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 s2010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 05Research on K ey T echnologies of Scene Si m ulation AboutA erospace IntegrationGU 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 ent1 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制实体三维模型的坐标系;实体轨道坐标系是指环绕行星质心做规则周期运动实体所在坐标系,在其坐标系下描述的实体对应卫星、临近空间飞行器等运动有规律的实体;地心固定坐标系下的描述实体主要对应与实体轨道坐标系下相类似、只是参考坐标系不同的实体;大地坐标系下描述的实体对应飞机、近程导弹、局部地形等近地实体;当地坐标系则描述以某个地理位置点做参考的实体,如局部地形下的车辆、建筑等;而行星惯性坐标系一般在日心黄道坐标系下进行描述.图1 空天场景多坐标系关系树F i g.1M ulti sy ste m s h i erarch ies i n s pace scene在V ega P r i m e中,可以定义四种类型的坐标系:当地坐标系、大地坐标系、地心固定坐标系和投影坐标系[8][9].由于V ega Pr i m e是针对近地视景仿真,其本身提供的坐标系描述不足以支持整个空天场景的生成,必须进行坐标系扩展.描述地球表面场景可视化,V ega P ri m e采用地心固定坐标系为场景的根节点,然后再进行地理坐标系和当地坐标系的转换.在场景图中,实体本体坐标系越靠近根节点,矩阵计算误差越小,尤其是大范围场景中更要考虑这个因素.由于空天场景中大部分仿真实体是在以地球为中心的坐标系或大地坐标系下定位的,为了降低坐标转换带来的精度误差,所以采用以地心固定坐标系为空天场景的根节点,对图1的组织形式进行转变,得到图2以地固坐标系为根节点的空天场景组织关系图.图2 以地固坐标系为根的空天场景组织关系F i g.2Space scene o rg an iza ti on w ho seroo t is eart h fixed co ordi na t e sy ste m如图2所示,只需求得日心黄道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵A的逆矩阵A^( 1),以及地心惯性坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵C的逆矩阵C^( 1)作为新关系树的转换矩阵,完成以地心固定坐标系为根节点的关系树的转换.对于大地坐标系这种直接与地球模型相关的地理坐标系,在V ega P ri m e中通过设定参考地球模型获得vpC oo rdSy s 对象,从而根据此对象获得地心固定坐标系到大地坐标系的坐标转换器v p C oo rdC ov erter对象.对于大地坐标系下的仿真实体vp O bjec,t只要设定其坐标转换器为此vpC oo rdC ov erter 对象,就可以以(经度,纬度,海拔,偏航角,俯仰角,滚动角)的地理位姿形式来描述仿真实体的运动.绘制时,场景图内部会自动地对其进行坐标转换矩阵F,从而实现笛卡尔坐标系与地理坐标系之间的转换.具体创建和使用vpC oo rdC ov erter 的方法如下://创建地球模型vpC oo rdSy s::E lli pso i d*m_E lli p s o i d=new v p C o o rdSy sEllips o i d("K TE art h",EARTH_SE M I M A J OR,EARTH _SE M I M I NOR);m_E lli p s o i d >ref();//通过m_E lli pso i d创建大地坐标系的vpC oo rdSy s对象vpC oo rdSy s*m_G eo de tic=new vpCo o rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO DET IC,m_E lli pso id);m_G eodeti c >re f();//通过m_Ellips o i d创建地心固定坐标系的vpC oo rdSy s 对象vpC oo rdSy s*m_G eocentr i c=new vpCoo rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO CENTR I C,m_E llipso i d);m_G eocentr i c >ref();//初始化大地坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eo de ti cC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eodeti cC ov >ref();m_G eodeti cC ov >s e t Co o rdSy s(m_G eo de tic);//初始化地心固定坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eocentricC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eocentr i cC ov >ref();m_G eocentr i cC ov >se t Co ordSy s(m_G eo centr ic);//初始化地心惯性坐标系的v p T ransfo r mvpT ransfor m*m_G eoCenInerT ran s=ne w vpT ran sfo r m ();m_G eoC enInerT rans >re f();//设置场景根节点m_Scene为地心固定坐标系形式m_Scene >se t Coo rd C onver t e r(m_G eo cen tricCo v);//建立地心固定坐标系和地形惯性坐标系的从属关系m_Scene >add C hil d(m_G eoC enInerT ran s);//设定场景中实体对象a irplane为大地坐标系描述形式的方法m_Scene >add C hil d(a irp l ane);a irp l ane >set C oo rdC onverter(m_G eodeticCo v);3 视域远近裁剪面控制大规模场景精确显示必须解决两个问题,一是如何提高2256 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年三维场景中物体定位的精度,二是如何提高深度检测的准确性.在三维场景中,对于获得高精度的物体位姿数据,可以通过减少矩阵转换操作和采用高精度数据类型来实现[10].通过对空天场景下多坐标系的管理,采用以地固坐标系为根结点的空天场景组织关系,可以相应地减少矩阵转换操作,获得较高精度的物体位姿数据.此外,V eg a Pr i m e 较之前身V ega 在数据类型上进行了改进,采用更为精确的64位双精度浮点型数据类型,从而进一步提高了矩阵操作计算结果的精度.图3 大尺寸地球模型产生的Z fighti ng 现象F ig .3Z f i ghti ng caused by b i g ger earth m o de l 目前主流计算机最多支持32位的深度缓存,即对于三维场景而言,以视域远、近裁剪面为两端的深度值数据最多支持232个量化单位,而且随着远离视点,量化单位表示的距离是越来越大的.对空天一体化真实视景仿真,不仅要对大尺寸实体进行全局显示,也要对小尺寸实体进行局部特写.如果没有对视域近裁剪面的N ear 值和远裁剪面的F ar 值进行合理设置,就会出现用户不可容忍的失真效果[11]:若N ear 值很小而Far 值很大,就会使得绘制到同一屏幕像素上的面片深度检测不准确,出现如图3所示Z f i ghti ng 现象;若N ear 值很大且Far 值也很大,则大尺寸的物体不会出现Z fighti ng 现象,但是小尺寸的近处物体却会跑到近裁剪面之外,出现如图4所示部分"拦断",甚至全部看不到的现象.所以必须针对视点位置动态调整视域的远近裁剪面的值,更好地利用32位的深度量化级.图4 N ear 值太大出现的"拦断"现象F i g.4"blo ck"caused by larg er N ear nu m b l er 通过研究,发现空天场景具有以地球为中心,地球表面和星空为场景绘制背景,仿真实体作为场景单元嵌入其中,且运动位置在地球半径数量级以下的特点.通过设定不同的Near 、F ar 值和观察物体的尺寸进行试验还得出:以10米为N ear 值的话,F ar 值取地球直径(约1.3万公里)不会出现Z fi gh ting 现象且能满足对局部小尺寸实体进行特写的要求;以2000米为N ear 值的话,F ar 值取太阳系直径(约120亿公里)不会出现Z f i gh ting 现象,而且在这个范围内(2000米以上)小尺寸实体实际不需要局部精细表现.由此,采用式1建立观察目标到视点的距离d 和N ea r 、F a r 值的函数关系.其中m i n N 和m ax N 分别为实验得到的最小、最大N ea r 值(m i n N =10,m ax N =2000),ED 为地球直径,SD 为太阳系直径.当观察目标到视点的距离d 落在m i n N 和m ax N 之间时,为最大限度满足可视化范围和逼真度,使用等比例公式视域的远近裁剪面.在场景帧更新阶段,通过式1实时计算视域N ea r 、F a r 值,能很好地避免大尺寸实体的Z f i gh ting 现象和小尺寸实体的"拦断"现象,实现空天场景的高精度、大范围显示.图5 远处地球星空背景和近处实体同时展现的效果F ig .5E ffec ts s how ed by backg round o f starry sky i ni n fi n ity and entities in near d istance图5展现了合理确定N ea r 、F a r 以后,近处物体、远处地球和星空背景的展现效果.N ear =m i n N ,Fa r =ED:(d <m i n N )N ear =d,F a r =(m ax N -d ) S D +ED (d -m i n N )m ax D -m in D :(m in N !d !m ax N )N ear =m ax N,F a r =S D :(d >m ax N ea r )(1)4 多气象环境管理在视景仿真可视化中,支持气象环境效果对于增强三维沉浸感尤为重要.空天一体化场景不像局部场景那样只关注某一种气象环境的展现,而是关注对整个地球范围内不同区域的不同气象环境的展现.使得观察者不仅能动态了解不同空天仿真实体运行状态,还能真实感受其所处的自然环境.V eg a P ri m e 使用观察者绑定的方式实现环境效果的绘制,其vpEnv 模块对环境效果信息进行了封装,不仅可以定义展现环境的时间、地理位置、天空颜色等,而且作为环境管理者,vpEnv 还可以加载太阳、月亮、云层、风和雨等环境效果,通过合理设计和搭配,一个vpEnv 对象能够根据时间和所在225711期 郭栋梁等:空天一体化视景仿真关键技术研究位置,模拟出某一地点某时的真实环境展现.本文使用.star 格式的真实星体数据实现的星空效果作为空天场景的的默认环境.为了满足观察者进入不同区域表现不同的气象环境,设计了一个环境列表来组织管理不同的环境对象,并为列表中的环境对象设定其相应的展现区域,在场景运行时动态维护此环境列表.当每次帧更新时,通过判断视点所处的地理位置是否在某一个环境对象展现区域中,决定视点究竟与什么样的气象环境进行绑定.新设计的环境对象K TEnv类,继承自v p Env类,如下所示:classK T Env:pub lic vpEnv{doub l e m_M axL a,t m_M i nL a;t//纬度范围doub l e m_M axL on,m_M i nL on;//经度范围doub l e m_M axE le,m_M i nE l e;//高度范围public:boo l IsIn(v u V ec3d po s);//判断位置po s是否在该环境区域中};对于多视点多通道空天场景可视化的情况,其观察者(KTO b s e rv er)绑定环境(K TEnv)更新算法描述如下:(1)遍历K TO b s e rv er对象列表,如果遍历完成,退出,否则转入(2)处理;(2)通过大地坐标系的vpCo o rdCo ver t e r对象计算当前K TO bserver对象的经纬度海拔O bs LLA;(3)遍历K TEnv对象列表,如果遍历完成则转入S t ep1;否则转入(4)进行处理;(4)通过IsIn函数判断O bs L LA是否在当前KT Env对象区域中,如果为真转入(5);否则转入(6)进行处理;(5)如果K TO bserv er对象没有绑定任何KT Env对象,那么绑定当前K T Env对象于当前K TO bserver对象,并设置当前K TEnv对象的实际经纬度为此K TO bserv er对象的经纬度,然后转到(3)继续处理其他KT Env对象;否则直接转到(3);(6)如果当前K TEnv对象就是当前K TO b s e rv er对象绑定的环境对象,那么取消两者之间的绑定关系,然后转入(3)继续处理其他K TEnv对象;否则直接转到(3);通过上述算法,本文实现了多视点观察空天场景时,在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.5 实验验证和生成效果采用本文对空天场景的组织和管理方法,在W i ndow s操作系统下的HP图形工作站上使用V C7.0和V ega P ri m e实现了K T S G(空天场景K ongT ian Scene G raph)可视化系统.使用地球、高精度局部地形、地面车辆、飞机、导弹和卫星等多种模型作为空天场景的三维可视化元素,模型尺寸完全使用真图6 空天场景可视化效果图F i g6Effects g raphics o f space scene v isuali za tion实比例,同时,场景中包含了粒子系统、三维动画等特殊效果和多种气象环境展现效果;为了多角度全方位展现整个空天场景,使用多视点多通道技术;同时,绘制帧率能保持在35帧/秒以上.K T SG系统的展现效果如图6所示.其中,通道1观察的是某一时间华北某地区月夜的气象环境;通道2观察的是同一时刻不同时区西北某地区白天飘雪的气象环境;通道3观察目标是一颗卫星载有多个传感器,对不同区域进行行扫的效果;通道4是以一颗卫星为观察目标显示整个地球和星空背景的效果.KT S G系统以一个统一、真实尺寸的场景多角度、全方位地展现了空天视景仿真效果.6 结论与展望本文对空天视景仿真的关键技术难点进行了分析并提出了有效地解决途径:1)获得空天场景坐标系组织的关系树,并研究其组织形式,设计出其改进后更适于空天视景仿真的关系树模型;2)设计观察目标到视点的距离和视域远近裁剪面的函数关系,有效解决实体尺寸悬殊时场景产生的失真现象; 2258 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年3)设计了气象环境列表,对改进的环境对象类进行管理,根据视点所处环境区域动态展现区域气象环境,实现在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.最后使用V ega P ri m e和VC7.0进行开发,实现了K T SG可视化系统,生成结果表明,该系统很好地展现了空天一体化场景效果,得到了预期的目标.随着航空航天技术的快速发展,空天视景仿真必然会成为虚拟现实领域研究的一个热点课题.今后,还需进一步研究空天场景三维可视化技术在分布式仿真中的应用,提高K T SG系统的实用性和通用性.R eferences:[1]Tang K a,i K ang Fen g j u,ZhaoW en ti n g,et a.l Gen eralv is uali zati on si m u l ati on d evel opm en t arch itecture[J].Journal o f Sy st e m S i m ulati on,2008,20(21):5752 5757.[2]H u C hun,T i an Ji n w en,M i ng De lie.C o ll abo rati ve d istri buted ocean attack d efen se scene si m u lati 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