空天一体化视景仿真关键技术研究

小型微型计算机系统Journa l o f Ch i nese C om puter Sy ste m s

2010年11月第11期V o l 31N o .112010

收稿日期:2009 08 28 基金项目:国家"八六三"高技术研究发展计划项目资助. 作者简介:郭栋梁,男,1983年生,博士研究生,研究方向为计算机图形学、虚拟现实;聂俊岚,女,1964年生,博士,教授,研究方向为虚拟现实;王艳芬,女,1982年生,硕士,助理实验师,研究方向为虚拟现实、计算机图形学;孔令富,男,1957年生,博士生导师,教授,研究方向为计算机智能控制、机器视觉.

空天一体化视景仿真关键技术研究

郭栋梁,聂俊岚,王艳芬,孔令富

(燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004)E m ai:l dong li an g1005@

摘 要:针对空天场景中仿真实体坐标系难以组织,通过研究空天场景坐标系的一般关系树,提出基于V ega Pr i m e 的坐标系关系树组织结构;通过设计观察目标到视点距离和视域远近裁减面的函数对应关系,解决了空天场景中由于实体尺寸差别悬殊带来的展现失真问题;对气象环境加入区域约束,根据视点位置确定当前气象环境效果,实现空天场景多环境的展现.设计K T SG 系统,实现了空天一体化场景的逼真显示.

关键词:空天一体化;视景仿真;多坐标系管理;多气象环境

中图分类号:T P391 文献标识码:A 文章编号:1000 1220(2010)11 2255 05

Research on K ey T echnologies of Scene Si m ulation AboutA erospace Integration

GU O D ong liang,N IE Jun lan ,W ANG Y an fen ,KONG L ing fu

(In f orma tion Science and En gi n eeri ng In stit u te,Yanshan Un iversity,Q i nhuangdao 066004,Ch i n a )

Abstrac t :A no ve l organizati o na l structure o f coo rd i nate s h i e rarch ical tree t ha t base on V ega P ri m e w as propo s ed ,ai m i ng a t o rg an i z i ng the si m ulation entities i n aero s pace .A nov e l functi o n w as desi gned ,w h i ch is com po sed o f t he d istance bet w een targ et and o b serv er ,t he near c li ppi ng p l ane ,and t he far cli pp i ng plane .Succe ssfull y preven t the prob le m o f d is p l ay d isto rti on .The m ulti env iro n m ents w ere disp l ayed i n aero space scene ,buil ding on addi ng reg ion re str i c t to m eteo ro log i ca l env i ron m en.t Currentm eteo ro log i ca l en v i ron m ent w as cho se acco rd i ng t o t he po siti on o f v ie w er .K T S G syste m w as designed ,ex ac tl y d isplay i ng t he s pace scene .K ey word s :aero s pace i nteg ra tion ;scene si m ulati on ;m u lti coo rdi na t e sm anagem en ;t m ulti m eteo ro l og i ca l env iron m ent

1 引 言

空天场景是包含航天平台、临近空间平台、航空平台和地面环境一体化结合的三维场景,具有范围广、气象环境多样、实体描述复杂等特点.有效地组织三维空天场景,实现不同空间平台实时逼真地展现,在空间探测、空天虚拟战场仿真、三维游戏等方面都有着极其重要的研究意义.

作为M u lti g en Parad i gm 公司推出的支持面向对象技术的实时视景驱动软件,V eg a P ri m e 具有展现效果逼真、配置灵活、扩展模块丰富等特点,在航空航天、虚拟战场、工业仿真等诸多领域得以广泛地应用.对于空间局部区域的视景仿真,使用其自带的场景配置工具L ynx P r i m e 就能很容易地实现.然而,由于空天场景的特点,V ega Pr i m e 实现空天视景仿真会遇到如下问题:

1)描述仿真实体的坐标系各式各样.例如卫星等航空飞行器一般使用地心惯性坐标系,飞机等近地飞行器一般使用大地坐标系,而车辆、房屋等地面物体使用的却是当地坐标系.多种坐标系难以管理.

2)实体尺寸比例相差很大,如卫星、飞机尺寸等只有米数量级,而地球半径、卫星轨道半径都在数千公里甚至更高数量级,不考虑尺寸因素会产生定位精度问题和Z fighting 现象;

3)场景范围广,气象环境复杂,同一场景下不同区域不同环境的展现效果难以很好地展现,难以实现多角度、全方位观察整个空天场景.

目前对于近地平台,只对局部区域进行视景仿真[1 3];对于航天、临近空间等单一平台,通常采用非真实比例,即缩小地球和卫星半径尺寸比例进行视景仿真[4 5].无法满足既包含航空平台、临近空间平台、航天平台、又包含局部精细地形区域的空天一体化真实场景的视景仿真要求.本文从多坐标系管理、视域远近裁剪面控制和多气象环境管理等方面入手,研究如何在V ega Pr i m e 中实现真实比例、高逼真度的空天场景展示.

2 空天场景下多坐标系管理

三维场景通常采用对笛卡尔坐标系进行平移、旋转、缩放等操作来组织场景图[1],而对于空天三维场景,一部分仿真实体的位置和姿态使用笛卡尔坐标系进行描述,而其他许多仿真实体是在大地等地理坐标系中进行描述的[6,7].通过对空天仿真实体定位方式的研究,总结空天场景坐标系之间的关系,如图1所示,图中椭圆表示各种不同的坐标系,大写字母表示不同坐标系下的转换矩阵.实体本体坐标系是真正绘