OpenFlight模型組合建模技術研究

李宏宏，康鳳舉

(1．西北工業(yè)大學航海學院，陜西西安710072;2．水下信息處理與控制國家重點實驗室，陜西西安710072)

1 引 言

OpenFlight模型是 Multigen-Paradigm公司(簡稱MPI)推出的用于描述三維虛擬場景的數據模型，廣泛應用于各種視景仿真系統中，并成為視景仿真領域事實上的行業(yè)標準。隨著三維視景仿真系統規(guī)模的增大，三維實體建模工作耗費時間越來越長，占據了系統開發(fā)的大量時間，延長了視景仿真系統開發(fā)周期［1］，因此就三維建模存在的建模耗時長，擴展難等問題，對可組合的建模技術提出了更高的需求。可組合建模即對多個模型中共同的部分進行建模，后期根據需求以裝配的方式組裝成所需的模型即可。目前對OpenFlight模型可組合性研究比較少，就OpenFlight模型建模存在的問題，王嬌艷等使用OpenFlight AP I函數擴展了Creator，實現了模型細調、重組等功能，縮短了建模時間，但是在模型控制方面沒進一步研究［2］。姚林海等利用配置表描述模型的組裝擴展信息，在模型加載過程中實現了模型重組，雖然根據配置表實現了模型的按部件控制，但是在仿真前期對模型的修改非常不直觀［3］。李榮江等利用分塊技術實現了模型的分塊建立［4］，在后期仿真過程中，模型的部件可以根據視點的遠近動態(tài)加載，加快了模型的加載速度和顯示幀頻。

本文首先對OpenFlight模型數據格式進行研究，利用OpenFlight API函數通過對模型數據的讀取、修改、組合和寫入等方式實現了多個OpenFlight模型的組合，并提供了友好的人機界面實現模型的可視化組合，完善了模型可組合建模工具，大大縮短了建模時間，加快了視景仿真系統的開發(fā)周期。

2 OpenFlight模型數據格式

2.1 組件化建模設計原理

Creator是軟件源碼不可獲取的商品化的虛擬現實建模工具，但是Multigen-Paradigm公司提供了OpenFlight API對Creator的功能進行擴展和對OpenFlight模型進行讀取操作，因此可以利用OpenFlight API讀取三維模型的數據對模型數據進行調整組合操作，然后再根據用戶需求寫成一個三維模型數據文件，即可實現三維模型的組件化建模技術［5］。OpenFlight API是一個基于C語言的二次開發(fā)函數庫，它提供了訪問OpenFlight數據庫和Creator模型系統的接口方法。通過API可以進行OpenFlight模型的轉換、實時的模擬仿真、自動建模以及通過插件的形式對Creator進行功能擴展。OpenFlight API函數庫的功能函數主要分成讀取、寫入、擴展和工具四個不同操作功能模塊，對于構建OpenFlight模型來說，使用其中的讀取和寫入兩個模塊的OpenFlight API函數即可。

OpenFlight三維模型建模方式主要可以擴展為兩種:一種是通過Creator建模工具直接進行三位實體建模來得到OpenFlight模型，另一種是通過creator建模工具建立各組件，然后利用該模型組合工具來得到OpenFlight模型［6］。總括這兩種建模方式，OpenFlight三維模型建模流程如下所示。

(1)首先對所建模型的三維實體進行分析，將其拆分為幾個不同的組件，劃分的目的是使各模型更容易通過組合實現模型的構建，模型組合也可以使用已有的模型組件。

(2)對于單個實體的建模，一般不需要拆分，直接利用Creator建模即可。對于拆分好的組件，一一建模即可。

(3)利用該軟件組合模型，完成多個模型的初步建模工作。

(4)在進行導出模型前，需要對紋理圖片，LOD和面片等進行校正、拼接等處理，這樣可以減少優(yōu)化模型。然后導出生成模型即可。

(5)完成整個三維對象模型的構建工作。

2.2 OpenFlight模型數據格式

OpenFlight格式及OpenFlight API是Multigen開發(fā)的，在視覺仿真領域最為流行的標準文件格式。OpenFlight采用幾何層次結構和節(jié)點(數據庫頭節(jié)點、組、物體、面等)屬性來描述三維物體，數據節(jié)點種類很多，其常用的數據節(jié)點類型如表1所示。各類型的節(jié)點具有不同的屬性信息，其中一些屬性使用屬性調色板索引號來描述，如顏色、材質、紋理等。在OpenFlight模型中，數據節(jié)點大致包括:根節(jié)點、組節(jié)點、體節(jié)點、面節(jié)點和點節(jié)點等五大類，這些節(jié)點按照樹狀結構組織起來。一個OpenFlight數據庫的層次結構被作為一個文件存儲在磁盤上。模型以0，1二進制代碼存儲，8位為一字節(jié)，字節(jié)的存儲順序是按照正序方式存儲的。所有的模型文件都是以4個字節(jié)開始記錄。前兩個字節(jié)代表記錄類型，后兩個字節(jié)代表文件長度。其中在相鄰節(jié)點上，子節(jié)點隸屬于父節(jié)點無論是在空間位置還是功能上，而兄弟節(jié)點之間則存在著一定的相關性。OpenFlight的這種樹狀多層結構允許用戶直接對樹根節(jié)點和下屬各節(jié)點進行操作，保證了從大型模型數據庫每個頂點的精確控制［7］。

表1 OpenFlight主要數據節(jié)點的說明Tab．1 Main data node of OpenFlight

3 OpenFlight模型組合設計

3.1 OpenFlight文件的讀寫

利用OpenFlight API對OpenFlight文件進行基本讀寫的流程主要包括程序初始化，創(chuàng)建頭節(jié)點，新建組節(jié)點以及其他節(jié)點等，然后繪制幾何節(jié)點，并建立節(jié)點間的層級關系，最后寫入并關閉數據庫，程序退出等若干步驟。具體流程如下:

(1)程序主參數進行初始化;

(2)新建頭節(jié)點，建立數據庫集;

(3) 創(chuàng)建節(jié)點(光照，聲音，DOF，LOD，…)，并給記錄集屬性賦值;

(4)通過若干三維坐標創(chuàng)建頂點集;

(5)創(chuàng)建若干子面 addVertex，組成面集makePoly;

(6)創(chuàng)建若干體節(jié)點fltObject，組成組節(jié)點fltGroup;

(7)寫入數據文件形成模型文件mgWriteDb(db)。

3.2 模型組合基本操作

3．2．1 組件的添加

添加組件主要指將組件庫中的組件模型添加到其他模型中，形成一個新的模型供仿真使用。其中組件以該子節(jié)點的形式在所裝備的主模型中顯示，為了使導出模型與紋理的路徑不相關，在此都使用絕對路徑。組件添加采用將組件以外部擴展節(jié)點的調用方式加到主模型中。利用外部擴展節(jié)點，可以更加快速、方便地組合模型。這樣做也便于后期將完整模型拆分成相對獨立的組件模型，對于拆下來的組件模型還可以應用到組件模型庫的構建中，從而提高了模型的利用率。

添加組件節(jié)點的具體實現代碼步驟如下:

得到當前的數據庫頭節(jié)點mgGetCu rrentDb();

新建一個Group節(jié)點mgNewRec();

創(chuàng)建一個外部節(jié)點mgNewRec();

選擇的組件文件mgListGetSe lectedItemString();

將選擇的文件設置為外部節(jié)點mgSetA ttL ist();

將外部節(jié)點作為新建Group節(jié)點子節(jié)點mgA ttach();

寫入數據庫頭節(jié)點mgW riteDb()。

添加組件模型后，在Creator中的結構如圖1所示。

圖1 模型結構Fig．1 Model structure

3．2．2 組件的刪除

組件的刪除主要是指將外部添加進來的外部節(jié)點刪除，由于外部組件都是添加了一個節(jié)點，所以從模型中刪除一個組件模型可以通過刪除其父節(jié)點而實現，代碼如下:

g=mgGetRecByName(db，selectFullFltName);//選擇節(jié)點

mgDelete(g);//刪除節(jié)點

3．2．3 組件的移動

模型的移動首先需要定義兩個點，一個點是模型初始位置，另一個點是模型中心要移動的差值點，然后將這兩點賦給fltXmTranslate格式記錄集，模型經過記錄集的變換即可實現模型的移動。具體代碼如下:

mgrec* c=gNewRec(fltXmTranslate);//定義記錄集

mgSetCoord3d(c，fltXmTranslateFrom，a1，a2，a3);//設置模型初始位置點

mgSetCoord3d(c，fltXmTranslateDelta，b1，b2，b3);//設置模型移動差值量

mgAttach(g，c);//將組件進行移動

3．2．4 組件的旋轉與縮放

模型的旋轉與縮放在此提供繞xyz軸旋轉和縮放，通過選擇中心點、旋轉軸和旋轉角度或縮放系數即可實現模型的旋轉與縮放，具體代碼實現如下:

mgrec*x=mgNewRec(fltXmRo tate);

mgSetCoord3d( x，fltXmRotateCenter，a1，a2，a3);//選擇中心點

mgSetVector(x，fltXmRotateAx is，0，0，1);//選擇以z軸為旋轉縮放軸

m gSetA ttList(x，fltXmSca leZ，z，MG_NULL)//以z軸縮放z倍

mgSetAttList(x，fltXmRotateAngle，50，MG _NULL);//設置旋轉角度為50°

mgAttach(g，x);//旋轉與縮放模型

圖2為模型平移縮放后在Creator中的結構圖。

3.3 模型組合工具的實現

圖2 模型結構圖Fig．2 Model structure

按照以上的框架設計和操作模型的基本功能，基于 MFC 單文檔框架、vegaprime 2．2和OpenFlight API編程實現了模型可組合建模工具，其界面如圖3所示。該工具具有良好的人機交互編輯模型功能，以所見即所得的形式提供模型元件的平移、旋轉、縮放等幾何變換操作和拆分、組合等編輯操作以實現模型的可組合構建。

圖3 可組合建模工具運行界面Fig．3 Interface of the modeling tools

在此利用該工具將一架飛機和若干導彈進行了組合建模(圖4，圖5)。

圖4 分離的導彈和飛機Fig．4 Missiles and aircraft

圖5 組合過程和組合模型Fig．5 Process and portfolio model

4 結 語

本文通過調用OpenFlight API接口語言，實現了通過組裝模型組件建立完整模型的功能，并且模型組件可以被任意刪除、移動、旋轉、縮放等，解決了模型可組合建模的問題。這樣可以充分利用已有的模型資源，減少虛擬模型的建模工作量。但是本文對模型的紋理編輯，LOD節(jié)點、DOF節(jié)點等特殊節(jié)點編輯功能還未實現，有待進一步解決。

［1］ 李榮江，趙剛，陳雷．基于Creator的分塊技術研究與實現［J］．四川理工學院學報:自然科學版，2010，23(2):216－218．LI Rongjiang，ZHAO Gang，CHEN Lei．Research and implemention of block technology based on creator［J］．Journal of Sichuan University of Science＆Engineering:Natural Science Edition，2010，23(2):216－218．

［2］ 張建．Creator三維模型數據庫優(yōu)化技術［J］．系統仿真技術，2010，6(12):164－168．ZHANG Jian．Optimization technique of creator three dimensional model database［J］．System Simulation Technology，2010，6(12):164－168．

［3］ 孔中武，石林鎖，王濤．基于 Creator和VegaPrime的導彈飛行視景仿真系統設計與實現［J］．四川兵工學報，2014，35(10):111－114．KONG Zhongwu，SHI Linsuo，WANG Tao．Design and implementation of missile flight scene simulation based on creator and vega prime［J］．Journal of Sichuan Ordnance，2014，35(10):111－114．

［4］ 丁偉利，王露．基于OpenFlight模型的通用橋梁紅外輻射特性模擬方法［J］．光電工程，2013，40(10):54－62．DING Weili，WANG Lu．Infrared radiation characteristics of general bridge based on OpenFlight model［J］．Opto-Electronic Engineering，2013，40(10):54－62．

［5］ 常彥博，李智．虛擬三維地形模型的建模技術研究［J］．桂林航天工業(yè)學院學報，2014，73(1):12－15．CHANG Yanbo，LI Zhi．Study on the modeling technology of virtual 3D terrain model［J］．Journal of GuiLin University of Aerospace Technology，2014，73(1):12－15．

［6］ 羅丹，蔣自成，王躍峰．OpenFlight模型的OpenGL接口研究［J］．計算機仿真，2005(1):402－404．LUO Dan，JIANG Zicheng，WANG Yuefeng．Research of interface of OpenFlight model into OpenGL based systems［J］．Computer Simulation，2005(1):402－404．

［7］ 劉立嘉，劉裕．OpenFlight模型編輯器的設計與實現［J］．石家莊鐵道學院學報:自然科學版，2009，22(2):54－58．LIU Lijia，LIU Yu．Design and realization of OpenFlight model editor［J］．Journal of Shijiazhuang Railway Institute:Natural Science，2009，22(2):54－58．