基于CTS的大地形仿真技術

摘要:該文結(jié)合某型飛機飛行模擬系統(tǒng)研制，以視景仿真軟件Creator Terrain Studio、建模軟件Creator和視景驅(qū)動軟件Vega Prime為基礎，研究了大地形仿真的各項關鍵技術，實現(xiàn)了某地區(qū)九萬平方公里(三百公里×三百公里)區(qū)域的大地形仿真。

關鍵詞:大地形;Creator;CTS;VegaPrime;仿真

中圖分類號:TP319文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)11-2702-02

Technology of Large Area Terrain Simulation Based on CTS

TIAN Jie-rong， HU Rui-qing

(Naval Flying Academy， Huludao 125001 ，China)

Abstract:The implementation method of large area simulation system based on CTS/Creator /VegaPrime was explored.Large area simulation system of ninety thousand sq.km.(three handred km.×three handred km.) was achieved throught same key technology.

Key words: large area; Creator/CTS/VegaPrime; simulation

運用虛擬現(xiàn)實技術進行軍事模擬與仿真訓練已成為當今軍事作戰(zhàn)演習和軍事理論及戰(zhàn)法研究的重要手段。而飛行仿真要求視景的細節(jié)度較高，實時生成的多邊形數(shù)量較多，需要運用大量的 GIS 數(shù)據(jù)，其區(qū)域之廣可至上千公里、紋理量之大可有幾千兆，這些都對傳統(tǒng)建模和調(diào)用方式產(chǎn)生極大挑戰(zhàn)，勢必影響作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)的實時交互能力以及戰(zhàn)術演練和訓練的質(zhì)量，已經(jīng)成為飛行仿真系統(tǒng)中亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的視景仿真技術在產(chǎn)生大地形時對海量地形數(shù)據(jù)的生成與管理能力較弱。早期的技術是利用Creator自帶的Terrain Pro工具讀取DED高程數(shù)據(jù)文件。該方法雖簡單宜用，但缺點很多，例如對系統(tǒng)要求極高，運行速度慢，尤其當DED文件非常大時，該方法是“不可行”的。為了提高效率，MPI公司后來又推出了Creator Terrain Studio(CTS)，并重新開發(fā)了視景渲染工具Vega Prime。其方法是通過CTS產(chǎn)生地形數(shù)據(jù)，然后發(fā)布MetaFlight文件被Vega Prime的大地理管理模塊(LADBM)調(diào)用。這種方法可以大幅提高地形產(chǎn)生與管理的效率。

本文結(jié)合某型飛機飛行模擬系統(tǒng)研制，以視景仿真軟件Creator Terrain Studio、建模軟件Creator和視景驅(qū)動軟件Vega Prime為基礎，研究了大地形仿真的各項關鍵技術，實現(xiàn)了某地區(qū)九萬平方公里(三百公里×三百公里)區(qū)域的大地形仿真。

1 軟件平臺

1.1 Creator———三維實時建模工具

Multigen Creator是比較知名的實時三維建模工具軟件。Creator基于Open Flight數(shù)據(jù)格式，它是一種分層結(jié)構的景觀描述數(shù)據(jù)庫，用來通知圖像生成器何時渲染實時三維景觀，非常精確可靠。它支持很多場景仿真中的概念，如光源、紋理映射，層次細節(jié)模型、聲音、自由度、動畫序列以及模型的實例化等。

1.2 Creator Terrain Studio(CTS)———新一代地形開發(fā)工具

Creator Terrain Studio(以下簡稱CTS)是Multigen-Paradigm公司發(fā)布的下一代地形開發(fā)工具。CTS是一個工具集，用于創(chuàng)建和管理在可視化仿真程序中使用的地形、紋理及為大規(guī)模數(shù)據(jù)庫使用的Culture文件。你可以創(chuàng)建地形或虛擬的紋理、瀏覽你完成的地形數(shù)據(jù)庫并保存你的數(shù)據(jù)庫為MetaFlight文件。該文件可以被一個實時應用程序調(diào)用，比如Vega Prime。

1.3 Vega Prime———視景驅(qū)動工具

VegaPrime 提供真正跨平臺、可擴展的開發(fā)環(huán)境，來高效創(chuàng)建和配置視景仿真、城市仿真、基于仿真的訓練、通用可視化應用。VegaPrime 基于VSG(Vega Scene Graph——MPI 公司先進的跨平臺場景圖形API，底層為OpenGL)，同時包括Lynx Prime GUI (用戶圖形界面)工具，讓用戶既可以用圖形化的工具進行快速配置，又可以用底層場景圖形API 來進行應用特定功能的創(chuàng)建。VegPrime的大地理管理模塊(LADBM)支持分塊索引技術(場景分割) ，可以有效提高大場景的漫游效果。另外支持多分辨率紋理貼圖(mipmap紋理)技術。

2 視景數(shù)據(jù)庫設計

視景數(shù)據(jù)庫的設計是從以下幾個方面進行考慮:原始數(shù)據(jù)準備、原始數(shù)據(jù)優(yōu)化處理、地形生成、三維模型構建、紋理處理、數(shù)據(jù)結(jié)構優(yōu)化、細節(jié)層次處理、調(diào)試等。原始資料準備是指收集素材，主要包括地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星照片、航拍照片、三維物體的三視圖和尺寸、三維物體的三視角正向照片或各部分正向照片等。本系統(tǒng)視景數(shù)據(jù)庫所需衛(wèi)片采用三個層次:以某機場為中心15KM×15KM范圍采用0.6米分辨率高精度;機場100KM×100KM范圍采用5米分辨率;機場300KM×300KM范圍采用15米分辨率;采用15米分辨率的高程數(shù)據(jù);所用衛(wèi)片在數(shù)據(jù)校正的基礎上進行融合。然后根據(jù)總體設計要求，確定建庫的具體指標(參數(shù))，對原始數(shù)據(jù)進行校正和優(yōu)化預處理，數(shù)據(jù)庫的設計流程如圖1所示。

3 視景數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 基本3D模型的構建

基本3D模型的構建是生成視景數(shù)據(jù)庫的基礎，它將真實世界的對象物體在相應的三維虛擬世界中實現(xiàn)，并根據(jù)系統(tǒng)需求保存部分物理屬性。模型構建首先要建立對象物體的幾何模型，確定其空間位置和幾何元素的屬性。另外，為了增強虛擬環(huán)境的真實感，要表現(xiàn)出對象物體的顏色、材質(zhì)、紋理等物理特性。三維物體的紋理以實際機場的照片為原始資料，通過掃描輸入到計算機，運用Photoshop軟件進行修正，生成三維物體的紋理。利用Creator交互直觀的用戶界面進行多邊形建模和紋理貼圖，能夠方便快速地生成一個高逼真度的3D模型，并且創(chuàng)建的3D模型能夠在實時過程中隨意優(yōu)化。

3.2 紋理映射技術Virtual Texture

環(huán)境模型中的圖形體和面的幾何結(jié)構，是不能產(chǎn)生仿真環(huán)境的真實感覺的(如地理、幾何結(jié)構只體現(xiàn)其范圍、海拔高度、山脈走向等線條框架)，還需對其表面進行處理即加表面反射和紋理。這樣做的好處不僅增加了細節(jié)水平及景物的真實感，還可大大減少環(huán)境模型的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示的刷新率。

Virtual Texture(VT)技術源于SGI平臺下的Clipmapping技術，它是一個正方形的紋理分層分塊結(jié)構，層級從1×1的紋理開始，逐層2倍增加，一直到最高層。每層均覆蓋整個地形。VT最高層的尺寸大小取決于地形覆蓋范圍及紋理影像最高分辨率。在本應用中，地形覆蓋范圍約300Km x 300Km，按照最高分辨率1m計算，為保證精度，Virtual Texture的尺寸確定為524288×524288(219)，一共20層。在這一層，理論上應該有1024×1024塊512×512的紋理，每塊512×512的紋理占地約(300000/1024)×(100000/1024)=293m×98m。而在第19層(218)，則有512×512塊，同樣1張512×512的紋理，實際占地將是586m×196m，是原來的四倍，其他層依此類推。在地形數(shù)據(jù)庫實時運行中，Vega Prime自動根據(jù)視點的位置，在VT的各層中，選出和視點位置最為接近的1張VT并進行顯示，這是優(yōu)化的關鍵。在VT中，紋理格式可按5551存儲。基于Virtual Texture原理，已經(jīng)完全解決了大面積高精度紋理應用的問題，而且，紋理空間的余度還比較大，多出來的紋理內(nèi)存部分可以考慮用在豐富建筑物等地面特征上。

3.3 多層LOD

對應于虛擬紋理的分層結(jié)構，三維地形生成也需要進行合理地分層/分塊處理，而且在對應的層上，地形分塊的大小必須小于等于紋理分塊的大小，這樣才能顯示出相應層最高精度的紋理。在本文的應用中，在最高層每塊紋理時間占地約293m×98m，在最高層的地形分塊的大小就只能小于等于這個數(shù)值，才能顯示出1m精度的紋理。另外，地形的分層和VT的分層不同，沒有必要像VT那樣分成十幾二十層，一般而言，按照LOD分層設置，分成4-6層即可滿足應用要求。在本應用中，考慮到1m分辨率紋理的顯示，將地形分為6層LOD(僅在有高精度紋理的地區(qū)，調(diào)用高層LOD地形;在全區(qū)域范圍低精度地區(qū)，僅調(diào)用最低精度的LOD地形)，并根據(jù)多邊形數(shù)目限制及視錐的參數(shù)，設置了合理的LOD距離及每層LOD的多邊形構成。最終在最復雜的時候，在視錐內(nèi)的地形多邊形數(shù)目大致在8萬左右。在CTS生成虛擬紋理和地形LOD過程中，會根據(jù)分塊紋理/分塊地形的層次級別，自動生成文件目錄結(jié)構，并生成一個特定的MetaFlight文件(基于XML格式)，“通知”Vega Prime如何匹配和調(diào)用這些分塊文件。

3.4 大規(guī)模地景數(shù)據(jù)庫生成技術

對于大型場景數(shù)據(jù)庫，視景系統(tǒng)不可能一次性將所有地形調(diào)入內(nèi)存。而事實上由于視線的方向性、視覺的局限性以及物體間的相互遮擋，人們所看到的往往只是場景中的一部分。因此，將數(shù)據(jù)庫分割成較小的模型單元，僅將圍繞在視點周圍的部分數(shù)據(jù)庫通過動態(tài)更新函數(shù)實時裝載到內(nèi)存并進行繪制，而用于飛行的整個數(shù)據(jù)庫存儲在硬盤內(nèi)，同時根據(jù)視點的運動實時地更新這些數(shù)據(jù)分塊。為了確保圖形質(zhì)量，在實際運行過程中還需要對場景進行一些實時修正，根據(jù)場景與視點的距離變化進行實體模型替換、紋理替換，使圖像顯示更流暢、更真實。

4 仿真結(jié)果

采用以上仿真方法，開發(fā)了某型飛機飛行模擬系統(tǒng)的視景數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)實現(xiàn)了對某地區(qū)九萬平方公里大地形的仿真，其視景效果如圖3所示。

5 結(jié)束語

視景仿真技術是一種前沿的科學技術，現(xiàn)已廣泛地應用在各種領域中。本文介紹了視景仿真的開發(fā)流程和一些關鍵技術，實現(xiàn)了大地形仿真。文中論述的方法同樣適用于其他大地形視景仿真系統(tǒng)的設計開發(fā)，進一步加強大地形視景仿真，提供與實際相同的訓練環(huán)境，將對提高軍事訓練效益起到極大的促進作用。

參考文獻:

[1] Creator Terrain Studio Desktop Tutor[Z].

[2] MultiGen Paradigm， Inc[EB/OL].http://www.multigen-paradigm.com.

[3] VegaPrime Programmer’s Guide[Z].

[4] Vega Programmer's Guide Version 3.3 for Windows NT[Z].

[5] 虛擬無忌[EB/OL].http://www.86vr.com/news.