基于Vega Prime的水下航行器視景仿真

莫劍飛

（昆明船舶設備研究試驗中心 云南 昆明 650051）

可視化仿真技術是數字仿真技術和計算機圖形顯示技術相結合的成果，它在數字仿真的基礎上，將數字仿真中產生的數字信息以圖形、圖像和動畫的形式呈現在研究者面前，并且提供直觀的交互手段。其三維實時動畫顯示技術，已經在模擬訓練，虛擬顯示中得到了廣泛應用。

文中在圖形工作站上開發了一個水下航行器運動可視化仿真軟件，實現對水下航行器三維模型的靈活觀察，對水下航行器攻擊過程的三維動畫表現以及海下環境的實況模擬，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系，較好的實現了水下航行器運動的可視化。

1 運動模型

本仿真系統中，水下航行器采用尾追導引法彈道。尾追導引法是指水下航行器在攻擊目標的過程中，水下航行器的速度矢量始終指向目標的一種導引方法[1]?？臻g相對運動方程為：

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

水下航行器在水平面運動的軌跡方程為:

水下航行器在垂直面運動的軌跡方程:

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

在本仿真軟件中，目標水面船只采用直線運動模型。水下航行器與目標在水平面運動軌跡如圖1所示。

2 虛擬場景構建

虛擬場景構建分為三維實體建模和地形生成。

2.1 三維實體建模

圖1 水下航行器與目標水平面運動軌跡Fig.1 The horizontal trajectory of underwater vehicle and target

在可視化仿真中，逼真性、準確性、實時性是建立三維模型的三大指標。Multigen Creator是Presagis公司出品的實時三維建模工具軟件系統，它提供了強大的多邊形建模、矢量建模及大面積地形精確生成等功能[2]。其對三維模型的集成和優化使得模型更加滿足實時性和交互性，在保證逼真度前提下更適合于虛擬場景的再現。Creator獨創的OpenFlight格式是針對實時可視化應用而設計的一種數據結構，它采用節點式的分層機構，特別適合于實時渲染操作。Creator的層次細節LOD（Level of Detail）技術，可根據物體與視點的距離來選擇不同細節程度的模型，這樣可以大大提高渲染效率并節省系統開銷。

建立三維實體模型一般需要經過獲取實體數據、確定層次結構、三維建模等幾個步驟。建模時需要按照實體的結構和功能進行層次分析，由實體的數據，根據所設想的層次結構利用建模工具逐層進行建立，后續整理通過刪減冗余面、調整和保存紋理、調整層次結構等工作來優化模型。

在本系統中，對潛艇、水下航行器、水面艦船進行了合理精度的建模，完成的模型及層次機構如圖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

在視景仿真系統里，具有真實感的三維海底地形有著廣泛的應用，它不僅可以用來制作虛擬現實環境中的各種海底環境，還可以提供地理信息系統中資源的三維定位、地理查詢、路徑規劃等功能。另外，它在艦船導航、海洋勘探、電影制作、游戲娛樂等方面都有比較好的應用前景。

圖3 水面船只預覽圖Fig.3 Preview of surface ship

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

3D地形環境的建立是將包含高程信息的數字地圖數據文件進行網格化處理和內插計算，生成由許多小網格及多邊形構成的有高低起伏的曲面地形，這樣就根據帶高度信息的數字地圖生成了虛擬3D地形。為了增強3D地形的逼真度，可采用該地區遙感圖片和航拍照片，經計算機圖像處理后作為地貌紋理貼在3D地形曲面上，就可構成所需的地形地貌模型[3]。

Creator利用Delaunay算法完成從數字地形高程數據到3D地形模型的建立。 圖5是利用Creator制作的三角網海底地形模型。

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

3 視景仿真程序設計

Vega Prime是用于虛擬現實、實時視景仿真的一個業界領先的實時三維渲染引擎[4]，它提供了Lynx Prime圖形用戶界面[5]、可由C++調用的類庫、應用程序編程接口及可擴展插件/模塊。本軟件采用Visual C++2005和Vega Prime來開發實現，用面向對象技術對系統進行封裝。根據系統功能需求，分為如下幾個主要功能：

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，仿真過程中根據需要動態加載潛艇、水下航行器、水面目標等模型。

2）數據生成：根據水下航行器導引控制方程及目標運動模型實時求解實體坐標，并傳至驅動控制模塊。

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

4）驅動控制，實時獲取水下航行器、目標的運動參數，根據實時參數更新實體模型的位置和姿態，實現三維動畫仿真。

5）視點控制：完成水下視景仿真的各個觀察點的切換，實現多視點觀察模式，方便用戶進行觀察。

6）特效及環境效果控制：模擬常見的自然環境現象。模擬實體（水下航行器，水面船只）航行尾流，水下航行器命中目標后爆炸產生的煙和火焰。

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是Vega Prime開發工作中非常重要的問題。所有的仿真效果都必須通過對視點的控制才能在屏幕上表現出來。為了能清晰地展現仿真的流程，使觀察者既能對場景進行宏觀了解，又能對關鍵事件進行細致觀察，本仿真軟件綜合使用了全景模式、固定觀察點、跟蹤模式及動態視點模式，根據仿真進程在幾種模式間動態切換，實現了從不同角度觀看仿真過程，同時使觀察更加自然、流暢。其中，全景模式就是以全局的角度來對整個場景進行觀察，在全景模式下可以讓觀察者對場景進行宏觀上的了解。跟蹤模式指把視點固定捆綁在某個運動實體附近，讓視點隨著該實體的運動而運動，從而實現對該實體在場景中運動情況的跟蹤觀察。固定觀察點就是視點位于某一固定點，觀察可視范圍內發生的各種事件。動態視點模式根據待觀察位置及當前視點的位置，實時計算下一幀視點的位置及視線方向，從而保證對感興趣事件的持續、流暢的觀察。圖 7為視景仿真效果，其中（a）圖為放射場景，（b）圖為固定觀察點效果。

圖7 視景效果圖Fig.7 Effect of visual

為了能增加仿真環境的逼真效果和真實感，營造虛擬環境的氛圍至關重要。Vega Prime能夠模擬各種常見的自然環境現象[6]，包括藍天、云層，光照以及動態海面海浪、水面船只航跡（船頭、船身、船尾波）。在虛擬試驗場景中加入霧化效果可以使場景產生更強的縱深感和距離感，使遠處的景物產生朦朧感，可以增加水下場景的真實感。水下航行器、潛艇在運動過程中都會產生尾流，水下航行器命中目標后會發生爆炸產生煙和火焰。在仿真程序設計這些特殊效果并在適當的時機觸發，從而極大地增加視景仿真的真實感。圖8展示了命中目標后的特效。

圖8 命中目標效果Fig.8 Effect of target

圖7 解析后生成的數據文件Fig.7 The data files generated by parsing

圖8 A1信道的幀數據文件Fig.8 The frame data files of A1 channel

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