胡德生，崔國(guó)恒，張?zhí)旌?/p>

(海軍工程大學(xué)管理工程系，武漢 430033)

1 引言

潛艇作為一種水下作戰(zhàn)武器，其潛望鏡的戰(zhàn)術(shù)作用不可忽視，指揮員的航行、作戰(zhàn)等指令決策很大程度上要依靠潛望鏡的觀察情況，因此對(duì)潛望鏡視景的模擬尤為重要。為此，利用Vega平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了潛艇潛望鏡視景仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于潛艇航海模擬訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

近年來(lái)出現(xiàn)了多種虛擬作戰(zhàn)視景仿真需要的仿真支撐軟件，如OpenGL、Vetree、3Dmax等。而實(shí)時(shí)三維建模和仿真軟件MultiGen Creator和Vega由于其先進(jìn)的功能在包括軍事等各個(gè)工程領(lǐng)域的視景仿真開(kāi)發(fā)中得以廣泛采用［1］。

2.1 MultiGen Creator軟件

MultiGen Creator是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實(shí)時(shí)三維建模工具，擁有強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能以及多種專(zhuān)業(yè)選項(xiàng)和插件，能高效、優(yōu)化地生成實(shí)時(shí)三維(RT3D)數(shù)據(jù)庫(kù)，并與后續(xù)的實(shí)時(shí)仿真軟件緊密結(jié)合，完成視景仿真。它的諸如層次細(xì)節(jié)(LOD)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級(jí)以及分離面等高級(jí)實(shí)時(shí)功能使得OpenFlight(.flt)數(shù)據(jù)格式在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域中成為標(biāo)準(zhǔn)的文件格式。

2.2 Vega軟件

Vega是開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的業(yè)界領(lǐng)先的軟件環(huán)境，它包括圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境Lynx、一套應(yīng)用編程接口、一系列相關(guān)的庫(kù)、Audio Works2實(shí)時(shí)多通道音響系統(tǒng)以及豐富的可選模塊等，以增強(qiáng)在特定應(yīng)用中的功能。在Vega的圖形界面Lynx中，把用Creator建立的各種flt模型文件添加到場(chǎng)景中;可實(shí)時(shí)調(diào)整通道、窗口、視點(diǎn)、觀察者等的狀態(tài)，隨時(shí)改變時(shí)間設(shè)定、系統(tǒng)配置、加入特殊效果等。Vega配合Lynx的功能模塊，定義了27個(gè)核心類(lèi)，以對(duì)這些模塊對(duì)象進(jìn)行編程管理，還提供了豐富的頭文件，實(shí)現(xiàn)Vega類(lèi)、參數(shù)、常數(shù)、圖形以及聲音等對(duì)象的API定義。

3 主要設(shè)計(jì)步驟和方法

3.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)視景仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)分成四個(gè)模塊進(jìn)行管理(見(jiàn)圖1)。

圖1 潛望鏡視景仿真系統(tǒng)模塊組成

(1)潛望鏡的基本控制功能模塊。主要包括潛望鏡高度調(diào)整、視角調(diào)整(轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰)、視野調(diào)整(放大倍率)、濾色鏡選擇、測(cè)距和裂像等。

(2)視景控制模塊。觀察目標(biāo)姿態(tài)設(shè)置和控制，能夠?qū)崟r(shí)添加/刪除觀察目標(biāo)、設(shè)置/改變觀察目標(biāo)的參數(shù)(航速、航向、位置等)、控制其碰撞檢測(cè)等;能夠?qū)r、天氣、時(shí)間、能見(jiàn)度等外部環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。

(3)本艇運(yùn)動(dòng)仿真模塊。給出本艇運(yùn)動(dòng)的主要參數(shù)(位置、深度、航速、航向、縱傾、橫傾等姿態(tài)信息)，實(shí)現(xiàn)潛望鏡與本艇的動(dòng)態(tài)姿態(tài)匹配。

(4)視景生成顯示模塊。根據(jù)以上模塊提供的信息實(shí)時(shí)生成并顯示逼真的動(dòng)態(tài)視景畫(huà)面。

3.2 視景生成步驟

3.2.1 實(shí)體建模

本系統(tǒng)需建立的模型有艦艇類(lèi)，包括航母、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、艦載直升機(jī)。使用 MultiGen Creator 2.4.1能方便地建立Vega使用的各個(gè)模型，包括確定模型種類(lèi)、模型尺碼、基本的X、Y、Z和H、P、R的方向、模型紋理、模型朝向、位置以及模型最大的多邊形數(shù)量等。模型建好后，利用MultiGen Creator簡(jiǎn)化工具進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到在保證效果的前提下提高渲染速度、保證刷新頻率。建立的實(shí)體模型如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 實(shí)體模型示例

3.2.2 創(chuàng)建 adf文件

使用Lynx設(shè)置基本的視景開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要包括:

(1)通道(channel):采用雙通道非對(duì)稱投影視圖模式。

(2)窗口(screen):設(shè)置全屏幕顯示模式。

(3)環(huán)境(environment)及各種效果(environment/special effect):建立海洋模型、海洋特效(艦船的波浪和尾流)、雨雪、爆炸以及煙火等特效。

3.2.3 視景編程

利用可視化的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具VC++編寫(xiě)了基于MFC的Vega應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了潛望鏡視景場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)和渲染。主要的幾個(gè)方面作了如下處理:

(1)對(duì)object進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理。為了有效管理object的各種信息(靜態(tài)、動(dòng)態(tài)屬性以及添加/刪除指令、特效等控制信息)，定義了object結(jié)構(gòu)。

BOOL bActive;//object活動(dòng)狀態(tài)

vgPlayer*Plyr;//object的角色對(duì)象

awSound*enginesound;//object的聲音效果

vgMarineFx*bowwave;//object的首浪效果

vgMarineFx*trailstream;//object的尾流效果

vgFx*explode;//導(dǎo)彈命中目標(biāo)后，爆炸效果

vgFx*fire;//導(dǎo)彈命中目標(biāo)后，燃燒效果(火)

vgFx*smoke;//導(dǎo)彈命中目標(biāo)后，燃燒效果(煙)

vgPosition*pos;//object的位置

int iType;//object的類(lèi)型

float fSpeed;//object的速度

(2)使用fst模型文件格式載入模型。Vega提供了一種轉(zhuǎn)換工具可以把a(bǔ)df文件里的flt模型文件轉(zhuǎn)換為fst文件格式［2－3］。Vega的fst文件格式為系統(tǒng)盡可能快的加載模型到場(chǎng)景中提供了一種有效的途徑。fst文件的數(shù)據(jù)方式與Vega場(chǎng)景里需要的方式非常相似，所以可以非?？斓妮d入。其他的文件格式在加入Vega場(chǎng)景時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有什么影響，但在系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)調(diào)入模型數(shù)據(jù)尤其是大規(guī)模模型數(shù)據(jù)時(shí)就有很大的延時(shí)，影響渲染效果。

(3)視景觀察者的控制。潛望鏡作為視景環(huán)境的觀察者，這里采用手動(dòng)調(diào)整方式(Manual)來(lái)控制它在場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)。視景渲染進(jìn)程循環(huán)中實(shí)時(shí)接收潛望鏡的控制信息和潛艇的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，更新觀察者的位置和姿態(tài)，給出潛望鏡與本艇結(jié)合的動(dòng)態(tài)效果。

(4)創(chuàng)建單獨(dú)的線程完成Vega渲染的任務(wù)。MFC把線程分為兩類(lèi)——用戶界面線程(User Interface Thread)和工作者線程(Worker Thread)。用戶界面線程一般用于處理用戶輸入事件并對(duì)事件做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)線程的代碼中含有消息循環(huán);工作者線程與用戶界面無(wú)關(guān)，主要用于各種耗時(shí)的計(jì)算量大的場(chǎng)合［4］。Vega系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行渲染循環(huán)，這是個(gè)非常耗時(shí)的計(jì)算過(guò)程，顯然創(chuàng)建單獨(dú)的工作者線程來(lái)完成Vega渲染的任務(wù)是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

(5)碰撞檢測(cè)和特效處理。使用Isector實(shí)例與視景中的角色對(duì)象(Player)綁定，根據(jù)相交測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)增加爆炸、煙火等特效?？紤]到相交測(cè)試的計(jì)算量對(duì)CPU的占用，這里只選取相交點(diǎn)坐標(biāo)和相交模型對(duì)象名稱兩種相交測(cè)試的結(jié)果信息進(jìn)行處理，減少相交測(cè)試的計(jì)算量。

3.3 視景生成效果

應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的視景效果截屏如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)潛望鏡視景仿真的設(shè)計(jì)功能模塊清晰，結(jié)構(gòu)合理，便于系統(tǒng)維護(hù)與二次開(kāi)發(fā)。

(2)使用三維建模和仿真軟件MultiGen Creator和Vega開(kāi)發(fā)的視景模塊，動(dòng)態(tài)效果逼真，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種有效實(shí)現(xiàn)方法。

圖3 潛望鏡視景效果截屏

(3)對(duì)潛艇訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)研究等有一定的使用價(jià)值。

［1］梁永恩，鄒勇，丁方頤.Creator/Vega及其在船舶航行視景仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用科技，2005，32(4):37－39.

［2］葉疊，仲梁維，羅云.基于Vega/MultiGen的三維仿真漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26(2):362 －363.

［3］熊芝蘭，郝燕玲，申冬慧.基于數(shù)字海洋環(huán)境的視景仿真系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(7):1631－1633.

［4］龔卓容.Vega程序設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002.