嵌入式智能沙盤上位機的實現與研究

東北大學通信與信息系統研究所 沙 毅 王志遠 隋金坪 候淇濱

嵌入式智能沙盤上位機的實現與研究

東北大學通信與信息系統研究所 沙 毅 王志遠 隋金坪 候淇濱

沙盤在當今社會尤其是戰爭方面仍然扮演舉足輕重的角色。虛擬電子沙盤與實物沙盤的結合更能反應出真實的地形地貌，給人以大局與細節的統籌。本文采用模擬簡單山地地形，深入淺出地詳細闡述智能沙盤系統的幾大主要模塊技術：地形三維數據的處理技術，PC機上的可視化技術，嵌入式控制技術，等。

智能沙盤；嵌入式；地形仿真

1.引言

隨著科學技術的發展，我國也在加快軍隊信息化現在化建設的腳步，作為非常重要的作戰工具——沙盤，沙盤的智能化對部隊信息化建設起到了非常重要的作用。

目前普通沙盤只能對一塊地形或一個建筑群進行模擬，要想再獲取其他地形地貌的信息，就必須另制沙盤。智能沙盤可以靈活多變，不拘泥于一種地形的限制，從環保角度考慮，節約了大量的原材料以及資金，從時間角度考慮，通過傳來的三維數據，可以快速的模擬出不同地區的地形地貌，并同時配以三維仿真技術進行效果輔助。

2.嵌入式智能沙盤原理及實現流程圖

智能沙盤其原理是利用步進電機陣列（軸桿）托起沙盤平面，通過控制電機，使陣列各個軸桿上升不同高度，以構成各種各樣的沙盤地形。通過嵌入式操作系統可以實現一個智能沙盤的重復利用。通過曲面擬合算法、曲面分割采點等算法對目標地區相應地理三維數據、地理信息進行處理、整合，再結合嵌入式技術，控制步進電機從而模擬出目標地區地形地貌，并同時在PC機上配以基于VC++ OPENGL的三維仿真效果。其主體結構框圖及實現流程圖如圖1、圖2。

圖1 主體結構框圖

圖2 智能沙盤實現流程圖

3.嵌入式智能沙盤實現技術

3.1 地形數據的處理

3.1.1 數據高程模型（DEM）簡介與獲取

DEM是一定范圍內規格網點的平面坐標（x，y）及高程（z）的數據集，主要是描述區域地貌形態空間分布，由其可派生出等高線.坡度圖等信息。建立DEM的常用方法主要有以下幾種：

(1)直接從地面測量。

(2)根據航拍測量途徑獲取數據。

(3)從現有地形圖上采集。

3.1.2 地形曲面的插值擬合

在地形曲面的插值擬合中，是基于matlab中的griddata函數完成的。Matlab中的griddata函數可以將位于同一空間坐標系下的散點插值為規則格網，提供了包括基于Dclaunay三角形的線性插值、三次多項式插值及最近點插值，可以方便地實現結合鄰近離散點分布特征的光滑曲面擬合。

3.1.3 地形數據的采樣

根據硬件部分所有電機進行矩陣排列，在matlab中對所擬合好的曲面進行曲面分割，此過程是基于matlab中的interp2函數完成的，使得采樣出的每個高程數據都能對應相應位置的步進電機。將采出的的高程數據進行數據等價轉換，轉換為電機旋轉的脈沖，通過串口傳輸至嵌入式控制模塊。

圖3

數據的插值擬合、采樣部分代碼如下：

3.1.4 matlab的后續處理

在完成插值擬合，采點的基礎上，借助matlab，可以觀察到插值擬合后的真實圖樣，以及由采樣點形成的仿真圖樣，可以通過兩圖的對比，可以觀察到兩者之間是否存在較大差異，若出現較大差異，則可通過增多或改變采點模式來改善仿真圖樣，以使其更加接近真實圖樣，使其真實展示現實。另外可借助matlab中的contour3（），contour（）來顯示地形的三維等高線和二維等高線，使非常直接的清楚的了解地形特征。（圖形為隨意舉例出的，見圖3、圖4）

圖4

3.2 PC機上的可視化

3.2.1 OPENGL簡介

PC仿真是基于VC6.0上封裝的OPENGL圖形庫完成的。OpenGL是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統和操作系統，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；OpenGL可以與V C++緊密接口，便于實現機械手的有關計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡便，效率高。它具有七大功能：包括建模、變換、顏色模式設置、光照和材質設置、紋理映射、位圖顯示和圖像增強、雙緩存動畫等功能，可以逼真的仿真模擬出地形，是實現沙盤PC機上可視化的最佳開發平臺。

3.2.2 仿真地形的生成

3.2.2.1 場景坐標系

在從場景物體位置轉化成設備坐標系位置，最后物體顯示在屏幕上的過程中存在四種坐標系：建模坐標系(Modeling Coordinate)，世界坐標系(World Coordingate)，規范化設備坐標系(Normalized Device Coordinate)和設備坐標系(Device Coordinate)。

3.2.2.2 圖形變換

圖5 頂點變換過程

圖6 云的繪制流程圖

三維圖形的顯示是一個復雜的過程，首先將世界坐標系中的三維物體經過一系列三維幾何變換，為了使要顯示的物體位置、大小和方向適當，還必須要經過投影，然后在通過定義一個三維視景對物體進行裁剪，只顯示出投影在視景內的部分；接著在屏幕窗口內定義一個矩形，稱為視口，視景體投影后的圖形就在該視口內顯示；最后通過再做一些適當變換，使圖形在屏幕坐標系中顯示出來。

在基本OPengl渲染過程中主要有以下幾種變換：

(1)視圖變換：用于指定觀察者的位置和方向。在一個場景中，我們希望改變觀察者的位置和觀察者角度。用于改變觀察者方位和角度的變換，就是視圖變換。觀察者位于點(0,0,0)，且視線朝著-Z方向。也就是說，只有在Z<0的地方繪圖，才有可能被觀察到。

(2)模型視圖變換：移動和變換場景中的模型。此變換用于移動和旋轉場景中的物體。使用模型視圖變換完全可以代替視圖變換。模型變換主要包括：模型平移glTranslate{fd}（TYPEx，TYPEy，TYPEz）；模型旋轉glRotate{fd}（TYPE angle，TYPEx，TYPEy，TYPEz）；模型縮放glScale{fd}（TYPEx，TYPEy，TYPEz）。

(3)投影變換：對視見空間進行裁剪和扭曲；投影變換有兩種形式，及平行投影變換和透視投影變換。透視投影變換，對于相同大小的物體，離視點越近投影越大，離視點越遠投影越小，遠到極點時消失成為滅點。平行投影，無論物體距離相機多遠，投影后的物體大小尺寸不變。平行投影直接把物體投影到屏幕上，反映了物體的真實大小，主要用于工程圖紙繪制方面。

(4)視口變換：對最終輸出進行縮放；視口變換就是將視景體內投影的物體顯示在二維的視口平面上。運用相機模擬方式，將經過幾何變換、投影變換和裁剪變換后的物體顯示于屏幕窗口內指定的區域內。

下面簡單介紹頂點變換過程：OpenGL將圖形顯示在屏幕上要經過多個變換過程，對應三維圖形顯示過程，OpenGL中物體頂點的變換過程如圖5所示。

3.2.2.3 光照系統的設置

光照系統主要分為光源、模型材質、光照模型三個部分。材質是指構成三維實體的材料在光照模型中對于紅、綠、藍、三原色的反射率，其定義分為環境、漫射、鏡面反射成分，通過材質定義可以大大提高所繪制的三維場景的逼真度。而光照模型主要有環境光、漫射光、反射光等。可逼真模仿真實光源效果。

3.2.2.4 紋理映射

顏色紋理生成的方法一般是預先定義紋理模式，然后在物體表面的點與紋理模式的點之間建立對應關系，即物體空間與紋理空間對應。當物體表面的可見點確定后，接著用紋理模式的對應點參與到光照模型計算中，這樣就可把紋理模式加在物體表面上。紋理映射技術將在現實世界拍攝的位圖文件映射到物體的表面，使我們感覺到物體的外觀與現實世界中的真實物體一樣，增強了所繪制物體的真實感。該過程采用的是BMP格式的位圖。

3.2.2.5 仿真地形天空的生成

在進行虛擬3D場景構建時，一般都需要生成天空場景。在此采用盒子的方法生成天空，這種方法是首先繪制一個多邊形，然后再進行紋理貼圖。當紋理貼圖使用得很好時盒子式的天空也會取得很好的視覺效果。但當紋理使用不當時在一個較大多邊形邊上的紋理易產生拉伸變形。此方法通常在繪制透過窗戶的天空時被采用，而在繪制戶外場景時不適合采用，天空中的云也是采用紋理貼圖技術來實現的，圖6是云的繪制流程圖。

3.2.2.6 山地起伏的實現

在地理科學描述山地的方法，一般使用山地等高線來描述。等高線圖可以形象地反映山地的情況，在計算機圖形處理技術上，等高線地圖給我們提供了還原山勢地貌的可行性。該過程中，采用灰度等高線圖，用黑白色的深淺表示山勢的高低。使用InitTerrain（…）建立地域數組函數，由圖形讀出對應點高度，灰度等高線圖的制作可通過matlab完成，可利用matlab中的mat2gray（）函數進行繪制，最終再進過Photo shop的加工修飾就可得到（見圖7）。

3.2.2.7 3DS模型導入

模型信息包括模型的頂點，圖元類型，頂點法線，模型的材質等，但由于openGL只提供了最基本的圖元繪制方法，所以在繪制具有大量圖元的復雜物體時，顯得力不從心。由于。3ds模型文件格式是很常用的格式，所以采用3DSMax建模，可根據地形需要在3DSMax進行建模，后根據其所在位置，進行導入。這樣就可使觀察者有未到其地，便觀其物之感。

圖7 灰度等高線圖

4.結束語

智能沙盤新型靈活，并可重復使用。所采用的技術手段具有面向性，并不針對某一特定地區，原則上只要我們可以獲取目標地區三維數據信息，即可應用智能沙盤進行模擬，方便快捷，而且節約材料，可重復利用，有利于環境保護和可持續發展。

[1]費廣正,喬林編著.Visual C++6.0高級編程技術OPENGL篇[M].北京:中國鐵道出版社,2000,9.

[2][美]Dave Shreiner主編。OPENGL編程指南[M].機械工業出版社,2010,3.

[3][美]亨塞爾曼編著.精通Matlab7[M].清華大學出版社,2006,5.

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[5]陳本富,王貴武等.基于Matlab的數據處理方法在GPS高程擬合中的應用[J].昆明理工大學學報,2009,10.

沙毅（1959—），男，東北大學通信與信息系統研究所副教授，1982年7月獲得北京航空航天大學無線電通訊專業學士學位，1988年4月獲西北工業大學數字信號處理方向碩士學位，2000年9月晉升為副教授，主要研究方向：軟件無線電理論與應用技術研究，圖像處理與識別技術研究，嵌入工系統與FPGA、DSP技術研究，GPS與GSM/GPRS結合的定位和跟蹤系統研究，無線射頻卡（RFID）應用技術研究。