李宏宏，康鳳舉

(1．西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072;2．水下信息處理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)

1 引 言

OpenFlight模型是 Multigen-Paradigm公司(簡(jiǎn)稱MPI)推出的用于描述三維虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)模型，廣泛應(yīng)用于各種視景仿真系統(tǒng)中，并成為視景仿真領(lǐng)域事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著三維視景仿真系統(tǒng)規(guī)模的增大，三維實(shí)體建模工作耗費(fèi)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，占據(jù)了系統(tǒng)開發(fā)的大量時(shí)間，延長(zhǎng)了視景仿真系統(tǒng)開發(fā)周期［1］，因此就三維建模存在的建模耗時(shí)長(zhǎng)，擴(kuò)展難等問題，對(duì)可組合的建模技術(shù)提出了更高的需求。可組合建模即對(duì)多個(gè)模型中共同的部分進(jìn)行建模，后期根據(jù)需求以裝配的方式組裝成所需的模型即可。目前對(duì)OpenFlight模型可組合性研究比較少，就OpenFlight模型建模存在的問題，王嬌艷等使用OpenFlight AP I函數(shù)擴(kuò)展了Creator，實(shí)現(xiàn)了模型細(xì)調(diào)、重組等功能，縮短了建模時(shí)間，但是在模型控制方面沒進(jìn)一步研究［2］。姚林海等利用配置表描述模型的組裝擴(kuò)展信息，在模型加載過程中實(shí)現(xiàn)了模型重組，雖然根據(jù)配置表實(shí)現(xiàn)了模型的按部件控制，但是在仿真前期對(duì)模型的修改非常不直觀［3］。李榮江等利用分塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模型的分塊建立［4］，在后期仿真過程中，模型的部件可以根據(jù)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近動(dòng)態(tài)加載，加快了模型的加載速度和顯示幀頻。

本文首先對(duì)OpenFlight模型數(shù)據(jù)格式進(jìn)行研究，利用OpenFlight API函數(shù)通過對(duì)模型數(shù)據(jù)的讀取、修改、組合和寫入等方式實(shí)現(xiàn)了多個(gè)OpenFlight模型的組合，并提供了友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)模型的可視化組合，完善了模型可組合建模工具，大大縮短了建模時(shí)間，加快了視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2 OpenFlight模型數(shù)據(jù)格式

2.1 組件化建模設(shè)計(jì)原理

Creator是軟件源碼不可獲取的商品化的虛擬現(xiàn)實(shí)建模工具，但是Multigen-Paradigm公司提供了OpenFlight API對(duì)Creator的功能進(jìn)行擴(kuò)展和對(duì)OpenFlight模型進(jìn)行讀取操作，因此可以利用OpenFlight API讀取三維模型的數(shù)據(jù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整組合操作，然后再根據(jù)用戶需求寫成一個(gè)三維模型數(shù)據(jù)文件，即可實(shí)現(xiàn)三維模型的組件化建模技術(shù)［5］。OpenFlight API是一個(gè)基于C語(yǔ)言的二次開發(fā)函數(shù)庫(kù)，它提供了訪問OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)和Creator模型系統(tǒng)的接口方法。通過API可以進(jìn)行OpenFlight模型的轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)的模擬仿真、自動(dòng)建模以及通過插件的形式對(duì)Creator進(jìn)行功能擴(kuò)展。OpenFlight API函數(shù)庫(kù)的功能函數(shù)主要分成讀取、寫入、擴(kuò)展和工具四個(gè)不同操作功能模塊，對(duì)于構(gòu)建OpenFlight模型來(lái)說(shuō)，使用其中的讀取和寫入兩個(gè)模塊的OpenFlight API函數(shù)即可。

OpenFlight三維模型建模方式主要可以擴(kuò)展為兩種:一種是通過Creator建模工具直接進(jìn)行三位實(shí)體建模來(lái)得到OpenFlight模型，另一種是通過creator建模工具建立各組件，然后利用該模型組合工具來(lái)得到OpenFlight模型［6］?？偫ㄟ@兩種建模方式，OpenFlight三維模型建模流程如下所示。

(1)首先對(duì)所建模型的三維實(shí)體進(jìn)行分析，將其拆分為幾個(gè)不同的組件，劃分的目的是使各模型更容易通過組合實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建，模型組合也可以使用已有的模型組件。

(2)對(duì)于單個(gè)實(shí)體的建模，一般不需要拆分，直接利用Creator建模即可。對(duì)于拆分好的組件，一一建模即可。

(3)利用該軟件組合模型，完成多個(gè)模型的初步建模工作。

(4)在進(jìn)行導(dǎo)出模型前，需要對(duì)紋理圖片，LOD和面片等進(jìn)行校正、拼接等處理，這樣可以減少優(yōu)化模型。然后導(dǎo)出生成模型即可。

(5)完成整個(gè)三維對(duì)象模型的構(gòu)建工作。

2.2 OpenFlight模型數(shù)據(jù)格式

OpenFlight格式及OpenFlight API是Multigen開發(fā)的，在視覺仿真領(lǐng)域最為流行的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。OpenFlight采用幾何層次結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)庫(kù)頭節(jié)點(diǎn)、組、物體、面等)屬性來(lái)描述三維物體，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)種類很多，其常用的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)類型如表1所示。各類型的節(jié)點(diǎn)具有不同的屬性信息，其中一些屬性使用屬性調(diào)色板索引號(hào)來(lái)描述，如顏色、材質(zhì)、紋理等。在OpenFlight模型中，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)大致包括:根節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn)、體節(jié)點(diǎn)、面節(jié)點(diǎn)和點(diǎn)節(jié)點(diǎn)等五大類，這些節(jié)點(diǎn)按照樹狀結(jié)構(gòu)組織起來(lái)。一個(gè)OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)被作為一個(gè)文件存儲(chǔ)在磁盤上。模型以0，1二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)，8位為一字節(jié)，字節(jié)的存儲(chǔ)順序是按照正序方式存儲(chǔ)的。所有的模型文件都是以4個(gè)字節(jié)開始記錄。前兩個(gè)字節(jié)代表記錄類型，后兩個(gè)字節(jié)代表文件長(zhǎng)度。其中在相鄰節(jié)點(diǎn)上，子節(jié)點(diǎn)隸屬于父節(jié)點(diǎn)無(wú)論是在空間位置還是功能上，而兄弟節(jié)點(diǎn)之間則存在著一定的相關(guān)性。OpenFlight的這種樹狀多層結(jié)構(gòu)允許用戶直接對(duì)樹根節(jié)點(diǎn)和下屬各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，保證了從大型模型數(shù)據(jù)庫(kù)每個(gè)頂點(diǎn)的精確控制［7］。

表1 OpenFlight主要數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的說(shuō)明Tab．1 Main data node of OpenFlight

3 OpenFlight模型組合設(shè)計(jì)

3.1 OpenFlight文件的讀寫

利用OpenFlight API對(duì)OpenFlight文件進(jìn)行基本讀寫的流程主要包括程序初始化，創(chuàng)建頭節(jié)點(diǎn)，新建組節(jié)點(diǎn)以及其他節(jié)點(diǎn)等，然后繪制幾何節(jié)點(diǎn)，并建立節(jié)點(diǎn)間的層級(jí)關(guān)系，最后寫入并關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)，程序退出等若干步驟。具體流程如下:

(1)程序主參數(shù)進(jìn)行初始化;

(2)新建頭節(jié)點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)集;

(3) 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)(光照，聲音，DOF，LOD，…)，并給記錄集屬性賦值;

(4)通過若干三維坐標(biāo)創(chuàng)建頂點(diǎn)集;

(5)創(chuàng)建若干子面 addVertex，組成面集makePoly;

(6)創(chuàng)建若干體節(jié)點(diǎn)fltObject，組成組節(jié)點(diǎn)fltGroup;

(7)寫入數(shù)據(jù)文件形成模型文件mgWriteDb(db)。

3.2 模型組合基本操作

3．2．1 組件的添加

添加組件主要指將組件庫(kù)中的組件模型添加到其他模型中，形成一個(gè)新的模型供仿真使用。其中組件以該子節(jié)點(diǎn)的形式在所裝備的主模型中顯示，為了使導(dǎo)出模型與紋理的路徑不相關(guān)，在此都使用絕對(duì)路徑。組件添加采用將組件以外部擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的調(diào)用方式加到主模型中。利用外部擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，可以更加快速、方便地組合模型。這樣做也便于后期將完整模型拆分成相對(duì)獨(dú)立的組件模型，對(duì)于拆下來(lái)的組件模型還可以應(yīng)用到組件模型庫(kù)的構(gòu)建中，從而提高了模型的利用率。

添加組件節(jié)點(diǎn)的具體實(shí)現(xiàn)代碼步驟如下:

得到當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫(kù)頭節(jié)點(diǎn)mgGetCu rrentDb();

新建一個(gè)Group節(jié)點(diǎn)mgNewRec();

創(chuàng)建一個(gè)外部節(jié)點(diǎn)mgNewRec();

選擇的組件文件mgListGetSe lectedItemString();

將選擇的文件設(shè)置為外部節(jié)點(diǎn)mgSetA ttL ist();

將外部節(jié)點(diǎn)作為新建Group節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)mgA ttach();

寫入數(shù)據(jù)庫(kù)頭節(jié)點(diǎn)mgW riteDb()。

添加組件模型后，在Creator中的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig．1 Model structure

3．2．2 組件的刪除

組件的刪除主要是指將外部添加進(jìn)來(lái)的外部節(jié)點(diǎn)刪除，由于外部組件都是添加了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以從模型中刪除一個(gè)組件模型可以通過刪除其父節(jié)點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)，代碼如下:

g=mgGetRecByName(db，selectFullFltName);//選擇節(jié)點(diǎn)

mgDelete(g);//刪除節(jié)點(diǎn)

3．2．3 組件的移動(dòng)

模型的移動(dòng)首先需要定義兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)是模型初始位置，另一個(gè)點(diǎn)是模型中心要移動(dòng)的差值點(diǎn)，然后將這兩點(diǎn)賦給fltXmTranslate格式記錄集，模型經(jīng)過記錄集的變換即可實(shí)現(xiàn)模型的移動(dòng)。具體代碼如下:

mgrec* c=gNewRec(fltXmTranslate);//定義記錄集

mgSetCoord3d(c，fltXmTranslateFrom，a1，a2，a3);//設(shè)置模型初始位置點(diǎn)

mgSetCoord3d(c，fltXmTranslateDelta，b1，b2，b3);//設(shè)置模型移動(dòng)差值量

mgAttach(g，c);//將組件進(jìn)行移動(dòng)

3．2．4 組件的旋轉(zhuǎn)與縮放

模型的旋轉(zhuǎn)與縮放在此提供繞xyz軸旋轉(zhuǎn)和縮放，通過選擇中心點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度或縮放系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)與縮放，具體代碼實(shí)現(xiàn)如下:

mgrec*x=mgNewRec(fltXmRo tate);

mgSetCoord3d( x，fltXmRotateCenter，a1，a2，a3);//選擇中心點(diǎn)

mgSetVector(x，fltXmRotateAx is，0，0，1);//選擇以z軸為旋轉(zhuǎn)縮放軸

m gSetA ttList(x，fltXmSca leZ，z，MG_NULL)//以z軸縮放z倍

mgSetAttList(x，fltXmRotateAngle，50，MG _NULL);//設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為50°

mgAttach(g，x);//旋轉(zhuǎn)與縮放模型

圖2為模型平移縮放后在Creator中的結(jié)構(gòu)圖。

3.3 模型組合工具的實(shí)現(xiàn)

圖2 模型結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Model structure

按照以上的框架設(shè)計(jì)和操作模型的基本功能，基于 MFC 單文檔框架、vegaprime 2．2和OpenFlight API編程實(shí)現(xiàn)了模型可組合建模工具，其界面如圖3所示。該工具具有良好的人機(jī)交互編輯模型功能，以所見即所得的形式提供模型元件的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何變換操作和拆分、組合等編輯操作以實(shí)現(xiàn)模型的可組合構(gòu)建。

圖3 可組合建模工具運(yùn)行界面Fig．3 Interface of the modeling tools

在此利用該工具將一架飛機(jī)和若干導(dǎo)彈進(jìn)行了組合建模(圖4，圖5)。

圖4 分離的導(dǎo)彈和飛機(jī)Fig．4 Missiles and aircraft

圖5 組合過程和組合模型Fig．5 Process and portfolio model

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過調(diào)用OpenFlight API接口語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了通過組裝模型組件建立完整模型的功能，并且模型組件可以被任意刪除、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等，解決了模型可組合建模的問題。這樣可以充分利用已有的模型資源，減少虛擬模型的建模工作量。但是本文對(duì)模型的紋理編輯，LOD節(jié)點(diǎn)、DOF節(jié)點(diǎn)等特殊節(jié)點(diǎn)編輯功能還未實(shí)現(xiàn)，有待進(jìn)一步解決。

［1］ 李榮江，趙剛，陳雷．基于Creator的分塊技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］．四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，23(2):216－218．LI Rongjiang，ZHAO Gang，CHEN Lei．Research and implemention of block technology based on creator［J］．Journal of Sichuan University of Science＆Engineering:Natural Science Edition，2010，23(2):216－218．

［2］ 張建．Creator三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化技術(shù)［J］．系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，6(12):164－168．ZHANG Jian．Optimization technique of creator three dimensional model database［J］．System Simulation Technology，2010，6(12):164－168．

［3］ 孔中武，石林鎖，王濤．基于 Creator和VegaPrime的導(dǎo)彈飛行視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35(10):111－114．KONG Zhongwu，SHI Linsuo，WANG Tao．Design and implementation of missile flight scene simulation based on creator and vega prime［J］．Journal of Sichuan Ordnance，2014，35(10):111－114．

［4］ 丁偉利，王露．基于OpenFlight模型的通用橋梁紅外輻射特性模擬方法［J］．光電工程，2013，40(10):54－62．DING Weili，WANG Lu．Infrared radiation characteristics of general bridge based on OpenFlight model［J］．Opto-Electronic Engineering，2013，40(10):54－62．

［5］ 常彥博，李智．虛擬三維地形模型的建模技術(shù)研究［J］．桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，73(1):12－15．CHANG Yanbo，LI Zhi．Study on the modeling technology of virtual 3D terrain model［J］．Journal of GuiLin University of Aerospace Technology，2014，73(1):12－15．

［6］ 羅丹，蔣自成，王躍峰．OpenFlight模型的OpenGL接口研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2005(1):402－404．LUO Dan，JIANG Zicheng，WANG Yuefeng．Research of interface of OpenFlight model into OpenGL based systems［J］．Computer Simulation，2005(1):402－404．

［7］ 劉立嘉，劉裕．OpenFlight模型編輯器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，22(2):54－58．LIU Lijia，LIU Yu．Design and realization of OpenFlight model editor［J］．Journal of Shijiazhuang Railway Institute:Natural Science，2009，22(2):54－58．