军事海洋环境视景仿真研究

第23卷　第06期计　算　机　仿　真2006年06月 文章编号:1006-9348(2006)06-0171-05

军事海洋环境视景仿真研究

徐定杰,邹勇,熊芝兰,刘丹丹

(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:Creator/Vega是虚拟现实领域业界领先的建模和仿真软件平台。该文研究了基于Creator/Vega的军事海洋环境的视景

建模和仿真。对海洋地理环境模型的建立、优化和仿真渲染管理进行了较深的研讨。把从电子海图中提取的地理信息进行分

类,根据各类信息的特点,提出了不同的建模方法和管理方式。同时结合Creator/Vega的大规模数据库管理(LADBM)技术,

介绍了视景仿真模型集的仿真管理。对比目前其它的建模和仿真软件,C reator/Vega确实可以方便地建立视景仿真的各类

模型,取得逼真的仿真效果,提高视景仿真的整体水平。

关键词:虚拟现实;视景仿真;虚拟战场;海洋环境建模;地形建模

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A

Research on V isua l S i m ula tion System

of M arti a l M ar i ne Env ironm en t

XU D ing-jie,Z OU Yong,X I O N G Zhi-lan,L I U D an-dan

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin Heilongjiang15001,China) ABSTRACT:Creator/Vega is the leading modeling and si mulation soft w are of VR.This paper mainly

investigates the view si mulation and construction of3D models,based on Creator/Vega,belonging to martial

marine environment.It especially further investigates the construction,op ti m ization and si mulation management

of geographical models.By classifying the geographic infor mation p icked-up from electronic chart,different

ways for modeling and managing models of different classes based on their respective characters are brought

for ward.A t the same ti m e,the management of view si mulation models,emp loying large area database

management(LADBM)technology of Creator/Vega,is paring with other current modeling and

si mulation soft ware,Creator/Vega can certainly expediently model all objects of view si mulation,achieve perfect

si mulation results,and i mp rove the whole level of view si m ulation.

KEYWO RD S:V irtual reality;V iew si mulation;V irtual battlefield;M arine environment modeling;Landfor m

modeling

1　引言

虚拟战场因其逼真的三维效果,能够模拟作战方式方法的演练,大幅减少作战演习训练的费用,帮助部队快速适应未来战争的形式,在未来以高科技为基础的战争中,势必表现越来越大的优势。虚拟战场场景的建模是虚拟战场的关键技术,其逼真度直接影响虚拟战场的演练效果。

近年来,绝大部分关于虚拟战场视景仿真的研究都针对于陆地战场。顺应目前军事发展趋势,海域战争势必成为未来战争的重要组成部分。所以,发展海洋战场环境的虚拟建模技术对于提高海域对抗作战效果,提高整体的作战水平有着重要的作用。Creator/Vega是M ultiGen-Paradig m公司的在虚拟现实领域业界领先的软件平台。Vega采用了面向对象技术,各种图形管理功能以及可选模块被定义为“类”,用户通过类的实例实现和控制某一类图形现实[1]。Vega包含基本模块和若干针对不同仿真领域的可选模块,可以创建、编辑和运行高性能的实时应用[2][3]。所以我们使用了Creator/Vega软件平台,开发军事海洋环境的视景仿真系统。

2　海洋地理环境原始数据的提取

2.1　获取原始数据

建立三维虚拟海洋环境,最主要的就是对地理信息的获

收稿日期:2005-04-07

取、存储、管理、分析、重构和输出。地理信息包括海底地形信息和地物信息。海底地形是指因海底地势起伏而形成的明显可测的地表轮廓。地物主要是指水下、水面和近海的阻碍物、助航标识物以及其它建筑物等。

海底地形的测绘制作属于国家行为,一般的科学研究人员很难获得实测的海底地形数据库。本文使用的数据是来自某模拟电子海图信息系统,是虚假的模拟数据。电子海图的基本构成要素是地形和地物信息,是海洋环境的主要组成部分,也是船舶航行的主要参照物,具有一定的代表性,基本可以保证船艇航行安全。

2.2　建立海洋地理信息数据库

海洋地理信息数据库是进行海洋地理环境虚拟再现的数据来源,它应该包括海图的所有信息。从电子海图中有序全面地提取各种地理要素是数据库建立的关键技术。根据不同的用途或性质,可以对电子海图中的地理信息进行分类,比如分为测量控制类、地理要素类、人工地物类、陆地方位物类、岸线和港口类、水深和等深线及干出滩、助航设备类、碍航物类、航道类、水文类、磁要素类等。每一类又包含了许多要素,例如地理要素类包括海洋/陆地、水系、陆地方位物、港口设施、测量控制点、地貌、居民地、交通运输、水深/底质、助航设备、碍航物、航道、近海设施、区域界线、服务设施、水文/磁要素等。所有的要素中,有些是可以忽略的,有些则是必须的,例如水深、水塔、庙宇、海岸雷达站、灯桩、灯塔、海底电缆、高程点,港口设施和机场等等要素则是必须的。

电子海图中,地理信息被分层管理。为了全面地提取信息和提取后的管理方便,必须把所有信息分层分类地单独提取。将海图中的各层信息提取出来并转换成目标格式,分别存入海洋视景仿真系统的地理信息数据库中。在提取的过程中,不同的对象要提取的数据的个数也不同。例如,提取某区域第10层的水深信息,要读出的数据包括经度、纬度和各经纬度的水深值。

特别要读出电子海图的文件头结构体。因为电子海图的文件头结构体包括海图的所有索引信息,如图号、图名、副名、投影方式、控制点数、控制点名、控制点坐标、分层文件起始序号、要素数等等。

地理要素信息可以分为基本地理要素信息和常变地理要素信息。基本地理要素信息是指那些比较固定的不会经常变动的信息,比如水深、陆地方位物、碍航物、地貌、干出礁、适淹礁、居民地等。常变地理要素信息是指那些可能会经常被添加、删除或修改的信息,比如水塔、灯桩、灯塔、浮标等信息。为了能快速地生成地理模型,又能对更新信息进行方便地维护,基本地理要素信息通常以二进制文件方式进行存储,并最终转换成DED格式文件,便于三维地形模型自动快速地生成。常变地理要素信息则按照其所属的类别存放于M S Access数据库中。同一要素信息存放于一个二维表格中。图1是存放灯桩信息的二维表格。

利用M S Access数据库,

常变地理要素信息可以在渲染

图1　灯桩数据库表

时用程序实时调用,也易于管理。

3　三维地理模型建立和优化

3.1　地表地物建模及其工具

Creator采用的是OpenFlight规范构建模型数据库,利用层次技术,把数据库中的模型依次分为组(Group)层级、对象(Object)层级、面(Face)层级的逻辑管理层。各层级之间有严格的面从属于对象、对象从属于组的关系。每个层级有各自的功能模块,比如开关切换(S w itch)模块从属于组层级,自由度(DOF)模块不能从属于面层级。这样把模型严格地分层级管理,并拥有很多的从属于一定层级的功能模块,让建模变得条理清晰,方便快捷,易于管理。特别是地形自动建模模块,使Creator具有其它建模软件不可比拟的优越性。

根据海洋地理环境的特点,地理建模可分为基本地表建模、基本地物建模和常变地物建模。基本地表是指基本地形的表面轮廓。基本地物是那些不经常变动的地面实体。常变地物是那些可能会经常被更改的地面实体。

3.2　基本地形建模

3.2.1　数据格式的转换

基本地形建模包括基本地表建模和基本地物建模。基本地表包括水深、海岸线、浅滩、山脉和陆地等。在建模之时,必须把海图数据库中基本地表的地形高程数据提取出来。根据Creator地形模块取规则网格数据生成建模的特点,先使用Kriging插值算法通过M at Lab编程把从海图得到的散乱的高程数据转换成规则的网格数据,再用Creator自带的插件先后转换成Creator能够辨识的USGS DE M格式数据和DED格式数据。

基本地物包括助航设备、障碍物和居民地等。在Creator 建模系统中,把这些地表物体叫做数字特征体,并有对应的特征体建模模块,可以方便地设置特征体的性质,如特征体的地理位置和占地大小。基本地物物理模型需要手动建立,最后以数字特征体数据DFD(D igital Feature Datum)格式文件保存,在基本地表模型生成时引入,和基本地表模型一起生成OpenFlight数据库模型。

3.2.2　基本地形建模

M ultiGen Creator之所以能成为世界范围业界领先的三维建模软件平台,很重要的原因就是Creator拥有众多优秀的针对性和实用性都很强的功能模块。地形模块(Terrain Module)就是其中之一。地形模块提出了很多行之有效的创