董 峰，王繼州

(1．黃河科技學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 鄭州450006;2．中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，河南 鄭州450007)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展和Vega Prime、Creator 以及VC 等高級編程語言的系統(tǒng)化和功能化實(shí)現(xiàn)，虛擬視景仿真技術(shù)得到長足發(fā)展，并廣泛應(yīng)用到軍事領(lǐng)域、艦艇防御領(lǐng)域和科研活動等領(lǐng)域。采用視景仿真技術(shù)建立海戰(zhàn)多武器平臺下的艦艇攻擊和防御的視景場景，模擬海戰(zhàn)戰(zhàn)況，在模擬演習(xí)的先導(dǎo)技術(shù)、效驗(yàn)技術(shù)和分析技術(shù)方面發(fā)揮重要作用［1］。

虛擬視景仿真技術(shù)日趨成為模擬訓(xùn)練，推演對抗，演習(xí)比賽以及裝備測試的新寵和必須，虛擬視景仿真技術(shù)具有訓(xùn)練成本小，安全可靠性強(qiáng)，費(fèi)用低廉，可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)并在航空航天、虛擬軍用地圖、海戰(zhàn)模擬、效能評估等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用價值［2－4］。在計(jì)算機(jī)視覺環(huán)境下建立艦艇防御和攻擊的虛擬場景的重點(diǎn)是對三維虛擬海洋圖像的仿真實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的三維虛擬海洋視景仿真中在操作進(jìn)程和虛擬數(shù)據(jù)資源配置中采用單線程設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)并行處理，三維視景仿真效果不理想，且對天氣等環(huán)境因素不能生成［5］。在對三維海洋視景仿真中，由于艦艇三維環(huán)境的多樣化以及三維視景仿真中在操作進(jìn)程和虛擬資源配置的處理上，仍然面臨著很多瓶頸問題需要解決。對此，本文提出一種基于海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)孔分解的三維虛擬海洋仿真技術(shù)并應(yīng)用在艦艇的被動防御視覺系統(tǒng)中。

1 三維海洋環(huán)境下艦艇的視覺控制模型

構(gòu)建三維海洋環(huán)境下艦艇的視覺控制模型［6－9］之前，做如下幾點(diǎn)基本假設(shè):

1)水面艦艇為剛體，其外形關(guān)于縱平面x1Oy1平面對稱;

2)水面艦艇在虛擬海洋場景中流體動力位置力及阻尼力滿足線性假設(shè);

3)忽略因加工及安裝造成的誤差;

4)近似認(rèn)為地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系;

5)忽略因艦艇尾流引起的質(zhì)量和質(zhì)心位置的變化。

基于上述假設(shè)，進(jìn)行水面艦艇視覺控制模型構(gòu)建，在以下幾個坐標(biāo)系中分別建立水面艦艇的視覺控制模型，分別為三維海洋流動速度坐標(biāo)系Ox3y3z3、水面艦艇的體坐標(biāo)系Ox1y1z1、水面艦艇受到攻擊后的彈道坐標(biāo)系Ox2y2z2、以及地面坐標(biāo)系。得到水面艦艇的視覺控制模型用控制方程描述為:

式中:θ 為水面艦艇視覺坐標(biāo)中的速度矢量傾角;?為水面艦艇受到攻擊后的俯仰角;α 為攻角。在橫滾等運(yùn)動的影響下，產(chǎn)生尾流拖曳，艦艇對稱面Ox1y1上的投影與Ox1軸之間的夾角，設(shè)艦艇拖曳體發(fā)射的正弦波信號為:

通過上述描述，得到水面艦艇的速度坐標(biāo)系Ox3y3z3，水面艦艇的質(zhì)心為坐標(biāo)系原點(diǎn)O;選取速度矢量V 為Ox3軸;Oy3軸與Ox3軸垂直，且位于水面艦艇縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，向上為正;Oz3軸垂直于Ox3y3平面，其方向按右手定則確定。

水面艦艇的體坐標(biāo)系Ox1y1z1中，體坐標(biāo)系與水面艦艇固連。水面艦艇的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，Ox1指向頭部，與水面艦艇的縱軸重合;Oy1向上為正，在縱對稱平面內(nèi);Oz1按右手定則確定。

水面艦艇受到攻擊后的彈道坐標(biāo)系中Ox2y2z2:水面艦艇的質(zhì)心為坐標(biāo)系原點(diǎn);選取水面艦艇質(zhì)心的速度矢量V 為Ox2軸;Oy2軸在一個鉛垂平面內(nèi)，且這個平面包含速度矢量，向上為正;Oz2軸按照右手定則確定。

地面坐標(biāo)系A(chǔ)xyz 中:地面坐標(biāo)系A(chǔ)xyz 是一種與地球進(jìn)行固連的坐標(biāo)系。水面艦艇質(zhì)心在地面上的投影作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，Ay 軸與地面垂直，向上為正;Ax 以發(fā)射方向?yàn)檎?Az 軸按右手定則確定。通過上述設(shè)計(jì)，構(gòu)建了視覺控制模型，為進(jìn)行三維虛擬海洋圖像下的艦艇視覺控制仿真奠定控制模型基礎(chǔ)。

2 基于Vega Prime 建立三維虛擬海洋

2.1 三維虛擬海洋的數(shù)據(jù)模擬和圖像處理

在前期基于Creator 進(jìn)行模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家海洋信息中心，將下載到的* . asc 文件遙感數(shù)據(jù)通過Creator 的Raster to DED 工具轉(zhuǎn)化為所需的DED 數(shù)據(jù)。最后基于Vega Prime 軟件，建立三維虛擬海洋視景仿真系統(tǒng)，軟件平臺選擇上，本文采用Vega Prime 軟件中Marine 海洋模塊提供虛擬海洋環(huán)境視景生成原始模型，采集真實(shí)的海底地形和天氣氣候等狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行特效處理，在此之前，需要進(jìn)行海洋視景仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建，本文進(jìn)行高分辨率拓?fù)渖?。提出多分辨率海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建［10］，海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。分別描述為m×n 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)格單元表示虛擬海洋的模塊子單元。網(wǎng)絡(luò)單元和模塊子單元表示為Cell (col，row))，其中col 表示行，row 表文列，每個子單元表示一個虛擬海洋環(huán)境物理子區(qū)域。本文采用LOD (Level of Detail)技術(shù)，對網(wǎng)孔進(jìn)行高分辨變換成像，對海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分解的網(wǎng)格單元，物理子區(qū)域、網(wǎng)孔以及網(wǎng)孔節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)孔面示意圖如圖1 所示。

圖1 海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Marine topology

通過海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)孔分解，利用分辨率最高LOD，形成多路徑高分辨率實(shí)體環(huán)境對象模型，對對象模型進(jìn)行多坐標(biāo)系集合生成，模型層級遞進(jìn)，構(gòu)成LOD 高分辨率模型庫。

2.2 三維虛擬海洋的視覺特征提取

采用多線程技術(shù)建立三維虛擬海洋模型，主要是針對于傳統(tǒng)的三維視景仿真中在操作進(jìn)程和虛擬資源配置中采用單線程設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)并行處理，三維視景仿真效果不理想的問題。對水面采用多路徑高分辨率的大氣粒子散射模型，得到三維虛擬海洋的大氣散射狀態(tài)方程描述為:

其中，A 為等高線作用成分;t(x)為海洋環(huán)境的霧化透射率;J(x)t(x)為圖像位置x 處的傳播函數(shù)。水面圖像信息，將三維虛擬海洋圖像S 分解為正交投影序列，灰度分量為:

其中，點(diǎn)集C ∈S，圖像I 的任一通道中起伏誤差向量Jdark(x)逼近于0，大氣耗散函數(shù)局部子塊區(qū)域內(nèi)滿足:

代入上式得:

視覺特征信息采集公式為:

式中Rt為透射率估計(jì)值。通過上述圖像處理，實(shí)現(xiàn)三維虛擬海洋的視覺特征提取，應(yīng)用在艦艇視覺防御系統(tǒng)構(gòu)建模型中。

3 三維虛擬海洋中艦艇視覺仿真

當(dāng)艦船在水面運(yùn)動時，在多線程Mesh 網(wǎng)格中采樣形成歸一化網(wǎng)絡(luò)直線，對環(huán)境模型構(gòu)建實(shí)體的每個頂點(diǎn)Z 軸方向進(jìn)行流線型放大處理，得到水面艦艇防御系統(tǒng)的視覺參數(shù)關(guān)系模型如圖2 所示。

圖2 水面艦艇防御系統(tǒng)的視覺參數(shù)關(guān)系模型Fig.2 Surface ship defence system visual parameter relation model

結(jié)合在Lynx Prime 面板中需要定義一個海洋艦船MarineShip 的實(shí)例，由海洋環(huán)境模擬的真實(shí)度很大程度上決定于網(wǎng)格的分辨率設(shè)置，在最高分辨率設(shè)計(jì)方面，取決于生成算法和測試點(diǎn)位置等2 個因素，在此，設(shè)定的最高分辨率為32 ×32，LOD 可以分為5 級。

采用多線程生成算法描述如下:在Multigen Terrain 模塊下，在多線程技術(shù)引導(dǎo)下，進(jìn)行模塊化劃分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，海底地形視景高分辨率生成算法描述如下:

pMarine － ＞setSeaState (4);//設(shè)置適合的紋理類型

pMarine－ ＞setSurfaceWindSpeed (19.000000f);//設(shè)置風(fēng)速，根據(jù)5 級海況的大致情形設(shè)置19.000000f

pMarine－ ＞setDominantWaveDirection (45.00000f);//設(shè)置波浪方向?yàn)?5°

pMarine－ ＞setSignificantWaveHeight (1.828800f );//設(shè)置波高為1.828800f

以4 級海況為例，在該面板上設(shè)置 Bow Parameter 中的首浪擴(kuò)散角為10°、干舷系數(shù)4、船首偏移70，浪寬系數(shù)3，基于LOD (Level of Detail)技術(shù)，在海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行分辨率為64 ×64 的多分辨率拓?fù)?，模擬出的三維虛擬海洋效果圖，引入天歷表模型時區(qū)概念，通過創(chuàng)建光源，使視景背景的可見度能隨著環(huán)境變化而改變，光源設(shè)置包括位置設(shè)置和光照范圍設(shè)置。

把三維虛擬海洋圖像仿真應(yīng)用在艦艇視覺防御系統(tǒng)中，本系統(tǒng)的程序流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 System implementation process

4 仿真結(jié)果與性能分析

為了測試本文在實(shí)現(xiàn)三維虛擬海洋圖像仿真和艦艇視覺防御系統(tǒng)應(yīng)用中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)配置是Inter (R)Core(TM)i3 －2130.3.40 GHz CPU，4 GB RAM。圖形數(shù)據(jù)庫中包括6 000幅圖像，包含多種不同的類別，其中單個類別的圖像數(shù)20 ～180 不等，系統(tǒng)開發(fā)的過程中，需要將相關(guān)的信號參量估計(jì)算法嵌入到視景仿真過程中，由于現(xiàn)有的大部分算法都是采用Matlab 編程實(shí)現(xiàn)，不能被Visual C + + 直接使用，這就需要VC 和Matlab 混合編程來實(shí)現(xiàn)。采用本文設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行三維虛擬海洋的圖像仿真結(jié)果，并應(yīng)用到艦艇視覺系統(tǒng)中，得到主界面如圖4 所示。

分析圖4 結(jié)果可見，采用本方法進(jìn)行三維虛擬海洋圖像虛擬像是仿真，能有效實(shí)現(xiàn)對不同航行狀態(tài)下的水面艦艇三維虛擬海洋的控制仿真，通過分析三維虛擬海洋，使用Vega Prime 視景仿真平臺的Marine 模塊模擬了三維動態(tài)海洋環(huán)境，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行艦艇視覺下的防御系統(tǒng)視景仿真，得到艦艇直航和轉(zhuǎn)彎是的視景仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖4 基于三維虛擬海洋圖像仿真的艦艇被動防御系統(tǒng)Fig.4 Image simulation based on 3 d virtual ocean ships passive defense system

圖5 艦艇視覺中的直航效果仿真Fig.5 Ships direct effect of visual simulation

圖6 艦艇轉(zhuǎn)彎視景仿真圖Fig.6 Vessels turning visual simulation diagram

通過上述仿真結(jié)果可見，三維虛擬海洋具有較好的實(shí)時視景仿真渲染效果，采用本文方法進(jìn)行三維虛擬海洋仿真，視點(diǎn)轉(zhuǎn)換和視點(diǎn)控制流暢，儀表和參數(shù)信息顯示準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬海洋和尾流效果的逼真模擬，提高了在三維海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn)艦艇視覺仿真的可觀性和可靠性。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)孔分解的三維虛擬海洋仿真技術(shù)并應(yīng)用在艦艇的被動防御視覺系統(tǒng)中。首先構(gòu)建三維海洋環(huán)境下艦艇的視覺控制模型，在MPI 的視景仿真渲染工具Vega Prime 中進(jìn)行海洋三維視景建模，采用海洋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)孔分解算法進(jìn)行三維虛擬海洋視景仿真方法改進(jìn)，最后在艦艇防御視覺系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)艦艇防御三維視景仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文方法，三維虛擬海洋具有較好的實(shí)時視景仿真渲染效果，視點(diǎn)轉(zhuǎn)換和視點(diǎn)控制流暢，提高了在三維海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn)艦艇視覺仿真的可觀性和可靠性。

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