基于UE4的火星地表環(huán)境視景仿真

陳緒寧，鄭建英，胡 勇，池碧茹，陳 巍，胡慶雷,3*

1.北京航空航天大學(xué),北京 100191

2.北京控制工程研究所,北京 100094

3.北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院(余杭)，杭州 310023

0 引 言

作為科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域，面向深空探測(cè)任務(wù)的研究是當(dāng)今眾多尖端科學(xué)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，充分體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的核心創(chuàng)造力及綜合國(guó)力，對(duì)于維護(hù)國(guó)家安全，促進(jìn)技術(shù)革新，以及推動(dòng)中國(guó)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變具有重大意義[1].圍繞深空探測(cè)活動(dòng)，國(guó)際上主要航天國(guó)家和機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)了包括月球、太陽系內(nèi)行星和小天體等在內(nèi)的若干深空目標(biāo)，持續(xù)開展長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索研究，取得了一系列重大成果，有力地推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)的提升和應(yīng)用技術(shù)的顛覆性革新[2].我國(guó)深空探測(cè)起步于月球，依托“嫦娥”系列任務(wù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)探月工程的“繞落回”三步走戰(zhàn)略的完美收官[3-4].除了距離地球較近的月球之外，火星作為相距地球最近的類地行星之一，因其具有與地球類似的自轉(zhuǎn)周期和季節(jié)更替特性，同時(shí)也擁有稀薄的大氣和水以及各類礦藏和稀有金屬資源等，廣受科研人員的青睞[5-6].鑒于此，全球各大航天機(jī)構(gòu)競(jìng)相發(fā)射各類火星探測(cè)器，相繼實(shí)現(xiàn)了掠飛、繞飛、著陸等任務(wù)目標(biāo).我國(guó)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”通過一次發(fā)射，集成環(huán)繞器和著陸器系統(tǒng)，圓滿完成火星“繞落巡”三大節(jié)點(diǎn)任務(wù).

盡管人類在火星探測(cè)任務(wù)中取得了一系列的重大突破，仍需清醒地認(rèn)識(shí)到火星復(fù)雜的環(huán)境因素使得全球有記錄的探測(cè)任務(wù)成功率尚不足50%.其中，火星復(fù)雜惡劣的環(huán)境特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：大氣稀薄且不穩(wěn)定，低氣壓，地形復(fù)雜，沙塵暴多，溫度變化大及光照強(qiáng)度弱[7-9].同時(shí)因?yàn)槿祟愄剿骰鹦堑念l次有限，關(guān)于火星環(huán)境等各方面的樣本數(shù)據(jù)相對(duì)稀缺.上述眾多環(huán)境因素給火星探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造升級(jí)等帶來巨大挑戰(zhàn)，甚至是直接決定任務(wù)的成敗與否[10-12].

為保證火星探測(cè)任務(wù)的順利進(jìn)行，相關(guān)的著陸器/巡視器系統(tǒng)在研制和設(shè)計(jì)改造階段需要充足的試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行支撐[6,11-12]，這無疑會(huì)帶來巨大的資金及時(shí)間成本.針對(duì)這類問題，可以使用仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即基于仿真變量參數(shù)和模塊/框架的設(shè)置，以較高的逼真度模擬出某些工況和環(huán)境，替換部分地面無法進(jìn)行的真實(shí)試驗(yàn).這類仿真技術(shù)憑借系統(tǒng)低成本，可重復(fù)使用和危險(xiǎn)系數(shù)低等突出優(yōu)勢(shì)，尤其適用于無法獲得的未知惡劣環(huán)境.鑒于此，各類航天任務(wù)中已經(jīng)逐步引入仿真技術(shù)，主要包括月球車運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[13-14]、探測(cè)器飛行控制[15-16]、月面模擬[17-18]、火星車建模與仿真[19-21]和火星EDL過程建模仿真[22]等任務(wù).

需要指出的是，在當(dāng)前的航天系統(tǒng)仿真研究中[23-25]，主要關(guān)注的是探測(cè)器的姿態(tài)軌道分析、月球/火星車的運(yùn)動(dòng)仿真展示等，缺乏具有3維渲染功能的高逼真度視景展示，很難在同一視景框架下直觀比較不同工況下的仿真結(jié)果.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效提升工程設(shè)計(jì)人員對(duì)于虛擬環(huán)境的沉浸感和真實(shí)感，進(jìn)而為航天器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一類直觀且逼真的反饋.虛幻引擎4(UE4)作為專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，給研究人員提供了一系列的數(shù)據(jù)生成工具和技術(shù)支持，從而確保了優(yōu)越的仿真沉浸和交互效果[26-28].

本文針對(duì)火星著陸/探測(cè)操作的工程需求，對(duì)火星地表環(huán)境的數(shù)字仿真方案進(jìn)行了研究，構(gòu)建了一套基于UE4的火星地表環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)3維視景模型.該模型利用地形建模工具包和數(shù)據(jù)庫(kù)以及光照渲染功能，生成了火星特有的地形地貌場(chǎng)景，同時(shí)以3維可視化形式展現(xiàn)了火星光照、大氣層以及沙塵等逼真的環(huán)境因素，最終為火星著陸和探測(cè)操作任務(wù)提供了身臨其境的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景.

1 火星地表環(huán)境總體設(shè)計(jì)

通過調(diào)研可知[10]，火星地表崎嶇、溝壑縱橫、礫石遍布、起伏大，而且其環(huán)境也異常惡劣，并常有沙暴肆虐，因此本節(jié)將分別從地形和環(huán)境的角度入手，開展火星地表環(huán)境視景仿真研究.

基于UE4的火星地表環(huán)境視景仿真總體設(shè)計(jì)與構(gòu)建可以分為地表地形建模和地表環(huán)境建模兩大模塊，如圖1所示.其中，地表地形包括沙坡、巖石、波紋、隕石坑以及山脊的建模，地表環(huán)境模型包括沙塵、光照和大氣的建模.

圖1 視景仿真總體框架圖Fig.1 Diagram of visual simulation

2 火星地表環(huán)境視景實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)模塊建立與導(dǎo)入

為了更好地呈現(xiàn)最終視覺效果，需要在最初建立仿真環(huán)境的基礎(chǔ)模塊時(shí)就做的足夠精細(xì).因?yàn)楸疚膶⒒鹦堑乇淼牡匦魏铜h(huán)境模型分開建立，所以其對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)模塊也應(yīng)如此.地形基礎(chǔ)模塊包括巖石、隕石坑等，而環(huán)境基礎(chǔ)模塊則主要指沙塵.接下來給出具體描述.

2.1.1 地形基礎(chǔ)模塊

(1)資源搜集

由于本文的重點(diǎn)是火星地表環(huán)境的視景仿真，所以視覺效果始終是排在第一位的.在視覺呈現(xiàn)中，材質(zhì)球必不可少.材質(zhì)球的獲取一般有2種：獨(dú)立制作和網(wǎng)絡(luò)搜集.本文選擇后者，從網(wǎng)絡(luò)上搜集與火星環(huán)境適配的材質(zhì)球，其中部分如圖2所示.

圖2 不同的材質(zhì)球Fig.2 Different material balls

(2)巖石

火星地表分布著大小不一、形狀各異的巖石，有碎石、板巖和基巖等.接下來在3Ds Max 3維建模軟件中建立不同形狀的巖石模型.最后使用材質(zhì)球賦予不同巖石以相應(yīng)的視覺形式，如圖3所示.

圖3 使用不同材質(zhì)球的巖石模型Fig.3 Rock models of balls using different material

(3)隕石坑

由于空間環(huán)境復(fù)雜，時(shí)常會(huì)有天外隕石飛入火星大氣層，并與地表碰撞形成隕石坑(撞擊坑).隕石坑模塊是火星地表環(huán)境可視化仿真不可或缺的一部分.首先觀察已有的真實(shí)火星隕石坑圖片并總結(jié)出關(guān)鍵特征.接下來與巖石模塊相同，在3Ds Max中建立特點(diǎn)鮮明的隕石坑模型，選擇材質(zhì)球給其“上色”，并得到最終效果如圖4.

圖4 使用不同材質(zhì)球的隕石坑模型Fig.4 Crater models of balls using different material

2.1.2 環(huán)境基礎(chǔ)模塊

(1)沙塵

火星地表除了分布有各式各樣的巖石外，還有沙塵遍布.本節(jié)結(jié)合真實(shí)火星塵土顏色，給出沙塵粒子材質(zhì)如圖5.

圖5 沙塵粒子材質(zhì)Fig.5 Mars dust particle material

2.1.3 基礎(chǔ)模塊導(dǎo)入

在火星地表地形和環(huán)境基礎(chǔ)模塊建立好之后，需倒入至UE4中進(jìn)行后續(xù)模型建立的操作.需注意，在導(dǎo)入各基礎(chǔ)模塊時(shí)需選擇骨架網(wǎng)格模型(skeleton mesh)，以便于接下來設(shè)置模型間的碰撞效果.值得一提的是，由于上述模塊在導(dǎo)入之后，還可在UE4中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行各種伸縮變換，所以在建立基礎(chǔ)模塊時(shí)只需關(guān)注其形狀，可暫時(shí)忽略其大小.

2.2 火星地表地形模型建立

在建立并導(dǎo)入火星地表地形基礎(chǔ)模塊之后，即可開展地形模型的建立，而這也是本文的核心模塊之一.另外，火星地形建立又可分為初始地形建立和地形元素添加兩個(gè)部分，下面給出具體技術(shù)細(xì)節(jié).

2.2.1 初始地形建立

地形是仿真環(huán)境的基石，決定了環(huán)境的整體風(fēng)格和走向.UE4提供了2種地形建模的方法，1)根據(jù)已有數(shù)字高程模型(DEM)自動(dòng)生成，2)新建空白地形并在其上編輯.本文在總結(jié)火星地形主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上選擇后者使得整個(gè)環(huán)境更豐富，包含真實(shí)元素更多.

在UE4主界面模式選項(xiàng)中選擇“地形”，如圖6所示，設(shè)置地形參數(shù)如表1.接下來使用UE4中的自帶工具對(duì)圖6中的平坦地形進(jìn)行修改.如圖7(a)所示，首先選擇“雕刻”工具，通過設(shè)定合適筆刷的尺寸和衰減程度，可以生成特定的凸起，以實(shí)現(xiàn)高山、丘陵地形的建模，如圖8(a)所示.另外，使用圖7(b)中“侵蝕”工具對(duì)地形進(jìn)行下陷操作，得到如圖8(b)所示模型.通過多次調(diào)整并選擇合適的材質(zhì)球，最終得到火星地形初始模型如圖9所示.

圖6 在UE4中新建空白地形Fig.6 New blank terrain in UE4

表1 地形參數(shù)Tab.1 Terrain parameters

圖7 UE4中的雕刻和侵蝕工具Fig.7 Engraving and erosion tools in UE4

圖8 經(jīng)過雕刻和腐蝕操作后得到的模型Fig.8 The model obtained after the engraving and etching operation

圖9 火星地形初始模型Fig.9 Initial model of the Martian terrain

2.2.2 地形元素添加

上一步中建立了圖9所示的初始火星地形模型，接下來需要使用第2.1.1節(jié)中建立的初始地形模塊對(duì)整個(gè)環(huán)境進(jìn)行更精細(xì)的刻畫，以實(shí)現(xiàn)更豐富的細(xì)節(jié).

組合各種巖石、隕石坑等基礎(chǔ)地形模塊，根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行放縮和旋轉(zhuǎn)，得到部分局部細(xì)節(jié)如圖10所示，整體模型如圖11所示.

圖10 火星地形局部細(xì)節(jié)Fig.10 Local details of Martian terrain

圖11 火星地形整體模型Fig.11 Overall model of Martian terrain

2.3 火星地表環(huán)境模型建立

如果把地形比作人的骨骼，那么環(huán)境則可以看作人的血和肉.本文中環(huán)境和地形搭配組合，二者相輔相成才能造就最終沉浸式的火星地表可視化仿真.地表環(huán)境模型的建立可以分為以下幾個(gè)部分.

2.3.1 光照模型

3維空間模型具有空間位置、光亮度和顏色等特性.要繪制具有真實(shí)感的地形模型，需要對(duì)模型以及整個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行光照渲染.合理的添加光照模型，并對(duì)光源位置、光亮度以及光源類型進(jìn)行設(shè)置，有利于渲染出更加真實(shí)的3維火星環(huán)境.在本文中，選擇UE4中光照強(qiáng)度為6lux的“天光”，且光源顏色的RGB值分別為233、242和255.

2.3.2 火星大氣模型

除了逼真的光照之外，火星大氣層的建模也不可少，本文選擇“Sky_Sphere”模擬火星大氣，如圖12所示.另外，添加火星大氣模型之后的地表局部圖如圖13所示.

圖12 火星大氣模型Fig.12 Mars atmosphere model

圖13 添加火星大氣模型后的局部細(xì)節(jié)Fig.13 Local details after adding the Mars atmosphere model

2.3.3 沙塵模型

最后一項(xiàng)環(huán)境模型是火星地表的沙塵模塊，具體細(xì)節(jié)已在第2.1.2節(jié)中展示，在本部分只需將其添加到建立好的地表模型中，如圖14所示.

圖14 添加火星沙塵模型后的局部細(xì)節(jié)Fig.14 Local details after adding the Martian dust model

2.4 火星地表視景仿真最終效果

在完成基礎(chǔ)模塊導(dǎo)入、地形模型建立和環(huán)境模型建立等步驟之后，最終得到火星地表環(huán)境視景仿真效果圖，如圖15所示.

圖15 火星地表環(huán)境視景仿真效果Fig.15 Mars surface environment view simulation effect

3 真實(shí)性驗(yàn)證

在第2節(jié)中，本文主要描述了基于UE4的火星地表環(huán)境視景仿真建立過程.為證明上述最終效果貼近真實(shí)火星環(huán)境，本節(jié)將與國(guó)際上現(xiàn)有的火星車實(shí)際拍攝圖片就部分火星細(xì)節(jié)進(jìn)行對(duì)比.一般來說，主要有技術(shù)水平和硬件設(shè)施較為領(lǐng)先的好奇號(hào)等.

3.1 碎石

由于火星表面碎石、礫石遍布，而大小不一的石塊對(duì)火星車的路線選擇有著一定的決定作用，所以首先進(jìn)行碎石地形的真實(shí)性驗(yàn)證.與仿真環(huán)境做比對(duì)的是好奇號(hào)火星車執(zhí)行任務(wù)期間拍攝的實(shí)景圖片[29]，對(duì)比結(jié)果如圖16所示.

圖16 火星碎石地形細(xì)節(jié)對(duì)比Fig.16 Detail comparison of Martian gravel terrain

3.2 板巖

板巖是火星地表除碎石外的又一典型地形.接下來通過與好奇號(hào)火星車拍攝的實(shí)際火星板巖圖片[29]進(jìn)行比對(duì)，證明了所構(gòu)建環(huán)境的真實(shí)性，并一定程度上滿足視覺效果的要求，對(duì)比結(jié)果如圖17所示.

圖17 火星板巖地形細(xì)節(jié)對(duì)比Fig.17 Detail comparison of Martian slate terrain

4 結(jié) 論

本文主要介紹了一種火星地表環(huán)境的視景仿真的實(shí)現(xiàn)方法，利用UE4引擎強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了火星特有的地形地貌的可視化仿真，為火星著陸和探測(cè)操作任務(wù)提供了虛擬測(cè)試環(huán)境.展望未來的載人登火任務(wù)，航天員可以在環(huán)繞器上通過遙操作實(shí)現(xiàn)火星基地建設(shè)，迫切需要為這類遙操作提供實(shí)時(shí)的工作環(huán)境展示和控制指令的在線注入，進(jìn)而降低任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn).這對(duì)于火星視景仿真的實(shí)時(shí)交互性提出了更高的要求.