應(yīng)用GPU編程的水聲對抗視景系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

馬天，黃建國，高偉，張群飛

(1.西安科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710054;2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072)

水聲對抗視景仿真以三維影像和聲音方式對作戰(zhàn)雙方態(tài)勢進行實時、逼真、直觀的演示，并將試驗過程中的水面艦艇、飛機、潛艇、水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)等各種實體的狀態(tài)及聲學(xué)信息進行可視化顯示.隨著GPU編程、開源三維視景引擎等技術(shù)的不斷發(fā)展，水聲對抗視景仿真的要求也越來越高，對于仿真環(huán)境、攻防對抗過程的展示越來越細(xì)致.目前視景仿真多是使用商業(yè)引擎 Vega［1-2］、Vega Prime［3］、GVS［4］等來實現(xiàn)，這樣仿真系統(tǒng)搭建比較快捷、功能實現(xiàn)簡單.但是由于其不開源，各種應(yīng)用實現(xiàn)受限于集成的功能，限制了新興技術(shù)(如GPU編程等)的及時應(yīng)用;也有直接使用OpenGL［5］、DirectX［6］等底層圖形庫來實現(xiàn)的，可以根據(jù)需要靈活應(yīng)用，但是渲染引擎需自己開發(fā)，增加了開發(fā)周期和復(fù)雜度，系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性必然會受開發(fā)人員技術(shù)的影響.開源引擎OSG兼有前2種方法的優(yōu)點:集成常用算法功能，并可自由擴展［7］.其在視景仿真中的應(yīng)用越來越多［8］，尤其是海洋環(huán)境仿真方面［9］.

本文基于開源OSG視景引擎組織場景，應(yīng)用GPU編程技術(shù)在VS2005 MFC平臺下開發(fā)了一套通用水聲對抗視景仿真系統(tǒng)，解決了復(fù)雜環(huán)境的實時細(xì)致再現(xiàn)問題.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文視景系統(tǒng)應(yīng)用于水聲對抗仿真試驗系統(tǒng)，總體仿真平臺是基于高級體系結(jié)構(gòu)(high level architecture，HLA)的一體化水聲對抗仿真系統(tǒng).其中視景系統(tǒng)聯(lián)邦成員處于數(shù)據(jù)流關(guān)系的最后，采用主/從方式，視景仿真主控節(jié)點和子通道節(jié)點各自存有一份場景和運動實體模型的數(shù)據(jù)庫.主控節(jié)點作為符合HLA標(biāo)準(zhǔn)的一個邦員加入到總體仿真平臺中，通過運行支撐平臺(run time infrastructure，RTI)向其他邦員訂閱所有實體的運動參數(shù)和交互信息;然后把相關(guān)數(shù)據(jù)分發(fā)給子通道節(jié)點，與子通道節(jié)點同步實時生成水聲對抗試驗進程的直觀三維場景，并可即時響應(yīng)用戶的交互操作.子通道節(jié)點負(fù)責(zé)把視景演示的場景擴展，從而獲得更大的三維視景的顯示范圍，并投影到屏幕上，使用戶可對仿真進程的整體或局部進行觀察.該系統(tǒng)還可以工作在單機模式下，即根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回放仿真過程，此時主控節(jié)點直接從記錄文件中讀取實體的運動和交互信息，其他工作方式不變.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 System＇s hardware structure

1.2 場景組織

該水聲對抗視景仿真系統(tǒng)主要包括:參演物體、島嶼和海底地形三維造型，海面、海底場景生成，三維聲音播放和多通道管理等功能模塊.整個三維場景采用OSG進行管理和繪制，然后采用多線程技術(shù)嵌入到MFC的視圖(view)窗口中顯示.具體方法是在View窗口初始化時進行三維場景的初始化，并開啟單獨的OSG線程;場景、參演物體的位置、狀態(tài)和文字信息等的更新通過OSG的更新回調(diào)機制實現(xiàn);在View窗口的鼠標(biāo)、鍵盤處理函數(shù)里獲取消息，并加入到OSG的消息處理隊列Event Queue，這樣可直接利用OSG的事件回調(diào)機制響應(yīng)用戶交互;MFC菜單按鈕消息可通過控制變量或者發(fā)送自定義用戶消息交由OSG處理.

圖2 場景結(jié)構(gòu)Fig.2 Scene graph

OSG是基于場景圖方式來管理和繪制三維場景，采用一種自頂向下的分層樹形結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，以提升繪制的效率.場景圖樹結(jié)構(gòu)的頂部是一個根節(jié)點.從根節(jié)點向下延伸，各個組節(jié)點中均包含幾何信息和用于控制其外觀的繪制狀態(tài)信息.本視景系統(tǒng)場景圖生成采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，第一幀通過讀取配置信息自動加載場景、模型.場景樹結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中osg::MT是osg::Matrix Transform節(jié)點的縮寫，前2個相機節(jié)點是應(yīng)用渲染到紋理(render to texture，RTT)技術(shù)分別進行反射紋理、折射紋理渲染，島嶼、海底、參演物體等節(jié)點通過配置文件自動加載為根節(jié)點和RTT相機節(jié)點的子節(jié)點.

2 場景生成

海面和海底場景一般會占整個仿真場景80%以上的畫面，所以它們的繪制效果和效率直接影響著整個視景仿真效果.隨著GPU的功能越來越強，與圖形有關(guān)的處理自然而然地從CPU向GPU轉(zhuǎn)移.為了建立更加逼真的海面、海底場景又不影響系統(tǒng)的實時性，基于GPU加速生成海面場景［9-10］的應(yīng)用越來越多.由于OSG底層基于OpenGL，這里選擇OpenGL著色語言(OpenGL shading language，GLSL)作為GPU編程語言.

2.1 海面場景

海浪具有不規(guī)則性和不重復(fù)性，但其統(tǒng)計特性是穩(wěn)定的，利用海浪譜描述海浪更為合理.現(xiàn)在比較常用的海浪譜有 Pierson、Jonswap、Phillips等，這里參考典型的Phillips海浪譜公式［11］:

式中:A是數(shù)值常量，g是重力加速度，V是風(fēng)速，ω^是風(fēng)向.利用Phillips海浪譜生成海面高度圖、法線圖紋理步驟為:初始化配置海浪參數(shù)(風(fēng)速、風(fēng)向等)，由Ph(k)通過CPU計算得到傅里葉網(wǎng)格數(shù)據(jù)，以2D紋理傳遞給GPU，在GPU中使用快速FFT變換計算，得到高度場數(shù)據(jù)，再由此計算得到法線圖數(shù)據(jù)，并把結(jié)果渲染到紋理.傅里葉網(wǎng)格一般大于128×128即可滿足視覺效果，越大越精細(xì)，考慮到實時性的要求，這里選擇512×512大小.波浪網(wǎng)格采用投影網(wǎng)格模型［12］進行層次細(xì)節(jié)(level of detail，LOD)優(yōu)化，如圖3所示:在投影空間建立一個與視線垂直的均勻網(wǎng)格平面，再將該平面投影到世界空間的海平面上;為了避免邊緣走樣效應(yīng)，投影網(wǎng)格邊沿要適當(dāng)擴大一圈，使邊沿落在屏幕范圍外.生成的海面網(wǎng)格如圖4所示.

采用立方體紋理將天空反射傳遞到GPU;利用裁剪面將水面上景物渲染到反射RTT相機、水面下景物渲染到折射RTT相機.最后在片元著色器中，分別利用視線的反射向量和折射向量進行紋理映射，把取得的天空紋理colorsky、反射紋理colorreflect、折射紋理colorrefract和水面基本色colorbase按下式進行混合:

式中:A1、A2、A3為經(jīng)驗系數(shù)，fresnell為菲涅爾系數(shù);當(dāng)波浪足夠強時會產(chǎn)生泡沫，這里通過把預(yù)先創(chuàng)建的泡沫紋理在高于某個高度的波浪頂點上進行混合實現(xiàn).海面渲染效果如圖5所示.

圖3 投影網(wǎng)格模型Fig.3 Projection-grid model

圖4 海面網(wǎng)格Fig.4 Surface grid

圖5 海面渲染效果Fig.5 Rendering effect of ocean surface

2.2 海底場景

首先是海背面的繪制，跟海面繪制類似，只是沒有考慮反射紋理，只需在水面的片元著色器中根據(jù)視點位置選擇相應(yīng)的紋理進行混合.其中折射紋理為上節(jié)的反射RTT相機渲染的紋理，利用折射向量向紋理空間映射.

其次是水下光照的實現(xiàn)，主要包括:淺海焦散、光束效果和模糊效果.其中焦散和光束原理［13］相同，都是光線經(jīng)過水面折射后，有的匯聚、有的發(fā)散，進而形成的2種光照效果.這2種效果一般在4～10 m的水底才能觀察到［14］，而水聲對抗場景一般在水下幾十米以下的深海，焦散效果在水底、物體的渲染影響很小，因此這里忽略了焦散，只實現(xiàn)視點剛?cè)胨畷r可觀察到的光束效果.要實時模擬其物理過程是不太容易的，不管是正向還是逆向光線跟蹤方法，都是非常耗時的.這里從美學(xué)角度出發(fā)，首先利用Caustics Generator軟件，根據(jù)不同海況調(diào)整參數(shù)，預(yù)先生成N組1～10 m的焦散圖片紋理;初始化時，根據(jù)海洋配置參數(shù)，選擇相應(yīng)海況下的一組紋理;然后參考Lasse［15］的方法，根據(jù)太陽和視點的位置，利用不同深度的焦散圖片，啟用alpha混合來渲染光束照明體;最后對光束做水平擾動，以實現(xiàn)光束隨海水起伏的運動效果.水底的模糊效果則可以直接打開OSG的霧效，并設(shè)置淡藍(lán)色的顏色.

海底一般不會清澈無物，所以要加上浮簾粒子效果以增強其視覺真實性，這里采用OSG的粒子系統(tǒng)實現(xiàn).粒子的數(shù)量在海洋初始化時設(shè)置，考慮到能見度和實時性，粒子的發(fā)射位置限定在一個以視點為圓心的球形區(qū)域內(nèi)即可，每個粒子發(fā)射后做一個隨機速度、方向的緩慢運動，超出該范圍則重生.最終渲染的海底效果如圖6所示.

圖6 海底渲染效果Fig.6 Underwater rendering effect

3 場景HDR效果

高動態(tài)范圍(HDR)技術(shù)可以用更寬的色彩范圍來表現(xiàn)場景，一般用在相機照片和游戲場景中，隨著GPU編程技術(shù)的發(fā)展，其在實時三維仿真中的應(yīng)用也成為可能［16］.本文基于GPU后續(xù)渲染技術(shù)，用OSG實現(xiàn)了整個場景的HDR輝光、平滑效果，使場景更加的逼真.具體實現(xiàn)步驟如下:

1)RTT相機將場景渲染到1∶1大小的紋理Texenv;

2)RTT相機以場景紋理Texenv為輸入，在片元著色器中，根據(jù)下式計算出每個像素點的照明度

通過跟經(jīng)驗值比較，提取出高亮部分，渲染到1/2×1/2大小的紋理Texbright.

3)RTT相機以高亮紋理Texbright為輸入，在片元著色器中進行降采樣高斯模糊，渲染得到1/4×1/4尺寸的紋理Tex1/4;再以紋理此為輸入，繼續(xù)進行降采樣高斯模糊，得到1/8×1/8尺寸的紋理Tex1/8.處理過程如圖7所示.

4)將紋理 Tex1/4、Tex1/8、Texenv紋理進行混合得到HDR場景，然后調(diào)和映射(tone mapping)進行曝光控制，根據(jù)曝光系數(shù)ex，由下式計算出映射系數(shù)Lmap，進而映射到LDR:

對圖4所示海上場景，進行HDR渲染的結(jié)果如圖8所示，該方法用較小的開支模擬了逼真的HDR效果.

圖7 高亮紋理降采樣高斯模糊Fig.7 Down-sampling and Gaussian blur of highlight texture

圖8 場景HDR效果Fig.8 HDR scene effect

4 基于FMOD的OSG聲音類

開源音頻引擎FMOD以其使用簡單、跨平臺、支持多種編程語言、出色的3D混音效果和強大的功能支持等特點［17］，成為現(xiàn)在開發(fā)聲音系統(tǒng)的首選.為了保持OSG的場景圖的層次特征，首先繼承自osg∶∶Node，實現(xiàn)了一個聲音的根節(jié)點類 OSG Sound Root，系統(tǒng)啟動初始化時構(gòu)造，并加到場景根節(jié)點下.在構(gòu)造函數(shù)中，調(diào)用System∶∶init函數(shù)進行FMOD初始化，使用默認(rèn)參數(shù)來配置聲卡和其他設(shè)置;傳遞OSG的場景根節(jié)點root和camera參數(shù)，并對camera關(guān)聯(lián)回調(diào)函數(shù)，在其中每幀獲得其位置矩陣，調(diào)用System::set3D Listener Attributes更新listener位置、速度和朝向，然后調(diào)用System∶∶update函數(shù)更新一些3D聲音的計算;最后編寫成員函數(shù)提供距離模式、多普勒效應(yīng)開關(guān)等設(shè)置接口.

背景聲音類OSGBkSound，處理的背景聲音是海浪聲和海底的噪聲，都是需要重復(fù)播放的簡短2D聲音，用聲音文件名進行構(gòu)造，初始化時調(diào)用System∶∶create Sound創(chuàng)建聲音實例，將整個聲音解壓到內(nèi)存中，設(shè)置聲音模式為FMOD_2D，同時設(shè)置FMOD_CHANNEL_REUSE標(biāo)記，避免每次調(diào)用System∶∶play Sound函數(shù)都產(chǎn)生一個新的實例.因為整個場景分水上、水下2種背景聲音，使用時要給camera關(guān)聯(lián)回調(diào)，在回調(diào)初始化時構(gòu)造2個背景聲音，然后根據(jù)camera位置判定播放哪個聲音.事件聲音類OSGOnce Sound的實現(xiàn)跟OSGBk Sound類似，只是調(diào)用System∶∶create Stream創(chuàng)建聲音實例，打開文件并預(yù)緩沖小部分?jǐn)?shù)據(jù)，用FMOD_DEFAULT設(shè)置即可.使用時由系統(tǒng)事件控制一次性播放，播完后直接釋放資源.

三維物體聲音類OSGObj Sound，處理的是UUV等物體的引擎聲音，是隨物體移動的3D聲音.用物體節(jié)點和聲音文件名稱構(gòu)造，調(diào)用System∶∶create-Sound函數(shù)創(chuàng)建聲音實例，設(shè)置聲音模式為FMOD_3D，調(diào)用 Sound∶∶set3D Min Max Distance函數(shù)設(shè)置最大最小可聽距離;為物體節(jié)點關(guān)聯(lián)回調(diào)，為了模擬運動物體的多普勒效應(yīng)，回調(diào)里根據(jù)物體的世界坐標(biāo)矩陣，調(diào)用Channel∶∶set3D Attributes函數(shù)實時更新3D聲源的位置和速度.

5 多通道組合顯示方法

對于多通道的組合顯示方法研究較少，一般都是通過多個通道拼接顯示一個連續(xù)的場景［18］.這里提出了一種同步性較好、可自由拼接和拆分的多通道顯示方法，既可以多個子通道拼接顯示一個連續(xù)的場景，也可以拆開獨立顯示同一場景同一時刻的不同局部視角，下面來具體介紹.

多通道系統(tǒng)在運行時，主控節(jié)點要不斷把相關(guān)數(shù)據(jù)分發(fā)給子通道節(jié)點，是一種一對多的通信關(guān)系，為了提高傳輸效率和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，這里選擇UDP多播組通信方式，這樣能使一個或多個多播源只把數(shù)據(jù)包發(fā)送給特定的多播組.初始化時，主控節(jié)點跟子通道節(jié)點明確各自職責(zé)，完成一次握手.當(dāng)視景開始生成時，所有信息和數(shù)據(jù)的處理都在主控節(jié)點完成，子通道節(jié)點只被動接收數(shù)據(jù)完成視景的生成，這就要求設(shè)計的通信數(shù)據(jù)包不僅包含所有實體的運動數(shù)據(jù)，還要包括:子通道顯示方式、視點控制和仿真時間信息數(shù)據(jù).每幀同步效率比較低，對同步效果不是很必要，這里選擇子通道節(jié)點30幀與主控節(jié)點進行一次同步交互.這樣子最大限度節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源和系統(tǒng)資源，以最快的速度完成通信.

子通道節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)顯示控制信息選擇多通道拼接顯示或者獨立顯示，其顯示控制流程如圖9所示.首先是拼接顯示，全部接收主通道相機參數(shù)，中通道跟主通道保持一致，左通道水平旋轉(zhuǎn)-45°，右通道水平旋轉(zhuǎn)45°.當(dāng)主控選擇一個通道單獨顯示時，這時單獨更新相應(yīng)子通道的信息，該子通道則讀取相應(yīng)信息進行視點設(shè)置，其他通道則繼續(xù)讀取主相機參數(shù)進行拼接顯示.視點控制、場景的渲染全部在子通道PC上單獨完成，大大降低了主控節(jié)點PC的工作量.

圖9 多通道組合顯示控制流程Fig.9 Display-control flow chart of multi-channel

6 實驗總結(jié)

實驗系統(tǒng)的PC機硬件配置為:CPU為Pentium Dual-core E5400/2.7GHz，內(nèi)存為 DDR Ⅱ 800/2G，顯卡為NVIDIA Ge Force 9600 GSO/512M顯存，硬盤為160G/7200/16M;軟件配置為:操作系統(tǒng)為Win XP SP3，Open GL 2.2，OSG 2.8.2，VS 2005 sp1.圖10所示為俯視視點下三通道拼接顯示的效果圖;圖11所示是三通道拆分顯示的效果圖，其中左通道俯視觀察全局，中、右通道拼接顯示仿真實體的運動細(xì)節(jié).

圖10 三通道拼接顯示效果截圖Fig.10 Composite display effect of 3-channel

圖11 三通道拆分顯示效果截圖Fig.11 Sp lit disp lay effect of 3-channel

通過往場景中添加State Events Handler，實時記錄各通道不同狀態(tài)的幀率如表1所示.

表1 各通道不同狀態(tài)幀率記錄表Table 1 Frame rate record list of different states in every channel 幀/s

由上表可以看出，該三通道視景系統(tǒng)的顯示速度≥53，這完全可以滿足實時交互的要求，經(jīng)測試，子通道間的幀數(shù)差≤3幀，可以較好的保持多通道的同步.

7 結(jié)束語

綜上所述，本文應(yīng)用GPU編程技術(shù)，解決了復(fù)雜海洋場景的實時細(xì)致再現(xiàn)問題;提出了一種靈活的多通道組合演示方法，并可較好的保持子通道間的同步;基于開源OSG視景引擎，開發(fā)了一套通用水聲對抗視景仿真系統(tǒng)，可同時滿足實時交互和逼真度的需求;該系統(tǒng)可以對水聲對抗過程進行仿真，設(shè)計、優(yōu)選水聲對抗試驗方案，并根據(jù)水聲對抗試驗過程的仿真結(jié)果及評估指標(biāo)，對多個試驗方案的合理性進行評估，是研究水聲對抗的有力仿真工具.

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