基于Vega Prime的飛行視景仿真研究與應用

鐘文武，周新力，金慧琴，張 燁

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

數(shù)字地圖和圖像顯示是飛行器任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)(Mission Planning System，MPS)的重要組成部分。目前，我國的MPS主要是以二維圖形圖像來展示戰(zhàn)場態(tài)勢和地形環(huán)境，隨著虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代先進的MPS應該具有對空間信息進行可視化和動態(tài)分析處理的能力［1］。視景仿真是VR技術(shù)的一種最重要的表現(xiàn)形式，它通過三維圖像技術(shù)模擬各種真實的作戰(zhàn)環(huán)境，實現(xiàn)了用戶與作戰(zhàn)環(huán)境直接進行自然交互［2］。將視景仿真技術(shù)應用于任務(wù)預演系統(tǒng)，使用戶在三維虛擬世界中預演任務(wù)規(guī)劃，與傳統(tǒng)二維靜態(tài)的顯示方式相比，具有明顯優(yōu)勢:1)在顯示內(nèi)容上，傳統(tǒng)MPS主要是對地形、威脅進行描述，而采用視景仿真技術(shù)的任務(wù)預演系統(tǒng)具有三維地形、三維電磁環(huán)境、氣象環(huán)境、武器裝備作戰(zhàn)場景等顯示功能;2)在顯示方式上，傳統(tǒng)MPS以表格、文字和圖片等二維方式來顯示戰(zhàn)場信息，而采用視景仿真技術(shù)的任務(wù)預演系統(tǒng)可以通過聲音、三維圖像等多維形式預演作戰(zhàn)效果;3)在任務(wù)預演效果評判上，傳統(tǒng)MPS主要依人工計算，采用視景仿真技術(shù)的任務(wù)預演系統(tǒng)利用計算機強大的計算和顯示能力，為作戰(zhàn)效能評估提供直觀的支持，以便指揮人員做出正確決策，使規(guī)劃結(jié)果更全面、準確和真實。

視景仿真主要分為三維模型建模、場景驅(qū)動管理和圖像顯示三部分。其中，三維模型建模主要包括數(shù)據(jù)采集、地景模型建模、三維實體模型建模、場景構(gòu)造、紋理設(shè)計制作等，場景驅(qū)動管理主要包括場景驅(qū)動、模型調(diào)度處理、大地形處理等，圖像顯示主要包括實時三維場景顯示和交互操作。目前比較常用的視景仿真應用工具是加拿大Presagis公司推出的專門用于視景仿真的產(chǎn)品，包括 Creator、Terra Vista、Vega Prime 等。本文以場景驅(qū)動渲染工具Vega Prime為核心，結(jié)合3D實體模型開發(fā)工具Creator和三維地形模型開發(fā)工具Terra Vista，快速完成三維場景建模和視景應用開發(fā)。

1 仿真工具介紹

1.1 Creator

Creator是一款業(yè)內(nèi)一流的三維實體建模工具，其基本模塊為用戶提供了一個功能強大、交互式的可視化建模環(huán)境，用戶可以快速地創(chuàng)建三維模型。它的主要功能包括:多邊形建模功能、模型數(shù)據(jù)庫控制功能、紋理映射功能，多細節(jié)層次(LOD)建模等。其生成的數(shù)據(jù)格式OpenFlight為視景仿真業(yè)內(nèi)的標準格式，可以直接加載到Presagis的其他產(chǎn)品中。雖然Creator本身自帶地形建模工具，但是功能相對較弱，實時性也較差，因此Creator在本文中只用作單體建模，如飛機、車輛、建筑等模型。

1.2 Terra Vista

Terra Vista是基于Windows平臺的實時三維地形模型生成工具，用戶可通過簡單易用的圖形界面快速生成大規(guī)模地形。應用Terra Vista完成大范圍地形生成主要有以下特點:1)文化特征的處理:引進了點、線、面三種矢量工具制作復雜幾何圖形的方法，對文化特征數(shù)據(jù)可以進行批量生成和處理;2)特殊的地理紋理結(jié)構(gòu):支持最普及的衛(wèi)星影像發(fā)布格式(geotiff)，并可自動與高程數(shù)據(jù)坐標對準和進行地學標準化;3)支持多種輸出格式:輸出格式包括OpenFlight、TerraPage和MetaFlight，其中后兩者可直接應用于Vega Prime的大范圍地景數(shù)據(jù)庫管理模塊。

1.3 Vega Prime

Vega Prime是基于VSG(Vega Scene Graph)的實時三維視景開發(fā)工具，VSG是一種先進的跨平臺場景圖形API，其底層為OpenGL，因此具有高度的可擴展性。同時，Vega Prime還提供強大的圖形用戶界面 Lynx Prime，大幅縮減了源代碼編寫，使用戶能夠簡單迅速地創(chuàng)建、編輯和運行復雜的三維仿真應用，極大地提高了軟件開發(fā)效率［3］。除了Lynx Prime和VSG兩個基本模塊外，Vega Prime還提供了多個針對不同應用領(lǐng)域的可選模塊。

2 視景仿真系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)開發(fā)主要分為數(shù)據(jù)準備與處理、三維場景構(gòu)建和場景驅(qū)動管理三部分，基本流程如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)準備與處理

構(gòu)建逼真的三維地形需要包含各種豐富的地形地貌數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)可以分為以下幾類。

1)地形高程數(shù)據(jù)

地形高程數(shù)據(jù)是三維地景模型生成的基礎(chǔ)。最常用的高程數(shù)據(jù)為數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。Terra Vista支持多種版本的 DEM，本文仿真實驗所使用的DEM數(shù)據(jù)是美國航天飛機雷達地形測繪計劃(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)獲取的30m和90m兩種分辨率的V4.1版本DEM數(shù)據(jù)。

圖1 仿真系統(tǒng)基本制作流程

2)地形紋理數(shù)據(jù)

地形紋理反映了地表的覆蓋物情況，為地形添加紋理數(shù)據(jù)能使生成的三維地形更加逼真。雖然Terra Vista中包含了大量的紋理貼圖，但對于大范圍地形來說這些紋理數(shù)據(jù)無法滿足實際需求，因此一般采用添加衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和航拍圖像作為地形紋理的方法。Terra Vista支持包含坐標信息的圖像數(shù)據(jù)的直接導入，并可自動實現(xiàn)坐標對準。對于不含坐標信息的航拍圖像，可通過Global Mapper軟件為其添加坐標信息，并輸出為geotiff格式，再導入Terra Vista，便可自動與DEM匹配。本文所使用的紋理數(shù)據(jù)有兩種:一種是直接從衛(wèi)星地圖下載器下載的15m分辨率衛(wèi)星影像，另一種是機場附近的65cm高分辨航拍圖像。

3)文化特征數(shù)據(jù)

文化特征數(shù)據(jù)指地物模型，包括自然和人工地物，例如河流、湖泊、道路、建筑等，添加文化特征數(shù)據(jù)能使三維場景更加真實。在Terra Vista中，地物模型以矢量數(shù)據(jù)的方式添加到地形中。Terra Vista提供了“點”、“線”、“面”三種制作矢量數(shù)據(jù)的模板，“點”主要用來建立離散的地物，如單幢建筑、樹木、汽車等，“線”主要用來建立狹長的地物，如河流、道路等，“面”主要用來建立成片的地物，如居民區(qū)、湖泊、森林等。

4)3D模型

3D模型的加入能豐富地形場景，增強三維效果。Terra Vista自帶了一個3D模型數(shù)據(jù)庫，包含了一些常用的3D模型，對于數(shù)據(jù)庫中沒有的模型，可以用Creator制作，輸出為flt格式，再添加到Terra Vista的3D模型庫中。

2.2 三維場景構(gòu)建

為了滿足不同飛行區(qū)域?qū)Φ匦尉鹊牟煌螅疚膶⒌匦畏譃閮蓚€區(qū)域:機場附近區(qū)域和高空飛行區(qū)域。機場附近區(qū)域的面積小，但飛機飛行高度低，因此對生成的地形逼真度要求較高，本文對這塊區(qū)域采用高精度建模，使用30m精度的DEM和65cm分辨率的航拍圖像作為數(shù)據(jù)源，同時添加文化特征數(shù)據(jù)和3D模型。高空飛行區(qū)的面積大，為了減小系統(tǒng)開銷，采用90m精度的DEM和15m分辨率的衛(wèi)片作數(shù)據(jù)源，同時適當降低地形塊的多邊形數(shù)量。使用Terra Vista構(gòu)建三維地形的過程如下:

1)將生成地形模型所需要的源數(shù)據(jù)，如高程數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、3D模型等，導入Terra Vista工程，系統(tǒng)自動對資源數(shù)據(jù)進行組織。

2)通過數(shù)據(jù)導入向?qū)?，在?shù)據(jù)導入的過程中完成各種參數(shù)的設(shè)置:①投影方式選擇平坦地球(Flat Earth);②計算地形區(qū)域采用自動計算;③應用類型選擇地面模式(Ground Vehicle);④輸出格式為 Open-Flight和MetaFlight;⑤數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置:根據(jù)實際需求和系統(tǒng)硬件配置對以上參數(shù)進行設(shè)置，包括視野范圍、LOD層數(shù)、最大距離、網(wǎng)格大小、多邊形數(shù)等。

3)繪制矢量數(shù)據(jù):根據(jù)機場附近區(qū)域?qū)嶋H地物所在位置使用矢量編輯器繪制矢量數(shù)據(jù)，并與三維模型相關(guān)聯(lián)，最后保存為vec格式。高空飛行區(qū)包含海洋部分，因此需要用“面”矢量工具創(chuàng)建海洋區(qū)域，并將其屬性設(shè)置為ocean，這樣在Vega Prime中調(diào)用vpMarine模塊時這部分區(qū)域?qū)⒈粍討B(tài)海洋替換。

4)設(shè)置地形數(shù)據(jù)輸出區(qū)域，生成相應格式的三維地形。

采用以上步驟生成的三維地形如圖2所示。

圖2 Terra Vista生成的三維地形

2.3 場景驅(qū)動管理

場景驅(qū)動管理是飛行仿真系統(tǒng)的核心部分。Vega Prime是一款專用于場景驅(qū)動管理的精華渲染軟件，不僅可以實現(xiàn)用戶與場景的交互操作，還提供大量高級仿真功能。通過LynX Prime編輯器，用戶可以添加類的實例對象，并為這些實例對象定義參數(shù)，這些參數(shù)存儲在一個應用程序的實例框架中，形成一個應用程序配置文件(Application Configuration File，ACF)。ACF文件包含一個Vega Prime應用程序初始化和運行時所需的信息。本仿真系統(tǒng)配置的ACF文件主要包括以下功能模塊。

1)大場景地形管理模塊

傳統(tǒng)加載地形數(shù)據(jù)的方法是將flt地形文件一次性載入內(nèi)存，這種方法相對簡單，但對大規(guī)模的地形場景來說，會導致內(nèi)存被大量占用且預加載時間特別長，這對用戶來說無法忍受。為提高系統(tǒng)渲染性能，Vega Prime提供了專用于大規(guī)模和復雜地景數(shù)據(jù)庫管理的模塊LADBM，基于XML MetaFlight格式的LADBM模塊能夠在動態(tài)頁面調(diào)用時確保地景數(shù)據(jù)庫裝載和組織的最優(yōu)化。LADBM的核心是多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(Geometry Grid Datasets)。多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實際上是將地形劃分為具有不同細節(jié)層次的地形網(wǎng)格，如圖3所示。同一片區(qū)域，低細節(jié)層次的部分包含在較高的細節(jié)層次中。

圖3 具有3層LOD的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

LADBM模塊的工作流程如下［5］:

①判斷網(wǎng)格坐標系統(tǒng)與地形場景坐標系統(tǒng)是否一致，如果不一致則將地形場景坐標轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格坐標;

②從LOD的最低層次開始，判斷各個網(wǎng)格與調(diào)度中心點的距離關(guān)系。如果最接近調(diào)度中心點的網(wǎng)格不在調(diào)度范圍內(nèi)，則提交一個調(diào)度該網(wǎng)格的請求;

③判斷所有的相鄰瓦片是否滿足調(diào)度范圍直到超出調(diào)度范圍，提交調(diào)度所有滿足條件的網(wǎng)格的請求;

④調(diào)出那些不再滿足調(diào)度范圍的網(wǎng)格;

⑤讀取指定的地形網(wǎng)格并分配內(nèi)存進行初始化;

⑥進入LOD的下一個層次，重復②－④，直到所有層次都被處理。

2)碰撞檢測模塊

碰撞檢測是飛行視景仿真中一項必不可少的功能，以避免出現(xiàn)飛機穿過建筑或地面等不真實的情況。Vega Prime中定義了抽象類vpIsector來配置和查詢碰撞檢測，并且派生出了多個具體的檢測器。每種檢測器都以其為中心向四周擴散出一些線段來進行檢測，當這些線段和目標物體發(fā)生相交時系統(tǒng)便認為碰撞發(fā)生。本系統(tǒng)主要使用了監(jiān)測海拔高度的vpIsectorHAT和描述瞄準線的vpIsectorLOS兩種檢測器來檢測飛機與地面和建筑的碰撞。

3)路徑模塊

路徑模塊為用戶提供了一種快速方法，用來定義飛機的航路點參數(shù)和配置導航器，飛機或觀察者可以在導航器的控制下沿著指定路徑在場景中運動。本文使用LynX Prime中提供的Path Tool工具定義航路點和導航器。航路點參數(shù)包括坐標(X、Y、Z)和姿態(tài)(H、P、R)6個參數(shù)。導航器定義了飛機如何經(jīng)過導航點，包括速度、方向、導航點的連接方式以及到達最后一個導航點時采取的動作。

4)海洋模塊

Vega Prime Marine模塊能方便地在地形中添加逼真的動態(tài)海洋。該模塊提供了一個高性能的波動模型來控制海洋狀態(tài)，包括海水的運動方向、浪高、波長等。由于在用Terra Vista生成地形時劃定了海洋區(qū)域，因此在調(diào)用vpMarine模塊時該區(qū)域會被替換為動態(tài)海洋。

5)環(huán)境模塊

Vega Prime中的環(huán)境模塊vpEnv用來模擬各種自然環(huán)境。通過輸入日期、時間、經(jīng)緯度等參數(shù)，系統(tǒng)能自動計算出當前環(huán)境。此外，還可以向系統(tǒng)中添加各種天氣特效以增強仿真效果。本仿真系統(tǒng)模擬了白天、夜間兩種時間狀態(tài)和雨、雪、霧、雷電4種特殊天氣情況。

2.4 生成應用程序

配置好ACF文件后，將其導出為CPP源代碼，并在VS2005環(huán)境下編譯生成Win32應用程序。整個應用包含了配置Vega Prime應用的API，包括初始化、定義、配置和退出仿真循環(huán)的API命令和類，基本的Vega Prime程序框架如下:

3 仿真實例

本仿真實例的目標是建立不同環(huán)境下的飛行仿真三維視景，包括駕駛員動態(tài)三維視景、飛行軌跡的動態(tài)三維視景、飛機著陸著艦三維視景等。仿真的硬件平臺為PC機，處理器為AMD Althlon II X2，主頻2.90GHz，4G內(nèi)存，NVIDIA GeForce顯卡，128M顯存。繪制視野范圍分別為0m～100m，100m～500m，500m～1000m，仿真結(jié)果如圖4、5、6所示。由仿真結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)場景逼真，運行流暢，能較好地模擬作戰(zhàn)飛行任務(wù)。

表1對比了采用傳統(tǒng)加載flt模型和紋理與采用LADBM模塊動態(tài)加載mft文件兩種渲染方法系統(tǒng)的開銷情況。由表1可以看出，采用LADBM方法加載地形的速度明顯優(yōu)于直接加載flt文件，雖然在不同LOD上采用LADBM會增加時間消耗，但在不影響畫面效果的情況下?lián)Q來的是內(nèi)存的大量釋放，這對大場景實時漫游來說是值得的。

表1 大場景渲染方法對比(表中時間單位ms，內(nèi)存單位M)

圖4 飛行軌跡動態(tài)三維視景

圖5 動態(tài)海洋和飛機著艦視景

圖6 多通道三維視景

4 結(jié)束語

數(shù)字地圖和圖像處理技術(shù)作為MPS的重要組成部分，將逐漸擺脫傳統(tǒng)靜態(tài)的、二維的約束，而向動態(tài)多維發(fā)展。本文以Creator、Terra Vista和Vega Prime等仿真工具為基礎(chǔ)，研究了飛行仿真中大范圍三維地形的制作、大地形管理、場景驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)，并以具體實例設(shè)計了一個飛行任務(wù)預演仿真系統(tǒng)，在MPS上具有一定的實際應用價值。

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