基于粒子系統的箔條干擾視景仿真

馬 力,馮 淞

(1.海軍駐揚州723所軍事代表室,揚州 225001;2.海軍航空軍械修理所,上海 200436)

0 引 言

某型飛機箔條質心干擾訓練模擬器的開發中,需要建立虛擬戰場環境,其中箔條干擾投放后形成的箔條云特效的實現是體現仿真逼真度的一個重要指標。箔條云的形成和擴散都有較強的隨機性和離散性的特點,屬于模糊不規則物體。

本文闡述了基于粒子系統的箔條云特效實現方法,通過在視景仿真軟件Vega中進行粒子系統設計,實現箔條云的爆炸效果,完全滿足系統的實時性和逼真性要求。

1 粒子系統原理

粒子系統的基本思想是:采用大量的、具有一定生命力和屬性的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規則的模糊物體,其表現形式與傳統的圖像合成表現形式是不同的,首先一個物體不是通過一系列表面元素(像多邊形或網格塊)來定義它的邊界,而是通過一系列粒子來確定它的形體;其次,一個粒子系統不是一個穩定的統一體,隨著時間的變化,粒子的形式和運動狀態將發生變化,新的粒子將“誕生”,舊的粒子會“死亡”。

在粒子系統中,每個粒子圖元具有形狀、大小、顏色、透明度、生命期、運動速度和運動方向等屬性,這些屬性都是時間的函數。每個粒子都要經歷產生、運動和消亡3個階段。一個粒子的屬性主要取決于具體的應用。

粒子系統生成單幀圖像的過程如圖1所示。粒子系統是不斷變化的,在生命期的每一刻,都要完成以下4步工作:

(1)粒子源產生新粒子:產生任意數目的新粒子,其初始屬性由隨機過程控制。每個粒子都有一個生命期,如果某些粒子不應刪除,則可賦予它無限長的生命期。

(2)更新粒子屬性:更新現存粒子的屬性。

(3)刪除“死”粒子:檢查粒子的生命期,若為0則將粒子從系統中刪除。

(4)繪制粒子:顯示粒子系統中所有現存粒子。

圖1 粒子系統生成單幀圖像的過程

2 基于粒子系統的箔條云模型

根據粒子的屬性,結合箔條干擾特征,建立基于粒子系統的箔條云模型,可表示為:MC(P,V,σ)=g(FParticle),其中P為箔條干擾位置,V為箔條云運動速度,σ為箔條干擾雷達截面積。

3 Vega中粒子系統屬性設置

Vega特殊效果模擬模塊提供了可擴展的粒子系統設置面板,用戶可以在 LynX圖形界面中方便地定義各種復雜的粒子系統,甚至可以支持動態地更改屬性設置,從而能夠交互地創造出基于粒子系統的自定義的特殊效果。

(1)粒子生命周期

粒子系統中的粒子不是從產生開始一直存在的,由粒子源產生的粒子都要經歷產生和活動而消亡,然后再進入下一輪的循環。

Vega自定義粒子系統以秒為單位來設定粒子的生命周期。箔條云粒子系統中,選取一個粒子生命周期來描述箔條云從爆炸成型到飄散消失的過程,箔條留空時間越長,則設置粒子生命周期時間越長,系統中設置為30 s。

(2)粒子個數

就單個粒子而言,實時系統對粒子的繪制和動態更新對圖形生成的影響比較小,但可能會給圖像硬件在光柵化階段帶來潛在的較大負載。所以,粒子數量設置時要盡量避免在同一位置上產生數量過多的粒子。在滿足仿真逼真度的前提下,將箔條云的粒子個數設置為800。

(3)粒子源

粒子系統中的所有粒子都是由粒子源產生的,所有的粒子都是從這個平臺發射出來的。粒子源有2個重要的性質,即粒子源形狀和粒子源大小,它們一起確定了粒子發射平臺的外形特征,從而決定了粒子產生的初始狀態。將箔條云形成的初始形狀近似看作球體,成形后的雷達有效反射面積(RCS)不小于σ,所以在箔條云粒子系統中將粒子源形狀設置為球形,半徑近似為

(4)重力矢量

箔條云垂直方向的運動速度由箔條重力決定,影響箔條重力的主要因素是所選用的材料,一般鍍鋁玻璃絲的下降速度為0.3 m/s。重力矢量是粒子系統中的常量,它定義了1個矢量用于描述重力角速度對粒子系統的影響,將箔條云粒子系統的重力矢量設定為(0,0,-0.3)。

(5)風速矢量

箔條云水平運動的速度主要由風速決定,在粒子系統循環過程中風速可以隨著時間變換,通過LynX中設置(如圖2),粒子在生命周期的前0.6個周期中速度為(4,-2,0),后0.4個周期中速度為(2,-1,0),可以依據不同環境對風速進行設置。

圖2 風速時間-屬性設置面板

(6)隨機速度

隨機速度用于給粒子系統中的粒子運動添加隨機效果,使得粒子空間擴散的運動方向隨機,同時,速度矢量也是指定范圍內的任意值。箔條云粒子系統中設隨機速度為8,則粒子運動速度可能是0～8之間的任意速度,增強系統的真實感。

4 Vega應用程序中的調用

箔條質心干擾訓練模擬器中采用控制臺程序建立虛擬仿真應用程序。如圖3所示,在程序中建立Vega應用的3個必需的步驟為:

(1)初始化:這一步初始化Vega系統并創建共享內存及初始化參數;

(2)定義:在Lynx中設置仿真程序的基本內容,并生成相應的應用程序定義文件.adf。

(3)配置:通過調用配置函數來完成配置。配置完Vega系統后,就開始了Vega應用的主循環,主循環的作用是對三維視景進行渲染驅動。它主要分2步:

(a)對于給定的幀速進行幀同步。

(b)對當前的顯示幀進行必要的處理。

圖3 程序運行流程圖

以下顯示了1個最小的Vega應用程序:

通過操作桿上的按鍵觸發消息,在Vega主循環中調用回調函數,回調函數中通過以下語句啟動LynX中設定好的箔條云特效,實現箔條云效果仿真,如圖4所示。

圖4 箔條云效果圖

5 結論

在研制某型飛機箔條質心干擾訓練模擬器中,采用基于粒子系統的箔條云效果建模方法,很好地實現了箔條云的模擬顯示。該模擬訓練器已研制完成并應用于教學、訓練中,取得了良好效果。

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