基于虛幻4引擎的試驗(yàn)態(tài)勢三維交互演示系統(tǒng)

張斌　劉煉

摘 要：為解決目前指揮顯示系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中環(huán)境表現(xiàn)不夠自然真實(shí)的情況，提出了利用最先進(jìn)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來制作交互演示系統(tǒng)的方法，以此提高指揮顯示系統(tǒng)的表現(xiàn)效果。本項(xiàng)目依托業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的虛幻4三維顯示引擎，使用精細(xì)三維模型，生成超大三維地形，制作爆破等粒子特效。通過該引擎的藍(lán)圖腳本實(shí)現(xiàn)裝備展示選定、態(tài)勢展示等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)人機(jī)交互性能優(yōu)良，程序運(yùn)行流暢可靠，極大提高了試驗(yàn)態(tài)勢交互演示的可視化水平。

關(guān)鍵詞：虛幻4；三維仿真；交互演示

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0027-03

進(jìn)行飛行試驗(yàn)之前，指揮員和參試各方需要及時(shí)全面的了解掌握試驗(yàn)概況、兵力裝備部署、航區(qū)設(shè)定、航路規(guī)劃等情況。這類試驗(yàn)信息通常是以文檔或幻燈片的形式提供，而本文所設(shè)計(jì)的基于虛幻4引擎的試驗(yàn)態(tài)勢三維交互演示系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)紙質(zhì)形式存在的不足，幫助指揮員和參試各方快速掌握和理解試驗(yàn)信息并進(jìn)行決策。虛幻4三維顯示引擎的光照和物理渲染系統(tǒng)都處于領(lǐng)先地位，可以打造非常逼真的畫面，特別是虛幻4獨(dú)有的藍(lán)圖系統(tǒng)（Blueprints），提供直觀明了的編輯界面，這種圖形化的編程方式與完全使用代碼相比，在開發(fā)效率上具有比較大的優(yōu)勢，本系統(tǒng)的功能就完全采用藍(lán)圖方式實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)目標(biāo)及功能設(shè)計(jì)

飛行器試驗(yàn)態(tài)勢交互演示系統(tǒng)的目標(biāo)是基于虛幻4平臺，綜合采用MAYA、World Machine、Substance等軟件，生成與試驗(yàn)區(qū)域?qū)?yīng)的地形模型，導(dǎo)入發(fā)射平臺、飛行器、靶船、測控設(shè)備等模型，構(gòu)建與真實(shí)試驗(yàn)場景對應(yīng)的三維虛擬空間，為參試人員提供多視角、全方位的試驗(yàn)任務(wù)態(tài)勢展現(xiàn)，為指揮決策提供更直觀逼真的判斷依據(jù)。具體來說，應(yīng)當(dāng)包括如下主要功能：

1.1 參試裝備三維交互顯示

對被試飛行器和主要參試裝備建立可交互的高精度三維模型，可以360度全方位觀察裝備關(guān)鍵部位，并根據(jù)需要?jiǎng)赢嬚故狙b備各構(gòu)件的裝配關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)航區(qū)三維交互顯示

在虛擬三維空間中，通過讀取配置數(shù)據(jù)文件或者手動(dòng)輸入裝訂的方式，繪制試驗(yàn)航區(qū)及規(guī)劃的航路點(diǎn)，并可以漫游觀察虛擬試驗(yàn)場景。

1.3 測控方案三維交互顯示

對地面大型測控設(shè)備的分布進(jìn)行交互式配置及顯示，通過調(diào)整測控設(shè)備的部署，展示不同測控設(shè)備的作用距離，可以對測控方案的實(shí)施效果進(jìn)行仿真演示。

1.4 飛行器飛行過程三維交互顯示

采用三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，在三維空間中對飛行器試驗(yàn)過程進(jìn)行全彈道全過程顯示，重點(diǎn)展示飛行器發(fā)射及命中目標(biāo)階段的動(dòng)畫特效。

根據(jù)上述對系統(tǒng)功能的需求分析，綜合運(yùn)用多種三維技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的常用軟件，分別完成超大地形生成、裝備模型構(gòu)建、粒子特效制作、UI界面設(shè)計(jì)等步驟，然后以虛幻4引擎作為集成平臺，導(dǎo)入制作好的各類模型，應(yīng)用藍(lán)圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，得到最終產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超大地形建模

地形的建立一直是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的一道難題。無論是繪制虛構(gòu)地形還是繪制現(xiàn)實(shí)中客觀存在的地形，一般的作法是在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，或是在Photoshop等繪圖軟件中，用筆刷進(jìn)行地形的繪制，這是一項(xiàng)非常艱巨的工程，不僅工作量巨大，還要求操作人員有非常深厚的美術(shù)功底。否則畫出的地形紋理細(xì)節(jié)與真實(shí)地形相比差別過大，而導(dǎo)致場景不真實(shí)。為了快速繪制出紋理細(xì)節(jié)豐富而真實(shí)的地形，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于DEM數(shù)據(jù)，使用World Machine制作高度圖，然后將高度圖導(dǎo)入虛幻4引擎中生成最終地形的方法。

2.1.1 獲得數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型，英文名為DEM（Digital Elevation Matrix），是一定范圍內(nèi)規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，它主要描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，通過等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（包括采樣和量測），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的。由于DEM描述的是地面高程信息，它在測繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通訊、氣象、軍事等國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)以及人文和自然科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本系統(tǒng)使用的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。地理空間數(shù)據(jù)云平臺由中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心開發(fā)，面向科研活動(dòng)的實(shí)際需求，通過國際交流合作，引進(jìn)當(dāng)今國際上權(quán)威的科學(xué)數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的集中鏡像服務(wù)。地理空間數(shù)據(jù)云平臺還提供互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載服務(wù)，經(jīng)過項(xiàng)目驗(yàn)證，其數(shù)據(jù)精度滿足需求。

2.1.2 World Machine制作高度圖

圖1所示，World Machine是一個(gè)程序化的地形編輯工具。可以通過節(jié)點(diǎn)編輯工具生成任意狀態(tài)的地形。并且可以輸出網(wǎng)絡(luò)模型、貼圖顏色、高度圖等信息。相比ZBrush，Maya等軟件，有繪制速度快，可調(diào)參數(shù)靈活的優(yōu)點(diǎn)，是目前制作地形紋理的首選工具。使用時(shí)需要注意，在高度圖文件的輸出選項(xiàng)中，一定要選用高精度的16位貼圖。雖然虛幻4引擎推薦使用RAW16格式的圖像作為高度圖的默認(rèn)格式，但在項(xiàng)目的制作過程我們發(fā)現(xiàn)，用PNG圖像也一樣能夠達(dá)到良好的顯示效果，并且支持更多的讀取方式，所以經(jīng)過測試，我們選用PNG格式作為我們項(xiàng)目高度圖的通用格式。

2.1.3 虛幻4引擎世界構(gòu)成器

因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU等硬件資源受限的原因，加載管理超大地形比較困難，通常的方法是將整個(gè)地形拆分成若干個(gè)小的區(qū)塊，當(dāng)游戲角色在場景中漫游時(shí)，按照設(shè)置的視野距離，動(dòng)態(tài)加載角色可見的幾個(gè)區(qū)塊，當(dāng)角色離開時(shí)，卸載相關(guān)的區(qū)塊。這樣既不影響用戶的漫游體驗(yàn)，也避免了一次加載過大地形造成的硬件資源壓力。在虛幻4引擎中，將這樣的區(qū)塊劃分技術(shù)稱為關(guān)卡流，并且設(shè)計(jì)了世界構(gòu)成器，用來管理各個(gè)關(guān)卡。使用世界構(gòu)成器時(shí)，將之前得到的共16張PNG格式的高度圖文件存放在一個(gè)目錄下，然后在虛幻4引擎關(guān)卡構(gòu)建菜單中選擇該目錄，軟件會掃描該目錄下所有符合要求的文件，自動(dòng)生成16個(gè)子關(guān)卡。

2.2 粒子特效

火焰、爆炸等效果在各類仿真項(xiàng)目中，均有非常多的應(yīng)用。尤其是軍事類的仿真項(xiàng)目中，更是會用到大量火焰的效果。在傳統(tǒng)CG項(xiàng)目中，火焰的制作是通過Maya中的nParticle等仿真軟件進(jìn)行解算，最后再通過Mental Ray等渲染軟件進(jìn)行最終效果輸出，這種方式畫質(zhì)的效果雖好，但系統(tǒng)解算壓力很大，并且無法實(shí)時(shí)運(yùn)算。虛幻4引擎獨(dú)創(chuàng)的級聯(lián)粒子系統(tǒng)編輯器提供了創(chuàng)建精細(xì)復(fù)雜的火焰、煙霧、雪、塵土、泥土、碎石等所需的工具.其強(qiáng)大的渲染效果和逼真的特效使得設(shè)計(jì)者能創(chuàng)建出無與倫比的效果。粒子系統(tǒng)由多個(gè)發(fā)射器組成，每個(gè)發(fā)射器包括多個(gè)模塊，可以根據(jù)需求添加和刪除模塊。每個(gè)發(fā)射器發(fā)射特定的粒子，多個(gè)發(fā)射器共同發(fā)射不同屬性粒子組成一個(gè)完整的粒子系統(tǒng)。可以通過這種級聯(lián)的方式，合理組合不同素材，達(dá)到接近真實(shí)火焰的顯示效果。使用虛幻4引擎粒子系統(tǒng)創(chuàng)建的火焰特效圖2所示。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

使用虛幻4引擎制作項(xiàng)目通常來講遵循如下工作流程：創(chuàng)建場景地形，加入天空，光照等環(huán)境元素，然后添加必要的角色物體模型，就本系統(tǒng)而言，包括飛行器、各種裝備等，最后使用藍(lán)圖系統(tǒng)編寫交互邏輯功能。虛幻4引擎生成的程序以關(guān)卡為基本單元，關(guān)卡相當(dāng)于一個(gè)大場景，可以在其中添加各種各樣的游戲?qū)ο?，稱為角色。對應(yīng)關(guān)卡和角色分別有兩種類型的藍(lán)圖，即關(guān)卡藍(lán)圖和類藍(lán)圖，關(guān)卡藍(lán)圖負(fù)責(zé)管理關(guān)卡動(dòng)態(tài)切換，并可以和放置在關(guān)卡中的類藍(lán)圖進(jìn)行交互，比如讀取和設(shè)置變量、觸發(fā)自定義事件等。類藍(lán)圖的本質(zhì)是將角色抽象為具有特定屬性和方法的對象，非常適合于制作可交互式的資源，根據(jù)需要，本系統(tǒng)創(chuàng)建了飛行器類、導(dǎo)航點(diǎn)類、雷達(dá)類、靶船類等類藍(lán)圖。其中針對飛行器可能存在多種型號的情況，抽象出通用功能，創(chuàng)建飛行器基類，主要包括以下幾種功能：

（1）發(fā)射裝訂初始化：完成變量初始化，事件注冊，導(dǎo)航點(diǎn)更新。（2）飛行計(jì)時(shí)：發(fā)射起飛后開始計(jì)時(shí)。（3）飛行器自身速度、姿態(tài)更新：根據(jù)飛行器不同的飛行階段和導(dǎo)航點(diǎn)信息，改變飛行器的東北天速和俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角。（4）彈道更新：根據(jù)飛行器自身速度、姿態(tài)改變彈道。（5）飛行時(shí)序：根據(jù)飛行計(jì)時(shí)發(fā)出各種彈上指令。

以姿態(tài)更新功能為例，定義三個(gè)輸入變量俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角，然后調(diào)用Make Rotator節(jié)點(diǎn)生成姿值，作為SetActorRotation節(jié)點(diǎn)的輸入，就可以創(chuàng)建姿態(tài)更新模塊的藍(lán)圖代碼。姿態(tài)控制所需的部份藍(lán)圖圖3所示。

按照相似的流程創(chuàng)建其它功能的藍(lán)圖代碼，從而得到完整的飛行器基類。根據(jù)具體型號的差異，通過調(diào)整基類的屬性值，可以派生出不同的飛行器類，然后以拖放的形式放入關(guān)卡中，就會生成飛行器類的實(shí)例。導(dǎo)航點(diǎn)類、雷達(dá)類、靶船類的創(chuàng)建過程也類似。在關(guān)卡藍(lán)圖中，可以編寫事件調(diào)度機(jī)的調(diào)用腳本，通過預(yù)先設(shè)定的按鍵、觸發(fā)器或時(shí)間延時(shí)調(diào)用類藍(lán)圖的時(shí)序動(dòng)作或特效。在調(diào)用的同時(shí)給相關(guān)變量賦值，達(dá)到控制角色運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和其它屬性的目的，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的虛幻4引擎作為集成開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)對飛行器試驗(yàn)任務(wù)綜合態(tài)勢信息的分層表現(xiàn)、空間表現(xiàn)和立體表現(xiàn)，系統(tǒng)以多角度、多方位、動(dòng)態(tài)展示飛行器試驗(yàn)全過程，全面展示了包括試驗(yàn)環(huán)境、發(fā)射平臺等諸多要素，相比文檔形式而言，以三維可視化的方式呈現(xiàn)試驗(yàn)態(tài)勢，具有直觀逼真，快速高效等優(yōu)點(diǎn)，為試驗(yàn)指揮人員的決策提供有力的技術(shù)支持，系統(tǒng)技術(shù)方案創(chuàng)新性強(qiáng)，在某飛行試驗(yàn)中實(shí)際應(yīng)用結(jié)果良好。

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