基于OGRE的飛行器實時視景軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

楊琪琛，徐 銳

基于OGRE的飛行器實時視景軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

楊琪琛，徐 銳

（天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072）

針對飛行器實時仿真和三維視景顯示的需求，設(shè)計并開發(fā)了飛行器實時視景仿真軟件。仿真軟件以O(shè)GRE圖形引擎為基礎(chǔ)，結(jié)合3DS MAX建模軟件進(jìn)行三維機體模型創(chuàng)建，利用基于MFC庫和OGRE圖形引擎開發(fā)的場景編輯工具實現(xiàn)場景生成，利用UDP協(xié)議與dSPACE主控計算機進(jìn)行通信，為視景顯示提供實時數(shù)據(jù)驅(qū)動。仿真軟件由基礎(chǔ)環(huán)境部分、基礎(chǔ)開發(fā)模塊、場景編輯工具和視景應(yīng)用軟件4大部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)飛行器飛行全過程的實時視景展示。仿真結(jié)果表明，視景仿真軟件可以逼真地模擬飛行器飛行場景，能夠?qū)崟r地進(jìn)行畫面模擬和數(shù)據(jù)監(jiān)視，具有廣闊的應(yīng)用前景。

視景仿真；OGRE；三維建模；飛行器

引用格式：楊琪琛，徐 銳.基于OGRE的飛行器實時視景軟件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2016，46（5）：85-89.

0 引言

隨著計算機科學(xué)技術(shù)發(fā)展，基于計算機圖形學(xué)的視景仿真技術(shù)的應(yīng)用，能極大地提升仿真結(jié)果的直觀性和逼真性［1］。許多國內(nèi)外研究機構(gòu)都進(jìn)行了視景開發(fā)的相關(guān)研究。例如，基于OpenGL，美國國家宇航局德萊頓飛行研究中心開發(fā)了名為Core的仿真系統(tǒng)和用于模擬駕駛的 FlightGear［2］；基于OGRE圖形引擎，大連理工大學(xué)開發(fā)了名為SiPESC的衛(wèi)星編隊可視化平臺［3］；南京航空航天大學(xué)開發(fā)了電子海戰(zhàn)對戰(zhàn)模擬系統(tǒng)［4］；華中科技大學(xué)開發(fā)了港口仿真的可視化演示系統(tǒng)等［5］。

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)分析，本文提出一種構(gòu)建飛行器實時視景仿真系統(tǒng)的方案，方案以模塊化思想將視景系統(tǒng)抽象為通用的基礎(chǔ)開發(fā)模塊，基于OGRE圖形引擎進(jìn)行基本模塊開發(fā)；為實現(xiàn)視景系統(tǒng)可擴展性，基于MVC架構(gòu)，利用MFC庫開發(fā)場景編輯器，實現(xiàn)場景生成和編輯功能；在此基礎(chǔ)上針對飛行器特點通過3DS MAX構(gòu)建三維機體模型，利用UDP協(xié)議連接dSPACE實時計算機，提供實時數(shù)據(jù)驅(qū)動，完成飛行器實時視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)。實時視景仿真系統(tǒng)可以應(yīng)用于飛行數(shù)據(jù)顯示、模擬仿真訓(xùn)練等方向，并且基于該方案可完成多種背景下視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

1 視景仿真軟件的總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 視景仿真軟件需求分析

視景仿真軟件的開發(fā)目標(biāo)是在OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有可復(fù)用性的三維視景開發(fā)套件，并在此基礎(chǔ)上針對飛行器實時仿真需求，進(jìn)一步開發(fā)飛行器實時視景仿真應(yīng)用軟件。飛行器視景軟件應(yīng)該具有三維場景構(gòu)建、三維模型的構(gòu)建和導(dǎo)入、實時數(shù)據(jù)驅(qū)動、天氣效果模擬、場景漫游以及參數(shù)配置等功能。

1.2 視景仿真軟件總體架構(gòu)

在綜合分析視景平臺系統(tǒng)的功能需求和特點基礎(chǔ)上，按照高內(nèi)聚、低耦合的模塊化設(shè)計思想，結(jié)合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路，同時考慮OGRE圖形引擎的接口特點，設(shè)計視景平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。包括基礎(chǔ)環(huán)境部分、基礎(chǔ)開發(fā)模塊、場景編輯工具和視景應(yīng)用軟件4大部分。

圖1 視景仿真軟件總體架構(gòu)

圖1中，基礎(chǔ)環(huán)境部分主要包括操作系統(tǒng)、圖形API庫、OGRE圖形引擎開發(fā)和運行環(huán)境。基礎(chǔ)開發(fā)模塊是在綜合分析三維視景應(yīng)用軟件的共有特點基礎(chǔ)上，為提高開發(fā)效率，獨立抽象和開發(fā)的可復(fù)用軟件模塊。場景編輯工具主要用于三維場景的可視化構(gòu)建并進(jìn)行地形編輯等相關(guān)編輯工作。應(yīng)用軟件部分是在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的飛行器視景開發(fā)需求開發(fā)的飛行器視景應(yīng)用程序。

2 視景仿真軟件的基礎(chǔ)開發(fā)模塊

基礎(chǔ)開發(fā)模塊是基于OGRE圖形引擎抽象和開發(fā)的可復(fù)用模塊，是后續(xù)視景應(yīng)用軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。包括OGRE主體框架模塊、場景數(shù)據(jù)管理模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊等模塊。其中，主體框架模塊負(fù)責(zé)封裝相關(guān)的初始化和配置功能。場景數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)場景數(shù)據(jù)的讀取和管理，網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。

2.1 OGRE主體框架模塊

主體框架模塊按照OGRE圖形引擎的初始化、配置、資源讀取、場景創(chuàng)建顯示和幀監(jiān)聽等要求，封裝實現(xiàn)OGRE初始化和配置功能，是整個視景平臺基礎(chǔ)模塊的最底層部分，是所有基于視景平臺的程序的入口點，負(fù)責(zé)每一幀的渲染推進(jìn)，是整個視景程序的渲染泵。

OGRE圖形引擎是開發(fā)的基礎(chǔ)，其核心對象的基本組成方式類圖如圖2所示［6］。

圖2　OGRE對象組成方式

一般來說，基于OGRE應(yīng)用程序的創(chuàng)建步驟如下：①創(chuàng)建根結(jié)點；②加載插件資源；③配置資源目錄；④創(chuàng)建渲染窗口；⑤創(chuàng)建場景管理器；⑥創(chuàng)建相機、視口；⑦配置資源組；⑧創(chuàng)建不同的場景。

在上述流程基礎(chǔ)上，根據(jù)基本初始化配置要求，并結(jié)合面向?qū)ο蟮乃枷耄庋b基本的OGRE主體框架模塊UML圖，如圖3所示。

圖3　主體框架模塊UML類圖

主體框架模塊抽象出了視景應(yīng)用的通用部分，符合面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想，同時也提高了代碼的可復(fù)用性，為視景應(yīng)用程序提供了具有通用性的基本框架。從UML類圖可以看出，當(dāng)需要開發(fā)新的場景，或者擴展視景應(yīng)用的時候，可以在BaseApp類型的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承復(fù)用已有的接口。

2.2 場景數(shù)據(jù)管理模塊

場景數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對于場景的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和操作，包括對地形、靜態(tài)實體和動態(tài)實體等數(shù)據(jù)的管理工作，主要由地形系統(tǒng)、草地和樹木等靜態(tài)實體以及場景天氣系統(tǒng)組成。

2.2.1地形系統(tǒng)

一般來說，地形的生成步驟主要包括分塊、高度圖數(shù)據(jù)、地形紋理和細(xì)節(jié)層次技術(shù)［7］。其中，分塊即把需要生成的地形劃分為許多小的組成部分，將這些部分組合到一起成為最終的整個地形；高度圖數(shù)據(jù)主要用來生成高度隨機的地形，即三維坐標(biāo)里的高度坐標(biāo)值；地形紋理主要用于產(chǎn)生不同材質(zhì)的地形；細(xì)節(jié)層級技術(shù)則是保持渲染效果的同時提高渲染幀率的常用方法。

基于OGRE圖形引擎提供的相關(guān)接口及上述技術(shù)，同時按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，地形系統(tǒng)實現(xiàn)的UML類圖如圖4所示。

圖4　地形系統(tǒng)UML類圖

2.2.2 草地和樹木等靜態(tài)實體

構(gòu)建地形環(huán)境場景，還需要生成草地樹木等靜態(tài)實體，以提高場景的真實程度。單個靜態(tài)實體的生成方法與普通模型無異，主要包括網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后進(jìn)行材質(zhì)生成等相關(guān)工作。構(gòu)建大場景的樹木和草地除此之外還需考慮如下2個問題：

①隨機效果的樹木散布方式。為了方便構(gòu)造不同的地形，同時避免將代碼寫死，采用密度圖的方式進(jìn)行大場景樹木草地構(gòu)建［8］。其基本思想是從密度圖文件中讀取數(shù)據(jù)，讀取密度圖數(shù)據(jù)之后，將對應(yīng)點的灰度值存入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，在地形生成樹木的時候，根據(jù)密度圖的灰度值大小，決定該位置的樹木的密集程度。這樣通過更改密度圖數(shù)據(jù)，或者替換不同的密度圖數(shù)據(jù)，就可能得到不同的樹木分布的地形，從而避免將代碼寫死到應(yīng)用程序當(dāng)中，提高了靈活性。同時密度圖數(shù)據(jù)可以使用PhotoShop等圖片處理工具方便地進(jìn)行人工編輯。

②基于分頁的樹木草地靜態(tài)場景處理。為了提高樹木、草地渲染效率，提高幀率，引入基于分頁的場景顯示方法并結(jié)合LOD技術(shù)。基本思想是對于立即可見或者快要可見的場景分頁，將所需資源加載到內(nèi)存空間，而對于遠(yuǎn)處或者不可見的場景分頁，則暫時不進(jìn)行加載，從而降低內(nèi)存的資源開銷和減少渲染目標(biāo)數(shù)進(jìn)而提高幀率。

2.2.3 場景天氣系統(tǒng)

為了提高場景的真實性，往往還需要在場景當(dāng)中加入天氣變化等情況。可以通過OGRE引擎的粒子系統(tǒng)實現(xiàn)。

使用OGRE的粒子系統(tǒng)，首先需要使用Root結(jié)點創(chuàng)建特定的粒子系統(tǒng)，并且在創(chuàng)建的方法中給出粒子模板的名稱，而粒子模板是預(yù)先在腳本中進(jìn)行定義的資源，在加載資源的時候就已經(jīng)被OGRE進(jìn)行記錄。粒子模板是OGRE提高3D應(yīng)用開發(fā)效率的一大利器。粒子腳本能夠避免將效果硬編碼到源代碼當(dāng)中，可以方便、快捷地進(jìn)行效果的修改而不用重新編譯生成。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

視景仿真系統(tǒng)基于實時仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動運行，所以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是視景平臺基礎(chǔ)組成部分中不可或缺的內(nèi)容。與TCP協(xié)議相比，UDP協(xié)議不需要建立連接，也無需重傳確認(rèn)，在點對點的簡單環(huán)境當(dāng)中具有更好的效率，所以基于UDP協(xié)議進(jìn)行通信協(xié)議構(gòu)建［9］。數(shù)據(jù)傳輸端（主控機）和數(shù)據(jù)接收端（視景機）網(wǎng)絡(luò)接口流程如圖5所示。

圖5　網(wǎng)絡(luò)接口流程

3 視景仿真軟件的場景編輯工具

場景構(gòu)建是三維視景應(yīng)用中的核心部分之一。OGRE圖形引擎只提供渲染相關(guān)的基礎(chǔ)組件和接口，直接使用OGRE圖形引擎接口進(jìn)行場景創(chuàng)建、場景改動和調(diào)試都需要進(jìn)行反復(fù)編譯運行，效率較低。為了能夠進(jìn)一步提高場景創(chuàng)建生成的效率與直觀性，在基于OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)模塊層上抽象場景工具層，用于三維視景場景的應(yīng)用和開發(fā)相關(guān)工作。

3.1 場景編輯工具的設(shè)計

場景編輯工具是以可視化的方式對場景中的相關(guān)資源進(jìn)行動態(tài)編輯和管理，實時預(yù)覽編輯效果，最后生成場景相關(guān)的配置資源文件，配置文件可以在視景應(yīng)用中直接進(jìn)行讀取加載。為了使得開發(fā)的場景編輯工具代碼更為規(guī)范、易于維護(hù)，按照常用的MVC模式對工具進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計［10］。

場景編輯工具主要完成基本的場景編輯、實時預(yù)覽和數(shù)據(jù)生成等相關(guān)功能。工具應(yīng)該具有對于場景進(jìn)行簡單編輯的功能，包括地形編輯、靜態(tài)和動態(tài)實體編輯、模型編輯、資源樹功能、場景參數(shù)預(yù)覽、地形參數(shù)編輯以及地形畫刷調(diào)整等功能。

3.2 場景編輯工具的實現(xiàn)

場景編輯工具核心部分在于內(nèi)部編輯功能實現(xiàn)、用戶界面設(shè)計和用戶消息響應(yīng)。其中，內(nèi)部編輯功能可以復(fù)用上述基本開發(fā)模塊，包括主體程序框架和場景數(shù)據(jù)管理等相關(guān)內(nèi)容。

3.2.1 基于MFC庫的界面設(shè)計與實現(xiàn)

考慮到OGRE圖形引擎是基于C++語言作為接口，且開發(fā)使用的是Windows操作系統(tǒng)，所以圖形界面的開發(fā)將基于Windows的MFC庫進(jìn)行［11］。編輯器的界面設(shè)計類圖如圖6所示。

圖6　基于MFC的界面設(shè)計UML類圖

3.2.2 編輯器的消息響應(yīng)流程

消息響應(yīng)是編輯器的核心部分之一，其本質(zhì)目的是針對用戶的消息進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)而修改相應(yīng)數(shù)據(jù)。消息響應(yīng)流程如下：

①對當(dāng)前活躍的View進(jìn)行處理。主要針對處理與場景用戶漫游有關(guān)的消息響應(yīng)，不涉及具體場景數(shù)據(jù)的更改，漫游功能使得用戶能夠在場景當(dāng)中隨意進(jìn)行走動和觀察。

②消息傳送給CSceneDoc類型。在CSceneDoc類型當(dāng)中，對輸入消息進(jìn)一步響應(yīng)。

③消息響應(yīng)完成后，激發(fā)UI界面進(jìn)行更新。

3.2.3 場景數(shù)據(jù)串行化

編輯器的最終目的是能夠?qū)⒕庉嫿Y(jié)果存儲到文件系統(tǒng)中，當(dāng)需要渲染當(dāng)前場景時，可以在視景應(yīng)用程序中直接讀取載入［12］。場景數(shù)據(jù)采用基于XML格式的方式進(jìn)行串行化，基于TinyXML庫將場景數(shù)據(jù)以XML文檔類似的形式存儲到文件當(dāng)中；同時基礎(chǔ)開發(fā)模塊同樣調(diào)用TinyXML庫相關(guān)的接口對于場景文件數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和讀取工作［13］。

4 飛行器視景仿真軟件實現(xiàn)

在基礎(chǔ)開發(fā)模塊和場景編輯工具基礎(chǔ)上，針對飛行器視景仿真需求，設(shè)計并開發(fā)飛行器視景仿真軟件。

4.1 飛行器三維模型的創(chuàng)建

飛行器視景仿真軟件開發(fā)應(yīng)首先基于3DS MAX，構(gòu)建多種飛行器的機型，獲得網(wǎng)格數(shù)據(jù)。利用3DS MAX實現(xiàn)飛行器三維模型的創(chuàng)建，首先需要構(gòu)建網(wǎng)格實體模型，獲得實體模型數(shù)據(jù)，作為導(dǎo)入OGRE引擎的數(shù)據(jù)來源。

4.2 飛行器三維場景的創(chuàng)建

飛行器飛行環(huán)境相對比較復(fù)雜，所以構(gòu)建適合的三維場景是使得視景仿真更為真實的關(guān)鍵所在。飛行器三維場景構(gòu)建，核心部分之一就是構(gòu)建三維地形場景。三維地形構(gòu)建基于第2節(jié)所述的地形系統(tǒng)，采用第2節(jié)所述的基礎(chǔ)地形模塊作為地形構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了避免硬編碼并提高整體系統(tǒng)的靈活性，將場景參數(shù)抽象到文件當(dāng)中形成配置文件，在此基礎(chǔ)上利用第2.2節(jié)所述的場景數(shù)據(jù)管理模塊加載數(shù)據(jù)，進(jìn)而自動生成場景。數(shù)據(jù)配置文件的格式與之前所述保持一致，采用XML格式保存配置參數(shù)到文件當(dāng)中。場景生成的基本流程為：加載配置參數(shù)文件、生成地形和渲染環(huán)境場景。生成地形參數(shù)的同時，也可以將地形數(shù)據(jù)保存到文件，從而避免每一次單獨生成地形數(shù)據(jù)，加快生成速度。

場景靜態(tài)實體的擺放、位置以及地形的高度等，可以基于第3節(jié)所述的場景編輯工具進(jìn)行修改，進(jìn)而生成相應(yīng)的地形和靜態(tài)實體數(shù)據(jù)等。對每一個場景，都將場景地形高度數(shù)據(jù)存儲到高度圖文件當(dāng)中，在加載地形的時候直接使用。

4.3飛行器視景仿真軟件演示效果

飛行器實時視景系統(tǒng)，對飛行器的飛行過程進(jìn)行三維模擬和展現(xiàn)。數(shù)據(jù)驅(qū)動來源于實驗室實時仿真平臺，主要實時計算裝置為dSPACE實時計算機，主控計算機通過UDP協(xié)議負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)到視景系統(tǒng)實現(xiàn)實時驅(qū)動演示。演示實驗效果如圖7所示，分別展示了基本地形場景模擬、海洋天空巡航階段模擬和山地飛行過程模擬等。

圖7　飛行器視景系統(tǒng)演示實驗效果

5 結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)外視景開發(fā)的研究現(xiàn)狀，提出一種飛行器實時視景仿真平臺的構(gòu)建方案，首先基于OGRE圖形引擎開發(fā)具有可復(fù)用性的視景基礎(chǔ)功能模塊組件，利用MFC庫構(gòu)建了可視化的場景編輯工具，在此基礎(chǔ)上，基于UDP協(xié)議完成了與dSPACE實時計算機交互，基于3DS MAX完成飛行器三維建模，實現(xiàn)飛行器飛行過程實時視景演示。視景仿真平臺基于模塊化設(shè)計思想，采用MVC設(shè)計模式實現(xiàn)，具有良好的靈活性和可擴展性，不僅適用于飛行器視景仿真，對多種研究背景下的視景仿真平臺開發(fā)具有參考價值。同時，經(jīng)過多次演示實驗，可以證明視景仿真系統(tǒng)具有良好的視覺效果和穩(wěn)定性，能很好地實現(xiàn)視景顯示功能需求。

［1］ CURLETT B P.A Software Framework for Aircraft Simula-tion［M］.Edwards，California：DrydenFlightCenter，NASA/TM-2008-214639，2008.

［2］ 于琰平.基于FlightGear的四旋翼無人機三維可視仿真系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［3］ 柳 明.基于SiPESC平臺的衛(wèi)星編隊飛行可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

［4］ 肖笛.電子對抗中三維仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

［5］ 上官右柏.基于OGRE的港口仿真［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［6］ KERGER F.OGRE 3D 1.7 Beginner′s Guide［M］.UK：Packt Publishing Ltd，2010.

［7］ SHAMIR A，PASCUCCI V.Temporal and Spatial Level of Details for Dynamic Meshes［C］∥Proceedings of the ACM symposium on Virtual Reality Software and Technology，ACM，2001：77-84.

［8］ BLUM L，BLUM M，SHUB M.A Simple Unpredictable Pseudo-random Number Generator［J］.SIAM Journal on computing，1986，15（2）：364-383.

［9］ 芬 納，魯多夫，楊繼張.UNIX網(wǎng)絡(luò)編程：套接口API ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［10］黎永良，崔杜武.MVC設(shè)計模式的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.計算機工程，2005，31（9）：96-97.

［11］侯 捷.深入淺出MFC：使用Visual C++5.0&MFC4.2 ［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

［12］FLORESCU D，GRüNHAGEN A，KOSSMANN D.XL：An XMLProgrammingLanguageforWebService Specification and Composition［J］.Computer Networks，2003，42（5）：641-660.

［13］薛 萌.基于OGRE地形系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

Design and Realization of Flying Vehicle Visual Simulation Software Based on OGRE

YANG Qi-chen，XU Rui
（School of Electrical and Automation Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

To meet the needs of flying vehicle real-time simulation and visual presentation，the visual simulation software based on OGRE graphics engine is designed and developed.The three-dimensional solid model is built combined with 3DS MAX modeling software.Environment is generated by scene editing tools based on MFC library and OGRE which are developed by us.UDP communication is used to get real-time flight data and commands from another computer which controls the running of dSPACE.The software consists of the basic environment part，basic design module，scene editing tools and visual application.The result shows that the visual simulation software can realistically simulate the vehicle flying scene.It is capable of real-time scene simulation and data monitor，and has broad application prospects.

visual simulation；OGRE；3D modeling；flying vehicle

TP391.4

A

1003-3106（2016）05-0085-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.22

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（61273092）。

楊琪琛 男，（1992—），碩士研究生。主要研究方向：三維視景開發(fā)、飛行器仿真和軟件開發(fā)。

徐 銳 男，（1991—），碩士研究生。主要研究方向：飛行器仿真和軟件開發(fā)。