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（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南 昆明 650051）

可視化仿真技術(shù)是數(shù)字仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)相結(jié)合的成果，它在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，將數(shù)字仿真中產(chǎn)生的數(shù)字信息以圖形、圖像和動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)在研究者面前，并且提供直觀的交互手段。其三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示技術(shù)，已經(jīng)在模擬訓(xùn)練，虛擬顯示中得到了廣泛應(yīng)用。

文中在圖形工作站上開發(fā)了一個(gè)水下航行器運(yùn)動(dòng)可視化仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器三維模型的靈活觀察，對(duì)水下航行器攻擊過程的三維動(dòng)畫表現(xiàn)以及海下環(huán)境的實(shí)況模擬，能夠使研究人員直觀地觀察水下航行器、潛艇以及其他艦船之間的位置關(guān)系，較好的實(shí)現(xiàn)了水下航行器運(yùn)動(dòng)的可視化。

1 運(yùn)動(dòng)模型

本仿真系統(tǒng)中，水下航行器采用尾追導(dǎo)引法彈道。尾追導(dǎo)引法是指水下航行器在攻擊目標(biāo)的過程中，水下航行器的速度矢量始終指向目標(biāo)的一種導(dǎo)引方法[1]?？臻g相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：r為水下航行器與目標(biāo)的距離；vm為目標(biāo)速度；vt為水下航行器速度；r為水下航行器與目標(biāo)的距離；φ為水下航行器在球面坐標(biāo)系的方位角；θ為水下航行器在球面坐標(biāo)系的赤緯角。

水下航行器在水平面運(yùn)動(dòng)的軌跡方程為:

水下航行器在垂直面運(yùn)動(dòng)的軌跡方程:

式中k=vt/vm；φ0為水下航行器在開始時(shí)刻的方位角；θ0為水下航行器在開始時(shí)刻的赤緯角。

在本仿真軟件中，目標(biāo)水面船只采用直線運(yùn)動(dòng)模型。水下航行器與目標(biāo)在水平面運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

2 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

虛擬場(chǎng)景構(gòu)建分為三維實(shí)體建模和地形生成。

2.1 三維實(shí)體建模

圖1 水下航行器與目標(biāo)水平面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 The horizontal trajectory of underwater vehicle and target

在可視化仿真中，逼真性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性是建立三維模型的三大指標(biāo)。Multigen Creator是Presagis公司出品的實(shí)時(shí)三維建模工具軟件系統(tǒng)，它提供了強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模及大面積地形精確生成等功能[2]。其對(duì)三維模型的集成和優(yōu)化使得模型更加滿足實(shí)時(shí)性和交互性，在保證逼真度前提下更適合于虛擬場(chǎng)景的再現(xiàn)。Creator獨(dú)創(chuàng)的OpenFlight格式是針對(duì)實(shí)時(shí)可視化應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它采用節(jié)點(diǎn)式的分層機(jī)構(gòu)，特別適合于實(shí)時(shí)渲染操作。Creator的層次細(xì)節(jié)LOD（Level of Detail）技術(shù)，可根據(jù)物體與視點(diǎn)的距離來(lái)選擇不同細(xì)節(jié)程度的模型，這樣可以大大提高渲染效率并節(jié)省系統(tǒng)開銷。

建立三維實(shí)體模型一般需要經(jīng)過獲取實(shí)體數(shù)據(jù)、確定層次結(jié)構(gòu)、三維建模等幾個(gè)步驟。建模時(shí)需要按照實(shí)體的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行層次分析，由實(shí)體的數(shù)據(jù)，根據(jù)所設(shè)想的層次結(jié)構(gòu)利用建模工具逐層進(jìn)行建立，后續(xù)整理通過刪減冗余面、調(diào)整和保存紋理、調(diào)整層次結(jié)構(gòu)等工作來(lái)優(yōu)化模型。

在本系統(tǒng)中，對(duì)潛艇、水下航行器、水面艦船進(jìn)行了合理精度的建模，完成的模型及層次機(jī)構(gòu)如圖2，圖3，圖4所示。

圖2 潛艇建模圖Fig.2 The modeling of submarine

2.2 海底地形生成

在視景仿真系統(tǒng)里，具有真實(shí)感的三維海底地形有著廣泛的應(yīng)用，它不僅可以用來(lái)制作虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的各種海底環(huán)境，還可以提供地理信息系統(tǒng)中資源的三維定位、地理查詢、路徑規(guī)劃等功能。另外，它在艦船導(dǎo)航、海洋勘探、電影制作、游戲娛樂等方面都有比較好的應(yīng)用前景。

圖3 水面船只預(yù)覽圖Fig.3 Preview of surface ship

圖4 水下航行體模型Fig.4 The model of underwater vehicle

3D地形環(huán)境的建立是將包含高程信息的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)文件進(jìn)行網(wǎng)格化處理和內(nèi)插計(jì)算，生成由許多小網(wǎng)格及多邊形構(gòu)成的有高低起伏的曲面地形，這樣就根據(jù)帶高度信息的數(shù)字地圖生成了虛擬3D地形。為了增強(qiáng)3D地形的逼真度，可采用該地區(qū)遙感圖片和航拍照片，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理后作為地貌紋理貼在3D地形曲面上，就可構(gòu)成所需的地形地貌模型[3]。

Creator利用Delaunay算法完成從數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)到3D地形模型的建立。 圖5是利用Creator制作的三角網(wǎng)海底地形模型。

圖5 海底地形三角網(wǎng)模型Fig.5 The triangle model of sunmarine topography

3 視景仿真程序設(shè)計(jì)

Vega Prime是用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真的一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的實(shí)時(shí)三維渲染引擎[4]，它提供了Lynx Prime圖形用戶界面[5]、可由C++調(diào)用的類庫(kù)、應(yīng)用程序編程接口及可擴(kuò)展插件/模塊。本軟件采用Visual C++2005和Vega Prime來(lái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)，用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行封裝。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，分為如下幾個(gè)主要功能：

1）模型加載：用于加載模型文件及海底地形，利用Vega Prime的圖形化工具 Lynx Prime加載配置海底地形，仿真過程中根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)加載潛艇、水下航行器、水面目標(biāo)等模型。

2）數(shù)據(jù)生成：根據(jù)水下航行器導(dǎo)引控制方程及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)求解實(shí)體坐標(biāo)，并傳至驅(qū)動(dòng)控制模塊。

3）視圖顯示：控制和管理虛擬場(chǎng)景、配置渲染管道、顯示窗口、通道等，完成整個(gè)虛擬場(chǎng)景的繪制和顯示。

4）驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)時(shí)獲取水下航行器、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)更新實(shí)體模型的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫仿真。

5）視點(diǎn)控制：完成水下視景仿真的各個(gè)觀察點(diǎn)的切換，實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)觀察模式，方便用戶進(jìn)行觀察。

6）特效及環(huán)境效果控制：模擬常見的自然環(huán)境現(xiàn)象。模擬實(shí)體（水下航行器，水面船只）航行尾流，水下航行器命中目標(biāo)后爆炸產(chǎn)生的煙和火焰。

仿真演示程序的流程如圖6。

圖6 仿真程序流程圖Fig.6 The flow diagrm of simulation

如何控制視景仿真中的視點(diǎn)是Vega Prime開發(fā)工作中非常重要的問題。所有的仿真效果都必須通過對(duì)視點(diǎn)的控制才能在屏幕上表現(xiàn)出來(lái)。為了能清晰地展現(xiàn)仿真的流程，使觀察者既能對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行宏觀了解，又能對(duì)關(guān)鍵事件進(jìn)行細(xì)致觀察，本仿真軟件綜合使用了全景模式、固定觀察點(diǎn)、跟蹤模式及動(dòng)態(tài)視點(diǎn)模式，根據(jù)仿真進(jìn)程在幾種模式間動(dòng)態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)了從不同角度觀看仿真過程，同時(shí)使觀察更加自然、流暢。其中，全景模式就是以全局的角度來(lái)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行觀察，在全景模式下可以讓觀察者對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行宏觀上的了解。跟蹤模式指把視點(diǎn)固定捆綁在某個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)體附近，讓視點(diǎn)隨著該實(shí)體的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該實(shí)體在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)情況的跟蹤觀察。固定觀察點(diǎn)就是視點(diǎn)位于某一固定點(diǎn)，觀察可視范圍內(nèi)發(fā)生的各種事件。動(dòng)態(tài)視點(diǎn)模式根據(jù)待觀察位置及當(dāng)前視點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)計(jì)算下一幀視點(diǎn)的位置及視線方向，從而保證對(duì)感興趣事件的持續(xù)、流暢的觀察。圖 7為視景仿真效果，其中（a）圖為放射場(chǎng)景，（b）圖為固定觀察點(diǎn)效果。

圖7 視景效果圖Fig.7 Effect of visual

為了能增加仿真環(huán)境的逼真效果和真實(shí)感，營(yíng)造虛擬環(huán)境的氛圍至關(guān)重要。Vega Prime能夠模擬各種常見的自然環(huán)境現(xiàn)象[6]，包括藍(lán)天、云層，光照以及動(dòng)態(tài)海面海浪、水面船只航跡（船頭、船身、船尾波）。在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景中加入霧化效果可以使場(chǎng)景產(chǎn)生更強(qiáng)的縱深感和距離感，使遠(yuǎn)處的景物產(chǎn)生朦朧感，可以增加水下場(chǎng)景的真實(shí)感。水下航行器、潛艇在運(yùn)動(dòng)過程中都會(huì)產(chǎn)生尾流，水下航行器命中目標(biāo)后會(huì)發(fā)生爆炸產(chǎn)生煙和火焰。在仿真程序設(shè)計(jì)這些特殊效果并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)觸發(fā)，從而極大地增加視景仿真的真實(shí)感。圖8展示了命中目標(biāo)后的特效。

圖8 命中目標(biāo)效果Fig.8 Effect of target

圖7 解析后生成的數(shù)據(jù)文件Fig.7 The data files generated by parsing

圖8 A1信道的幀數(shù)據(jù)文件Fig.8 The frame data files of A1 channel

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