一種用于虛擬戰場環境的觀察者自由定位模型算法

摘 要：針對目前Vega環境中觀察者視點定位方法存在的缺陷，系統分析Vega中觀察者觀察場景原理，提出一種用于虛擬戰場環境的全角度視點模型，并對該模型算法進行分析。最后，通過仿真實驗，總結該算法的優勢所在。

關鍵詞：觀察場景；視點定位；虛擬戰場環境；全角度視點模型

中圖分類號： TP301.6 文獻標識碼：A

1 引 言

一般的VR引擎對于場景的顯示都是通過“觀察者（Observer）”機制來實現的。觀察者的視點方式就是從空間某一個具體的位置觀看某個局域場景。這種視點方式控制著視景截錐體（Viewing Frustum）的視覺表現。VR技術輔助全局視圖顯示，當用戶需要查看某個作戰實體的任務狀態的時候，VR技術需要提供作戰實體任務狀態的場景顯示。作戰任務不同，作戰執行地點不同，若始終采用單一的觀察者模式來觀測場景，會影響觀察效果，因此需要根據作戰任務的不同實現用戶觀察模式的多角度自由變換。

2 Vega環境中觀察者視點定位

Vega開發環境中提供了封裝觀察者功能的類vgObserver。實現一個vgObserver實例，可以有兩種方式［1］：一種是Lynx面板方式，一種是API實現方式。無論何種方式，都需要通過觀察者實例與運動模式、運動體、靜態坐標系、動態坐標系、場景等一系列其他實例相關聯，而且觀察模式十分單調，只有靜視點、動視點、束縛視點、導航視點等幾種固定方式。動視點實現了動態觀察，但是其運動模式十分有限，只包括旋轉、駕駛、羅盤等幾種模式。在程序編制上，一個視點的生成，典型步驟需要經過獲取位姿、獲取位姿矢量、定義運動體、定義觀察模式、定義偏移矢量等幾個步驟。這些步驟有以下缺點：

1）需要頻繁定義運動模式（vgMotion）和運動體（vgPlayer），同時也不利于類實例的管理；

2）程序編制工作量大，不便于模塊集成；

3）視點方式不自由，受控于Vega系統內核；

4）運動體一般與矢量交叉（vgIsector）相關聯，矢量交叉處理不好，隨動視點易發生觀察失真。

近年來，國內有多篇文獻提到Vega環境中自定義視點問題。文獻［2］提出了一種用戶自定義運動模型視點定位方法，主要包括下列步驟：1）vgMotionCallbackStruct重寫用戶自定義運動模型。2）vgMotRegister函數注冊自定義運動模型回調函數。3）利用pfCallloc函數為回調數據分配內存。4）調用vgUserData函數為運動模型實例初始化回調數據。5）設置VGMOT_MODEL屬性值為VGMOT_USER1，確認用戶自定義方式。文獻［3］所提出的方法和文獻［2］的方法一致，但是文獻［3］添加了鼠標控制。上述方法本文曾進行實驗，這些方法對于用戶控制鼠標觀察場景確實提供了靈活性，但不方便視點的快捷切換。

3 全角度視點模型

3.1 Vega中觀察者觀察場景原理分析

Vega中的位姿主要通過六個矢量（X、Y、Z、H、P、R）來定義。其中，X、Y代表平面坐標位置，Z代表高程。H（Heading，側擺）代表繞Z軸正向的逆時針旋轉矢量；P（Pitch，俯仰）代表繞X軸正向的逆時針旋轉矢量；R（Rolling，滾動）代表繞Y軸正向的逆時針旋轉矢量。六個矢量的位置關系如圖1所示。

3.2 全角度視點模型算法分析

在觀察者的觀測過程中，主要通過調整自身的側擺和俯仰來完成對物體的觀測。首先我們可以推導出側擺偏移量，如圖2所示。

以目標點作為坐標中心，觀察者（Observer）的空間坐標在二維平面上的投影為P'點，那么P'有可能落入二維平面的四個象限中。以第一象限為例，若P'點相對于目標點的坐標為(dx，dy)點，若觀察者想觀察到目標，根據左側擺為正，右側擺為負的原則，側擺角度為（假設arcsin 輸出為弧度，θ取角度值）：