嵌入式智能沙盤上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)與研究

東北大學(xué)通信與信息系統(tǒng)研究所 沙 毅 王志遠(yuǎn) 隋金坪 候淇濱

嵌入式智能沙盤上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)與研究

東北大學(xué)通信與信息系統(tǒng)研究所 沙 毅 王志遠(yuǎn) 隋金坪 候淇濱

沙盤在當(dāng)今社會(huì)尤其是戰(zhàn)爭(zhēng)方面仍然扮演舉足輕重的角色。虛擬電子沙盤與實(shí)物沙盤的結(jié)合更能反應(yīng)出真實(shí)的地形地貌，給人以大局與細(xì)節(jié)的統(tǒng)籌。本文采用模擬簡(jiǎn)單山地地形，深入淺出地詳細(xì)闡述智能沙盤系統(tǒng)的幾大主要模塊技術(shù)：地形三維數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，PC機(jī)上的可視化技術(shù)，嵌入式控制技術(shù)，等。

智能沙盤；嵌入式；地形仿真

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國也在加快軍隊(duì)信息化現(xiàn)在化建設(shè)的腳步，作為非常重要的作戰(zhàn)工具——沙盤，沙盤的智能化對(duì)部隊(duì)信息化建設(shè)起到了非常重要的作用。

目前普通沙盤只能對(duì)一塊地形或一個(gè)建筑群進(jìn)行模擬，要想再獲取其他地形地貌的信息，就必須另制沙盤。智能沙盤可以靈活多變，不拘泥于一種地形的限制，從環(huán)保角度考慮，節(jié)約了大量的原材料以及資金，從時(shí)間角度考慮，通過傳來的三維數(shù)據(jù)，可以快速的模擬出不同地區(qū)的地形地貌，并同時(shí)配以三維仿真技術(shù)進(jìn)行效果輔助。

2.嵌入式智能沙盤原理及實(shí)現(xiàn)流程圖

智能沙盤其原理是利用步進(jìn)電機(jī)陣列（軸桿）托起沙盤平面，通過控制電機(jī)，使陣列各個(gè)軸桿上升不同高度，以構(gòu)成各種各樣的沙盤地形。通過嵌入式操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能沙盤的重復(fù)利用。通過曲面擬合算法、曲面分割采點(diǎn)等算法對(duì)目標(biāo)地區(qū)相應(yīng)地理三維數(shù)據(jù)、地理信息進(jìn)行處理、整合，再結(jié)合嵌入式技術(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)從而模擬出目標(biāo)地區(qū)地形地貌，并同時(shí)在PC機(jī)上配以基于VC++ OPENGL的三維仿真效果。其主體結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1、圖2。

圖1 主體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 智能沙盤實(shí)現(xiàn)流程圖

3.嵌入式智能沙盤實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 地形數(shù)據(jù)的處理

3.1.1 數(shù)據(jù)高程模型（DEM）簡(jiǎn)介與獲取

DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）及高程（z）的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)空間分布，由其可派生出等高線.坡度圖等信息。建立DEM的常用方法主要有以下幾種：

(1)直接從地面測(cè)量。

(2)根據(jù)航拍測(cè)量途徑獲取數(shù)據(jù)。

(3)從現(xiàn)有地形圖上采集。

3.1.2 地形曲面的插值擬合

在地形曲面的插值擬合中，是基于matlab中的griddata函數(shù)完成的。Matlab中的griddata函數(shù)可以將位于同一空間坐標(biāo)系下的散點(diǎn)插值為規(guī)則格網(wǎng)，提供了包括基于Dclaunay三角形的線性插值、三次多項(xiàng)式插值及最近點(diǎn)插值，可以方便地實(shí)現(xiàn)結(jié)合鄰近離散點(diǎn)分布特征的光滑曲面擬合。

3.1.3 地形數(shù)據(jù)的采樣

根據(jù)硬件部分所有電機(jī)進(jìn)行矩陣排列，在matlab中對(duì)所擬合好的曲面進(jìn)行曲面分割，此過程是基于matlab中的interp2函數(shù)完成的，使得采樣出的每個(gè)高程數(shù)據(jù)都能對(duì)應(yīng)相應(yīng)位置的步進(jìn)電機(jī)。將采出的的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)等價(jià)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖，通過串口傳輸至嵌入式控制模塊。

圖3

數(shù)據(jù)的插值擬合、采樣部分代碼如下：

3.1.4 matlab的后續(xù)處理

在完成插值擬合，采點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借助matlab，可以觀察到插值擬合后的真實(shí)圖樣，以及由采樣點(diǎn)形成的仿真圖樣，可以通過兩圖的對(duì)比，可以觀察到兩者之間是否存在較大差異，若出現(xiàn)較大差異，則可通過增多或改變采點(diǎn)模式來改善仿真圖樣，以使其更加接近真實(shí)圖樣，使其真實(shí)展示現(xiàn)實(shí)。另外可借助matlab中的contour3（），contour（）來顯示地形的三維等高線和二維等高線，使非常直接的清楚的了解地形特征。（圖形為隨意舉例出的，見圖3、圖4）

圖4

3.2 PC機(jī)上的可視化

3.2.1 OPENGL簡(jiǎn)介

PC仿真是基于VC6.0上封裝的OPENGL圖形庫完成的。OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植；OpenGL可以與V C++緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡(jiǎn)便，效率高。它具有七大功能：包括建模、變換、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示和圖像增強(qiáng)、雙緩存動(dòng)畫等功能，可以逼真的仿真模擬出地形，是實(shí)現(xiàn)沙盤PC機(jī)上可視化的最佳開發(fā)平臺(tái)。

3.2.2 仿真地形的生成

3.2.2.1 場(chǎng)景坐標(biāo)系

在從場(chǎng)景物體位置轉(zhuǎn)化成設(shè)備坐標(biāo)系位置，最后物體顯示在屏幕上的過程中存在四種坐標(biāo)系：建模坐標(biāo)系(Modeling Coordinate)，世界坐標(biāo)系(World Coordingate)，規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)系(Normalized Device Coordinate)和設(shè)備坐標(biāo)系(Device Coordinate)。

3.2.2.2 圖形變換

圖5 頂點(diǎn)變換過程

圖6 云的繪制流程圖

三維圖形的顯示是一個(gè)復(fù)雜的過程，首先將世界坐標(biāo)系中的三維物體經(jīng)過一系列三維幾何變換，為了使要顯示的物體位置、大小和方向適當(dāng)，還必須要經(jīng)過投影，然后在通過定義一個(gè)三維視景對(duì)物體進(jìn)行裁剪，只顯示出投影在視景內(nèi)的部分；接著在屏幕窗口內(nèi)定義一個(gè)矩形，稱為視口，視景體投影后的圖形就在該視口內(nèi)顯示；最后通過再做一些適當(dāng)變換，使圖形在屏幕坐標(biāo)系中顯示出來。

在基本OPengl渲染過程中主要有以下幾種變換：

(1)視圖變換：用于指定觀察者的位置和方向。在一個(gè)場(chǎng)景中，我們希望改變觀察者的位置和觀察者角度。用于改變觀察者方位和角度的變換，就是視圖變換。觀察者位于點(diǎn)(0,0,0)，且視線朝著-Z方向。也就是說，只有在Z<0的地方繪圖，才有可能被觀察到。

(2)模型視圖變換：移動(dòng)和變換場(chǎng)景中的模型。此變換用于移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景中的物體。使用模型視圖變換完全可以代替視圖變換。模型變換主要包括：模型平移glTranslate{fd}（TYPEx，TYPEy，TYPEz）；模型旋轉(zhuǎn)glRotate{fd}（TYPE angle，TYPEx，TYPEy，TYPEz）；模型縮放glScale{fd}（TYPEx，TYPEy，TYPEz）。

(3)投影變換：對(duì)視見空間進(jìn)行裁剪和扭曲；投影變換有兩種形式，及平行投影變換和透視投影變換。透視投影變換，對(duì)于相同大小的物體，離視點(diǎn)越近投影越大，離視點(diǎn)越遠(yuǎn)投影越小，遠(yuǎn)到極點(diǎn)時(shí)消失成為滅點(diǎn)。平行投影，無論物體距離相機(jī)多遠(yuǎn)，投影后的物體大小尺寸不變。平行投影直接把物體投影到屏幕上，反映了物體的真實(shí)大小，主要用于工程圖紙繪制方面。

(4)視口變換：對(duì)最終輸出進(jìn)行縮放；視口變換就是將視景體內(nèi)投影的物體顯示在二維的視口平面上。運(yùn)用相機(jī)模擬方式，將經(jīng)過幾何變換、投影變換和裁剪變換后的物體顯示于屏幕窗口內(nèi)指定的區(qū)域內(nèi)。

下面簡(jiǎn)單介紹頂點(diǎn)變換過程：OpenGL將圖形顯示在屏幕上要經(jīng)過多個(gè)變換過程，對(duì)應(yīng)三維圖形顯示過程，OpenGL中物體頂點(diǎn)的變換過程如圖5所示。

3.2.2.3 光照系統(tǒng)的設(shè)置

光照系統(tǒng)主要分為光源、模型材質(zhì)、光照模型三個(gè)部分。材質(zhì)是指構(gòu)成三維實(shí)體的材料在光照模型中對(duì)于紅、綠、藍(lán)、三原色的反射率，其定義分為環(huán)境、漫射、鏡面反射成分，通過材質(zhì)定義可以大大提高所繪制的三維場(chǎng)景的逼真度。而光照模型主要有環(huán)境光、漫射光、反射光等。可逼真模仿真實(shí)光源效果。

3.2.2.4 紋理映射

顏色紋理生成的方法一般是預(yù)先定義紋理模式，然后在物體表面的點(diǎn)與紋理模式的點(diǎn)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，即物體空間與紋理空間對(duì)應(yīng)。當(dāng)物體表面的可見點(diǎn)確定后，接著用紋理模式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)參與到光照模型計(jì)算中，這樣就可把紋理模式加在物體表面上。紋理映射技術(shù)將在現(xiàn)實(shí)世界拍攝的位圖文件映射到物體的表面，使我們感覺到物體的外觀與現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)物體一樣，增強(qiáng)了所繪制物體的真實(shí)感。該過程采用的是BMP格式的位圖。

3.2.2.5 仿真地形天空的生成

在進(jìn)行虛擬3D場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，一般都需要生成天空?qǐng)鼍?。在此采用盒子的方法生成天空，這種方法是首先繪制一個(gè)多邊形，然后再進(jìn)行紋理貼圖。當(dāng)紋理貼圖使用得很好時(shí)盒子式的天空也會(huì)取得很好的視覺效果。但當(dāng)紋理使用不當(dāng)時(shí)在一個(gè)較大多邊形邊上的紋理易產(chǎn)生拉伸變形。此方法通常在繪制透過窗戶的天空時(shí)被采用，而在繪制戶外場(chǎng)景時(shí)不適合采用，天空中的云也是采用紋理貼圖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，圖6是云的繪制流程圖。

3.2.2.6 山地起伏的實(shí)現(xiàn)

在地理科學(xué)描述山地的方法，一般使用山地等高線來描述。等高線圖可以形象地反映山地的情況，在計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)上，等高線地圖給我們提供了還原山勢(shì)地貌的可行性。該過程中，采用灰度等高線圖，用黑白色的深淺表示山勢(shì)的高低。使用InitTerrain（…）建立地域數(shù)組函數(shù)，由圖形讀出對(duì)應(yīng)點(diǎn)高度，灰度等高線圖的制作可通過matlab完成，可利用matlab中的mat2gray（）函數(shù)進(jìn)行繪制，最終再進(jìn)過Photo shop的加工修飾就可得到（見圖7）。

3.2.2.7 3DS模型導(dǎo)入

模型信息包括模型的頂點(diǎn)，圖元類型，頂點(diǎn)法線，模型的材質(zhì)等，但由于openGL只提供了最基本的圖元繪制方法，所以在繪制具有大量圖元的復(fù)雜物體時(shí)，顯得力不從心。由于。3ds模型文件格式是很常用的格式，所以采用3DSMax建模，可根據(jù)地形需要在3DSMax進(jìn)行建模，后根據(jù)其所在位置，進(jìn)行導(dǎo)入。這樣就可使觀察者有未到其地，便觀其物之感。

圖7 灰度等高線圖

4.結(jié)束語

智能沙盤新型靈活，并可重復(fù)使用。所采用的技術(shù)手段具有面向性，并不針對(duì)某一特定地區(qū)，原則上只要我們可以獲取目標(biāo)地區(qū)三維數(shù)據(jù)信息，即可應(yīng)用智能沙盤進(jìn)行模擬，方便快捷，而且節(jié)約材料，可重復(fù)利用，有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

[1]費(fèi)廣正,喬林編著.Visual C++6.0高級(jí)編程技術(shù)OPENGL篇[M].北京:中國鐵道出版社,2000,9.

[2][美]Dave Shreiner主編。OPENGL編程指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010,3.

[3][美]亨塞爾曼編著.精通Matlab7[M].清華大學(xué)出版社,2006,5.

[4]柳超,卜淮原.虛擬電子沙盤實(shí)現(xiàn)技術(shù)探析[J].重慶工業(yè)高等專科學(xué)校校報(bào),2002,3.

[5]陳本富,王貴武等.基于Matlab的數(shù)據(jù)處理方法在GPS高程擬合中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,10.

沙毅（1959—），男，東北大學(xué)通信與信息系統(tǒng)研究所副教授，1982年7月獲得北京航空航天大學(xué)無線電通訊專業(yè)學(xué)士學(xué)位，1988年4月獲西北工業(yè)大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理方向碩士學(xué)位，2000年9月晉升為副教授，主要研究方向：軟件無線電理論與應(yīng)用技術(shù)研究，圖像處理與識(shí)別技術(shù)研究，嵌入工系統(tǒng)與FPGA、DSP技術(shù)研究，GPS與GSM/GPRS結(jié)合的定位和跟蹤系統(tǒng)研究，無線射頻卡（RFID）應(yīng)用技術(shù)研究。