ＭｕｌｔｉＧｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ／Ｖｅｇａ在高速列車運行視景仿真系統中的應用

摘要:隨著計算機軟、硬件技術的迅速發展，利用三維視景仿真技術動態描述列車運行仿真過程成為一個新的發展方向。簡要介紹了開發工具Multigen Creator和 Vega的特點。研究了利用Creator和 Vega實現視景仿真的總過程。結合高速列車運行實例說明了利用Multigen Creator建立鐵路三維模型的主要思路和過程，并詳細分析了建模過程中的難點問題及相應的辦法;還研究了利用Vega實現實時驅動的步驟和方法。仿真結果表明，基于Multigen Creator和 Vega的高速列車運行實時視景仿真系統取得了良好的效果。

關鍵詞:視景仿真;Multigen Creator;Vega;建模;列車運行仿真

中圖分類號:TP319 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)24-6973-02

MultiGen Creator/Vega and Their Application in the Driving Simulator of the High-speed Train Transportion System

HE Min

(School of Electrical Information Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

視景仿真(Visual Simulation)是計算機仿真技術的重要分支，是計算機圖形圖像技術、圖形處理與圖像生成技術、立體影像和影像技術、信息合成技術、現實技術等諸多高新技術的綜合運用，其最重要的目標是真實體驗和方便自然的人機交互。它有利于縮短實驗和研制周期，提高試驗和研制質量，節省試驗和研制經費，并已經在許多領域得到了廣泛的應用[1]。

目前，列車控制系統(CTCS) 已成為我國鐵路列車控制的發展方向。由于該系統得基礎設施、閉塞制式、列車運行方式等各方面都非常復雜， 因此有必要建立一個仿真系統，為行車組織、基礎設施建設、列車安全運行等提供科學的可靠的決策支持。鐵路視景仿真技術是仿真動畫的高級階段，應用三維視景仿真技術開發此類系統的顯示模塊，不但提高效率，縮短研發周期，減少訓練時間，不受環境及氣候的限制，而且對保證安全、節約開支、提高試驗和研制質量、系統設計的靈活性尤其具有突出的功效。

1 軟件平臺

1.1 三維建模軟件

Multigen Creator系列軟件，由美國Multigen-Paradigm(www.multigen.com)公司開發的，是一種實現三維仿真建模工具的軟件系列。它性能優越，系統可靠，穩定性好，具有同類建模軟件系統無法比擬的優點。它有別于傳統的機械建模CAD等建模軟件，可以滿足實時性的前提下的面向仿真的、逼真性好的大面積場景。Creator還提供創建和編輯數據庫文件的可視化環境，擁有針對實時應用優化的Open Flight數據格式、最優化地生成實時三維(RT3D)數據庫。它主要由基本建模環境模塊、地形建模模塊和特殊用途模塊組成。其中基本建模環境模塊給建模人員提供一個交互的、可視化建模環境。地形建模模塊提供了強大的批處理三維地形、地貌生成工具。特殊用途模塊主要包括公路、儀表構建模塊等。

1.2 實時仿真工具

Vega用于實時視覺模擬、虛擬現實和普通視覺應用。Vega將易用的工具和高級仿真功能巧妙地結合起來，從而可使用戶簡單迅速地創建、編輯、運行復雜的仿真應用。Vega能顯著地提高工作效率，同時大幅度減少源代碼開發時間。使用Vega可以迅速地創建各種實時交互的三維環境，以滿足各行各業的需求。

Vega包括圖形用戶界面LynX(一種基于X/Motif技術的點擊式圖形環境)、Vega庫還包括完整的應用程序接口(API)。圖形用戶界面Lvnx，用來定義和預覽Vega應用程序，最后生成用于Vega程序的.ADF文件(應用定義文件)。LYNX實際上是創建、修改和預覽.adf 文件的一個編輯器。一個可以獨立運行的Vega 程序能通過解釋不同的.adf 文件而產生不同的仿真效果。在視窗環境下，Vega的基本開發環境為VC++，它可以很方便地與C++/OpenGL相結合。

2 總體實現方法

2.1 總體創建思路

為實現列車視景的仿真，我們要在三維視景模型建立完成的基礎上，對視景系統進行配置和建立實時驅動程序。所以，我們首先要運用Multigen Creator構建出車站、軌道、地形等的三維模型，然后運用Vega的API函數實現軌道列車的實時運行。圖1為三維實時仿真應用程序的創建過程。

2.2 三維場景建模思路和方法

Creator 采用的是OpenFlight 的數據庫格式。Open Flight 數據格式是Creator的根基，它的邏輯化層次場景的面熟數據庫可以通知圖像生成器何時、以何種方式渲染實時三維景觀。先進的實時功能，如細節層次、多邊形刪減、邏輯刪減、繪制優先級、平面分離等，是Open Flight成為最受歡迎的實時三維圖像格式的幾個原因。從模型數據庫的儲存結構上看， Open Flight 格式是一種樹狀的層次化結構。采用這種結構不但可以方便地將模型按照幾何特性進行有效地組織，并將其轉化為能夠方便

地進行移動和編輯的節點形式，而且這種樹狀結構非常適合實時系統進行各種便利操作。

比如利用Creator創建一個車站三維場景，我們將車站主要分為:站臺、監控室、墻壁、各種公告牌、信號機以及軌道等。按照Open Flight 格式的樹狀層次建模的思想，可以由大到小安排數據庫的各種層次:公告牌、站臺、軌道、房頂等相互獨立的模塊放在同一層次，軌道兩側站臺屬于站臺的下一層次，而監控室可以放在比兩站臺低一級的層次上。

其中軌道的創建使用Creator中的道路(Road)工具來實現。道路工具主要包括道路構造(Road Construction) 工具和道路配置( Road Tessellation)工具。前者用來創建直軌道、曲線軌道、坡度軌道。為了生成更逼真的道路模型， 還需使用道路配置工具為其定義各種其它道路特征屬性。Creator提供了5 個道路特征屬性: 路基、車道、LOD、道路特征、導航數據。針對軌道的具體情況， 主要設置了路基、LOD、道路特征3 項。另外，利用Creator中的地形建模模塊可以方便的建立出列車駛過的地形設計。

在建立好模型后，可利用Creator的簡化工具進行優化，達到在保證效果的情況下，提高渲染速度、保證刷新速率。

2.3 建模中的關鍵技術

2.3.1 層次細節技術

層次細節(Level of Detail，簡稱LOD)技術是用一組復雜程度不同的實體層次細節模型來描述同一個對象，并在圖形繪制中依據視點遠近或其他標準在這些細節模型中進行切換，從而能夠實時地改變場景的復雜度。當實體遠離視點時，選擇較粗糙的LOD模型繪制，如果實體靠近視點則選擇高分辨率的LOD模型進行繪制。毫無疑問LOD技術既保證了場景的視覺效果，又提高了場景繪制幀速，改善了系統的實時性。

LOD切換標準有尺寸/距離標準、偏心距標準和運動標準。在MultiGen中一般采用尺寸/距離標準來進行LOD切換，對使用了LOD的模型需要定義每一級LOD進行切換顯示的范圍值，即切入距離與關閉距離。MultiGen還支持Morphing過渡算法，Morphing方法是在相鄰的LOD間生成一個過渡區、順利實現不同級別LOD的切換和平滑過渡。如圖所示兩級LOD之間的切換、過渡。

在MultiGen中允許模型的層次結構中存在LOD節點，并可對節點下的不同模型細節分別進行修改，以形成不同級別的LOD模型。簡化模型的方法有細分法、采樣法、刪減法，實際應用中多采用刪減法。

2.3.2 紋理映射技術

有效使用紋理映射技術，不僅能增加場景的真實感，而且能提高實時性。使用它可以在不增加多邊形的前提下，使模型獲得照片一樣清晰地真是視覺效果。車站廣告牌、車站監控室等規則物體和模型都具有數量較大的細節部分。如果過分強調細節，會使工作量和模型復雜度驟然增大，導致整個系統實時運行速度的下降。因此對細致建模一般采用紋理映射的方法，在對應位置的多邊形表面貼上紋理圖片，用來代替詳細的模型。

2.3.3 Billboard技術

MultiGen提供了Billboard建模方法，即在二維的Billboard對象上貼上逼真的紋理并且使之隨視點轉動便可達到三維的效果。可以應用于某些難于精確建?；蚰Ｐ蛷碗s的對象，例如在大的場景系統中對于遠方的物體，用一幅貼圖來代替，就能夠在滿足仿真要求，有效地減少數據量，提高圖像繪制、輸出時的顯示速度。

2.3.4 實例化技術

當三維復雜模型中具有多個幾何形狀相同但是位置不同的物體時，可以采用實例技術。實例化是對數據庫中已存在的模型的引用。外觀上的效果與復制相同，但實例并不是數據庫中真實存在的幾何體，而只是指向其父對象的指針，實例就像是一個模型的眾多的影子，而實際物體只有一個。其他的通過平移、旋轉、縮放之后得到。也就是說在內存中只裝入一次，這一點類似于動態鏈接庫文件。因此，可以對某一實例的幾何特征、顏色、紋理等屬性進行編輯。但這將改變

所有實例的屬性，這樣可以節省大量的硬盤和內存空間。

2.3.5 外部引用技術

外部引用可以讓用戶直接把其他數據庫引用到當前的數據庫中，引用的數據庫能在當前數據庫中重新定位。這樣做的好處就像把圖片分割以加快下載速度一樣。在設計軌道旁邊的樹木、房屋和電線桿時利用外部引用技術。通過外部引用其他模型數據庫，有效降低了模型數據庫的規模，節省了內存空房間和存儲空間，方便了建模操作，提高了系統資源的利用率。

3 Vega仿真應用——驅動顯示

3.1 配置和初始化

在建模完成后，為了實現場景漫游需要對視景系統進行配置和初始化。系統主要是使用Vega提供的帶有圖形用戶界面的工具LynX進行配置。在不需要編寫代碼或重新編譯的情況下，使用LynX中的定義窗口、通道、觀察者、運動模式、路徑、環境、環境特效等，并根據預覽效果實時的更改這些參數，以實現其逼真的效果。完成各種設置后，使用動態預覽功能觀看場景設置的效果。

3.2 實時驅動

如圖1所示，將.flt文件中建好的模型在圖形用戶界面LynX中配置和初始化得到一個.adf文件后，就可以在VC++平臺中調用Vega的應用編程接口，對.adf文件中定義的三維場景進行實時驅動，現實仿真畫面。

建立Vega應用的步驟為:

1) 初始化:調用vgInitSys()函數對系統進行初始化。具體工作包括初始化圖形形狀、創建共享內存區和共享信號區。

2) 定義:直接使用相應的Vega API函數相應的實例。

3) 配置:調用VgConfigSys()函數完成系統配置。

設置完Vega系統后，就開始了應用主循環。主循環的作用是對三維視景進行渲染驅動。首先調用vgSyncFrame()函數實現給定幀速的幀同步。然后調用vgFrame()函數實現當前顯示幀的一些必要處理。

在主循環中，視景仿真程序根據從Vega系統中接收的列車運行參數以及其他參數，完成對當前場景狀態的更新，并計算視點及運動物體的位置、狀態等。并通過調用API實現視景的輸出。

4 仿真結果

5 結束語

該文研究了一種基于Multigen Creator 和Vega 的列車運行視景仿真系統，實現了用戶和仿真環境的交互，能夠很好的模擬列車的實際運行狀態，具有很高的逼真度，達到了預期的效果。由于該系統比較龐雜，肯定有許多不足之處，在以后的研究中還需要在列車加、減速的控制和列車運行系統數據的研究等方面進行改進和完善，從而使仿真效果更加真實。

參考文獻:

[1] 康風舉，楊惠珍.現代仿真技術與應用[M].長沙:國防工業出版社，2006.

[2] 吳家鑄，黨崗.視景仿真技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

[3] vega LynX User's Guide Version 3.71[S].MultiGen-Paradigm.Inc，2003.

[4] vega Programmer's Guide Version 3.71[S].MultiGen-Paradigm.Inc.2003

[5] Creator Creating Models for simulation Version 3.0 for window[S].MultiGen-Paradigm.Inc，2004.

[6] 龔卓榮.LynX 圖形界面[M].長沙:國防工業出版社，2002.

[7] 徐靜.基于虛擬現實技術的隧道視景仿真系統研究[D].長安大學，2004.

[8] 王冬海.三維視景仿真技術在地鐵列車運行控制系統仿真中的應用[D].北京交通大學碩士畢業論文，2004.