基于VEGA PRIME 的无人机飞行视景仿真系统的研究

· 计算机工程应 用技术 ···· · 本栏目赉任编辑：贾薇薇 基于VEGA PRIME的无人机飞行视景仿真系统的研究 徐晓东 (南京航空航天大学 无人机研究院，江苏 南京 210016) 摘要：介绍 了计算机仿真技 术在无人机飞行仿真中的应用 ，讨论 了系统 实现的关键技 术。利 用三维几何模 型，动态显示 ，3D地形 LOD算法等技术，并结合 c++编程语言构建了一个基于MultiGen Creator／Vega软件的无人机飞行视景仿真系统，得到了满足系统 的 实时性及真 实感的渲染效果。 关键 词：虚拟现实：视景仿真：飞行模拟 中图分类号 ：TP391 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-3044(2008)04—10760-03 Application Research on Virtual Simulation System for Flight Based on Vega XU Xiao—dong Kesearch Institute of Unmanned Vehicle，NUAA，Nanjing 210016，China) Abstract：This paper introduces an application of virtual simulation for Fight and the key technology used in the system．W ith the 3D modeling，dynamic vision technology and 3D LOD，the virtual simulation system based on MultiGen Creator／Vega software platform and C++programming language was accomplished．The effect of system can favorably meet the need of real time and realistic rendering． Key Words：Virtual Reality；scene simulation；flight simulation 1引言 虚拟现实(Virtual Reality简称VR)技术把抽象，复杂的虚拟世界的空间数据表示为直观的，用户熟悉的现实世界的事物，参与 者在虚拟场景 中的感 受，就 像置身于一个现实世界中一样⋯。随着虚拟现实技术的不断完善，它的应用领域也在不断的扩展 ，利用各 种传感器和设备的使用，是用户与虚拟环境直接交互，使用户能够“身临其境”，“沉浸感”和“交互性”是虚拟现实的两大特征。在国 内外基于虚拟现实技术的飞行模拟器与飞行模拟装置已经在航空航天飞行训练领域得到了广泛的引用 ，其飞行训练的经济性、安 全性及良好的训练效果也得到了一致认可。本文无人机飞行仿真系统就是利用虚拟现实技术装订任务数据来表达飞人机在实际飞 行任务中飞行运动过程。以视景仿真软件 MuhiGen Creator／Vega Prime为开发平台，完成系统场景及飞机模型的建立、实现视景中各 元素实时显示及交互动作。 2系统开发平台简介 Muhigen—Paradigm公司的Creator作为建摸开发平台。Creator是一种优秀、高效的VR视景开发工具，其数据采用面向对象和分 层结构的存储 ，能够高效开发实时虚拟场景绘制。Vega是 MuhiGen—Pardigm公司开发的面 向对象的虚拟现实平 台，是开发实时视觉 和听觉仿真、虚拟现实和通用的视频应运用的业界领先的软件环境。它把先进的仿真功能和医用的工具结合到一起，创建了一种使 用简便 ，但最具创造力的体 系结构 ，来创建 、编辑和运行高性能 的实时应用 。它可以方便 的完成场景 的构建和三维模型的绘制 ．并支 持许多的特效。Vega作为一种硬件虚拟现实的软件接口．并且作为一个独立的工作平台，独立于硬件设备、窗口系统。利用它开发的 软件可以在 WindowsNT以及更高级的操作系统间移植。Vega包括图形环境Lynx，一套可以提供最充分的软件控制和最大程度灵活 性的完整的应用变成接口，它距有可视通道、多 CPU分配、视点设置、特效功能、Vega库及 C++语言应用开发接口等工具、支持头 盔、三维鼠标、大屏幕投影等设备，提供了自定义库用于子代码的开发。 3无人机飞行仿真系统设计 无人机飞行仿真系统本系统功能设计包括以下几个方面 (1)建立无人机及仿真环境 的场景模型 ； (2)三维地形 的构造及场景 的云雾光照效果 ； 收稿 日期 ：2007-12-30 作者简介：徐晓东(1979一)，男，吉林辽源人，硕士，实习研究员，研究方向：计算机仿真。 760 电脑知识与技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 本栏目责任编辑：贾薇薇 ．．．．．．计算机工程应用技术 ． (3)无人机飞行视景仿真系统场景的实时显示于交互式漫游实现： (4)无人机飞行姿态的变化及航迹实时显示； (5)系统场景的碰撞检测及响应。 、 系统采用面向对象的模块化思想，分为场景建模模块，模型数据转换模块 ，模型数据优化，纹理转换模块，交互操作模块 ，场景 实时渲染模块等几个部分，功能模块关系如图 1。 4无人机飞行模拟系统的关键技术研究 图 1 视景仿真 系统 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 4．1三维模型数据的构建和优化处理 OpenFlight是 MultiGen将所要仿真的环境与对象通过数据结构描述计算机三维通行对象的集合描述数据库，用来通知图像生 成器何时以及如何渲染场景。OpenFlisht数据库采用树状结构成此来组织管理场景数据。OpenFlight(．flt)~式再实时三维虚拟现实 领域已成为最流行的图像格式。可直接导入到 VegaPrime中进行实时交互应用程序开发，并已成为仿真领域的行业标准。 场景三维模型是整个视景仿真系统的基础 ，模型的好坏、繁简直接影响视景的驱动和系统的实时性。 无人机三维模型的建立可以有两种方法：一是在 MultiGen Creator中直接建模。也可以利用 3DMax建模贴上纹理，存为 3DS数 据然后导入到 MultiGen Creator，后一种方法适于利用已有的三维模型数据。复杂场景中的其他模型如建筑物等也利用此方法建立。 使用高分辨率的纹理可以为系统提供真实感的渲染效果，精确的纹理甚至可以替代低细节层次的模型，但是大量的使用纹理 也会增加系统开销，所以使用纹理映射 Mipmap技术，Mipmap可以产生精度不同的纹理特征，可以根据视点与目标的距离依次调用 相应大小和精度的纹理．这样可以节省系统资源而不影响系统模型的逼真度。 4．2虚拟场景的数宇地形的构建 地形数据建模目．标是得到高低起伏符合实际情况的地形轮廓。地形轮廓建模的目标是建立有高低起伏 、符合真实情况的地表轮 廓。地形模型构建方法采用高程数据转换法。通过对采样点插值生成地表轮廓曲面。，高程数据转换法的数据源直接来 自大地测量，可 信度好。真实感强。采用该方法生成地形轮廓，其基本步骤包括高程信息获取和高程数据转换。高程数据可以从 USGS网站上下载， Multigen Creator三维地形工具是根据各种地形的高程数据来构建地形模型的。高程数据转换是指由高程数据生成地形轮廓的曲面 模型。常见转换方法有德洛内(Delaunay)~ll多边形 'olymesh)网格剖分。Delaunay算法将每个采样点和其相邻点连接起来，形成不规则 间距的三角网络。该算法在同样面片数情况下产生的地形精确度好，适合处理山脊、峡谷和海岸线等情况。但其网格不规则地形纹理 的贴图处理困难。Polymesh算法的基本原理是沿经 、纬度方向每隔 N个高程点取样。作为地形轮廓的控制顶点。其优点是地形轮廓为 排列整齐的矩形网格。便于地形纹理的贴图处理。在 Creator中首先使用 Image2ded或 Raster to DED转换工具。从 DEM、DTED格式 地形照片中获得DED格式的地形高程数据信息。在地形转换时。并使用 Polymesh算法，并构造不同层次的LOD地形模型。 4．3LOD技术应用 针对飞行视景仿真的纹理多边形数量较多。为了减少场景的复杂度。加快场景的渲染速度，Creator提供了不同层次细节的模型 761 维普资讯 http://www.cqvip.com · 计算机工程应用技术 ······ 本栏目责任编辑：贾薇薇 (Level of Detail．LOD)，可以合理采用 LOD技术。LOD技术根据物体与视点的距离来选择不同的细节层 次，这样可 以大大提高渲染 的效率节省系统开销 Creator用了Moth方法来平滑相邻的 LOD模型的切换，使不同层次的 LOD模型过度自然，在 Morphing过程 中，给低端的LOD点位分配一个点位，较高层次的LOD模型载入系统后，优先显示该变形点本系统于是主要是把场景划分为具有 一 定长度的4个模型段。对于每一段，分别建造不同细节层次的模型，在本系统中．给每段模型都建造两个不同细节程度的模型。给 每一段场景模型都构建一个包围盒，用来判断视点与该包围盒的距离。当渲染场景时，根据离视点距离的远近，来选择不同的场景 模型。系统会根据当前视点位置距模型对象的距离选择其中的一个 LOD来显示模型对象，如果视点离物体较远．则使用由多边形数 目较少的低 LOD显示模型对象，随着视点向物体移动，实时系统会逐渐用越来越复杂的 LOD来代替。经过这样的处理大大减少相 邻模型的多边形数目，提高里浏览的速度与效果。 4．4仿真场景的运动控制 在Vega Prime软件 Lynx面板中定义 ADF文件 。应用定义文件中的其他场景 、对象、路径、导航等方法略述。设置各个参数完 成，保存为ADF文件，并在 VC环境中编译 ADF文件用以读取自定义位置坐标数据。 系统漫游是借助一定的运动模式来实现的。运动模型是一种位置策略，用户可以通过运动模板实现模型的动态定位。Vega Prime中用 vpMotion定义抽象的运动模型。运动模型可以应用在观察者observer上，也可以应用在物体 o~ect上。Vega Prime中 vpMotion这个抽象基类派生定义了七种运动模型：vpMotionDrive，vpMotionUFO，vpMotionWalk，vpMotionWrap等，本系统根 据漫游的需要 ．选用了 vpMotionWalk。 4．5碰撞检测 碰撞检测是保证仿真的真实性的关键环节。在 Vega Prime中抽象类 vp Isector定义了多种碰撞检测算法．可以根据各种不同环 境的需要，选择不同的碰撞检测算法，在系统实例树中，创建 CroundClamp子项，并选择 IsectorTripod作为碰撞检测算法。Tripod算 法提供了一个三维盒模型用于判断与场景地面或其他模型的干涉检测。当三维包围盒三个检测轴和目标物体发生相交时就认为碰 撞发生。碰撞检测还 引入 了消息机制 ，Vega Prime在 vp Iseetor中定义了 Event枚举变量来描述 碰撞事件 。当碰撞发生时消息订阅者 会收到 vp Isector：：EVENT _ H IT事件通知，当碰撞消失时消息订阅者会收到 vp Iseetor：：EVENT 事件通知。在程序中 _ CLEAR H IT 订阅事件 消息 ，随时捕获此消息 ，以便通知 系统什么时候碰撞发生 ，什么时候碰撞消失 ，并进行相应的消息处理。 5系统实现 无人机飞行视景仿真系统，用户通过操作键盘、鼠标等输入设备，实现预定路径，不同角度的观察效果，实现虚拟场景的漫游。 本系统是通过方向键实现前后左右移动、通过鼠标选择观察者所处空间的地理位置，以及观察方向来实现。渲染效果如图2。 图 2 无人机飞行仿真视景系统漫游效果 5结论 系统利用 MultiGen—Creator／Vega Prime软件平台，建立无人机三维模型，虚拟现实环境的构建，模型的运动控制和控制数据接 口的设计 ，通过 C++函数处理所得的三维模型数据 ，并将显示 、纹理映射 ，光照、雾化光照效果 ，及 LOD技术有机地结合起来 ．实现了 人机交互漫游等功能，逼真地再现了无人机飞行模拟仿真过程。不仅大大的缩短了系统开发的效率，而且取得了满足实时性和真实 感的渲染效果。 参考文献： [1】吴家铸．视景仿真技术及应用[M】．西安：西安电子科技大学出版社，2001．7． 【2】石教英．虚拟现实基础及实用算法【M】．北京：科学出版社，2002． [3】王乘，李利军，周均清．vega实时三维视景仿真技术[M】．武汉：华中科技大学出版社出版社，2005． [4]MultiGen—Paradigm Inc．Creating Terrain for Simmulations【M】．Version3．0．USA：MultiGen—Paradigm Inc，2004 762 电脑知识与技术 维普资讯 http://www.cqvip.com