【摘 要】基于可視化理論，本文介紹了以O(shè)penGL為工具開發(fā)一個空情仿真系統(tǒng)的具體方法，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)實(shí)時性的實(shí)現(xiàn)，三維模型的建立，實(shí)時驅(qū)動模型，視點(diǎn)漫游等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】可視化 空情仿真 OpenGL

從近期幾場高科技局部戰(zhàn)爭看，空襲作戰(zhàn)，遠(yuǎn)程精確打擊已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)方式。做好防隱形飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)等的打擊和偵察監(jiān)視是奪取未來反空襲作戰(zhàn)勝利的關(guān)鍵。逼真地模擬敵攻擊空情，是防空訓(xùn)練的一個基本前提。本系統(tǒng)利用可視化技術(shù)，對導(dǎo)彈、作戰(zhàn)飛機(jī)、武裝直升機(jī)等多種空襲武器進(jìn)行仿真建模、實(shí)時驅(qū)動、同時模擬雷達(dá)對其航跡進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，為部隊(duì)提供一種低成本、高效率的模擬訓(xùn)練方法。

一、空情數(shù)據(jù)可視化

空情數(shù)據(jù)可視化是將空情仿真實(shí)驗(yàn)中獲得的大量數(shù)據(jù)用計算機(jī)圖形圖像的方式來展示，以期把握空情的整體演進(jìn)過程?？涨閿?shù)據(jù)可視化屬可視化技術(shù)范疇，它的系統(tǒng)功能包括以下幾方面：a 對空情原始數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，為可視化仿真開始作準(zhǔn)備；b 對空情仿真過程進(jìn)行跟蹤和控制，控制仿真向著期望的方向發(fā)展；c對空情仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化輸出，以便于對數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行評估。以上三點(diǎn)在可視化仿真系統(tǒng)中的關(guān)系如圖1所示：

除了以上這三項(xiàng)一般可視化功能以外，空情數(shù)據(jù)可視化還要具有獨(dú)特的可視化功能要求，那就是空情背景可視化和視點(diǎn)漫游?？涨楸尘爸傅氖撬抡娴目沼騼?nèi)的一般的自然景物如山川，沙漠，建筑物，樹木和自然現(xiàn)象如雨，云，霧等。這些可以增加仿真的真實(shí)性。視點(diǎn)漫游功能可以讓觀察者在系統(tǒng)所描繪的三維空域上任意一點(diǎn)來觀察空情的情況，以便對整個空情的狀況有一個全盤的掌握。

二、基于OpenGL的空情仿真可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

先就建立仿真程序框架做一說明：建立仿真程序框架首先是用Visual C++的AppWizard和ClassWizard生成一個基于MFC 的應(yīng)用程序框架，得到一個Windows軟件界面，可以是單文檔或多文檔。其次對OpenGL進(jìn)行初始化，由于OpenGL函數(shù)庫與操作系統(tǒng)無關(guān)，所以使用OpenGL函數(shù)庫以前要對其進(jìn)行特定的初始化操作，是它與Windows 兼容。OpenGL本身也有專門的初始化函數(shù)可以利用，它的初始化工作包括：設(shè)置像素格式，建立繪圖描述表，清除緩存，光照初始化。下面就本空情仿真可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的幾個具體問題予以討論：

（一）系統(tǒng)實(shí)時性的實(shí)現(xiàn)

在WINDOWS中實(shí)現(xiàn)實(shí)時性一般是套用計時器的定時發(fā)送功能來實(shí)現(xiàn)，使計時器不但充當(dāng)動畫的驅(qū)動器而且讓它擔(dān)負(fù)實(shí)時作用。但是計時器所發(fā)出的WM_TIMER消息的優(yōu)先級不高，只有在windows消息隊(duì)列中沒有其他消息時才處理此消息。這樣如果操作系統(tǒng)忙于其他任務(wù)時，WM_TIMER消息就得不到及時響應(yīng)。

由于實(shí)時空情仿真對實(shí)時性的要求比較高，所以在實(shí)時性的實(shí)現(xiàn)上我們放棄用計時器這種方法，而僅將它作為動畫驅(qū)動器用。在實(shí)時控制上采用基于實(shí)際時間（用操作系統(tǒng)時間來代替）的實(shí)時性方法，即調(diào)用函數(shù)QueryPerformanceCounter（Time）使仿真嚴(yán)格按系統(tǒng)時間來推進(jìn)，具體是讓仿真場景中的一切運(yùn)動物體的運(yùn)動均嚴(yán)格基于系統(tǒng)時間而不是幀速率。從而避免了因幀速率難以固定而引起的實(shí)時性失真。這里用本系統(tǒng)的一個移動目標(biāo)（如飛機(jī)等）的軌跡作為例子具體說明這種方法的實(shí)現(xiàn)。此目標(biāo)以勻加速度a做直線運(yùn)動，如圖2所示。

當(dāng)t=t。時，目標(biāo)從P0（R0，E0，bZ0）處進(jìn)入，其中R0為它的起始斜距，bZ0為起始方位角，E0為起始仰角.經(jīng)過Dt 時間到達(dá)P1點(diǎn)（目標(biāo)的起始航向?yàn)閔0，起始俯仰角e0），目標(biāo)的起始速度為V0.由運(yùn)動學(xué)原理和幾何關(guān)系可知：

通過上面這段代碼可以實(shí)現(xiàn)在T1時刻在新位置P1處飛行目標(biāo)的新姿態(tài)的繪制。

（二）空情模型在場景中的繪制

要在場景中繪制目標(biāo)模型，首先根據(jù)目標(biāo)在空中運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)方程，分別解算出經(jīng)過Dt時間所運(yùn)動到的新一點(diǎn)的位置量和姿態(tài)參數(shù) ，位置量告訴我們在場景中的什么位置繪，姿態(tài)參數(shù)決定在該位置上模型的確切的姿態(tài)。以上的運(yùn)動參數(shù)可通過下列OpenGL函數(shù)將模型在場景中顯示出來：

…………….

glTranslated （New_x， New_y， New_z）； // 新一點(diǎn)的位置量將模型移到新位置上

glRotated （Rotate_x， 1.0， 0.0， 0.0）； // 根據(jù)新的姿態(tài)參數(shù)調(diào)整模型姿態(tài)繞x 軸旋轉(zhuǎn)

glRotated （Rotate_y， 0.0， 1.0， 0.0）； //模型繞y 軸旋轉(zhuǎn)

glRotated （Rotate_z， 0.0， 0.0， 1.0）； // 模型繞z 軸旋轉(zhuǎn)

Draw3DSModel（ ）； //調(diào)用顯示列表在新位置上用新姿態(tài)參數(shù)重繪3D模型

……………..

至于空情模型在場景中的實(shí)時性驅(qū)動，有關(guān)實(shí)時性上面已經(jīng)討論過，而模型的驅(qū)動依然用計時器實(shí)現(xiàn)，此時計時器只充當(dāng)模型的動畫驅(qū)動器角色。

（三）實(shí)時驅(qū)動多個模型

空情仿真系統(tǒng)一般都是對多目標(biāo)多雷達(dá)系統(tǒng)的模擬，所以屬于多模型系統(tǒng)，鑒于開發(fā)本系統(tǒng)的主要目的是為了模擬多雷達(dá)采集空中移動目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)，各雷達(dá)之間對同一空域所進(jìn)行的偵測可以認(rèn)為是獨(dú)立的，而且各目標(biāo)飛行具有很大的機(jī)動性，也可以認(rèn)為目標(biāo)之間是相互獨(dú)立的 。實(shí)際上各雷達(dá)對目標(biāo)的偵測及各目標(biāo)運(yùn)動是同時進(jìn)行的，所以所開發(fā)的仿真系統(tǒng)也必須體現(xiàn)出各模型的這種并發(fā)性以保證仿真精度和實(shí)時性。要對此進(jìn)行模擬即要采用多線程的并發(fā)執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)，讓各個線程并行運(yùn)行，共享CPU，這種方法也可加快顯示速度，提高視覺效果。具體是給每個雷達(dá)賦予一個線程，以此來模擬各個雷達(dá)對同一空域各目標(biāo)的獨(dú)立偵測。也給每個目標(biāo)賦予一個線程，使它們獨(dú)立的按各自軌跡飛行，在各個進(jìn)程同時推進(jìn)時必須是基于同一時間參照系（可以以O(shè)S時間為準(zhǔn)）實(shí)時地進(jìn)行，以確保仿真精度的要求。圖3展示了空情仿真基于共享CPU 的多模型并發(fā)運(yùn)行的情況。

（四）空情背景的實(shí)時繪制和空情場景的視點(diǎn)漫游

空情背景可用OpenGL的紋理貼圖方式來拼接，接縫處若有痕跡，可用山，樹，建筑物等予以遮擋。 山，樹，建筑物等最好用實(shí)時渲染的三維立體圖來表示，這樣可提高場景的逼真度。本系統(tǒng)中的山采用的是隨機(jī)網(wǎng)格生成法，首先定義山形高程的最大最小值來定出山的陡峭度，再用多階曲線插值的方法，對山進(jìn)行一定的平滑處理，最后再貼以山的紋理和顏色增加逼真度。關(guān)于視點(diǎn)漫游，OpenGL提供了專門的漫游函數(shù)gluLookAt（eyex， eyey， eyez， centerx， centery，centerz，upx，upy，upz）。利用它本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種方式的漫游功能，第一種方式是以觀察者的視點(diǎn)對整個仿真空域的漫游；第二種方法是模擬雷達(dá)的視點(diǎn)跟蹤一個空中目標(biāo)，按目標(biāo)的軌跡對整個空域進(jìn)行漫游。

三、結(jié)束語

本文論述可視化原理及其在空情仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。其中利用WINDOWS多任務(wù)的特點(diǎn)，在Visual C++ 環(huán)境下，采用了開放式圖形庫OpenGL在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)了三維動畫仿真?？梢钥闯隹梢暬夹g(shù)在空情仿真應(yīng)用中所發(fā)揮的重要作用。同時本文中提出的一些方法也具有很好的擴(kuò)展性，對于其他可視化系統(tǒng)也具有一定借鑒作用。

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作者簡介：

魏亭（1975—），男，西安工業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。