基于Genesis的飛行模擬視景仿真系統(tǒng)開發(fā)

元 凱,于 瀾,姚嘉陵,于 萍

(1.空軍研究院特種勤務(wù)研究所,北京 100195;2.中國人民解放軍國防大學(xué),北京 100091; 3.中國人民解放軍94926部隊(duì),江蘇 無錫 214028)

視景系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分,用來為飛行員提供逼真飛行訓(xùn)練任務(wù)場景,包括飛行過程中座艙外空中、地面、海上逼真的模擬景象,同時(shí)能夠在各種氣象條件和不同飛行參數(shù)的情況下顯示出對應(yīng)視覺效果,使飛行員產(chǎn)生身臨其境的感覺,滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)飛行模擬訓(xùn)練要求。眾多的飛行模擬仿真系統(tǒng)中,視景成像系統(tǒng)場景的內(nèi)容是否豐富、特效是否逼真、場景是否清晰、人機(jī)交互是否友好等方面都影響到飛行訓(xùn)練的效果。

視景仿真軟件主要有Vega Prime、Mantis、Unity 3D、Open ScenceGraph(OSG)、Genesis等,其中Vega Prime使用較為廣泛,文獻(xiàn)[1-9]使用Vega Prime進(jìn)行飛行視景仿真設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[10]采用Mantis對某型直升機(jī)視景系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)[11]采用Unity 3D進(jìn)行三維視景仿真,文獻(xiàn)[12-13]基于OSG進(jìn)行飛行視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。目前,國內(nèi)利用Genesis進(jìn)行飛行模擬視景仿真研究還較少。

1 Genesis特點(diǎn)分析

Genesis是Diamond Visionics公司開發(fā)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視景仿真軟件,Genesis系列產(chǎn)品包括Genesis RTX(實(shí)時(shí)渲染引擎)、Genesis IG(多通道圖像生成器)、Genesis AM(xml項(xiàng)目配置和預(yù)覽工具)及Genesis SDK(軟件開發(fā)工具包)。與目前行業(yè)內(nèi)其他視景仿真軟件功能對比如表1所示。

Genesis主要有如下特點(diǎn):

1)地景庫的快速創(chuàng)建與實(shí)時(shí)更新

Genesis充分利用最新的GPU架構(gòu)和多核處理器性能,無須傳統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)庫編譯,直接讀入GIS源數(shù)據(jù)(包括矢量數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)),實(shí)時(shí)生成、修改、校驗(yàn)三維視景。對地景庫進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染時(shí),只需要對場景內(nèi)發(fā)生改變的局部數(shù)據(jù)組件進(jìn)行更新。例如,新的航空或衛(wèi)星圖像能夠在幾分鐘之內(nèi)嵌入數(shù)據(jù)庫中,而不需要對全范圍的地景庫進(jìn)行重建。這就節(jié)省了預(yù)編譯時(shí)間和成本,實(shí)現(xiàn)飛行訓(xùn)練場景的所見即所得。

表1 部分主流視景仿真軟件功能對比

2)局部氣象的定制仿真

Genesis的氣象仿真模塊不僅可以完成傳統(tǒng)的為全區(qū)域飛行場景只生成一種氣象類型的仿真,還可以依據(jù)歷年真實(shí)氣象數(shù)據(jù)或典型氣象特征數(shù)據(jù),按照飛行任務(wù)氣象預(yù)案想定,在特定時(shí)段、特定飛行區(qū)域,實(shí)現(xiàn)包括大氣溫度、濕度、密度、壓力、風(fēng)速風(fēng)向、云、霧、雨及能見度等局部氣象環(huán)境仿真,大大增加了飛行環(huán)境的復(fù)雜多變性,為構(gòu)建貼近真實(shí)環(huán)境的飛行訓(xùn)練仿真提供有力的技術(shù)支撐。

3)紅外傳感器仿真

Genesis的紅外傳感器仿真模塊采用JRM SigSimRT的紅外成像仿真技術(shù),利用場景中的可見光紋理和與其匹配的材質(zhì)屬性,獲取物體的紅外輻射特性,合成得到最終的可視紅外場景,實(shí)現(xiàn)對紅外熱像儀(FLIR)和夜視儀(NVG)三維場景的真實(shí)模擬仿真。

此外,Genesis充分利用場景逼真度增強(qiáng)技術(shù),通過大規(guī)模實(shí)時(shí)陰影/倒影、動(dòng)態(tài)草/樹、車流動(dòng)態(tài)燈光、照明燈光、積雪場景等特殊效果渲染繪制,有效提升了視景成像系統(tǒng)三維場景的逼真度和沉浸感。同時(shí),Genesis采用全球地理模型,飛行場景基于經(jīng)緯度坐標(biāo)繪制,具有唯一的地理坐標(biāo)。這一特性確保了飛行位置坐標(biāo)與飛行導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)精確地保持一致,提供了一個(gè)無邊界飛行環(huán)境,解決了飛行轉(zhuǎn)場訓(xùn)練的困難,可以說Genesis在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有較大前景。

2 系統(tǒng)組成及功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示,飛行模擬視景仿真系統(tǒng)主要由視景數(shù)據(jù)庫、視景驅(qū)動(dòng)軟件、教員控制臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、多通道圖像生成器、成像顯示終端等組成。

圖1 視景仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

其中視景數(shù)據(jù)庫由地理環(huán)境場景數(shù)據(jù)、重要軍事目標(biāo)數(shù)據(jù)、特殊效果數(shù)據(jù)等組成。由Genesis AM將處理好的數(shù)據(jù)源(矢量、模型、圖像和高程源)進(jìn)行相關(guān)配置。

視景驅(qū)動(dòng)軟件是通過C++和Genesis SDK進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序,對場景中實(shí)體對象的位置、姿態(tài)、狀態(tài)等信息進(jìn)行解算和控制。

教員控制臺(tái)可以設(shè)置當(dāng)前的時(shí)間、飛行能見度、天氣類型等虛擬場景必要的環(huán)境信息,也可以設(shè)置飛行課目、起落機(jī)場等地景調(diào)度信息。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)模擬器飛行控制程序提供的空間位置信息、教員控制臺(tái)設(shè)置的時(shí)間和氣象信息、局域網(wǎng)內(nèi)其他模擬器的彈道數(shù)據(jù)信息、碰撞數(shù)據(jù)信息以及視景驅(qū)動(dòng)軟件的控制信息等。

多通道圖像生成器,通過圖形平臺(tái)Genesis IG調(diào)用由Genesis AM配置和Creator生成的地形和模型數(shù)據(jù),采用Genesis RTX引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染,最終通過硬件平臺(tái)輸出到顯示終端。

成像顯示終端將視景畫面最終呈現(xiàn)出來,可通過顯卡和融合機(jī)等硬件進(jìn)行單通道或多通道顯示。

2.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視景驅(qū)動(dòng)軟件和成像計(jì)算機(jī)的信息交互,飛行控制程序和教員控制臺(tái)程序?qū)⑿畔⑼ㄟ^網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳遞給成像計(jì)算機(jī),而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將成像計(jì)算機(jī)返回的數(shù)據(jù)按需轉(zhuǎn)發(fā)給視景驅(qū)動(dòng)軟件和模擬系統(tǒng)其他設(shè)備,整個(gè)過程基于Genesis RTX引擎進(jìn)行虛擬場景的實(shí)時(shí)繪制。其主要功能如下:

1)實(shí)時(shí)繪制真實(shí)地形、大氣環(huán)境、建筑模型等基本場景;

2)按需調(diào)用起降機(jī)場、飛機(jī)、汽車、坦克等模型數(shù)據(jù);

3)繪制云、雨、雪、霧、冰雹等多種天氣現(xiàn)象;

4)繪制爆炸、導(dǎo)彈軌跡、煙霧、火焰等特殊效果;

5)黃昏、夜景、濕跑道、夜航燈光效果的顯示;

6)空中、地面和水上等典型固定和機(jī)動(dòng)目標(biāo)的模擬,碰撞效果真實(shí)準(zhǔn)確;

7)飛行和觀察視角的控制和切換。

3 視景數(shù)據(jù)庫綜合構(gòu)建

視景數(shù)據(jù)庫是用來儲(chǔ)存記錄地理信息、文化信息和模型信息必要的數(shù)據(jù)庫[5-6]。飛行模擬視景系統(tǒng)視景庫主要是為飛行員提供逼真的艙外模擬景象,包括各種氣象條件、不同飛行參數(shù)下的視覺效果,空中、地面、海上軍事機(jī)動(dòng)和固定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性。

3.1 地理環(huán)境場景數(shù)據(jù)庫

根據(jù)飛行航線以及目標(biāo)分布的特點(diǎn),針對不同飛行高度和視點(diǎn)重視程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)多分辨率紋理設(shè)計(jì),集成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、紋理貼圖以及各類目標(biāo)模型等數(shù)據(jù)源,設(shè)置合適級別的地景庫LOD參數(shù)、正確的投影方式,以便觀察和與地景庫相匹配,最終生成視景數(shù)據(jù)庫文件。Genesis地景數(shù)據(jù)庫的制作流程如圖2所示。

圖2 Genesis場景數(shù)據(jù)庫制作流程

1)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的處理與導(dǎo)入。對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)校正、分割處理,消除衛(wèi)星影像中云霧和其他影響到視覺效果的瑕疵,最大程度還原影像數(shù)據(jù)的真實(shí)色彩。最后將衛(wèi)星數(shù)據(jù)由TIFF格式轉(zhuǎn)化為ECW格式,通過Genesis AM數(shù)據(jù)庫工具導(dǎo)入地景工程文件中。

2)文化矢量信息提取與導(dǎo)入。針對植被、城鎮(zhèn)建筑、河流湖泊、海、道路等多種地物地貌文化信息,提取制作相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù),并以點(diǎn)、線、面三種SHP格式,通過Genesis AM數(shù)據(jù)庫工具導(dǎo)入Genesis地景工程文件中并配置文化矢量信息各項(xiàng)參數(shù),選取矢量對應(yīng)的模型素材,設(shè)置相應(yīng)的長寬高尺寸、分布密度、燈點(diǎn)亮度等細(xì)節(jié)參數(shù)。

3)高程數(shù)據(jù)的處理與導(dǎo)入。檢索并去除高程數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn),將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為DTED格式,通過Genesis AM數(shù)據(jù)庫工具導(dǎo)入地景工程文件中。

4)三維機(jī)場模型制作與導(dǎo)入。依據(jù)機(jī)場建筑紋理、衛(wèi)片、機(jī)場平面圖等素材數(shù)據(jù),按照1∶1比例構(gòu)建機(jī)場三維模型,包括主跑道、滑行道、標(biāo)志線、塔臺(tái)、機(jī)場燈光、居民樓、公路等機(jī)場及周邊典型地景。合理控制模型的三角形數(shù)量,確保模型的復(fù)雜度滿足實(shí)時(shí)渲染效果,設(shè)置模型文件路徑、模型內(nèi)部各節(jié)點(diǎn),調(diào)整模型位置,以點(diǎn)和面矢量的形式導(dǎo)入Genesis地景工程文件中，效果如圖3所示。

圖3 三維機(jī)場模型效果

5)細(xì)節(jié)環(huán)境參數(shù)配置。依據(jù)成像計(jì)算機(jī)的解算能力和訓(xùn)練任務(wù)需求,通過文件合理設(shè)置地形與紋理細(xì)節(jié)控制參數(shù),如地形單元的三角形數(shù)量、地形LOD級數(shù)和距離、紋理淡入淡出的距離和強(qiáng)度,保證三維場景渲染的逼真度和實(shí)時(shí)性。

3.2 重要軍事目標(biāo)數(shù)據(jù)庫

重要軍事目標(biāo)包括機(jī)庫、雷達(dá)陣地、導(dǎo)彈陣地、地堡、橋梁、指揮機(jī)構(gòu)等目標(biāo)及周邊相關(guān)設(shè)備。視景以高分辨率的衛(wèi)星圖像、現(xiàn)場照片為基礎(chǔ),利用三維軟件將軍事目標(biāo)模型進(jìn)行等比制作及細(xì)化,通過獲取目標(biāo)精確的地理坐標(biāo)和外形信息、影像資料,構(gòu)建具有真實(shí)細(xì)致的紋理貼圖的三維模型。在Creator中可以設(shè)置模型的DOF節(jié)點(diǎn)、Switch開關(guān)和LOD參數(shù),以便后續(xù)進(jìn)行精確控制其動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.3 特殊效果數(shù)據(jù)庫

特殊效果數(shù)據(jù)庫是優(yōu)化虛擬場景,增加逼真度的特殊數(shù)據(jù)庫,包括火焰、煙霧、爆炸、天氣效果等。Genesis提供了多種效果,需要在Genesis AM中進(jìn)行相關(guān)紋理設(shè)計(jì)和配置工作。

1)天氣氣象效果如雨、雪、霧、冰雹、閃電效果顯示和強(qiáng)度的變化。

2)固定或者移動(dòng)的片云、三維立體云、烏云密度的變化。

3)戰(zhàn)術(shù)效果顯示,如導(dǎo)彈尾跡、火焰、爆炸、煙霧。

4)時(shí)間變化,白天、黃昏、黑夜等場景變化。

5)城市燈光、營區(qū)燈光、機(jī)場標(biāo)志燈光、飛機(jī)著陸燈、星空、月亮等。

6)高級光照系統(tǒng)顯示,形成實(shí)時(shí)陰影、動(dòng)態(tài)植物、濕跑道反射、反光和倒影等效果。

4 視景仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制

驅(qū)動(dòng)控制是整個(gè)仿真系統(tǒng)中不可或缺的部分,是通過程序?qū)w行員操作命令、教員臺(tái)控制指令實(shí)時(shí)展示在成像顯示終端的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1 視景初始化控制

設(shè)定初始化模塊,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信初始化,該模塊主要處理視景計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信,將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存,驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性,將視景反饋的地形高度信息送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。加載地形紋理、加載場景模型、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程初始化、氣象環(huán)境初始化、實(shí)時(shí)光照初始化、模型位置初始化、模型姿態(tài)初始化和視點(diǎn)位置初始化。

4.2 天體環(huán)境變化仿真控制

包括場景時(shí)間設(shè)置、時(shí)間推進(jìn)方式設(shè)置、太陽顯示開關(guān)、月亮顯示開關(guān)和星空顯示開關(guān)。通過函數(shù)Celestial Sphere Ctrl設(shè)置當(dāng)前時(shí)間;通過控制函數(shù)Sun Enable、Moon Enable、Star Field Enable實(shí)現(xiàn)太陽、月亮、星星等顯示或者關(guān)閉、調(diào)整亮度并且使得場景產(chǎn)生相應(yīng)的變化;通過控制函數(shù)Atmosphere Control實(shí)現(xiàn)濕度、溫度、大氣能見度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)的變化;通過控制函數(shù)Environmental Region Control實(shí)現(xiàn)一個(gè)場景中多個(gè)區(qū)域的不同氣象環(huán)境控制。

4.3 窗口顯示控制

文件window-definition.xml可設(shè)置一個(gè)或者多個(gè)通道視窗參數(shù),以單個(gè)視窗顯示腳本為例:

1)window-id 與channel-id 一致,為該通道編號“0”。

2)fullscreen="true" use-virtual-fullscreen="true" screen-size-horizontal="1920" screen-size-vertical="1080"是設(shè)置滿屏顯示與屏幕分辨率。

3)group-id 可設(shè)置通道分組,區(qū)分第三視點(diǎn)通道與主顯示通道。

4)frustum near="5.0" far="150 000" left="-33" right="33" top="25" bottom="-25" 設(shè)置遠(yuǎn)近裁剪及視錐角度,如圖4所示，設(shè)置各偏移量為"0"。

圖4 視錐角度設(shè)置

4.4 視景特效仿真控制

該模塊包括煙霧、火焰、閃光、海浪、沙塵等特效模型對象的初始化、狀態(tài)設(shè)置、持續(xù)時(shí)間控制和位置控制。以爆炸特效為例,可通過設(shè)置XML表設(shè)定爆炸對象名稱、類型、生命周期、空間位置、父子關(guān)系,并通過驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)時(shí)控制。

4.5 氣象環(huán)境仿真控制

氣象環(huán)境仿真用于控制天氣層和天氣實(shí)體,進(jìn)行當(dāng)前能見度設(shè)置、雪強(qiáng)度設(shè)置、雨強(qiáng)度設(shè)置、風(fēng)向設(shè)置、三維云位置設(shè)置、云層高度設(shè)置、云層厚度設(shè)置、云層過渡帶設(shè)置。通過Weather Control類提供的方法控制場景的能見度,設(shè)置雨、雪、霧的強(qiáng)度以及風(fēng)速和風(fēng)向等。以霧天為例，需要控制的主要參數(shù)主要有Weather Enable、Layer ID、Coverage、Visibility Range、Base Elevation、Thickness、Transition Band、Severity等。霧層的垂直范圍由Base Elevation基準(zhǔn)高程、Thickness厚度、Transition Band過渡帶參數(shù)構(gòu)成?；鶞?zhǔn)高程指從平均海平面到霧層底的距離,厚度為霧層的垂直高度,過渡帶指區(qū)域上下的垂直高度。霧天參數(shù)如圖5所示。

圖5 霧天參數(shù)示意圖

圖8 四叉樹結(jié)構(gòu)區(qū)塊動(dòng)態(tài)調(diào)用

4.6 模型實(shí)體控制

模型實(shí)體控制包用于控制描述實(shí)體狀態(tài)的位置、姿態(tài)和其他屬性[8]。此數(shù)據(jù)包適用于仿真中的所有實(shí)體,每個(gè)模型實(shí)體都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符(Entity ID)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)實(shí)體控制包給IG時(shí),IG設(shè)置與entity ID參數(shù)的值相對應(yīng)entity對象的狀態(tài)值(Entity State)。如果指定的實(shí)體不存在,IG將創(chuàng)建它,當(dāng)IG創(chuàng)建實(shí)體時(shí),它會(huì)復(fù)制與實(shí)體類型(Entity Type)相對應(yīng)的幾何圖形參數(shù),此副本唯一且獨(dú)立存在于場景中,因此,任何修改實(shí)體的操作只影響該實(shí)體及其子實(shí)體。分配給同一類型的多個(gè)實(shí)體的唯一實(shí)體ID,如圖6所示。

圖6 實(shí)體ID配置示意圖

模型實(shí)體可以在層次關(guān)系中彼此附加,在這種層次結(jié)構(gòu)中,子實(shí)體位置由對應(yīng)的父坐標(biāo)系指定[14]。因此,只需控制父實(shí)體即可將層次結(jié)構(gòu)中的所有較低級別的實(shí)體作為一個(gè)組一起運(yùn)動(dòng)。無須單獨(dú)操作子實(shí)體,除非其父子關(guān)系發(fā)生變化。例如飛機(jī)的導(dǎo)彈和導(dǎo)彈軌跡可以通過兩種方式之一進(jìn)行機(jī)動(dòng)。方案一是將飛機(jī)、導(dǎo)彈和尾跡作為一個(gè)等級進(jìn)行單獨(dú)控制,這就要求主機(jī)單獨(dú)為每個(gè)實(shí)體提供位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)等信息。方案二是在發(fā)射前將每枚導(dǎo)彈和尾跡作為子實(shí)體附在飛機(jī)上,發(fā)射后,將導(dǎo)彈和尾跡從飛機(jī)中分離出來,改變Attach State狀態(tài),提升導(dǎo)彈和尾跡實(shí)體等級,和飛機(jī)一樣可以獨(dú)立控制,如圖7所示。

圖7 飛機(jī)模型實(shí)體控制示意圖

當(dāng)不再需要顯示模型實(shí)體時(shí),可以將實(shí)體狀態(tài)設(shè)置為0以指示IG卸載模型并釋放為實(shí)體分配的內(nèi)存,任何子實(shí)體也會(huì)被銷毀。整個(gè)過程中,頂層實(shí)體(即非子實(shí)體)的位置始終對應(yīng)于大地的緯度、經(jīng)度和高度,子實(shí)體的位置對應(yīng)于父實(shí)體的坐標(biāo)系。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 區(qū)塊動(dòng)態(tài)調(diào)用技術(shù)

飛行視景庫的一個(gè)特點(diǎn)就是有大量的紋理和多邊形,如果一次性調(diào)用大規(guī)模的數(shù)據(jù)必然會(huì)增加圖形生成器內(nèi)存和CPU的負(fù)擔(dān),而區(qū)塊動(dòng)態(tài)調(diào)用技術(shù)可以解決大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)用的困難。該技術(shù)在處理地形環(huán)境繪制時(shí),只處理實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的地形,當(dāng)觀察者視線運(yùn)動(dòng)是,動(dòng)態(tài)加載新的地形環(huán)境,卸載不再感興趣的地形,內(nèi)存中始終保留的是感興趣的景象,保證了畫面的實(shí)時(shí)流暢。如圖8所示,Genesis在運(yùn)行時(shí)采用四叉樹結(jié)構(gòu)將地球平鋪成小方格塊,每個(gè)方格塊都可以被看作是一個(gè)小型的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫,它從觀察者的眼點(diǎn)位置開始處理用戶定義的半徑內(nèi)的每個(gè)方格。若觀察者關(guān)注某個(gè)方格內(nèi)的景象,那么方格大小將繼續(xù)遞歸,直至越來越小的地形圖越來越接近觀察者眼點(diǎn)的位置,同時(shí)方格結(jié)構(gòu)會(huì)隨著眼睛位置的移動(dòng)而更新,實(shí)時(shí)創(chuàng)建新的場景或摧毀不再關(guān)注的場景。

5.2 三維紋理映射技術(shù)

利用紋理映射技術(shù)來展示物體的表面細(xì)節(jié)和反射屬性,使建立的3D模型更加接近自然物體,極大地提高計(jì)算機(jī)生成圖形的真實(shí)性。使用三維紋理映射技術(shù)繪制體積云,把三維紋理映射到粒子系統(tǒng)中的粒子上,其能夠繪制出真實(shí)感較高的體積云效果,當(dāng)視點(diǎn)進(jìn)入體積云內(nèi)部時(shí),看不到明顯的人工痕跡,能夠達(dá)到體積云的沉浸感效果。

三維紋理映射的基本思想是假定場景中的三維物體每一個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)都存在一個(gè)紋理值t(x,y,z),這個(gè)紋理值由紋理函數(shù)t(x,y,z)唯一確定,相對于二維紋理映射,三維紋理映射可以把三維物體的空間坐標(biāo)直接線性映射到一個(gè)紋理空間上。三維紋理映射的紋理空間與三維物體坐標(biāo)同是三維的,因此,在紋理映射的時(shí)候,只需把場景中的三維物體坐標(biāo)線性變換到紋理空間的三維局部坐標(biāo)系中即可。

為了對云層外觀進(jìn)行快速建模通常采用基于3D紋理的粒子系統(tǒng)的建模方法表示具有模糊性的自然景物,系統(tǒng)中的三維云模擬效果如圖9所示。3D紋理可以理解為由很多張2D紋理組成用于描述三維空間數(shù)據(jù)的圖片。三維紋理通過三維紋理坐標(biāo)進(jìn)行訪問,首先,用有限個(gè)大小不等的六面體來構(gòu)建云團(tuán)的基本輪廓;其次,在六面體的范圍內(nèi)生成一定數(shù)量的3D紋理粒子;再次,根據(jù)需要模擬云的類型,采用不同的紋理進(jìn)行渲染。假設(shè)一個(gè)3D紋理粒子代表一個(gè)球形區(qū)域,其中粒子密度服從高斯分布,每一個(gè)粒子屬性包括中心位置、半徑、密度及顏色,通過調(diào)整粒子的半徑及密度分布,可以得到較為真實(shí)的云外觀形狀。

圖9 三維云模擬效果

5.3 FootPrint技術(shù)

把3D模型加入地形中會(huì)遇到以下兩個(gè)問題:一是當(dāng)模型被加到一個(gè)傾斜地面上或者多個(gè)面的交點(diǎn)處時(shí)候,看起來像是浮在地面上；二是當(dāng)一個(gè)全是由平面構(gòu)成的3D模型(如跑道、公路)加入地形中,并且覆蓋在地表上時(shí),系統(tǒng)就無法決定哪一個(gè)面在上面,其結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)閃爍或者顯示沖突的現(xiàn)象。FootPrint技術(shù)的應(yīng)用可有效解決上述問題,通過切除地形與3D模型面相接觸的部分,為模型讓出空間。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要硬件為CPU為Intel(R) Xeon(R)CPU E5-2620 v3@2.4HZ,內(nèi)存64 G,NVIDIA QUADRO K6000顯卡;軟件主要以Genesis及其相關(guān)組件為核心,結(jié)合MultIGen Creator建模工具、Visual Studio 2010(C++)編程環(huán)境、3Dmax建模工具,進(jìn)行飛行訓(xùn)練場景建模和相關(guān)視景驅(qū)動(dòng)應(yīng)用開發(fā)。如圖10所示,展現(xiàn)了某次模擬飛行訓(xùn)練中的不同畫面,系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地構(gòu)造精度高、面積大、文化信息豐富的飛行場景,其畫面真實(shí)、運(yùn)行流暢、各類特效和氣象環(huán)境逼真,為飛行模擬訓(xùn)練提供較好的視景環(huán)境。

圖10 幾種典型飛行訓(xùn)練仿真場景

7 結(jié)束語

本文系統(tǒng)研究了基于Genesis開發(fā)飛行模擬視景仿真系統(tǒng)的詳細(xì)過程和關(guān)鍵技術(shù)，明確系統(tǒng)具體組成、主要功能,提出了具體設(shè)計(jì)方案,探討了飛行視景仿真系統(tǒng)場景庫生成集成、軍事目標(biāo)建模和場景庫實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)等具體技術(shù)。下一步,將結(jié)合VR和AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)逼真的沉浸式飛行訓(xùn)練場景,重點(diǎn)突出軍事目標(biāo)夜間紅外特性仿真,同時(shí)進(jìn)行大視角、多通道以及多機(jī)間戰(zhàn)術(shù)對抗飛行訓(xùn)練仿真試驗(yàn),驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性及精確度。