空間應用仿真支持平臺的研究與實現

李澤朋，馬純永，陳 戈

（中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島266100）

0 引 言

空間任務是一項耗資巨大、變量參數多、較為復雜的系統性工程，其設計方案的論證很難在真實環境下進行，因此為了對設計方案進行有效的分析和評估，將虛擬現實技術應用于航天領域成為了必然趨勢［1］。與復雜的空間數據集相比，基于虛擬現實技術的仿真系統對空間任務場景的模擬顯得更為直觀有效。成熟的空間任務論證仿真系統能夠對新的空間任務技術和成本進行可行性論證、立項論證的分析和評估［2］。目前國外相關仿真系統的發展已相對完善，比較有代表性的是STK軟件 （STK定義請參見文獻［3］），它能快速方便地分析復雜的衛星仿真任務，提供易于用戶理解的圖表和文本形式的分析結果。而當前國內對于相關系統的研究還處在起步階段，隨著我國空間技術的快速發展以及空間任務本身多樣化、復雜化的特征，研究并構建能夠在相關領域占據核心地位的仿真平臺是一項亟待解決的問題。為此，我們基于VC＋＋和OpenGL設計并實現了空間應用系統仿真支持平臺，并通過相關實驗驗證了該平臺的實際應用價值。

1 系統的框架設計

1.1 系統框架

在系統的整體架構設計上，空間應用仿真支持平臺共分為4個相對獨立的層：表示層、功能層、控制層及數據處理層。系統的框架結構如圖1所示。

（1）表示層：對底層功能及操作控制直觀的UI表示，具有空間仿真所需的友好的用戶界面和便捷的交互手段。

（2）功能層：平臺多種功能的描述。提供多通道輸出、視錐交互、基本場景元素的渲染及模型庫屬性操作等多種功能組件接口實現平臺功能的分類管理。

（3）控制層：控制功能層的渲染方式及模型庫的信息存儲。分類管理場景基本元素對其顯示屬性進行標定，通過仿真過程時間線的控制來設定仿真的實時模式和演示模式。

（4）數據處理層：整個渲染的驅動和模型數據信息的來源。接收仿真數據計算控制器封裝后的數據，對仿真數據進行解析分類利用ICE分布式通信接口分發給控制層。

空間應用仿真支持平臺的分層設計提高了系統的整體框架的靈活性，本層級的功能維護不會影響到其他層級，層級與層級之間通過特定的通信接口進行交互，使得各個模塊在相對獨立的基礎上高效的實現各自的功能。

圖1 系統整體架構

1.2 系統仿真數據流

通過仿真數據接收器、仿真數據計算控制器、模型屬性數據庫、空間應用仿真支持平臺的渲染管理集等多個模塊進行數據流的傳輸，系統平臺最終實現空間任務的仿真。整個過程所涉及的所有的數據傳輸都是基于ICE（internet communications engine）中間件來實現的。圖2為系統整個仿真過程的數據流圖。

圖2 仿真數據流

2 仿真過程的關鍵技術

2.1 面向對象的數據傳輸

ICE （internet communications engine）是一種由 ZeroC開發的面向對象的中間件平臺，其適合在異構環境中使用，客戶端和服務器用不同的編程語言編寫，可以運行在不同的操作系統和機器架構上［4］。考慮到ICE中間件架構在應用開發中的種種優勢如數據報協議 （UDP）支持、異步方法分派、嵌入的安全機制、代碼的開源性等［5］，我們在平臺中選用ICE中間件來進行相關的數據傳輸。

在利用ICE進行數據傳輸時，首先要利用Slice語言定義各傳輸接口，由于平臺采用C＋＋程序開發，故需要將Slice語言映射為C＋＋。在數據傳輸過程中，客戶端與服務器表示在某個數據傳輸請求從發起到數據傳輸結束，平臺數據傳輸應用模塊某些部分所承擔的角色。由于系統數據傳輸的雙向性，仿真平臺既是客戶端又是服務器。仿真數據在向平臺進行傳輸時，平臺通過調用ICE中間件的API函數在其內部建立一個對象適配器。通過實例化該對象適配器，在服務器中加入用于數據通信傳輸的服務線程，調用適配器的添加方法將該服務線程交給適配器并加入標識符，我們最終激活適配器。一旦適配器被激活，服務器就開始處理來自客戶端的請求并最終完成數據傳輸。

2.2 骨骼動畫的渲染加速

在空間任務的實時仿真過程中，用戶常常要求系統能夠真實的模擬航天員的在軌操作或空間機械臂的旋轉、伸縮及抓取等多種仿真任務，這些任務最終需要利用骨骼動畫來實現。這是因為骨骼動畫較之以前的動畫方法，具有占用空間小等優點。但是其代價是伴隨著計算量的增加繪制效率會逐步降低。骨骼運動歸根到底是一系列復雜的計算，主要包括動畫的相鄰幀之間的插值計算，骨骼點及皮膚網格頂點的新位置及其朝向的計算，父子骨骼間矩陣的相互影響等，在這中間還常常涉及到大量的計算結果的保存。因此，隨著骨骼結構復雜度的上升，相應骨骼運動所必需的復雜計算的密集度也會成倍的增長。這勢必會影響動畫的渲染效率，降低仿真平臺的性能。

基于上述問題，空間應用仿真支持平臺引入了CUDA（compute unified device architecture）技術。CUDA 技術的核心是充分利用硬件設備來進行并行計算，其程序的基礎開發語言為C語言［6］，CUDA這種通用的并行計算架構能夠高效的利用GPU來完成復雜的圖像相關的運算。傳統的渲染運算是由CPU來完成的，CPU通過高速運算將結果傳輸到內存，系統又從內存中調取運算結果至顯存來實現渲染。整個過程除CPU的運算負荷較高外，運算結果的傳輸也耗費了大量的時間。然而CUDA技術的引入使得仿真平臺在渲染骨骼動畫時將大部分繁瑣的骨骼運算轉移到GPU，GPU通過創建多個不同的線程來進行復雜運算，運算的結果直接保存在顯存內部，同時它對該過程進行統一的管理，保證各線程之間并行運行。利用這種并行計算技術很大程度上降低了CPU的運算負荷及數據傳輸的開銷，提高了骨骼動畫的渲染效率使得空間任務展示模塊能夠快速流暢的運行。圖3為某空間站太陽能帆板展開后的效果。

2.3 飛行器尾焰仿真

在仿真平臺中模擬飛行器的空間飛行狀態時，需要對某些飛行器的尾焰進行高逼真度的仿真，而粒子系統渲染技術的引入可以很好解決這個問題。粒子系統的基本思想是通過具有一定生命周期和屬性的大量粒子的不規則運動來實現動態模擬［7］。然而隨著粒子數量的不斷增加，在達到逼真效果的同時，粒子的大量運算會使系統的效率大幅下降。為此，在進行飛行器尾焰仿真時，我們基于一組特定的視頻序列［8］，通過少量的粒子建立火焰的輪廓線，在輪廓線內填充真實火焰的動態連續紋理。由于只計算輪廓線的很少量的一些粒子的運動，同時計算中無需記錄粒子的狀態，僅記錄其位置信息，因此相應的計算量很小，占用的內存空間也很小。粒子簡要結構如下：

圖3 某空間站太陽能帆板展開效果

我們通過粒子系統屬性中指示的幀值來獲取該幀的紋理并將它填充到輪廓線內，這樣隨著粒子衰減周期循環填充紋理最終高效的完成尾焰仿真。如圖4所示為某飛行器的尾焰效果。

圖4 飛行器尾焰效果

3 仿真過程的主要功能模塊

3.1 仿真數據計算控制器的鏈接

仿真數據計算控制器與仿真平臺的鏈接是通過ICE中間件來實現的，為了保證擴展性，需要在負責鏈接的ICE接口層設計合理的數據包封裝協議。我們封裝的數據包中主要包含信息仿真時間、設備元素標識、數據內容、校驗等。仿真平臺與仿真數據計算控制器的數據通信如圖5所示。

圖5 數據通信

實時、快速的將三維空間任務仿真場景與仿真數據計算控制器相聯動使得用戶可以形象、直觀地查看各場景元素的運行狀態。圖6為平臺依據仿真數據計算控制器傳輸的數據而繪制的二維軌道覆蓋圖。

圖6 二維軌道覆蓋

3.2 仿真時間管理模塊

仿真平臺的三維空間任務分為實時仿真［9］模式和演示仿真模式，仿真時間管理模塊通過對數據加入標識以便使渲染管理集能夠區分當前的仿真模式。在實時仿真模式下，如果用戶并未在場景數據中特別設置時間偏移量，那么仿真平臺默認系統當前的時間為初始仿真時間，反之則需要通過系統當前時間與時間偏移量來推算仿真初始時間。演示仿真模式主要進行仿真過程的回放顯示，在回放過程中，用戶可通過鍵盤鼠標進行控制，或根據編排指令自動切換場景的視錐，實現漫游、鳥瞰等效果。

仿真平臺的場景數據來源于仿真數據計算控制器，或為真實數據或為歷史數據，因此需要對仿真數據進行記錄以便之后使用。當接收到有效場景數據后，本模塊自動將與顯示有關的數據存儲在本機的數據文件中。這樣用戶在進入演示模式需要重現某一空間任務仿真時，仿真時間管理模塊便調用與該空間任務仿真相匹配的歷史數據，顯示相應的三維場景。該部分的運行示意圖如圖7所示。

圖7 仿真時間管理

在實時模式下的應用測試中，我們發現仿真平臺顯示的時間是滯后于當前系統時間的，這會對空間任務的評估或可行性論證產生不利的影響。為此，我們人為的把數據接收完畢后的系統時間與數據包中解析出的時間偏移量相減后的時間設為仿真初始時間，這就真正意義上實現了實時仿真。

3.3 仿真設備模型庫管理模塊

目前，設備模型庫中的模型主要包括實體模型和生成模型。實體模型是指真實存在的天體或部件的模型。生成模型主要指在場景任務仿真中，飛行器形成的光路、軌道、通信鏈路、空間場等。傳統的場景保存結構為層次結構，這種結構維護成本高，信息冗余較大，大數據量的場景下這些不足尤為明顯。為此我們采用樹形結構對場景數據分層管理，以樹形圖的形式組織場景［10］，利用樹形結構的特性，我們遞歸的訪問各節點，從而獲得各節點內部存儲的場景數據。通過對場景數據的有效組織，我們最終得到整個被渲染場景。樹形圖中各節點的訪問過程如下所示：

值得一提的是，在具體仿真過程中，用戶有時并不需要對整個的場景進行渲染而僅僅關注某一局部區域。因此，在節點遍歷過程中我們需要判斷當前節點是否需要訪問。通過樹形結構的應用，平臺在數據的存儲及搜索能力上得到很大的提高。

4 仿真系統的應用

在具體的空間任務仿真中，仿真平臺通過仿真設備管理模塊從模型數據庫中調出所需要的場景數據并加載渲染來顯示星空背景、飛行器、準確的行星位置等。仿真數據接收器在接收到數據后，將這些初始數據傳輸給仿真數據計算控制器，仿真數據計算控制器經過處理將結果封裝成特定的數據包傳輸給仿真平臺渲染模塊。通過源源不斷的傳輸數據，平臺最終完成對飛行器的運動軌跡及其姿態的實時仿真。在此過程中，用戶可從不同視角查看整個空間載荷系統的各組成結構，可切換不同的顯示模式來對比分析各空間任務，也可以通過調用模型數據庫中的場景數據來實現整個任務過程的回放等，最終獲取到自己感興趣的信息。仿真平臺的部分功能界面如圖8所示。

圖8 軟件部分功能效果

5 結束語

本文著重研究并實現了空間應用仿真支持平臺的系統框架，對空間任務數據的ICE傳輸、任務場景的實時顯示和三維重現、模型數據的存儲等功能進行了分析，平臺通過應用于具體的科研單位進行了實踐檢驗，結果表明該平臺能夠為空間任務的方案設計及論證提供有效的技術支持。目前，平臺的開發還處在技術完善階段，在軟件界面布局及用戶使用體驗等方面還有待提高。

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