基于OGRE的衛星視景仿真軟件的設計與實現

孫詩行　宗　群　徐　銳

(天津大學電氣與自動化工程學院　天津 300072)

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基于OGRE的衛星視景仿真軟件的設計與實現

孫詩行宗群徐銳

(天津大學電氣與自動化工程學院天津 300072)

針對衛星三維視景仿真的需求，設計并開發基于OGRE圖形引擎的衛星視景仿真軟件，對整個飛行過程進行模擬和演示。衛星視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進行底層渲染，結合3ds Max建模軟件進行三維實體模型構建，基于自主開發的場景編輯工具生成衛星星空場景。仿真軟件的功能模塊包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數據管理模塊、網絡通信模塊和人機交互模塊。運行結果表明，衛星視景仿真軟件可以逼真地模擬再現衛星飛行場景，能夠實時進行畫面模擬、數據監視，具有廣闊的應用前景。

視景仿真OGRE模塊化開發衛星視景實時模擬

0　引　言

在航空航天技術的發展過程中，新時代的學科交叉對于推動航空航天技術的不斷進步起到了關鍵的作用，其中一個非常重要的方面就是視景仿真技術在航空航天相關領域研究中的應用。視景仿真承擔了進行可視化的任務，利用視景仿真技術對空間任務進行全程模擬，可以獲得高效可靠的設計對策，并提供較為直觀的演示效果，增強了仿真的真實性，有利于增加研究人員對于整個實驗過程的了解和認識。

至今，視景仿真技術已經取得了不小進展，許多國內外的高校和研究機構都進行了視景開發與技術研究相關的工作。目前國外的三維視景仿真有采用OpenGL圖形庫的方式，比如美國航空航天局(NASA)德萊頓飛行研究中心開發的飛行訓練系統，其中的實時視景模擬部分就是基于OpenGL進行開發的[1]。美國MultiGen-Paradigm公司雖然開發了一款簡捷的三維視景軟件Vega，但是由于該軟件許多底層的功能并沒有實現，所以難以完成精細的開發[2]。華盛頓大學基于OGRE開發了移動機器人視景仿真系統，取得了良好的效果[3]。國內的視景仿真研究主要在近十幾年的時間內興起，也取得了一定的研究進展和成果。例如，西北工業大學基于STK模塊開發了衛星實時仿真系統，但由于其非開源的特性，加大了研究和使用的成本[4]；南京航空航天大學基于OGRE圖形引擎開發了電子海戰對戰模擬系統[5]；華中科技大學基于OGRE開發了港口仿真的可視化演示系統[6]；另外一些國內的學者也針對衛星視景軟件進行了相關的研究工作[7-9]。上述這些視景仿真軟件雖然都實現了視景仿真效果，但某些非開源軟件耗費了大量的開發時間與成本，需要團隊人員較多，商業授權版本昂貴，不適合研究使用；某些開發基于底層圖形API，導致開發復雜，可復用程度低。

在此背景下，本文選擇了開源免費的OGRE圖形引擎進行了衛星視景仿真軟件的開發。該視景軟件使用可靠的軟件系統結合實時仿真平臺，實現對整個仿真過程的數字化、信息化及可視化監控和管理。最后對設計的控制算法作出科學合理的判斷，并對算法進行不斷優化。本文首先進行了基礎軟件模塊的設計與開發，采用了模塊化可復用的架構設計，極大地簡化了后續開發以及改進的流程，降低了使用以及維護的難度。然后在實時數據驅動的基礎上，使用已設計的基礎軟件模塊開發了一套以實時演示和可視化技術為基礎的衛星視景仿真軟件，為衛星飛行中對編隊構型設計的驗證和各個衛星姿態的實時觀察提供一個更加優秀的解決方案，提高衛星控制算法驗證的效率，驗證算法設計的正確性。

本文開發的衛星視景仿真軟件依托于仿真平臺而運行，仿真平臺結構主要包括xPC實時仿真計算機、主控計算機以及視景仿真計算機。其中xPC實時仿真機運行衛星編隊仿真模型與算法，并將仿真數據實時發送給主控計算機。這里，主控計算機用來模擬“地面站”，對整個仿真系統進行管理與控制；同時通過以太網發送衛星編隊的位置與姿態信息給視景仿真計算機，由其上運行的衛星視景仿真軟件實時演示衛星編隊過程。

1　視景仿真軟件的總體架構設計

1.1視景仿真軟件需求分析

視景演示軟件的開發目標，是在OGRE圖形引擎的基礎上，構建可復用的實時視景演示程序，配合仿真平臺進行實時的三維模擬演示。軟件需要實現以下性能指標：

1) 較高的開發效率。視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進行開發，相對于DirectX和OpenGL圖形API擁有更高的開發效率，能夠極大地縮短開發周期，減少維護難度。

2) 基礎模塊的組成化特性。視景仿真軟件應該對通用的功能特性(例如網絡、人機界面等)具有很好的抽象，并具備相應的基礎模塊，符合軟件工程的模塊化和可復用性的基本思想。

3) 良好的可擴展性。視景仿真軟件的代碼構建應當充分考慮需求變更的擴展性，每當需求發生改變的時候都能夠很好地應對，降低開發人員所面臨的困難和復雜度。

4) 三維模型和場景構建的簡易性。為了能夠在視景軟件中簡化三維模型和場景的構建與導入工作，視景仿真軟件應當支持常用建模軟件，同時構建適合演示的三維場景。

5) 良好的渲染幀率和顯示效果。視景仿真軟件應當具有較高的渲染幀率，使得整個演示過程流暢。因此衛星視景開發的所有代碼都應當充分考慮運行效率，避免不必要的內存和顯卡開銷，使用良好的軟件設計模式，選用最優的數據結構，降低軟件運行的時間、空間復雜度，提高渲染幀率和效果。

1.2衛星視景仿真軟件的架構設計

視景仿真軟件架構設計如圖1所示，包括基礎環境、視景系統基礎軟件模塊和視景應用軟件三大部分。

1) 基礎環境部分主要包括操作系統、圖形API庫、OGRE圖形引擎開發和運行環境。操作系統是開發和運行視景應用的基礎，圖形API庫(包括DirectX和OpenGL)是支撐環境。OGRE圖形引擎結合DirectX和OpenGL的特點，實現了跨操作系統平臺移植和開發的特性[10-13]。

2) 視景系統基礎軟件模塊是在綜合分析三維視景應用軟件的共有特點基礎上，為提高開發效率，獨立抽象和開發的可復用軟件模塊，能夠實現與主控計算機間的數據傳輸，提供友好的人機交互界面顯示和文件讀寫功能。

3) 應用軟件部分根據具體的視景開發需求實現不同的視景應用程序。

圖1　視景仿真軟件架構設計

2　視景仿真軟件的基礎軟件模塊設計

基于OGRE圖形引擎的基礎軟件模塊部分的設計與實現，是后續視景軟件開發的基礎。基礎軟件模塊結構如圖2所示，包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數據管理模塊、網絡通信模塊和人機交互模塊共五大模塊。

圖2　衛星視景基礎軟件模塊

2.1OGRE主體框架模塊

OGRE主體框架模塊是在OGRE圖形引擎的基礎上進行開發的基礎。各部分的初始化和配置工作需要按照OGRE相關要求進行，這部分模塊主要負責主體視景程序的構建和初始化工作，是視景軟件系統的入口點。同時，主體框架模塊是推進整個渲染進程的渲染泵。本文的設計抽象出了所有視景應用的共有部分，從而避免了針對相同問題的重復開發，提高了代碼的可復用性，提高了開發效率，同時也符合面向對象的開發思想。當需要開發新的場景，或者擴展不同的視景應用時，可以在BaseApp類基礎上進行繼承，復用已有的接口。

圖3　TinyXML庫解析XML文件流程

2.2文件路徑管理模塊

能夠統一管理文件和路徑，提供簡單易用的接口，減少每次文件讀寫時進行的代碼修改工作。

這里將相關功能抽象為文件和路徑類型(PATHMANAGER類)，該類型全局共享，所有數據和方法均采用static關鍵字進行標注，不需要生成實例對象。同時將配置文件編譯成XML格式，基于TinyXML庫讀取XML配置文件，不必每次對視景程序進行重新編譯，大大簡化了操作步驟，提高了開發效率。TinyXML庫解析XML文件流程如圖3所示[15]。

2.3場景數據管理模塊

針對不同視景仿真的場景，構建多種場景素材，用于三維模擬演示。場景數據管理模塊封裝了與場景顯示相關的場景數據，包括地形、天空、三維模型等常見的視景應用數據。場景數據模塊結構如圖4所示。其中地形系統主要生成地形數據和地形靜態實體，包括樹木、石塊、草地等；天氣系統主要包括天氣變化，包括雨、雪等不同天氣，實現方式為添加粒子效果。通過使用OGRE中的粒子系統，可以很方便地進行粒子效果模擬。

圖4　場景數據模塊結構圖

2.4網絡通信模塊

圖5　網絡程序接口流程

網絡通信模塊負責與仿真平臺進行數據交互和傳輸等相關工作，實現實時仿真數據驅動的三維模擬演示。網絡通信模塊采用UDP協議方式實現。UDP協議是面向數據報的協議，不需要建立連接，也無需重傳確認，在點對點的簡單環境當中干擾因素較少，不需要對網絡數據進行反復確認。所以這里的協議構建基于UDP協議進行，保證網絡傳輸具有較好的響應效率[15]。視景仿真系統網絡接口流程如圖5所示。

2.5人機交互模塊

圖6　加載CEGUI庫流程圖

友好的圖形操作界面負責在視景程序中對用戶的功能選項進行響應。OGRE圖形引擎并沒有提供與圖形界面相關的工具或者接口，圖形界面的開發需要依賴于第三方庫或者是操作系統接口API，這里選用CEGUI庫進行圖形界面的開發。加載CEGUI庫流程如圖6所示，初始化完成之后，在幀監聽當中加入對應的代碼，使得圖形界面能夠捕獲到系統輸入，并進行用戶事件響應。

同時通過第三方的OIS組件庫，結合OGRE圖形引擎，實現對人機交互的監聽工作，包括用戶的鼠標操作和鍵盤事件等。

3　衛星視景仿真軟件開發與實現

在上述視景基礎軟件模塊的基礎上，根據衛星視景開發的特點和需求，進行了衛星視景仿真軟件的開發。

3.1三維模型與場景構建

衛星視景仿真主要包括衛星模型、地球模型和星空背景等。

衛星與地球的三維模型主要通過3ds Max建模軟件進行構建，采用適當的材質系統和紋理貼圖進行外觀設計與調整；然后使用第三方插件OgreMax工具對建模軟件生成的資源素材進行格式轉換，并將轉換后的資源文件存放在OGRE圖形引擎資源路徑當中。同時基于場景數據管理模塊，采用天空盒原理的方式進行星空背景構建，如圖7所示。

圖7　3ds Max下衛星三維模型編輯

3.2多線程程序設計

為了協調各個程序功能之間的邏輯關系，進行多線程控制以避免邏輯混亂[16,17]。在視景應用當中，主要任務分為實時渲染、網絡數據傳輸和圖形界面交互等。在程序實現中，將這幾個任務抽象成為多個線程，其中渲染線程的主要流程如圖8所示。

圖8　渲染線程流程圖

4　衛星視景仿真軟件效果驗證

本文用于仿真驗證的衛星編隊構型如圖9所示，采用一顆主星、三顆從星的編隊方式，構成空間圓編隊。其中主星位于圓心處，三顆從星構成同一平面的等邊三角形，四顆衛星進行姿態調整進而完成對深空的觀測任務。針對任務要求，整個仿真過程為6335 s，0～800 s為軌跡優化與姿態調整階段；800～1000 s為編隊姿態保持階段；1000～6335 s為自由漂浮階段，整個仿真過程持續時間約為2小時。在各個階段，四顆衛星的編隊構型以及自身姿態均不完全相同，因此采用衛星視景仿真軟件可以直觀真實地模擬再現整個過程。這里采用的衛星軌道模型與姿態控制算法為實驗室現有的算法，如圖10所示，不再贅述。

圖9　衛星編隊構型

圖10　衛星軌道與姿態控制simulink模型

在實驗室視景計算機、實時仿真計算機和主控計算機的驅動下，衛星飛行視景仿真效果如圖11所示。實時仿真計算機運行實時仿真程序(這里為基于xPC Target下的實時仿真程序)。通過以太網通信的方式，主控計算機將實時仿真數據發送給運行有衛星視景仿真軟件的視景計算機，進而驅動衛星視景仿真軟件進行衛星飛行過程的模擬與演示。

圖11　衛星編隊仿真視景效果圖

5　結　語

本文基于OGRE圖形引擎對衛星視景仿真軟件中的基礎開發模塊進行設計與實現，采用了模塊化可復用的架構設計。這些基礎模塊是可復用的視景應用模塊，是開發的基本組成部分。基于這些模塊的設計，進行了衛星視景仿真軟件的開發，并實現了衛星飛行的三維視景演示。本套視景仿真軟件克服了數值仿真階段不夠直觀的特點，并且降低了開發以及維護的難度，節約了實驗成本，使用方便，效果逼真，極大地縮短了仿真算法的設計周期。本套視景仿真軟件取得了滿意的效果，達到了預期希望，具有廣闊的應用前景。

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DESIGN AND REALISATION OF SATELLITE VISUAL SIMULATION SOFTWARE BASED ON OGRE

Sun ShihangZong QunXu Rui

(SchoolofElectricalandAutomationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

For the needs of satellite visual simulation, we designed and developed the OGRE graphics engine-based satellite visual simulation software to carry out the simulation and demonstration of entire flight process. Satellite visual simulation software makes underlying rendering based on OGRE graphics engine, builds three-dimensional solid model in combination with 3ds Max modelling software, and generates the satellite sky scene on the basis of self-developed scene editing tools. The functional module of the simulation software includes OGRE main frame module, file path management module, scene data management module, network communication module and human-computer interaction module. Operational result showed that the satellite visual simulation software can realistically simulate the satellite flying scene. It is capable of making real-time screen simulation and data monitoring, therefore has broad application prospects.

Visual simulationOGREModular designSatellite visualReal-time simulation

2015-06-30。國家高技術研究發展計劃項目(2013AA 122602)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(11JCZDJC25100)。孫詩行，碩士生，主研領域：三維視景軟件開發。宗群，教授。徐銳，碩士。

TP311.52

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10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.045