基于Creator和Vega的水空跨越航行器視景仿真

尹翔, 馮金富, 吝科, 徐保偉

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

基于Creator和Vega的水空跨越航行器視景仿真

尹翔, 馮金富, 吝科, 徐保偉

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

介紹了工具軟件Creator和Vega的特點以及視景仿真的系統結構,并以此為平臺進行跨介質航行器的視景仿真。首先構建視景仿真平臺,然后進行仿真系統設計及原型程序開發,最后對跨介質航行器出入水以及在水面和水下的航行過程進行了仿真。通過視景仿真完成了水空跨越航行器系統完整設計周期的研究。仿真結果可以為跨介質航行器總體設計提供理論依據和研究手段。

視景仿真; 跨介質航行器; 虛擬現實; 三維建模

0 引言

目前虛擬現實技術的實現主要依靠視景仿真,通過計算機圖形圖像技術構建仿真技術平臺,首先明確仿真的目的,然后開發仿真對象的三維模型,最后還原真實的環境[1-2]。

現有的視景仿真多是在單一介質中進行,對于水空跨介質航行器的視景仿真較少涉及,主要是因為水空跨介質航行器的仿真需要融合氣動、水動和總體設計。為了直觀地顯示水空跨越全過程,本文采用Multigen Creator和Vega對水空跨介質航行器進行了視景仿真,介紹了視景開發環境、仿真平臺的構建,對最終的仿真案例進行測試與分析。

1 視景開發環境

1.1 開發工具

逼真化是視景仿真要達到的基本要求,為此要先建立三維場景模型。當進行仿真時,采用Multigen Creator和Vega建模、仿真并渲染復雜的三維場景模型。

Multigen Creator是一種手動的真實三維建模工具,具有高逼真度的特點,廣泛應用于視景仿真、交互式仿真以及其他領域。Multigen Creator不僅可以將矢量建模、地形生成和多變性建模集成在一個軟件包中,還可以進行建模、地形表面生成等。Multigen Creator的建模功能可為各種類型圖像發生器提供建模系統及工具,如層次細節、邏輯篩選、多邊形篩選、繪圖優先級;而分離面等高級功能使OpenFlight(.flt)格式成為實時仿真領域中通用性最好的圖像生成格式,并作為行業標準[3]。

Vega是用于實時可視化仿真、開發交互式應用的完整軟件平臺,具有易操作、高效、集成、可擴展及跨平臺等特點[4-5]。Vega的基本功能為控制、驅動、管理虛擬場景以及支持各種復雜的視覺仿真程序,創建實時交互三維環境,建立大型非沉浸式或沉浸式的虛擬現實系統。

1.2 視景仿真的系統結構

三維視景仿真系統由場景建模與場景驅動兩部分組成。首先采用Vega的API和軟件庫在VC++6.0平臺上調入建成的三維模型和adf文件,然后通過對用戶輸入的代碼響應進行編制,完成初始化,對動態改變程序運行,最終完成應用程序[2,6]。開發流程如圖1所示。

圖1 視景仿真開發流程圖Fig.1 Development flowchart for visual simulation

2 仿真平臺構建

構建一體化視景仿真技術平臺,需采用計算機圖形圖像開發技術。首先確立仿真目的,然后對仿真對象進行三維模型的建立,同時完成真實環境的再現,最終達到仿真效果逼真化[2,7]。

2.1 系統設計

仿真平臺包括虛擬場景模塊和航行器模塊兩部分,系統構成如圖2所示。

圖2 跨介質對抗仿真平臺系統模塊圖Fig.2 System block diagram of trans-media combat simulation platform

虛擬場景模塊是平臺開發的基本部分,由地理環境模塊和特殊效果模塊組成。地理環境模塊可實現靜態場景的虛擬再現,包括大地、海洋以及云層在內的地形地貌。特殊效果模塊顯示在仿真過程中的戰場特效和自然環境特效等實時特效,不但增加了視景仿真的逼真感,而且增強了視覺的真實感。

航行器模塊是平臺開發的核心部分,主要負責將航行器的設計構想通過虛擬技術直觀地展現在仿真平臺中,包括運動模型模塊、推進系統模塊和屬性約束模塊。運動模型模塊主要實現航行器模型的運動特性,使航行器模型表現出與實際飛行過程一致的運動狀態,包括方案航行中導航路徑控制等。推進系統模塊主要用于控制的解算和和動力,如螺旋槳系統的尺寸、位置、轉速等。屬性約束模塊主要協調各模塊間的沖突檢測和數據交互,以及場景中各對象之間的交叉檢測和碰撞檢測等。

2.2 原型程序開發

采用Vega和MultiGen Creator進行設計以及開發,仿真流程如圖3所示。

圖3 原型程序開發流程圖Fig.3 Development flowchart for prototype program

建立虛擬場景中各種物體的三維數字模型和地形的過程稱為建模,模型渲染后顯示為逼真的物體和地形。本文采用MultiGen公司為滿足實時交互應用程序要求而研制的三維建模工具軟件Creator進行建模。

由于Vega 只識別flt格式的模型文件,因此使用Creator軟件將設計的Catia幾何模型轉換成可用格式[5]。設計的模型如圖2所示。

圖4 跨介質航行器模型概念圖Fig.4 Concept map of the trans-media vehicle model

Vega 開發環境需與Lynx聯合使用。建立地形和場景中物體的三維數字模型后,用Lynx實用程序建立應用程序定義文件(adf)。adf文件主要用于對虛擬現實應用程序中的模型文件、運動模型、特殊效果及環境效果進行描述,并對其他一些功能設置信息。雖然Vega因其含有所需的所有API,自身可以建立虛擬現實應用程序,但Lynx有簡化開發流程的作用[2,7]。

Lynx無須編碼就可配置應用程序的框架。首先必須創建一個adf文件,啟動應用程序可以直接在Lynx中編譯adf文件。Lynx定義了通道、觀察者、窗口、場景、物體、運動模型、數據庫管理等并對其初始化,用于實現實時仿真虛擬環境,生成虛擬場景所需的逼真地物、海底、海浪及天氣情況特效(如陰、晴、雨、雪等)。重要的元素有:場景(Scene)、窗口(Window)、通道(Channel)、對象(Object)、角色(Player)、觀察者(Observer)。

由于本文研究的是水空跨越,所以在虛擬仿真中必然涉及到水環境,在此選用海洋模塊(Marine)來實現水環境的效果。在Vega Marine模塊中定義的Ocean包含動態和靜態兩個部分。

在本仿真系統中,設置靜態海洋半徑為5000 m,動態海洋半徑為200 m。創建一個真實的波浪需用10條正弦曲線和一些非諧波頻率,瞬間波浪高度由下式計算[8]:

zcosθi)+ωit+φi]

2.3 Vega API

通過Creator的flt模型構建和Lynx定義的adf文件,完成系統的部分初始設置,但是要實現航行器的空間運算,還要編寫相應的程序。

建立Vega應用程序,首先要完成初始化Vega系統,并建立共享內存和信號量等;然后用兩種方法創建三維模型,一是通過adf應用定義文件,二是通過顯式的函數調用,最終完成配置。

本系統開發的視景仿真程序是基于MFC的Vega應用程序,通過采用模板方法將用戶開發一個基于MFC應用程序的工作量減到最低。原型程序主程序流程如圖5所示。

圖5 原型程序主程序流程圖Fig.5 Flowchart for the main program of prototype program

3 仿真案例測試與分析

原型程序中,設有“設置”、“顯示”和“運動”三個模塊,分別完成航行器的屬性設置,環境的顯示效果和運動模式設定等工作。

(1)啟動程序,加載海洋環境模塊,包括海天環境和波浪效果。

(2)設定模式。設定模式過程加載設計的模型,航行模式在運動模塊中選擇方案控制,路徑文件采用為自行設計的水空跨越演示航行路徑。

(3)航行過程。設計的模型從水面起飛,在空中飛行,控制模型翻轉180°,成入水姿態,落到水面后依靠負浮力機翼提供下沉力,實現入水操作;出水前同樣需要控制翻轉,呈機翼在上的出水姿態,在水面滑行增速,依靠機翼提供升力起飛離開水面。仿真結果如6～圖8所示。

(4)結果分析。測試結果基本上滿足水空跨介質航行器視景仿真的要求,在從水面起飛,到調整姿態準備入水,以及水下航行和調整姿態準備出水階段都具有良好的構想性、交互性、沉浸性。

圖6 航行器從水面起飛仿真圖Fig.6 Simulation chart for the vehicle taking-off from the water surface

圖7 航行器在水面航行和調整姿態準備入水Fig.7 Voyage of the vehicle on the water surface with the attitude adjusted to enter into water

圖8 航行器在水下航行和調整姿態準備出水Fig.8 Voyage of the vehicle under the water with the attitude adjusted to come out from the water

4 結束語

本文基于Creator和Vega對水空跨介質航行器的出入水,以及航行過程進行了視景仿真研究,構建了虛擬場景和航行器模型。通過測試表明,仿真結果可以直觀準確地顯示跨介質航行器的跨越過程,對于跨介質航行器的總體設計和模型驗證具有重要意義。

[1] 呂幫俊,邢繼峰,黃華斌,等.基于Multigen和Vega的艦船航行視景仿真[J].微計算機信息,2006,22(5-1):299-301.

[2] 朱雨香.視景仿真技術的研究與實現[D].南京:南京理工大學,2004.

[3] 杜亞琦,陳濤,高偉.基于Vega的導彈制導視景仿真系統[J].應用科技,2007,34(10):28-31.

[4] 王乘,李利軍,周均清,等.Vega實時三維視景仿真技術[M].第一版.武漢:華中科技大學出版社,2005:1-5.

[5] 王明桂.導彈飛行虛擬現實仿真系統的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2007.

[6] 趙銀玲,吳成富,陳懷民.基于Vega的無人機視景仿真應用研究[J].測控技術,2008,27(1):96-99.

[7] 楊平利,仇小鵬,黃少華.在Vega環境下開發虛擬現實應用程序[J].計算機仿真,2005,22(5):165-168.

[8] 楊銀拴.虛擬海洋環境中自動建模技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2005.

Visualsimulationofair/watertrans-mediavehiclebasedonCreatorandVega

YIN Xiang, FENG Jin-fu, LIN Ke, XU Bao-wei

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

This paper presents the features of Creator and Vega softwares and the system structure of visual simulation, which is used as a platform for visual simulation of trans-media vehicle. Firstly, the visual simulation platform is built. Then the design of simulation system is completed and the prototype program is developed. At last, the process of out and into water and the voyage on the water surface and underwater of the trans-media vehicle are simulated. The design cycle of air/water trans-media vehicle system is investigated by visual simulation. The simulation results can provide theoretical basis and research measures for the general design of the trans-media vehicle.

visual simulation; trans-media vehicle; virtual reality; 3D modeling

V211.8

A

1002-0853(2013)05-0477-04

2013-01-15;

2013-05-26; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-08-21 18:47

尹翔(1989-)，男，北京人，碩士研究生，研究方向為視景仿真技術。

(編輯：李怡)