郭傲兵,馮 瑀,吳偉勝
(裝甲兵工程學(xué)院,北京 100072)
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和新軍事革命的飛速發(fā)展,模擬訓(xùn)練已滲入到作戰(zhàn)領(lǐng)域的各個(gè)方面,并且在這些領(lǐng)域中起著重要的作用[1]。而影響模擬訓(xùn)練效果的重要指標(biāo)之一是虛擬環(huán)境,建立豐富逼真的地理環(huán)境是虛擬環(huán)境的基礎(chǔ),人同該環(huán)境相互交互和相互影響。在模擬訓(xùn)練中,地形的逼真度直接影響虛擬世界的逼真度,影響模擬訓(xùn)練的真實(shí)感和受訓(xùn)人員的沉浸感,從而影響訓(xùn)練效果。本文對基于RV 的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹,重點(diǎn)研究使用RV 引擎的套裝工具Visitor3 進(jìn)行地形建模的理論與方法。
Reality Visual 真實(shí)模擬引擎,簡稱RV 引擎,是由捷克波希米亞交互工作室(Bohemia Interactive Studio,BIS)于2006年開始開發(fā)的軍用戰(zhàn)場圖形渲染引擎。由于該引擎具有夢幻般的戰(zhàn)場態(tài)勢生成與表現(xiàn)能力,已經(jīng)廣泛用于西方包括美國,英國等主要發(fā)達(dá)國家的軍用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。同時(shí),世界各國的很多軍用游戲生產(chǎn)廠商也應(yīng)用該軟件開發(fā)軍事類模擬游戲。VBS2(Virtual Battle Space 2)簡稱虛擬戰(zhàn)場空間Ⅱ是RV 引擎的第三代產(chǎn)品,VBS2 逼真的戰(zhàn)場表現(xiàn)能力代表了目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在軍事領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。RV圖形引擎廣泛采用了目前計(jì)算機(jī)圖形處理的最先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù),包括最新的NV 圖形卡的硬件加速技術(shù)、Open-GL3.0 復(fù)雜光線追蹤算法[2]、多重復(fù)合紋理渲染加速、專業(yè)物理引擎技術(shù)以及基于分形原理的自然環(huán)境建模技術(shù)等。圖1 顯示了RV 渲染的1 幅戰(zhàn)場圖片,其逼真效果已經(jīng)超乎人類視覺的分辨粒度。
圖1 RV 引擎渲染的場景效果圖
裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用分布式交互仿真技術(shù),以RV 可視化引擎為視景渲染引擎,能夠?qū)崿F(xiàn)單乘員射擊、駕駛、通信等分業(yè)訓(xùn)練,乘員間協(xié)同訓(xùn)練和人在環(huán)的裝甲分隊(duì)對抗仿真訓(xùn)練。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由裝備仿真節(jié)點(diǎn)、態(tài)勢觀測節(jié)點(diǎn)和管理員節(jié)點(diǎn)組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中,每個(gè)裝備仿真節(jié)點(diǎn)又由車長節(jié)點(diǎn)、炮長節(jié)點(diǎn)、駕駛員節(jié)點(diǎn)組成,車長、炮長、駕駛員節(jié)點(diǎn)各用一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行視景仿真,它們之間通過局域網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,高逼真度的地形模型是保證系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)、訓(xùn)練效果好的前提和基礎(chǔ)。
裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用的地形建模工具是RV 引擎的套裝工具Visitor3,Visitor3 是BIS 開發(fā)的套裝地形建模軟件,在建模過程中采用真實(shí)地形的高程數(shù)據(jù),采用飛機(jī)拍攝的高精度航空照片作為地形紋理,可以制作出高逼真度的三維地形。
Visitor3 在同一個(gè)完整的環(huán)境中提供了幾乎所有必需的工具,用來創(chuàng)建最優(yōu)化、高度逼真的實(shí)時(shí)三維地形模型。它的工具包具有精簡、直觀等特點(diǎn),工作在所見即所得的環(huán)境中。與其它地形建模軟件相比,Visitor3 有以下優(yōu)點(diǎn):
1)對象操作更容易,支持二維和三維同時(shí)操作;
2)操作簡便,地形建模時(shí)間短,建模誤差小,控制精確;
3)支撐批處理操作,支持處理大規(guī)模的實(shí)體導(dǎo)入;
4)支持腳本控制和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)作。
將制作好的地形數(shù)據(jù)保存為PBO 數(shù)據(jù)格式,它是RV 引擎專用的數(shù)據(jù)格式。地形數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)文件夾、資源文件夾、config.cpp 配置文件、* .hpp 文件、* .wrp 文件。其中,數(shù)據(jù)文件夾包括由地形開發(fā)軟件Visitor 3 生成的植被紋理圖、衛(wèi)星紋理圖的詳細(xì)分塊表面紋理數(shù)據(jù);資源文件夾包括資源數(shù)據(jù)、幫助文件和工程文檔;* .hpp 文件定義了地圖的名字和二維地形特征;* .wrp 文件為地圖本身,它是和* .hpp 文件編譯時(shí)一起產(chǎn)生的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,圖形圖像學(xué)中支持大地形生成、海量紋理調(diào)度的相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并趨于成熟,計(jì)算機(jī)處理能力的大幅度提高。使得構(gòu)建“真實(shí)環(huán)境”的視景有了技術(shù)保障,基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)字化,也為此提供了數(shù)據(jù)支持。
在三維地形構(gòu)建中,地形數(shù)據(jù)的選取及預(yù)處理是視景仿真建模的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)類型的選取及預(yù)處理的效果直接影響虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的逼真度。通常以數(shù)字高程模型[3](Digital Elevation Model,DEM)作為幾何數(shù)據(jù),配以地表文化特征數(shù)據(jù),建立真實(shí)的地形模型。根據(jù)仿真應(yīng)用的需要,選取適當(dāng)精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和地表文化特征數(shù)據(jù)是十分必要的,仿真應(yīng)用的目的直接決定三維地形所需數(shù)據(jù)的精細(xì)程度。在本系統(tǒng)中,由于需要建立高逼真的三維地形,我們使用真實(shí)地形的DEM 數(shù)據(jù)和飛機(jī)的航片作為三維地形的數(shù)據(jù)源。
具體方法如下:
1)使用真實(shí)地形的DEM 高程數(shù)據(jù)數(shù),用Global Mapper進(jìn)行轉(zhuǎn)換,采用Arc/Info ASCII Grid 格式,在Disable Hill Shading 和Gradient Shader 下確定最低點(diǎn)和最高點(diǎn),保存為16 位灰度圖* .png。為了保證地形的連續(xù)性和相似性,采用Wilbur 進(jìn)行高斯模糊,得到的灰度圖的灰度值表示了地形的高低不同,圖3 所示為某地形的灰度圖。在配置文件config.cpp 中,設(shè)置灰度圖所代表的該地形范圍內(nèi)的高程最大值和最小值。配置文件中主要包括的內(nèi)容有:
圖3 某地形的灰度圖
紋理是指物體表面的細(xì)節(jié),是一種物體區(qū)別于其它物體的質(zhì)地特征。自然景象具有豐富的紋理細(xì)節(jié),真實(shí)的紋理是環(huán)境仿真中建立地理環(huán)境的重要手段。近年來由于衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,分辨力已經(jīng)接近或達(dá)到航空影像的效果,因此,衛(wèi)星圖已成為視景建模中地表紋理的首選,當(dāng)然如果能夠有航空影像,建模的精細(xì)度會(huì)進(jìn)一步提高。地形構(gòu)建中紋理映射的基本思路是把紋理影像按經(jīng)緯度映射到DEM 生成的三維網(wǎng)格模型上,因此紋理映射的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)影像與DEM 的精配準(zhǔn),而影像的輻射特效直接影響立體模型的視覺效果。為了提高紋理映射的準(zhǔn)確和視覺效果,在紋理映射時(shí)必須對航拍圖作預(yù)處理,包括幾何校正、圖像鑲嵌和圖像融合。本系統(tǒng)中,為了提高三維地形的建模精度,采用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)。
本裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的地形建模中,為了提高對動(dòng)態(tài)地形實(shí)時(shí)性的需求,采用了多分辨率紋理映射技術(shù)[4]。在視距比較近時(shí)要求地形的分辨率比較高,視距比較遠(yuǎn)時(shí)可以忽略一些細(xì)節(jié)的東西,減小數(shù)據(jù)量,提高顯示速度。當(dāng)視點(diǎn)變化時(shí),所選取的地形紋理數(shù)據(jù)各不相同。具體而言就是,如果視點(diǎn)離物體較遠(yuǎn),則使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù),隨著視點(diǎn)向地面移動(dòng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)逐漸用材質(zhì)紋理來代替,反之亦然。
使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)和采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射方法共存的方法制作材質(zhì)紋理圖,以便系統(tǒng)在不同距離上顯示使用。采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射的具體制作方法是:
1)根據(jù)色帶定義各種顏色所代表的紋理含義,例如用紅色表示干草地,黃色表示道路,綠色表示青草地,藍(lán)色表示水面,如圖4 所示。根據(jù)相應(yīng)顏色定義layers.cfg 文件,部分內(nèi)容如下:
圖4 色帶定義
2)制作特征圖。用Photoshop 軟件打開所要構(gòu)建地形區(qū)域的航拍圖,對航拍圖進(jìn)行處理,用定義好的顏色替換標(biāo)準(zhǔn)對草地、道路、河流等物體進(jìn)行顏色替換。
3)制作材質(zhì)紋理。經(jīng)過步驟2 處理的特征圖中的每一個(gè)像素代表了若干個(gè)地形網(wǎng)格,每一個(gè)網(wǎng)格都要用其顏色代表的材質(zhì)紋理進(jìn)行貼圖。
4)編寫配置文件,編寫配置文件的目的是為了把每個(gè)像素與它的顏色代表的紋理匹配起來,也就是把材質(zhì)紋理準(zhǔn)確的貼到每個(gè)像素上去,實(shí)現(xiàn)材質(zhì)紋理映射。配置文件如下:
建立一個(gè)新的工程,首先需要設(shè)置工程參數(shù)。地形大小參數(shù)設(shè)置為512 ×512,地形單元格設(shè)置為10,則地形大小自動(dòng)的設(shè)置為5 120 ×5 120 m2。設(shè)置航片的大小參數(shù),大小要適合后面輸入的植被紋理圖等,一般設(shè)為5 120。
1)DEM 數(shù)據(jù)的輸入
在Vistor3 中,選擇Import Terrain from picture,瀏覽P:...source errain errain.pbl 文件,這樣就輸入了地形紋理圖。
2)衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖的輸入
在Vistor3 中,選擇Import satellite & mask,成功輸入衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖后在數(shù)據(jù)文件夾中會(huì)出現(xiàn)layers 文件夾。衛(wèi)星紋理圖、植被紋理圖和RVMAT 文件的分塊數(shù)據(jù)會(huì)存放于layers 文件夾。
3)插入和編輯物體
地形建模軟件Vistor3 有獨(dú)特的操作界面,在二維場景中編輯的物體能夠在三維場景中直接顯示出來,這種二維,三維同時(shí)操作的方式配合衛(wèi)星云圖保證了地形和真實(shí)地形的匹配程度,最大限度的還原真實(shí)地形,仿真粒度高。
選擇Panel of objects,在工具選項(xiàng)里,可以選擇自然物體、人造物體、馬路等,通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊放置,修改模型參數(shù),達(dá)到快速插入和編輯物體的目的。
4)配置文件編寫
為了簡化地形建立的難度,節(jié)省操作時(shí)間,并非所有的地表植被都需要手工設(shè)置位置,除了典型標(biāo)志性的植被外,大部分草、樹、巖石等在配置文件Config.cpp 中進(jìn)行設(shè)置。它主要完成非直接添加植被的設(shè)置,如:環(huán)境聲音的設(shè)置,天空模型的引入等。
5)地形的應(yīng)用
在完成地形和物體編輯后,選擇Vistor3 中的Connect to Buldozer,將制作好的地形模型二進(jìn)制化,把* .png 格式和* .tga 格式的文件轉(zhuǎn)換為* .paa 格式的文件。通過程序調(diào)入場景,實(shí)現(xiàn)對真實(shí)地形的模擬。
經(jīng)過編輯后已經(jīng)插入樹木、道路、房屋等物體的地形如圖5 所示:
圖5 插入物體后的三維地形
模擬訓(xùn)練已經(jīng)成為各個(gè)國家軍事訓(xùn)練的重要途徑。本文介紹了捷克波希米亞交互工作室開發(fā)的RV 視景仿真引擎,并介紹了基于此引擎構(gòu)建的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng);重點(diǎn)對系統(tǒng)采用的地形建模工具和建模方法進(jìn)行研究,最后給出了使用RV 引擎的套裝軟件Vistor3 進(jìn)行地形建模的過程。實(shí)踐證明,所建立的三維地形模型逼真程度高,在某模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中使用效果較好。
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