換，使操作人員能夠更加全面、直觀地了解系統(tǒng)各部件的工作原理，增加對導(dǎo)彈實(shí)彈射擊的感性認(rèn)識。

針對以上的研究和設(shè)計(jì)，在某型導(dǎo)彈武器仿真訓(xùn)練模擬器的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，我們采用MultiGen Paradigm公司的GREATOR工具，對視景中的各個(gè)實(shí)體及環(huán)境進(jìn)行仿真建模，采用場景管理軟件 Vega對模型進(jìn)行驅(qū)動驗(yàn)證，最后通過VC++編程實(shí)現(xiàn)與訓(xùn)練模擬器的其他分系統(tǒng)的信息交互和控制。圖3是視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖3 視景仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure of Scene simulation system

3．1 特殊環(huán)境模型的建立

三維場景建模負(fù)責(zé)完成創(chuàng)建視景仿真中的三維地形、實(shí)體模型建模的任務(wù)［10］。在本應(yīng)用中，導(dǎo)彈、艦船等屬于實(shí)體建模，而海洋、島嶼等屬于三維地形建模。而特殊環(huán)境模型包括:雨、雪、霧、爆炸、煙火等動態(tài)環(huán)境模型，其關(guān)鍵在于運(yùn)動微粒子的動態(tài)生成技術(shù)，為了給操作手提供不同時(shí)間和天氣下的訓(xùn)練環(huán)境，在本視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用Vega軟件中的Special Effect模塊，通過使用各種不同的實(shí)時(shí)技術(shù)，從基于沒有紋理的硬件加陰影集合體到借助紋理分頁技術(shù)的復(fù)雜粒子動畫，來產(chǎn)生實(shí)時(shí)應(yīng)用中的煙火、爆炸等三維特殊效果。也可以通過粒子動畫編輯器或API定義創(chuàng)建自己的特殊效果［11］。也可以配置為在某些用戶指定的狀態(tài)下才可見。例如，只有在發(fā)射架處于故障狀態(tài)下，煙火才會在發(fā)射架處出現(xiàn)。特殊效果可無限制的重復(fù)其動畫順序，如導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)發(fā)射管尾端的閃光。另外，結(jié)合Vega中的SensorVision模塊，可提供在整個(gè)紅外頻譜中的特殊效果的響應(yīng)顯示。

3．2 面向?qū)ο蟮姆治雠c實(shí)現(xiàn)

在該仿真訓(xùn)練模擬器中，根據(jù)各部件的特點(diǎn)，可分為開關(guān)類部件、動作類部件、儀表類部件及指示燈類部件等4類部件:

開關(guān)類部件(包括旋鈕和按鈕)可分為2態(tài)開關(guān)和3態(tài)開關(guān)，它們的共同特點(diǎn)是只具備一個(gè)自由度，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，將這3個(gè)狀態(tài)標(biāo)識為“0”，“1”，“2”，根據(jù)鼠標(biāo)的交互輸入設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)，通過刷新機(jī)制完成狀態(tài)的改變。因此，在開關(guān)部件類建模時(shí)，要設(shè)置部件的DOF屬性，通過程序進(jìn)行驅(qū)動。

動作部件類和儀表部件類有相似之處，一般單步操作只涉及1個(gè)自由度，它的特殊之處在于需要建立仿真模型仿真其運(yùn)動的過程。動作類部件包括發(fā)射架、測角儀等部件;儀表類部件包括速度表、方位表等儀表，這些部件需要響應(yīng)鼠標(biāo)、鍵盤、其他類部件的動作，以及需要根據(jù)實(shí)體的狀態(tài)和仿真模型驅(qū)動部件運(yùn)動。

指示燈類部件有2種狀態(tài):亮和滅。主要是利用Vega中的vgAttach模塊解決這一問題，首先用vgAddDISAttach－PartMap函數(shù)定義一個(gè)switch節(jié)點(diǎn)與其子節(jié)點(diǎn)的映射，然后使用 vgDISAttach或vgDetach函數(shù)將其子節(jié)點(diǎn)隱藏或顯示出來，指示燈的每一個(gè)狀態(tài)都對應(yīng)一個(gè)switch節(jié)點(diǎn)，通過該方法就能顯示需要的狀態(tài)。

3．3 視景仿真驅(qū)動

本系統(tǒng)利用函數(shù)庫VegaAPI和VC++6．0搭建視景仿真驅(qū)動平臺。Vega是一個(gè)建立虛擬現(xiàn)實(shí)和實(shí)時(shí)仿真的應(yīng)用軟件［12］，而 VC++6．0的面向?qū)ο缶幊谭椒榻ㄔ煲粋€(gè)性能優(yōu)良的虛擬環(huán)境提供了更強(qiáng)的靈活性。在本系統(tǒng)中，使用Lynx定義了窗口、通道、場景、物體、碰撞檢測、環(huán)境及環(huán)境特效、交互設(shè)備等，并對他們進(jìn)行了初始化，以生成虛擬訓(xùn)練時(shí)需要的逼真的地形、地物及天氣情況、特效。

當(dāng)創(chuàng)建基于MFC任務(wù)的Vega應(yīng)用程序時(shí)，需要開啟一個(gè)線程，把Vega著色放進(jìn)MFC應(yīng)用程序的View窗口中。整個(gè)仿真程序由以下幾個(gè)步驟組成:系統(tǒng)初始化、文件定義、系統(tǒng)配置和實(shí)時(shí)刷新顯示?？蚣苋缦?

4 結(jié)束語

本文介紹了實(shí)現(xiàn)視景仿真設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，用Multigen Creator建立了虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，采用Vega仿真引擎來實(shí)現(xiàn)場景驅(qū)動，開發(fā)了某型導(dǎo)彈武器仿真訓(xùn)練模擬器視景系統(tǒng)，該視景仿真系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和兼容性。另外，本系統(tǒng)采用的場景實(shí)現(xiàn)方法在場景數(shù)據(jù)的大小、場景的復(fù)雜度等方面對于運(yùn)行環(huán)境的依賴性較高。對于畫面的流暢性影響較大，還存在一定的局限性，在今后的研制過程中還需要加以改進(jìn)。

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