尹翔, 馮金富, 吝科, 徐保偉

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

基于Creator和Vega的水空跨越航行器視景仿真

尹翔, 馮金富, 吝科, 徐保偉

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

介紹了工具軟件Creator和Vega的特點以及視景仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并以此為平臺進行跨介質(zhì)航行器的視景仿真。首先構(gòu)建視景仿真平臺,然后進行仿真系統(tǒng)設(shè)計及原型程序開發(fā),最后對跨介質(zhì)航行器出入水以及在水面和水下的航行過程進行了仿真。通過視景仿真完成了水空跨越航行器系統(tǒng)完整設(shè)計周期的研究。仿真結(jié)果可以為跨介質(zhì)航行器總體設(shè)計提供理論依據(jù)和研究手段。

視景仿真; 跨介質(zhì)航行器; 虛擬現(xiàn)實; 三維建模

0 引言

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠視景仿真,通過計算機圖形圖像技術(shù)構(gòu)建仿真技術(shù)平臺,首先明確仿真的目的,然后開發(fā)仿真對象的三維模型,最后還原真實的環(huán)境[1-2]。

現(xiàn)有的視景仿真多是在單一介質(zhì)中進行,對于水空跨介質(zhì)航行器的視景仿真較少涉及,主要是因為水空跨介質(zhì)航行器的仿真需要融合氣動、水動和總體設(shè)計。為了直觀地顯示水空跨越全過程,本文采用Multigen Creator和Vega對水空跨介質(zhì)航行器進行了視景仿真,介紹了視景開發(fā)環(huán)境、仿真平臺的構(gòu)建,對最終的仿真案例進行測試與分析。

1 視景開發(fā)環(huán)境

1.1 開發(fā)工具

逼真化是視景仿真要達到的基本要求,為此要先建立三維場景模型。當進行仿真時,采用Multigen Creator和Vega建模、仿真并渲染復雜的三維場景模型。

Multigen Creator是一種手動的真實三維建模工具,具有高逼真度的特點,廣泛應(yīng)用于視景仿真、交互式仿真以及其他領(lǐng)域。Multigen Creator不僅可以將矢量建模、地形生成和多變性建模集成在一個軟件包中,還可以進行建模、地形表面生成等。Multigen Creator的建模功能可為各種類型圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具,如層次細節(jié)、邏輯篩選、多邊形篩選、繪圖優(yōu)先級;而分離面等高級功能使OpenFlight(.flt)格式成為實時仿真領(lǐng)域中通用性最好的圖像生成格式,并作為行業(yè)標準[3]。

Vega是用于實時可視化仿真、開發(fā)交互式應(yīng)用的完整軟件平臺,具有易操作、高效、集成、可擴展及跨平臺等特點[4-5]。Vega的基本功能為控制、驅(qū)動、管理虛擬場景以及支持各種復雜的視覺仿真程序,創(chuàng)建實時交互三維環(huán)境,建立大型非沉浸式或沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

1.2 視景仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三維視景仿真系統(tǒng)由場景建模與場景驅(qū)動兩部分組成。首先采用Vega的API和軟件庫在VC++6.0平臺上調(diào)入建成的三維模型和adf文件,然后通過對用戶輸入的代碼響應(yīng)進行編制,完成初始化,對動態(tài)改變程序運行,最終完成應(yīng)用程序[2,6]。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 視景仿真開發(fā)流程圖Fig.1 Development flowchart for visual simulation

2 仿真平臺構(gòu)建

構(gòu)建一體化視景仿真技術(shù)平臺,需采用計算機圖形圖像開發(fā)技術(shù)。首先確立仿真目的,然后對仿真對象進行三維模型的建立,同時完成真實環(huán)境的再現(xiàn),最終達到仿真效果逼真化[2,7]。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

仿真平臺包括虛擬場景模塊和航行器模塊兩部分,系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 跨介質(zhì)對抗仿真平臺系統(tǒng)模塊圖Fig.2 System block diagram of trans-media combat simulation platform

虛擬場景模塊是平臺開發(fā)的基本部分,由地理環(huán)境模塊和特殊效果模塊組成。地理環(huán)境模塊可實現(xiàn)靜態(tài)場景的虛擬再現(xiàn),包括大地、海洋以及云層在內(nèi)的地形地貌。特殊效果模塊顯示在仿真過程中的戰(zhàn)場特效和自然環(huán)境特效等實時特效,不但增加了視景仿真的逼真感,而且增強了視覺的真實感。

航行器模塊是平臺開發(fā)的核心部分,主要負責將航行器的設(shè)計構(gòu)想通過虛擬技術(shù)直觀地展現(xiàn)在仿真平臺中,包括運動模型模塊、推進系統(tǒng)模塊和屬性約束模塊。運動模型模塊主要實現(xiàn)航行器模型的運動特性,使航行器模型表現(xiàn)出與實際飛行過程一致的運動狀態(tài),包括方案航行中導航路徑控制等。推進系統(tǒng)模塊主要用于控制的解算和和動力,如螺旋槳系統(tǒng)的尺寸、位置、轉(zhuǎn)速等。屬性約束模塊主要協(xié)調(diào)各模塊間的沖突檢測和數(shù)據(jù)交互,以及場景中各對象之間的交叉檢測和碰撞檢測等。

2.2 原型程序開發(fā)

采用Vega和MultiGen Creator進行設(shè)計以及開發(fā),仿真流程如圖3所示。

圖3 原型程序開發(fā)流程圖Fig.3 Development flowchart for prototype program

建立虛擬場景中各種物體的三維數(shù)字模型和地形的過程稱為建模,模型渲染后顯示為逼真的物體和地形。本文采用MultiGen公司為滿足實時交互應(yīng)用程序要求而研制的三維建模工具軟件Creator進行建模。

由于Vega 只識別flt格式的模型文件,因此使用Creator軟件將設(shè)計的Catia幾何模型轉(zhuǎn)換成可用格式[5]。設(shè)計的模型如圖2所示。

圖4 跨介質(zhì)航行器模型概念圖Fig.4 Concept map of the trans-media vehicle model

Vega 開發(fā)環(huán)境需與Lynx聯(lián)合使用。建立地形和場景中物體的三維數(shù)字模型后,用Lynx實用程序建立應(yīng)用程序定義文件(adf)。adf文件主要用于對虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序中的模型文件、運動模型、特殊效果及環(huán)境效果進行描述,并對其他一些功能設(shè)置信息。雖然Vega因其含有所需的所有API,自身可以建立虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序,但Lynx有簡化開發(fā)流程的作用[2,7]。

Lynx無須編碼就可配置應(yīng)用程序的框架。首先必須創(chuàng)建一個adf文件,啟動應(yīng)用程序可以直接在Lynx中編譯adf文件。Lynx定義了通道、觀察者、窗口、場景、物體、運動模型、數(shù)據(jù)庫管理等并對其初始化,用于實現(xiàn)實時仿真虛擬環(huán)境,生成虛擬場景所需的逼真地物、海底、海浪及天氣情況特效(如陰、晴、雨、雪等)。重要的元素有:場景(Scene)、窗口(Window)、通道(Channel)、對象(Object)、角色(Player)、觀察者(Observer)。

由于本文研究的是水空跨越,所以在虛擬仿真中必然涉及到水環(huán)境,在此選用海洋模塊(Marine)來實現(xiàn)水環(huán)境的效果。在Vega Marine模塊中定義的Ocean包含動態(tài)和靜態(tài)兩個部分。

在本仿真系統(tǒng)中,設(shè)置靜態(tài)海洋半徑為5000 m,動態(tài)海洋半徑為200 m。創(chuàng)建一個真實的波浪需用10條正弦曲線和一些非諧波頻率,瞬間波浪高度由下式計算[8]:

zcosθi)+ωit+φi]

2.3 Vega API

通過Creator的flt模型構(gòu)建和Lynx定義的adf文件,完成系統(tǒng)的部分初始設(shè)置,但是要實現(xiàn)航行器的空間運算,還要編寫相應(yīng)的程序。

建立Vega應(yīng)用程序,首先要完成初始化Vega系統(tǒng),并建立共享內(nèi)存和信號量等;然后用兩種方法創(chuàng)建三維模型,一是通過adf應(yīng)用定義文件,二是通過顯式的函數(shù)調(diào)用,最終完成配置。

本系統(tǒng)開發(fā)的視景仿真程序是基于MFC的Vega應(yīng)用程序,通過采用模板方法將用戶開發(fā)一個基于MFC應(yīng)用程序的工作量減到最低。原型程序主程序流程如圖5所示。

圖5 原型程序主程序流程圖Fig.5 Flowchart for the main program of prototype program

3 仿真案例測試與分析

原型程序中,設(shè)有“設(shè)置”、“顯示”和“運動”三個模塊,分別完成航行器的屬性設(shè)置,環(huán)境的顯示效果和運動模式設(shè)定等工作。

(1)啟動程序,加載海洋環(huán)境模塊,包括海天環(huán)境和波浪效果。

(2)設(shè)定模式。設(shè)定模式過程加載設(shè)計的模型,航行模式在運動模塊中選擇方案控制,路徑文件采用為自行設(shè)計的水空跨越演示航行路徑。

(3)航行過程。設(shè)計的模型從水面起飛,在空中飛行,控制模型翻轉(zhuǎn)180°,成入水姿態(tài),落到水面后依靠負浮力機翼提供下沉力,實現(xiàn)入水操作;出水前同樣需要控制翻轉(zhuǎn),呈機翼在上的出水姿態(tài),在水面滑行增速,依靠機翼提供升力起飛離開水面。仿真結(jié)果如6～圖8所示。

(4)結(jié)果分析。測試結(jié)果基本上滿足水空跨介質(zhì)航行器視景仿真的要求,在從水面起飛,到調(diào)整姿態(tài)準備入水,以及水下航行和調(diào)整姿態(tài)準備出水階段都具有良好的構(gòu)想性、交互性、沉浸性。

圖6 航行器從水面起飛仿真圖Fig.6 Simulation chart for the vehicle taking-off from the water surface

圖7 航行器在水面航行和調(diào)整姿態(tài)準備入水Fig.7 Voyage of the vehicle on the water surface with the attitude adjusted to enter into water

圖8 航行器在水下航行和調(diào)整姿態(tài)準備出水Fig.8 Voyage of the vehicle under the water with the attitude adjusted to come out from the water

4 結(jié)束語

本文基于Creator和Vega對水空跨介質(zhì)航行器的出入水,以及航行過程進行了視景仿真研究,構(gòu)建了虛擬場景和航行器模型。通過測試表明,仿真結(jié)果可以直觀準確地顯示跨介質(zhì)航行器的跨越過程,對于跨介質(zhì)航行器的總體設(shè)計和模型驗證具有重要意義。

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Visualsimulationofair/watertrans-mediavehiclebasedonCreatorandVega

YIN Xiang, FENG Jin-fu, LIN Ke, XU Bao-wei

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

This paper presents the features of Creator and Vega softwares and the system structure of visual simulation, which is used as a platform for visual simulation of trans-media vehicle. Firstly, the visual simulation platform is built. Then the design of simulation system is completed and the prototype program is developed. At last, the process of out and into water and the voyage on the water surface and underwater of the trans-media vehicle are simulated. The design cycle of air/water trans-media vehicle system is investigated by visual simulation. The simulation results can provide theoretical basis and research measures for the general design of the trans-media vehicle.

visual simulation; trans-media vehicle; virtual reality; 3D modeling

V211.8

A

1002-0853(2013)05-0477-04

2013-01-15;

2013-05-26; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間:2013-08-21 18:47

尹翔(1989-)，男，北京人，碩士研究生，研究方向為視景仿真技術(shù)。

(編輯：李怡)