肖仁強(qiáng),吳盤(pán)龍,周竹青

(南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

步戰(zhàn)車(chē)低空打擊視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

肖仁強(qiáng),吳盤(pán)龍,周竹青

(南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

以承擔(dān)低空防御任務(wù)為研究背景,對(duì)某型號(hào)步兵戰(zhàn)車(chē)視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；赩ega Prime/Multigen Creator軟件,并以Visual C++.net作為程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)平臺(tái),首先通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)空中目標(biāo)的位置、速度等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算;然后將求得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入航跡仿真程序解得火控的射擊諸元;再依據(jù)外彈道方程組對(duì)步兵戰(zhàn)車(chē)發(fā)射的炮彈進(jìn)行飛行軌跡仿真,最終擊中目標(biāo)。所用到的相關(guān)技術(shù)有DOF、碰撞檢測(cè),以及刀刃、火焰、爆炸等各種特效。該程序能完成步兵戰(zhàn)車(chē)打擊目標(biāo)的整個(gè)仿真流程,仿真效果圖表明仿真效果良好。

外彈道; Vega Prime; 視景仿真; 特效

吳盤(pán)龍(1978-),男,研究員,博士生導(dǎo)師。

周竹青(1997-),女,本科。

視景仿真又名虛擬現(xiàn)實(shí)仿真,是當(dāng)代最具潛力的科學(xué)技術(shù)之一。視景仿真通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)象數(shù)學(xué)建模和研究,構(gòu)建出一個(gè)虛擬環(huán)境,從而給人帶來(lái)“沉浸式”感受[1]。本文所要仿真的步兵戰(zhàn)車(chē)能有效地打擊輕型裝甲車(chē)輛、有生力量和低空飛行目標(biāo)等。針對(duì)打擊低空飛行目標(biāo),實(shí)際中存在開(kāi)銷費(fèi)用大等問(wèn)題，因此，不能頻繁采用實(shí)物進(jìn)行實(shí)彈練習(xí)[2]。為了減少訓(xùn)練成本,本文采用視景仿真經(jīng)濟(jì)、直觀、逼真地再現(xiàn)步兵戰(zhàn)車(chē)打擊直升機(jī)的三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景[3]。

1 Vega Prime介紹

Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)的三維虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)再現(xiàn)軟件,其特點(diǎn)包括界面友好、功能齊全、面向?qū)ο蟮?。由于它大幅減少源代碼的編寫(xiě),使得軟件的進(jìn)一步維護(hù)和實(shí)時(shí)性能的優(yōu)化變得更加容易,從而大大提高了開(kāi)發(fā)效率。同時(shí),它還擁有一些具有特殊功能的模塊,用于滿足特定的仿真需求[4]。Vega Prime主要包括6個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):1)可移植性很好;2)與C++STL(Standard Template Library)兼容;3)可擴(kuò)展第三方插件;4)支持MetaFlight文件格式;5)支持double數(shù)據(jù)類型;6)支持OpenGL 1.2和DirectX。

2 仿真系統(tǒng)介紹

基于Vega Prime的視景仿真分為仿真模型構(gòu)建、LynX Prime圖形界面配置和仿真程序開(kāi)發(fā)三部分[5]。仿真模型構(gòu)建:利用Creator軟件建立實(shí)體模型和戰(zhàn)場(chǎng)三維地形[6]。建模工具采用Multigen-Paradigm公司下另一款軟件Multigen Creator,包括步兵戰(zhàn)車(chē)、炮彈、直升機(jī)等三維實(shí)體模型,Creator的很多用途得通過(guò)配套的Vega Prime才能體現(xiàn)出來(lái)。LynX Prime圖形界面配置:只通過(guò)友好的編輯界面就可以調(diào)用接口函數(shù)來(lái)配置參數(shù),完成后直接將配置文件(.acf)導(dǎo)出生成C++代碼,極大地簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。視景仿真程序開(kāi)發(fā):該部分為核心內(nèi)容,通過(guò)處理內(nèi)部數(shù)據(jù)和幀循環(huán),完成整個(gè)仿真過(guò)程,整個(gè)視景仿真框架如圖1所示。

圖1 視景仿真系統(tǒng)框架

2.1 虛擬場(chǎng)景模型構(gòu)建

2.1.1 空間坐標(biāo)系

要進(jìn)行模型的建立,首先需要對(duì)坐標(biāo)系的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了解。在Vega Prime的眾多坐標(biāo)系中,笛卡爾直角坐標(biāo)系為軟件默認(rèn)的坐標(biāo)系類型。(X、Y、Z)表示物體在直角空間中的位置,(H、P、R)表示物體在直角空間中的姿態(tài),H是朝向Heading的值,取正表示左旋轉(zhuǎn),取負(fù)表示右旋轉(zhuǎn);P是斜度Pitch的值,取正表示向上旋轉(zhuǎn),取負(fù)表示向下旋轉(zhuǎn);R是轉(zhuǎn)角度Roll的值,取正表示運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向右邊旋轉(zhuǎn),取負(fù)表示運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向左邊旋轉(zhuǎn)。這就是所謂的六自由度,坐標(biāo)系滿足右手定則。一般情況下,觀察者在坐標(biāo)系中的初始位置方向是位于負(fù)Y軸上,面向正Y軸。坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 Vega Prime中笛卡爾坐標(biāo)系

2.1.2 實(shí)體模型

視景仿真構(gòu)建模型時(shí),為了使模型更加真實(shí)化,同時(shí)簡(jiǎn)化組成模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),常用到這些功能:外部引用、實(shí)例、公告牌、LOD、DOF、貼圖等[7]。外部引用是一種幫助管理模型重復(fù)復(fù)制的模型組織機(jī)制;實(shí)例的機(jī)制類似于外部引用;公告牌用于解決建模時(shí),視線方向的改變對(duì)“草”、“樹(shù)木”這一類景物的觀賞效果的影響;LOD處理視線遠(yuǎn)近對(duì)應(yīng)模型不同細(xì)致程度;DOF控制模型的部分節(jié)點(diǎn)按給定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移;貼圖是使用規(guī)定的貼圖文件格式,包括jpg、rgba、inta,使得模型表面與實(shí)際情況相符合,也稱為紋理貼圖技術(shù)。貼圖是Creator、3DMax等建模軟件用于處理模型表面細(xì)節(jié)的基本手段,帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是可以用更少的內(nèi)存和計(jì)算消耗來(lái)提高運(yùn)行速度。圖3(a)-(d)分別給出直升機(jī)模型貼圖前、貼圖后效果圖和步兵戰(zhàn)車(chē)模型貼圖前、貼圖后效果圖。

圖3(a) 直升機(jī)模型貼圖前效果圖

圖3(b) 直升機(jī)模型貼圖后效果圖

圖3(c) 步兵戰(zhàn)車(chē)模型貼圖前效果圖

圖3(d) 步兵戰(zhàn)車(chē)模型貼圖后效果圖

2.1.3 三維地形

本次步兵戰(zhàn)車(chē)視景仿真的環(huán)境設(shè)置在戈壁上。Creator的一個(gè)插件地形模塊用于處理高程文件,高程數(shù)據(jù)在地形上表現(xiàn)為多個(gè)方塊形單元,單元上的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)表示坐標(biāo)系上X、Y方向的數(shù)值,單元上的“標(biāo)簽”表示坐標(biāo)系上Z方向的數(shù)值,即海拔高度。為了便于管理大范圍地形數(shù)據(jù),采用分塊批量處理方式將其分為多個(gè)多邊形,每個(gè)分塊可以獨(dú)立生成一個(gè)文件,然后在生成整個(gè)地形時(shí)通過(guò)外部引用將這些子文件導(dǎo)入。

進(jìn)行地形可視化仿真建模,首先要獲取地形數(shù)據(jù),可到相關(guān)的地理信息資源庫(kù)網(wǎng)站上下載現(xiàn)成的DED文件,或者利用Creator本身的轉(zhuǎn)換工具將下載的高程文件轉(zhuǎn)換成DED格式文件,然后設(shè)定地形LOD;再進(jìn)行最重要的任務(wù),三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與優(yōu)化。該部分包括各種參數(shù)、屬性設(shè)定,主要有地形投影參數(shù)、批處理參數(shù)、三角化算法、等高格屬性、貼圖參數(shù)等。Creator提供了四種不同類型的三角形化轉(zhuǎn)換算法[8],用來(lái)將數(shù)字高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型數(shù)據(jù)。生成地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)的流程如圖4所示。

圖4 地形建模流程圖

2.2 系統(tǒng)軟件介紹

為了實(shí)現(xiàn)步兵戰(zhàn)車(chē)打擊直升機(jī)的視景仿真程序設(shè)計(jì),使得程序更加清晰便于改動(dòng),將不同功能的部分進(jìn)行模塊化封裝。如圖5所示,整個(gè)仿真程序由界面管理模塊、算法模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和動(dòng)畫(huà)顯示模塊等五個(gè)部分組成,各模塊功能如下:

1)界面管理模塊:基于MFC框架的應(yīng)用界面控制系統(tǒng);

2)算法模塊:對(duì)目標(biāo)進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè)[9-11],龍格-庫(kù)塔法求解彈道微分方程組;

3)數(shù)據(jù)處理模塊:保存與傳送數(shù)據(jù);

4)控制模塊:處理消息映像機(jī)制和實(shí)時(shí)控制仿真循環(huán);

5)動(dòng)畫(huà)顯示模塊:設(shè)置四個(gè)通道同時(shí)對(duì)視景仿真過(guò)程進(jìn)行觀察。

圖5 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框架

2.3 系統(tǒng)功能介紹

火控算法主要包括兩大部分:航跡濾波以及射擊諸元解算[12]。該視景仿真開(kāi)始前,通過(guò)界面設(shè)置目標(biāo)初始狀態(tài),經(jīng)卡爾曼濾波得到一系列表達(dá)目標(biāo)位置與姿態(tài)的數(shù)據(jù),再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到航跡仿真程序,最終得到相對(duì)于該航跡下不同時(shí)刻的射擊諸元。仿真開(kāi)始階段,首先跟蹤目標(biāo),當(dāng)達(dá)到設(shè)定的射擊條件時(shí),步兵戰(zhàn)車(chē)發(fā)射炮彈擊中目標(biāo)。整個(gè)功能流程圖如圖6所示。

圖6 仿真階段功能流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)與解決途徑

3.1 MFC消息映像機(jī)制

MFC的消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其基于對(duì)話框的各種控件為數(shù)據(jù)處理提供了極大的方便[13]。在參數(shù)設(shè)置界面上,本文通過(guò)添加自定義消息來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)畫(huà)演示和控件上目標(biāo)濾波數(shù)據(jù)更新顯示同時(shí)進(jìn)行。為此需要從CWnd類派生的類響應(yīng)一個(gè)消息,并為該繼承類添加消息的處理函數(shù)。但在此之前,要確保句柄m-hWnd關(guān)聯(lián)一個(gè)窗口,然后向該句柄發(fā)送自定義消息。將代碼添加到仿真循環(huán)中,并通過(guò)自定義消息映像機(jī)制,為該消息WM-MYMSG關(guān)聯(lián)響應(yīng)函數(shù),實(shí)現(xiàn)濾波數(shù)據(jù)顯示。

3.2 鍵盤(pán)輸入設(shè)備

在視景仿真階段,隨著實(shí)體模型的移動(dòng),可能會(huì)導(dǎo)致物體偏移甚至脫離通道內(nèi)觀察者的視角。本文通過(guò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)對(duì)觀察視角的控制,使得被觀察者始終處于觀察者視角之內(nèi)。Vega Prime提供了相關(guān)的鍵盤(pán)類來(lái)對(duì)應(yīng)鍵盤(pán)的全部功能鍵。為了使用方便,我們像聲明主線程函數(shù)一樣,定義聲明一個(gè)鍵盤(pán)函數(shù)。在函數(shù)內(nèi)部,通過(guò)條件判斷語(yǔ)句,來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)相關(guān)按鍵的布爾輸入源。當(dāng)某個(gè)按鍵被按下,則執(zhí)行該條件判斷語(yǔ)句下的具體代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)視角的移動(dòng)。需要注意的是,在定義完鍵盤(pán)函數(shù)之后,還需要把該函數(shù)設(shè)置成對(duì)應(yīng)窗口的鍵盤(pán)函數(shù),即讓函數(shù)的參數(shù)獲取到窗口的指針。

3.3 場(chǎng)景特效顯示

為了使得仿真效果更加生動(dòng),Vega Prime采用粒子系統(tǒng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境特效,同時(shí)為了避免冗余繁雜的編程,提供了界面友好的圖形用戶配置工具Lynx Prime來(lái)定義粒子系統(tǒng)的相關(guān)屬性,配置好之后可直接導(dǎo)出生成C++代碼[14]。所有場(chǎng)景顯示特效都繼承于基本特效模塊(vpFx模塊),vpFx是所有基本特效的抽象基類,它涉及的參數(shù)包括使能Enable、設(shè)置觸發(fā)碰撞檢測(cè)TriggerIsector、整體顏色OverallColor、紋理文件TextureFile等。本文所使用的爆炸、火焰等自然現(xiàn)象,都是基于粒子特效創(chuàng)建的。粒子系統(tǒng)可以看成由多個(gè)繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的“公告牌”(即其正面朝向觀察者)組成。這些“公告牌”便是基本粒子群,它們經(jīng)過(guò)組合形成特效的基本形態(tài),用于表現(xiàn)物體的屬性與行為[15]。

Vega Prime的有專門(mén)管理粒子屬性的API,粒子在其生命周期內(nèi)的尺寸變化、顏色變化、縮放比例、運(yùn)動(dòng)特性等各種屬性可以通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的表采用線性插值設(shè)置。但表本身是私有的,所以需要通過(guò)函數(shù)對(duì)它進(jìn)行訪問(wèn)。另外,粒子生命周期的時(shí)間是歸一化的。下面介紹本文用到的幾種專用粒子特效。

當(dāng)炮彈出炮管的一瞬間,由于自身的高速度,在與空氣發(fā)生摩擦?xí)r,導(dǎo)致后面氣體與彈體摩擦后帶有很高溫度產(chǎn)生等離子體輻射,也就是實(shí)際射擊時(shí)所看到的火焰,炮管產(chǎn)生的火焰特效效果如圖7所示。建立一個(gè)火焰特效的步驟是:

1)確定特效發(fā)生的位置。由于炮管在仿真階段會(huì)移動(dòng),故在進(jìn)行特效觸發(fā)之前,需要建立一個(gè)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換定義了一個(gè)節(jié)點(diǎn),同時(shí)創(chuàng)建了一個(gè)局部坐標(biāo)系,將位置設(shè)置在炮管末端。根據(jù)Vega Prime應(yīng)用程序的父子關(guān)系,首先讓轉(zhuǎn)換成為炮管的子節(jié)點(diǎn),再讓火焰特效成為轉(zhuǎn)換的子節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)火焰特效在未觸發(fā)之前始終隨著炮管的移動(dòng)而位于其尾部。

2)創(chuàng)建特效實(shí)例對(duì)象。該部分為核心,管理著火焰特效的各個(gè)參數(shù)設(shè)定,包括特效的顏色、縮放比例、材質(zhì)文件和持續(xù)時(shí)間等,所創(chuàng)建的特效會(huì)被保存在容器隊(duì)列中。

3)特效的觸發(fā)。默認(rèn)情況下,關(guān)閉特效的觸發(fā)方式。當(dāng)仿真到發(fā)射炮彈的階段時(shí),通過(guò)代碼直接調(diào)用。

圖7 炮管末端火焰特效

同理,炮彈擊中直升機(jī)所產(chǎn)生的爆炸特效的建立步驟與火焰特效大致相同。不同之處在于,爆炸特效的觸發(fā)方式為某碰撞檢測(cè)事件發(fā)生時(shí)運(yùn)行。即給碰撞檢測(cè)實(shí)例對(duì)象的距離參數(shù)設(shè)置一個(gè)合理的值,當(dāng)炮彈朝直升機(jī)飛行,它們之間的垂直線段距離小于設(shè)定值時(shí),爆炸特效觸發(fā)。爆炸特效效果圖如圖8所示。

圖8 直升機(jī)爆炸特效圖

爆炸發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的碎片特效以及直升機(jī)墜毀后的燃燒特效的制定過(guò)程同樣依照上述步驟進(jìn)行。它們的配置方法可歸納為一般性:創(chuàng)建特效,設(shè)置參數(shù);將特效依附于所需的對(duì)象上,可以是場(chǎng)景、轉(zhuǎn)換甚至是其他特效。

3.4 自由度節(jié)點(diǎn)DOF應(yīng)用

Creator中模型的另一種表現(xiàn)形式在層次面板區(qū),里面的每一個(gè)長(zhǎng)方形代表了模型中的一個(gè)元素,稱之為節(jié)點(diǎn)。其中的自由度節(jié)點(diǎn)DOF是一種可以在模型中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等的可控節(jié)點(diǎn)。為了令仿真結(jié)果更加真實(shí)化,有畫(huà)面感,需要讓步兵戰(zhàn)車(chē)的炮塔和炮管在仿真過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)火控解算程序得到的方位角和高低角等射擊諸元,在操作炮塔和炮管DOF之前,必須首先獲得DOF指針,由于兩個(gè)DOF指針都在步兵戰(zhàn)車(chē)上,則首先需要得到步兵戰(zhàn)車(chē)的指針:

vpObject *gaopao=vpObject::find("lav25");

然后獲取DOF:

vsDOF*m-turret=static-cast(gaopao->find-named("turret"));

m-turret->ref();

vsDOF*m-barrel=static-cast(gaopao->find-named("maingun"));

m-barrel->ref();

函數(shù)ref()作用是增加引用計(jì)數(shù),因?yàn)閂ega Prime實(shí)例創(chuàng)建后的初始參考計(jì)數(shù)為0,而引用計(jì)數(shù)達(dá)到零時(shí),實(shí)例將會(huì)被刪除,ref()函數(shù)便是為了避免意外刪除實(shí)例。最后在循環(huán)仿真階段,通過(guò)定義的炮塔和炮管的指針去調(diào)用相關(guān)函數(shù),實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)部位的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.5 控制物體透明

實(shí)際軍事打擊中,炮彈在擊中目標(biāo)后發(fā)生爆炸。在視景仿真中,采用將炮彈設(shè)為透明使其在觸發(fā)爆炸特效后消失。本文把控制物體透明功能編寫(xiě)成一個(gè)靜態(tài)函數(shù),該函數(shù)的參數(shù)分別為物體對(duì)象指針和設(shè)置是否透明的布爾值。在函數(shù)實(shí)現(xiàn)部分,首先使用結(jié)構(gòu)體vrAlphaTest::Element,其中的一個(gè)數(shù)據(jù)成員m-enable為布爾型,取值1.0時(shí)表示透明,值為0.0時(shí)表示不透明。然后,通過(guò)模型對(duì)象的幾何體獲取幾何體的狀態(tài),并利用狀態(tài)對(duì)象修改元素的值。

最終,在主線程的幀循環(huán)判斷中,定義一個(gè)對(duì)象的靜態(tài)指針變量和一個(gè)靜態(tài)邏輯值來(lái)調(diào)用該透明控制函數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用鍵盤(pán)上的WASD鍵可以控制主窗口左上方俯視通道的視角上下左右移動(dòng),同樣可以利用鍵盤(pán)的上下左右鍵控制左下方的步兵戰(zhàn)車(chē)通道視角。窗口多通道顯示的效果圖如圖9所示。

圖9 視景仿真窗口多通道顯示

本文基于Vega Prime的步兵戰(zhàn)車(chē)低空打擊視景仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)濾波,模擬跟蹤、發(fā)射炮彈和打擊目標(biāo)的整個(gè)過(guò)程。結(jié)果表明,該視景仿真滿足一定的 “沉浸式”體驗(yàn),能夠較逼真、直觀地還原真實(shí)場(chǎng)景。

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Design and Implementation on Visual Simulation Systemof Infantry Combat Vehicle Low Altitude Shooting

XIAO Ren-qiang,WU Pan-long,ZHOU Zhu-qing

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To study the background of bearing low-altitude defense mission,the visual simulation system of a certain kind of infantry combat vehicle is designed.First of all,based on Vega Prime/Multigen Creator and takeing Visual C++.Net as a programming and development platform,the Kalman filter is used to measure the informations of the target,including the location,the speed etc; Then the obtained data is imported the channel simulation program,the fire control program finds the answer of firing data; Then,based on the exterior trajectory equations,the track of the shell which is fired by the combat vehicles is simulated.Finally the shell hits the target.The related technologies used are DOF,impact checking,as well as a variety of blade,flame,explosion and other special effects.The program can complete the whole process of infantry combat vehicle strikes the target.According to the simulation results given,it shows that the simulation results are good.

exterior trajectory; Vega Prime; visual simulation; special effect

E923.1;TP391.9

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.017

1673-3819(2017)05-0080-05

2017-06-17

2017-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(61473153);航空科學(xué)基金(2016ZC59006);江蘇省六大人才高峰(2015-XXRJ-006)

肖仁強(qiáng)(1991-),男,江西上饒人,碩士,研究方向?yàn)榛鹋谝暰胺抡妗?/p>