基于無線通信網絡的分布式視景仿真系統開發*

徐恒杰，林 濤，張 鯤，張 利

（清華大學 微納電子系，北京 100084）

1 引言

視景仿真綜合運用計算機圖形學、多媒體技術、數據庫技術等，通過三維圖像、聲音等手段生動地展現仿真過程，使觀察者獲得比數字、文字、曲線等傳統形式更加直觀、深刻的感受[1]。基于此優勢，它已經獲得了廣泛的應用。同時，無線通信網絡的快速發展和普及促使對網絡性能方面的仿真和評估日益成為網絡通信研究的重要方面。國內近年來對兩者的研究都處于快速發展階段，但對兩者結合的研究工作尚處于初級階段。筆者把分布式視景顯示與OPNET網絡仿真平臺相結合，通過視景仿真技術來表現通信網絡的特征，對通信仿真結果中的非視覺物理量進行可視化顯示，并開發了比較豐富的視景顯示內容。

2 仿真系統功能設計

為逼真地展示分布式系統的網絡通信效果，把視景平臺設置成海洋戰場環境，并把各海上作戰模型作為網絡通信節點模型，模擬自然環境變化、噪聲干擾及通信節點移動、消失等因素對通信網絡性能的影響[2]。本仿真平臺不僅要能完成通信系統技術體制的性能分析，也要能進行通信網絡的組織運用分析，為通信網絡的優化配置提供參考。因此，通信網絡仿真平臺應能對預定的通信方案進行仿真分析。

本仿真系統的主要功能包括：1）模擬動態的海洋綜合環境。本系統綜合運用圖形化建模、軟件編程等手段，模擬了海洋的天空、云朵、海面等自然環境，并構建了環境數據庫（包括實體模型數據、紋理數據、地形數據等）。然后把這些環境內容依據不同的視景顯示平臺和視點位置做出渲染并顯示。2）通信網絡組建、仿真及可視化。利用工具選單在屬同一視景平臺的3D實體模型間組建通信網絡并通過后臺的OPNET網絡仿真軟件[3]仿真其通信過程，通信仿真結束后在相應視景顯示平臺用直觀可視化方式顯示非視覺物理量，如網絡拓撲結構、信噪比、誤碼率、通信頻段等。3）戰場效果模擬。本仿真系統設計開發了一些戰場效果，對節點模型的運動和攻擊、節點模型之間及與自然環境間的碰撞都進行逼真模擬，并制作了相應的爆炸、煙霧、火花、水柱、水花等特效。

從用戶角度看，本仿真系統需要擁有良好的人機交互界面。一方面，允許在仿真過程中靈活輸入各種組網或運動指令，對場景環境進行實時監視和控制，如自由改變視點、切換顯示畫面、改變海洋環境、發起通信或攻擊等；另一方面，仿真系統必須能夠生成合乎現實物理規律的三維場景，進行實時視景展示。由于分布式系統中各節點模型間既相對獨立又互相協同，仿真系統必須實時接收本地控制平臺和其他特定控制平臺的仿真指令和更新通報，以實現整個仿真系統的協調統一，反映全局態勢[2]。

3 仿真系統軟硬件實現

分布式仿真系統的設計要充分考慮當前應用要求和未來的擴展性，而且系統中的實體模型普遍較復雜、數據量大，還存在基于網絡的控制平臺之間的交互，因此必須充分考慮系統內模型和軟件模塊的可重用性和共享性。

3.1 硬件配置

根據仿真系統的功能要求，并考慮系統穩定性、可移植性和擴展性，本系統硬件主要由2個視景控制平臺和1個通信仿真平臺構成。2個視景控制平臺各模擬1支編隊的行為，同時兼具實時場景顯示的功能。系統的硬件結構如圖1所示。

整個系統處于局域網中，各硬件節點的功能如下：

視景控制平臺（Client）模擬海洋自然環境和Client編隊的各種行為，實現隊內成員間的組網通信及成員個體的運動、對敵攻擊等特性。編隊成員包括驅逐艦、預警機、直升機等5個節點模型。該控制平臺具有良好的人機交互界面，既能動態顯示場景內自然環境及Client和Server編隊節點模型的狀態屬性，又能對用戶的輸入指令精確響應。

視景控制平臺（Server）在系統中具有兩種功能。一是模擬場景中Server編隊的行為，其成員包括巡洋艦、戰斗機、預警機等5個節點模型，具備上述Client控制平臺的所有對應功能。二是充當交互數據庫服務器，雙方編隊的組網通信情況、通信仿真結果及所有節點模型運動、攻擊行為的更新數據都在該控制平臺內匯集然后發布，這種設計主要考慮到整個系統的可擴展性及控制平臺子系統間場景屬性更新的同步。該控制平臺在整個系統中處于核心位置。

通信仿真平臺利用基于專業網絡仿真軟件OPNET開發的通信仿真驅動程序，對2支編隊所組建通信網絡的性能參數如誤碼率、延時、信噪比等進行仿真統計和評價，然后反饋給視景控制平臺進行可視化顯示。通信仿真平臺對各編隊所有已建網絡都能仿真，但只與Server端進行數據傳輸，即所有組網信息及仿真結果都在它與Server之間進行傳輸，然后由Server判斷進行轉發或自用。

3.2 軟件結構

根據本仿真系統的功能要求和硬件配置，針對分布式系統的特點，本文對仿真系統進行了精細的模塊化設計。視景控制平臺的軟件部分主要由5大功能模塊組成，分別是模型數據模塊、仿真控制功能模塊、用戶交互功能模塊、網絡通信接口模塊和視景顯示功能模塊。這5大功能模塊中仿真控制功能模塊是居中的核心模塊，它又分成模型控制子模塊和系統控制子模塊。模型控制子模塊主要針對與節點模型本身相關的控制內容，如運動、發起攻擊、沉沒等，這些內容在各模型間具有某些相似之處，可以進行抽象化設計。系統控制子模塊主要針對和整個系統運行相關的控制內容，涉及到模型間的協調和整個仿真系統運行的可信度，是設計的最關鍵部分。軟件模塊的具體結構關系如圖2所示。

仿真系統開發中用到的支撐軟件包括：

1）預處理軟件，如三維建模軟件Creator和圖像處理軟件Photoshop。

2）視景支撐軟件，如可視化仿真軟件 Vega[1]和OpenGL三維圖形庫[4]。

3）通信網絡仿真軟件（如OPNET）。

4）開發平臺及語言，如VS2005，MFC和C語言。

3.3 系統運行機理

本仿真系統作為一個綜合性的仿真平臺，軟硬件結構復雜、涉及面廣，需要對系統結構進行精心布局，分步驟分階段地實現。整個系統的框架結構如圖3所示。

在框架結構中，處于核心地位的仿真控制單元將調度本地場景數據庫中的數據，處理來自用戶的交互指令和通信接口的請求，最后驅動視景顯示單元完成場景的渲染工作。本地場景數據庫單元管理著子系統的模型數據，這些數據包括地形數據、基本模型庫、紋理庫以及其他場景數據。場景模型可以通過建模工具進行優化，然后重新組合到數據庫中。用戶交互單元接收來自用戶的輸入，傳送到仿真控制單元執行。通信接口單元接收來自仿真系統中其他控制平臺的信息和請求，發送自身的信息和請求。視景顯示單元根據控制單元的驅動來完成用戶所訂制的顯示內容。

4 關鍵技術研究

4.1 OPNET仿真機制

OPNET軟件是美國OPNET Technology公司開發的大型通信與計算機網絡仿真軟件包，采用離散事件驅動的仿真機制，其中“事件”是指網絡狀態的變化[3]。其仿真核心通過維護全局事件列表來確保每一事件都在正確的時刻和模塊下被執行。在仿真粒度上，OPNET以Packet為基本通信單位來模擬網絡中數據的流動，一個Packet可以包含多個存儲信息的分組域。仿真過程中，節點可以根據實際情況創建、修改、檢查、復制、發送、接收以及銷毀分組。在建模層次上，OPNET采用3層建模機制來描述網絡：

1）網絡層，描述被仿真網絡的拓撲結構，如網絡的終端數量及其各自的位置。

2）節點層，OPNET中所有網絡設備（如交換機、路由器）都抽象地稱為節點。節點由一系列描述其特性的屬性構成。

3）進程層，描述節點內部具有的行為、決策和算法，如某路由協議的具體實現過程。

4.2 OpenGL圖形化繪制

本文所實現仿真系統的諸多界面效果采用OpenGL開放性三維圖形庫進行設計。OpenGL是輸出到圖形硬件的一個軟件編程接口，它包含有許多的命令，可以用來定義3D物體和交互式三維應用的各種操作[4]。利用OpenGL，本系統實現了半透明的操作選單及消息窗口；當網絡節點間發生通信時，OpenGL繪制的三維運動線段將表示通信鏈路，而且線段的顏色和粗細分別代表通信的頻段和流量；當鼠標指向該線段時，將彈出仿真數據窗口以顯示當前網絡的性能。下面以繪制三維運動線段為例說明OpenGL的使用，首先定義OpenGL所要繪制線段的顏色：

glColor3f（red，green，blue）；

定義線段的格式及其運動速度：

glEnable（GL_LINE_SMOOTH）；

glLineStipple（5，pattern）；

glEnable（GL_LINE_STIPPLE）；

glEnable（GL_BLEND）；

glBlendFunc（GL_SRC_ALPHA， GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA）；

glHint（GL_LINE_SMOOTH_HINT，GL_DONT_CARE）；

定義線段的粗細：

glLineWidth（lineWidth）；

glBegin（GL_LINES）；

glVertex3f（x1，y1，z1）；

glVertex3f（x2，y2，z2）；

glEnd（）；

glDisable（GL_LINE_STIPPLE）；

4.3 仿真實時性

在確保場景模型逼真度的前提下，如何提高仿真實時性一直是視景仿真領域的研究重點。三維實體建模一般分兩步：一是幾何建模，用基本面構建對象的立體外觀；二是形象建模，對模型進行增強視覺效果的處理。為降低視景系統的計算開銷，提高仿真實時性，在用Creator軟件進行建模時可以在保證物體模型的真實性和可塑性的基礎上，盡量使模型所含的面數最少[5]。這樣可以減少系統的存儲負擔，提高系統的渲染速度；而且單個多邊形有一系列的屬性和頂點，可以把許多屬性相同的多邊形整合成網格，就能使多邊形共享共同的屬性和頂點。在實時運行時，系統處理網格效能更高，可以大大提高運行性能和顯示效果。為減少組成模型的面片數，還可以通過紋理映射技術代替低細節層次的模型，這樣用極少的多邊形進行紋理映射后就能得到真實感較強的模型平面。大量高分辨力紋理的使用也會給系統帶來沉重負擔，為提高實時性，可以采用紋理拼接和Mipmap技術。紋理拼接可以使系統只調用視點觀察到的一小塊紋理，Mipmap技術可產生一系列精度不同的紋理。

4.4 碰撞檢測技術

仿真系統中節點模型間的攻擊行為以及節點模型與自然環境間的接觸等都涉及到碰撞檢測技術，碰撞后所觸發的一系列效果也是表現仿真真實性的重要內容。碰撞檢測的基本任務就是確定2個或多個模型彼此之間是否發生了接觸或穿透，本系統采用是否發生了線形相交的判斷技巧，實現了2種情形的碰撞檢測：1）視點與周圍環境模型的碰撞檢測，使視點變化時能隨地形或障礙物形狀而改變位置，不至穿透地表或進入障礙物模型內部；2）場景內節點模型與周圍環境模型的碰撞檢測，本系統為場景內所有模型均進行了碰撞檢測設置，而且依據對象類型分別設置了不同碰撞效果，如導彈擊中飛機或艦船將引發爆炸起火、飛機墜海時產生水柱、艦船碰撞時著火下沉等。視景仿真軟件Vega能夠對Creator建立的模型文件中各個不同的部分進行分類 （如地形可分為陸地、海洋等），然后設置標記，利用分類標記和碰撞對象還能夠實現碰撞發生后產生不同效果。

5 仿真結論

本文的軟硬件設計確保了仿真系統運行的實時性和逼真性，圖4和圖5顯示了本仿真系統的工作效果。隨著分布式仿真技術的發展，仿真系統將不斷向復雜化和大型化發展，使得大規模仿真成為可能。筆者提出的分布式視景仿真系統從結構上為大規模無線通信網絡仿真系統的研究提供了參考，下一步還可從增加分布式規模、加強網絡性能理論分析方面對其深入開發。

[1]王乘，李利軍，周均清，等.Vega實時三維視景仿真技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[2]劉健，劉忠，劉高峰.基于HLA的海戰場綜合環境仿真系統的開發[J].系統仿真學報，2008，20（11）：1-2.

[3]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]高穎，黃羅軍，許志國，等.基于OpenGL的某導彈視景仿真技術研究[J].兵工學報，2007，28（1）：125-128.

[5]王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.