基于Vega Prime的運動真實感仿真技術(shù)

張振偉 劉黨輝 蘇永芝 張沖

中國人民解放軍裝備學(xué)院，北京 101416

Vega Prime是美國MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)的實時仿真渲染驅(qū)動引擎[1]，它基于Vega Scene Graph（VSG，MPI公司先進(jìn)的跨平臺場景圖形API，底層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(jìn)行快速配置，又可以用底層場景圖形API來進(jìn)行應(yīng)用特定功能的創(chuàng)建。Vega Prime還設(shè)計了多種功能增強模塊，很容易滿足特殊模擬要求，更進(jìn)一步提升了應(yīng)用開發(fā)的效率和適用性，使其在虛擬視景仿真中得到廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合基于Vega Prime的視景仿真系統(tǒng)開發(fā)框架和場景顯示框架，針對仿真系統(tǒng)中運動物體在場景內(nèi)實時渲染的真實感需求，研究了運動真實感的關(guān)鍵技術(shù)，包括DOF技術(shù)、動畫紋理技術(shù)和粒子系統(tǒng)，并將文章研究的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到了實踐。

1 Vega Prime基礎(chǔ)

利用Vega Prime開發(fā)視景仿真一般有三種模式：一是使用Vega Prime的LynX Prime圖形用戶界面配置仿真系統(tǒng)，它只適用于簡單的、對交互性要求不高的小系統(tǒng)；二是完全運用Vega Prime提供的API函數(shù)進(jìn)行程序開發(fā)，可研發(fā)出復(fù)雜的、對交互性要求高的系統(tǒng)，但編程復(fù)雜；三是綜合前兩種模式進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，首先通過LynX Prime建立場景配置文件（ACF文件），再將文件中配置的屬性與底層API調(diào)用結(jié)合起來，這種模式將易用的工具和高級仿真功能有效地結(jié)合起來，幫助用戶高效地、準(zhǔn)確地開發(fā)實時三維應(yīng)用，是最常用的設(shè)計模式。

1.1 基于Vega Prime的視景仿真框架

基于Vega Prime的視景仿真主要包括三部分：三維仿真模型建立、LynX Prime圖形界面設(shè)計和視景仿真程序設(shè)計[2]。三維仿真模型主要包括Multigen Creator建立的視景模型庫和Creator Terrain Studio生成的大場景地形模型庫；LynX Prime圖形界面設(shè)計主要包括基本環(huán)境（如仿真時間、能見度和經(jīng)緯度等）、模型初始位置、常用特效（如云、霧、雨雪、火等）和大場景應(yīng)用等內(nèi)容；視景仿真程序設(shè)計完成整個仿真過程，為用戶提供實時流暢的視景仿真結(jié)果。本視景仿真設(shè)計采用上文敘述的第三種模式，程序設(shè)計的主要內(nèi)容包括實時驅(qū)動算法實現(xiàn)、實時仿真數(shù)據(jù)處理、層次細(xì)節(jié)（LOD）、物體運動和視點控制等內(nèi)容。

1.2 Vega Prime場景顯示框架

系統(tǒng)初始化完成之后，Vega Prime調(diào)用define( )函數(shù)加載配置的相應(yīng)ACF文件，對系統(tǒng)進(jìn)行初始配置，然后對系統(tǒng)和各個模塊按照仿真的需求進(jìn)行配置，建立處理消息的響應(yīng)函數(shù)，如鍵盤輸入響應(yīng)、鼠標(biāo)響應(yīng)、OpenGL作圖通道回調(diào)函數(shù)等，之后進(jìn)入場景繪制主循環(huán)按照配置的功能進(jìn)行渲染，渲染完成后退出循環(huán)，結(jié)束程序[3]。場景顯示框架如圖1所示。

圖1 Vega Prime場景顯示框架

在Vega Prime的場景繪制過程中[4]，每一幀都是以beginFrame( )函數(shù)開始的，應(yīng)用程序服務(wù)管理模塊（vsServiceMgr）向其他服務(wù)模塊（vsService，包括vpIsectorService、vsPipeline等模塊）發(fā)送幀開始消息，各服務(wù)模塊收到消息后進(jìn)行仿真時間存儲、釋放占用的線程等，繼而服務(wù)管理模塊再發(fā)送場景圖同步消息，如果某一服務(wù)是需要對場景圖進(jìn)行復(fù)制的（如vsPipeline管理的CULL，DRAW服務(wù)），該服務(wù)所復(fù)制的場景圖將于主場景圖進(jìn)行同步。然后服務(wù)管理器再發(fā)送非關(guān)鍵延遲處理消息，服務(wù)器就可以對基于APP主線程繪制的內(nèi)容進(jìn)行并行操作了。此時執(zhí)行相應(yīng)的場景繪制和顯示的操作命令；最后以endFrame( )結(jié)束該幀，結(jié)束本次服務(wù)，系統(tǒng)進(jìn)入下一個幀循環(huán)。

2 運動真實感技術(shù)

物體的運動行為主要包括兩個方面，一是物體及物體內(nèi)部零部件運動屬性的改變，如汽車速度的變化及汽車轉(zhuǎn)彎時車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化等；二是運動物體與其他物體發(fā)生碰撞后外形以及狀態(tài)的改變（即碰撞響應(yīng)），如汽車撞到建筑物后車身變形甚至發(fā)生爆炸。

基于Vega Prime開發(fā)的視景仿真系統(tǒng)展現(xiàn)物體的運動行為主要應(yīng)用以下幾種技術(shù)：DOF、紋理動畫和粒子系統(tǒng)，合稱為運動真實感仿真技術(shù)。

2.1 DOF

基于Vega Prime視景仿真場景由大量三維模型（FLT模型）組成，包括靜止實體和運動實體，如山坡、樹木、房屋等靜態(tài)模型，又如車輛、機械部件等運動模型。對靜止實體的描述只需設(shè)定它在仿真系統(tǒng)中的位姿，即位置（x，y，z）、姿態(tài)（h，p，r）和伸縮量（scaleX,scaleY, scaleZ）即可；而運動實體則較為復(fù)雜，這類模型在場景中一般包含子節(jié)點的相對運動，如運動中的車輛，其車輪相對車的質(zhì)心有一個相對運動。對于此類模型中子節(jié)點的相對運動，如果也使用Vega Prime提供的基于單個模型的運動模式（Motion Mode）或是路徑導(dǎo)航（Path Navigator），在程序中實現(xiàn)節(jié)點模型的運動控制是很難的。這種情況下，最好的解決辦法就是使用DOF技術(shù)。

DOF定義的是FLT模型中節(jié)點相對其父節(jié)點的相對運動。使用DOF技術(shù)首先要針對選定的DOF節(jié)點定義局部坐標(biāo)系，然后設(shè)置在局部坐標(biāo)系下節(jié)點內(nèi)物體的基本運動參數(shù)，共有九種基本運動：沿X、Y、Z軸的位移；繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)和沿X、Y、Z軸的縮放。理論上來說，通過這九種基本運動的組合可以實現(xiàn)任意復(fù)雜的運動形式，但一般DOF只用于設(shè)定簡單常見的物理運動，如直線勻速、繞某軸旋轉(zhuǎn)等。

Creator建立FLT模型時可以很方便的建立DOF節(jié)點（DOF Node），但基于Vega Prime開發(fā)的視景仿真系統(tǒng)無法直接對模型中的DOF節(jié)點進(jìn)行渲染。所以，DOF技術(shù)應(yīng)用于某個模型的子節(jié)點時，需要結(jié)合Vega Prime的API函數(shù)。首先通過vpObject::find(“object”)[4]綁定運動模型，object是在LynX Prime中加載的含有所需DOF節(jié)點的運動模型；然后利用find_named(“DOFnode”)函數(shù)對"o b j e c t"模型中的節(jié)點進(jìn)行遍歷查找；一旦查找到我們需要的“DOFnode”后，即可通過setTranslate，setRotate和setScale設(shè)定DOF節(jié)點運動屬性，即九種基本運動及其組合，并利用setConstraint函數(shù)限制節(jié)點的運動范圍，從而實現(xiàn)節(jié)點的相對運動。使用流程如圖2所示。

圖2 DOF使用流程

2.2 紋理動畫

對于運動精細(xì)度要求較高的運動模型，應(yīng)用DOF技術(shù)并不能滿足虛擬仿真沉浸感的需求，如隨風(fēng)飄動的紅旗、流動的河水以及車輛行駛時胎紋的變化等場景。此時，紋理動畫（Texture Animation）技術(shù)可以較好地解決這些問題。

紋理動畫技術(shù)是將復(fù)雜的物體運動用紋理代替，用一系列物體運動紋理呈現(xiàn)難以用運動模型描述的粒子或是粒子群的運動，主要有兩種實現(xiàn)方法：

一是利用建模技術(shù)，在FLT模型中將物體的運動轉(zhuǎn)化為在指定面片上播放紋理。此方法的關(guān)鍵是紋理圖片的獲取。使用時，根據(jù)動畫紋理圖片的數(shù)量復(fù)制選中的面片節(jié)點（Face Node），依次進(jìn)入這些面片的屬性頁，分別把紋理按照事件發(fā)生的順序映射到面片上，如圖3所示。

二是自定義渲染策略。在需要展現(xiàn)運動細(xì)節(jié)的模型上定義渲染幾何體,并根據(jù)渲染策略完成運動效果的渲染。本文中模擬轉(zhuǎn)運卡車行駛時胎紋變化使用的就是這種方法。

此方法同樣基于對Vega Prime 幀循環(huán)的控制，需要首先通過vpObject::find(“object”)綁定運動模型，然后對模型中滿足渲染特性的節(jié)點遍歷搜索，針對搜索

圖3 紋理映射

到的每一個幾何體應(yīng)用渲染策略。這樣應(yīng)用于模型幾何體上的紋理根據(jù)實際運動被二次渲染，可以得到逼真的動態(tài)效果。綁定渲染策略的方法如下：

其中，cit是滿足運動特性的節(jié)點，geometry是經(jīng)搜索得到的符合要求的渲染幾何體，m_strategy是針對汽車運動模型設(shè)計的渲染策略。

2.3 粒子系統(tǒng)

通過成千上萬個不規(guī)則的、隨機分布的、每時每刻在不斷地運動和改變形態(tài)的粒子的集合，表現(xiàn)景物的整體形態(tài)和特征以及動態(tài)變化，可以模擬云、霧、雨、雪、雷電等自然現(xiàn)象和煙、火焰、爆炸等特殊場景[5]。Vega Prime以粒子系統(tǒng)為原型來模擬不規(guī)則幾何形狀的特殊形體，是一種很重要的展現(xiàn)運動真實感的技術(shù)。在仿真中實現(xiàn)粒子的特殊效果主要控制粒子以下五個方面;粒子產(chǎn)生、粒子屬性、粒子運動、粒子消亡和粒子渲染。其中，粒子運動變化多樣，也最難于控制，它用于描述粒子在其生命周期內(nèi)的變化規(guī)律，包括粒子時間特性和粒子速度特性兩部分。

粒子時間特性包括粒子大小隨時間的變化和粒子顏色隨時間的變化，它們用于控制粒子自身屬性變化。

粒子速度特性包括粒子大小隨速度的變化、粒子速度和方向、隨機風(fēng)的速度與方向、球形粒子速度和隨機粒子速度。這些特性都是時間的函數(shù)[6]，實際上表現(xiàn)了粒子速度與時間的關(guān)系，即粒子所受力的作用。粒子速度用于表現(xiàn)物體承受的主動力，如動力、牽引力等；風(fēng)主要表現(xiàn)所受主要外力的作用，并不僅局限于風(fēng)力，還可以是重力、摩擦力等；球形粒子速度表現(xiàn)粒子沿半徑方向向外擴張力或向內(nèi)收縮力；隨機粒子速度表現(xiàn)隨機外力的作用。

針對航天發(fā)射活動中可能出現(xiàn)的推進(jìn)劑泄漏事故，模擬泄露產(chǎn)生煙霧，并隨風(fēng)飄遠(yuǎn)的效果。仿真煙霧行為，其基礎(chǔ)是研究與煙霧行為相關(guān)的因素。

第一個因素是煙霧泄露的噴射力。當(dāng)煙霧以一定泄露速度進(jìn)入空氣時，由于煙霧與空氣的摩擦，煙霧受到空氣的剪切力作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變形，使得煙霧與空氣迅速混合。第二個因素是空氣浮力。煙霧粒子受到浮力作用向上運動，且溫度高的部分受浮力大，上升速度快。第三個因素是風(fēng)的作用。煙霧進(jìn)入空氣一段時間后，風(fēng)力是煙霧粒子受到的主要作用力，當(dāng)煙霧受到風(fēng)的吹動時，煙霧在水平方向以接近風(fēng)速的速度移動。第四個因素是溫度。溫度越高，煙霧粒子的熱運動越劇烈，煙霧顏色就越深。

3 運動真實感技術(shù)的視景仿真應(yīng)用

航天發(fā)射任務(wù)具有高風(fēng)險、高費用、不可逆等特點[7]。因此，嚴(yán)密地培訓(xùn)航天發(fā)射任務(wù)組織指揮人員顯得越發(fā)重要。利用虛擬仿真技術(shù)建立仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅可以模擬實際發(fā)射任務(wù)的組織指揮和操作，還可以模擬典型事件進(jìn)行對抗訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效果。

基于Windows XP操作系統(tǒng)和VisualC++.Net2003開發(fā)環(huán)境，采用Vega Prime設(shè)計開發(fā)航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，模擬航天發(fā)射場發(fā)射活動和一些典型事件及其相應(yīng)的組織指揮任務(wù)，主要包括火箭箭體的轉(zhuǎn)運、吊裝、火箭發(fā)射、推進(jìn)劑泄露事故、緊急關(guān)機事故和廠房起火事故等仿真場景。

模擬火箭箭體轉(zhuǎn)運。運用DOF技術(shù)，對吊車的吊桿和吊鉤分別設(shè)定局部坐標(biāo)系,通過吊桿的轉(zhuǎn)動和伸縮，吊鉤的伸縮，將火箭箭體從火車車廂吊轉(zhuǎn)到卡車上(見圖5）。模擬推進(jìn)器泄露事故。綜合考慮影響煙霧行為的四種因素，泄露煙霧在產(chǎn)生初期顏色較深，空氣浮力占主導(dǎo)地位，向上運動的趨勢更加明顯，飄散一段時間后主要受風(fēng)力影響，同時運動隨機性加強，表現(xiàn)為向更遠(yuǎn)處趨向水平飄散，仿真效果見圖5。

圖4 火箭箭體吊轉(zhuǎn)模擬

圖5 推進(jìn)劑泄露煙霧模擬

4 結(jié)束語

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，視景仿真系統(tǒng)對虛擬模型的視覺效果和運動真實性的要求越來越高，本文結(jié)合基于Vega Prime的視景仿真系統(tǒng)開發(fā)框架和場景顯示框架，研究了展現(xiàn)物體運動真實感的關(guān)鍵技術(shù)，包括DOF技術(shù)、動畫紋理技術(shù)和粒子系統(tǒng)，這些技術(shù)對提高視景仿真系統(tǒng)物體運動真實感具有通用性和實用性，有一定的參考價值。

[1]Multigen-Paradigm lnc. Vega prime programmer’s guide (version 2.0)[M]. Dallas: Multigen Paradigm lnc, 2005

[2]褚彥均, 唐碩. 基于Vega Prime的通用視景仿真系統(tǒng)研究[J].計算機工程與設(shè)計, 2009, 30(17)：4104-4107

[3]周劍勇, 王躍峰. 系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C].太原：[出版者不詳]，2008

[4]Multigen-Paradigm lnc. Vega Prime Reference Guide (version 2.0)[M].Dallas: Multigen Paradigm lnc, 2005

[5]翟兆建, 蔡志勇, 趙紅軍. 基于Vega Prime的滅火飛機投水特效模擬[J]. 計算機應(yīng)用與軟件, 2012,4, 29(4)：260-262

[6]郭齊勝, 董志明. 戰(zhàn)場環(huán)境仿真[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2005

[7]劉培杰. 航天發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)建模技術(shù)應(yīng)用研究[D]. 北京: 裝備學(xué)院, 2011