馬 力,馮 淞

(1.海軍駐揚州723所軍事代表室,揚州 225001;2.海軍航空軍械修理所,上海 200436)

0 引 言

某型飛機箔條質心干擾訓練模擬器的開發(fā)中,需要建立虛擬戰(zhàn)場環(huán)境,其中箔條干擾投放后形成的箔條云特效的實現(xiàn)是體現(xiàn)仿真逼真度的一個重要指標。箔條云的形成和擴散都有較強的隨機性和離散性的特點,屬于模糊不規(guī)則物體。

本文闡述了基于粒子系統(tǒng)的箔條云特效實現(xiàn)方法,通過在視景仿真軟件Vega中進行粒子系統(tǒng)設計,實現(xiàn)箔條云的爆炸效果,完全滿足系統(tǒng)的實時性和逼真性要求。

1 粒子系統(tǒng)原理

粒子系統(tǒng)的基本思想是:采用大量的、具有一定生命力和屬性的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規(guī)則的模糊物體,其表現(xiàn)形式與傳統(tǒng)的圖像合成表現(xiàn)形式是不同的,首先一個物體不是通過一系列表面元素(像多邊形或網(wǎng)格塊)來定義它的邊界,而是通過一系列粒子來確定它的形體;其次,一個粒子系統(tǒng)不是一個穩(wěn)定的統(tǒng)一體,隨著時間的變化,粒子的形式和運動狀態(tài)將發(fā)生變化,新的粒子將“誕生”,舊的粒子會“死亡”。

在粒子系統(tǒng)中,每個粒子圖元具有形狀、大小、顏色、透明度、生命期、運動速度和運動方向等屬性,這些屬性都是時間的函數(shù)。每個粒子都要經(jīng)歷產生、運動和消亡3個階段。一個粒子的屬性主要取決于具體的應用。

粒子系統(tǒng)生成單幀圖像的過程如圖1所示。粒子系統(tǒng)是不斷變化的,在生命期的每一刻,都要完成以下4步工作:

(1)粒子源產生新粒子:產生任意數(shù)目的新粒子,其初始屬性由隨機過程控制。每個粒子都有一個生命期,如果某些粒子不應刪除,則可賦予它無限長的生命期。

(2)更新粒子屬性:更新現(xiàn)存粒子的屬性。

(3)刪除“死”粒子:檢查粒子的生命期,若為0則將粒子從系統(tǒng)中刪除。

(4)繪制粒子:顯示粒子系統(tǒng)中所有現(xiàn)存粒子。

圖1 粒子系統(tǒng)生成單幀圖像的過程

2 基于粒子系統(tǒng)的箔條云模型

根據(jù)粒子的屬性,結合箔條干擾特征,建立基于粒子系統(tǒng)的箔條云模型,可表示為:MC(P,V,σ)=g(FParticle),其中P為箔條干擾位置,V為箔條云運動速度,σ為箔條干擾雷達截面積。

3 Vega中粒子系統(tǒng)屬性設置

Vega特殊效果模擬模塊提供了可擴展的粒子系統(tǒng)設置面板,用戶可以在 LynX圖形界面中方便地定義各種復雜的粒子系統(tǒng),甚至可以支持動態(tài)地更改屬性設置,從而能夠交互地創(chuàng)造出基于粒子系統(tǒng)的自定義的特殊效果。

(1)粒子生命周期

粒子系統(tǒng)中的粒子不是從產生開始一直存在的,由粒子源產生的粒子都要經(jīng)歷產生和活動而消亡,然后再進入下一輪的循環(huán)。

Vega自定義粒子系統(tǒng)以秒為單位來設定粒子的生命周期。箔條云粒子系統(tǒng)中,選取一個粒子生命周期來描述箔條云從爆炸成型到飄散消失的過程,箔條留空時間越長,則設置粒子生命周期時間越長,系統(tǒng)中設置為30 s。

(2)粒子個數(shù)

就單個粒子而言,實時系統(tǒng)對粒子的繪制和動態(tài)更新對圖形生成的影響比較小,但可能會給圖像硬件在光柵化階段帶來潛在的較大負載。所以,粒子數(shù)量設置時要盡量避免在同一位置上產生數(shù)量過多的粒子。在滿足仿真逼真度的前提下,將箔條云的粒子個數(shù)設置為800。

(3)粒子源

粒子系統(tǒng)中的所有粒子都是由粒子源產生的,所有的粒子都是從這個平臺發(fā)射出來的。粒子源有2個重要的性質,即粒子源形狀和粒子源大小,它們一起確定了粒子發(fā)射平臺的外形特征,從而決定了粒子產生的初始狀態(tài)。將箔條云形成的初始形狀近似看作球體,成形后的雷達有效反射面積(RCS)不小于σ,所以在箔條云粒子系統(tǒng)中將粒子源形狀設置為球形,半徑近似為

(4)重力矢量

箔條云垂直方向的運動速度由箔條重力決定,影響箔條重力的主要因素是所選用的材料,一般鍍鋁玻璃絲的下降速度為0.3 m/s。重力矢量是粒子系統(tǒng)中的常量,它定義了1個矢量用于描述重力角速度對粒子系統(tǒng)的影響,將箔條云粒子系統(tǒng)的重力矢量設定為(0,0,-0.3)。

(5)風速矢量

箔條云水平運動的速度主要由風速決定,在粒子系統(tǒng)循環(huán)過程中風速可以隨著時間變換,通過LynX中設置(如圖2),粒子在生命周期的前0.6個周期中速度為(4,-2,0),后0.4個周期中速度為(2,-1,0),可以依據(jù)不同環(huán)境對風速進行設置。

圖2 風速時間-屬性設置面板

(6)隨機速度

隨機速度用于給粒子系統(tǒng)中的粒子運動添加隨機效果,使得粒子空間擴散的運動方向隨機,同時,速度矢量也是指定范圍內的任意值。箔條云粒子系統(tǒng)中設隨機速度為8,則粒子運動速度可能是0～8之間的任意速度,增強系統(tǒng)的真實感。

4 Vega應用程序中的調用

箔條質心干擾訓練模擬器中采用控制臺程序建立虛擬仿真應用程序。如圖3所示,在程序中建立Vega應用的3個必需的步驟為:

(1)初始化:這一步初始化Vega系統(tǒng)并創(chuàng)建共享內存及初始化參數(shù);

(2)定義:在Lynx中設置仿真程序的基本內容,并生成相應的應用程序定義文件.adf。

(3)配置:通過調用配置函數(shù)來完成配置。配置完Vega系統(tǒng)后,就開始了Vega應用的主循環(huán),主循環(huán)的作用是對三維視景進行渲染驅動。它主要分2步:

(a)對于給定的幀速進行幀同步。

(b)對當前的顯示幀進行必要的處理。

圖3 程序運行流程圖

以下顯示了1個最小的Vega應用程序:

通過操作桿上的按鍵觸發(fā)消息,在Vega主循環(huán)中調用回調函數(shù),回調函數(shù)中通過以下語句啟動LynX中設定好的箔條云特效,實現(xiàn)箔條云效果仿真,如圖4所示。

圖4 箔條云效果圖

5 結論

在研制某型飛機箔條質心干擾訓練模擬器中,采用基于粒子系統(tǒng)的箔條云效果建模方法,很好地實現(xiàn)了箔條云的模擬顯示。該模擬訓練器已研制完成并應用于教學、訓練中,取得了良好效果。

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