基于Direct3D的交會(huì)測(cè)量仿真技術(shù)研究

熊偉晴，孫 杰，燕曉波

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

某靶場(chǎng)光電測(cè)量項(xiàng)目采用兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)單位進(jìn)行跟蹤測(cè)量，通過(guò)對(duì)各單位測(cè)量結(jié)果的綜合交會(huì)計(jì)算和分析，獲得目標(biāo)的空間姿態(tài)，進(jìn)而得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和軌跡。該項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)包含操控軟件、數(shù)據(jù)匯集軟件、圖像判讀軟件和交會(huì)仿真軟件等，其中數(shù)據(jù)匯集軟件和圖像判讀軟件完成前期的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理及目標(biāo)質(zhì)心提取等工作，其處理結(jié)果作為交會(huì)仿真軟件的輸入。本文重點(diǎn)介紹交會(huì)仿真軟件的設(shè)計(jì)。

多數(shù)交會(huì)測(cè)量解算軟件在解算得到全部數(shù)據(jù)后，通過(guò)二維三維方式繪制計(jì)算結(jié)果。為了提高該項(xiàng)目的計(jì)算準(zhǔn)確性，需要設(shè)計(jì)一種計(jì)算、仿真相結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析方法，在對(duì)原始數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真過(guò)程能夠融合各類實(shí)際地理、設(shè)備信息，修正調(diào)整每次計(jì)算的目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，最終建立三維軌跡作為結(jié)論輸出。這種方式可以建立準(zhǔn)確的可視化分析環(huán)境，使計(jì)算數(shù)據(jù)和人工經(jīng)驗(yàn)有效結(jié)合，并大幅減少無(wú)效數(shù)據(jù)數(shù)量。

本文提出采用Direct3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)交會(huì)測(cè)量的仿真和解算，并使用高級(jí)著色器語(yǔ)言（High Level Shader Language，簡(jiǎn)稱HLSL），將Direct3D技術(shù)與GPU硬件設(shè)備相結(jié)合，使交會(huì)解算過(guò)程快速、有效、逼真地呈現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)具備良好的人機(jī)交互性，支持用戶的多種空間視角操作。

1 Direct3D技術(shù)

1.1 Direct3D

Direct3D（以下簡(jiǎn)稱D3D）是Microsoft的DirectX軟件開發(fā)包的重要組成部分，這個(gè)開發(fā)包提供了對(duì)實(shí)時(shí)的、三維圖形的支持[1]，適用于多媒體、娛樂(lè)、即時(shí)3D動(dòng)畫等廣泛和實(shí)用的3D圖形計(jì)算。Direct3D是一個(gè)圖形操作系統(tǒng)，其核心功能是提供一個(gè)與圖形硬件的接口，結(jié)束圖形應(yīng)用程序的設(shè)備相關(guān)性，具有良好的硬件兼容性和友好的編程方式。

在本項(xiàng)目中，為快速、有效、直觀地呈現(xiàn)交會(huì)計(jì)算過(guò)程，建立準(zhǔn)確的可視化分析環(huán)境，采用Direct3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)交會(huì)測(cè)量過(guò)程的三維可視化。

1.2 HLSL

HLSL具有數(shù)據(jù)類型、函數(shù)、循環(huán)判斷等語(yǔ)法特性，專用于圖形渲染，將一些復(fù)雜的圖像處理快速而有效地在顯卡上完成，與組合式或低階Shader Language相比，能降低在編寫復(fù)雜特殊效果時(shí)發(fā)生的編程錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)[2]。

在本項(xiàng)目中，由于原始數(shù)據(jù)的采集量大、數(shù)據(jù)幀頻高，導(dǎo)致仿真點(diǎn)、線密集，通過(guò)HLSL技術(shù)對(duì)指定關(guān)鍵點(diǎn)、線路、區(qū)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)效果模擬，便于態(tài)勢(shì)的焦點(diǎn)分析和調(diào)整。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 交會(huì)測(cè)量原理

常用的交會(huì)測(cè)量算法有L公式、K公式、M公式、方向余弦法、異面交會(huì)法和最短距離法等。其中，最短距離法認(rèn)為交會(huì)測(cè)量時(shí)，各站點(diǎn)視線并不是兩兩共面相交的，而是一簇異面直線，取到各視線的距離之和最小的位置為目標(biāo)點(diǎn)。本方案采用最短距離法獲取目標(biāo)位置初始值，然后利用兩臺(tái)以上光電測(cè)量設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)，借助最小二乘估計(jì)法解算目標(biāo)位置參數(shù)的精確值。雙站交會(huì)測(cè)量數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 最短距離法示意圖

其中，r為加權(quán)系數(shù)r∈[0，1]，根據(jù)測(cè)量站設(shè)備不同的測(cè)量誤差適當(dāng)選取，對(duì)于同型設(shè)備可取0.5。上述解算得到的x，y，z即為目標(biāo)空間位置信息。

2.2 仿真實(shí)現(xiàn)原理

本項(xiàng)目依據(jù)交會(huì)測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景建立仿真過(guò)程。基于Direct3D構(gòu)建仿真環(huán)境（虛擬空間、三維地形），加載測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，構(gòu)建虛擬信號(hào)模型（通信鏈路、測(cè)量視場(chǎng)、定位方向等），通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得所需要的圖像判讀結(jié)果數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境下驅(qū)動(dòng)各模型要素形成仿真實(shí)體，從算法庫(kù)獲取交會(huì)解算、交會(huì)修正及仿真顯示等算法，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真和軌跡模擬。

3 仿真軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架

交會(huì)仿真軟件的總體架構(gòu)包括資源層、支持層和應(yīng)用層3個(gè)主要層次。

資源層主要提供計(jì)算機(jī)開發(fā)環(huán)境、各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，是構(gòu)建仿真系統(tǒng)的前提。其中計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Windows10，使用Direct3D開發(fā)庫(kù)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Mysql。數(shù)據(jù)資源主要包括判讀結(jié)果數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)及相關(guān)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。

支持層主要提供模型設(shè)計(jì)、計(jì)算方法和仿真實(shí)現(xiàn)的技術(shù)功能，是系統(tǒng)計(jì)算、仿真的動(dòng)力主體。該層次主要包括模型管理、虛實(shí)映射、Direct3D技術(shù)框架、交會(huì)計(jì)算、仿真同步和仿真可視化等部分。

應(yīng)用層主要提供系統(tǒng)仿真應(yīng)用實(shí)現(xiàn)形態(tài)和交互環(huán)境。該層次主要包括仿真環(huán)境構(gòu)設(shè)、仿真資源管理、仿真計(jì)算和仿真顯示控制。

交會(huì)仿真軟件的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 交會(huì)仿真軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 軟件構(gòu)成

仿真模型接口主要提供仿真模型、實(shí)體模型和計(jì)算模型。

圖像判讀數(shù)據(jù)接口主要提供交會(huì)計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。

仿真資源管理模塊主要提供所需數(shù)據(jù)、素材和模型的管理功能，包括圖像判讀數(shù)據(jù)、仿真模型、實(shí)體模型和計(jì)算模型等。

地形環(huán)境構(gòu)設(shè)模塊主要提供仿真數(shù)字地形環(huán)境生成功能。

交會(huì)計(jì)算仿真模塊主要提供仿真計(jì)算功能，是交會(huì)仿真軟件的核心模塊。

軌跡模擬模塊主要提供軌跡動(dòng)態(tài)模擬功能。

仿真顯示控制模塊主要提供顯示界面內(nèi)容的管理、態(tài)勢(shì)界面的操作控制功能。交會(huì)仿真軟件組成如圖3所示。

圖3 樣品掃描電鏡分析結(jié)果

圖3 交會(huì)仿真軟件組成圖

3.3 軟件流程

交會(huì)仿真軟件的工作流程可分為態(tài)勢(shì)資源獲取、模型數(shù)據(jù)交互計(jì)算、顯示單元數(shù)據(jù)更新、顯示效果更新、態(tài)勢(shì)顯示管理和態(tài)勢(shì)操作控制幾個(gè)部分。工作流程如圖4所示。

圖4 交會(huì)仿真軟件工作流程圖

3.4 核心模塊設(shè)計(jì)

3.4.1 交會(huì)計(jì)算仿真模塊

依據(jù)交會(huì)測(cè)量原理，驅(qū)動(dòng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型、測(cè)量視場(chǎng)模型及相關(guān)閾值參數(shù)，在仿真地形環(huán)境中，通過(guò)交會(huì)測(cè)量算法進(jìn)行計(jì)算，同步在仿真環(huán)境下模擬測(cè)量錐形視場(chǎng)的交會(huì)形態(tài)，得到不規(guī)則交集空間；結(jié)合地理、測(cè)量設(shè)備、誤差等參數(shù)因素進(jìn)行修正，通過(guò)最小二乘估計(jì)算法得單幀交會(huì)點(diǎn)空間坐標(biāo)。交會(huì)點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算試驗(yàn)仿真如圖5所示。

圖5 交會(huì)點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算試驗(yàn)仿真界面

3.4.2 軌跡模擬模塊

由于交會(huì)數(shù)據(jù)量大，數(shù)量上限不定，在軌跡模擬模塊中采用動(dòng)態(tài)生成頂點(diǎn)緩存方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的模擬。動(dòng)態(tài)生成頂點(diǎn)緩存是通過(guò)提前構(gòu)建初始基本圖元頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)，建立個(gè)體單元頂點(diǎn)緩沖，在獲取新生成的交會(huì)點(diǎn)后，根據(jù)交匯點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的世界移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)變換生成新軌跡頂點(diǎn)圖元，添加至頂點(diǎn)緩沖體序列中；在修正調(diào)整軌跡時(shí)，對(duì)緩沖體指定序列進(jìn)行靈活刪除和替換。整個(gè)軌跡頂點(diǎn)的生成和修改過(guò)程只影響局部，無(wú)需重構(gòu)整體軌跡，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證不超過(guò)10 ms，可以實(shí)現(xiàn)軌跡的動(dòng)態(tài)生成及變化過(guò)程，為高效率仿真分析創(chuàng)造了條件。

3.5 界面

本項(xiàng)目軟件在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為Windows10，開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2017，DirectX版本為DirectX 10。

交會(huì)仿真軟件根據(jù)兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀的測(cè)量數(shù)據(jù)解算出目標(biāo)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，并將軌跡模擬顯示在軟件的窗口界面，如圖6所示。

圖6 交會(huì)仿真軟件界面

4 結(jié)論

本文提出了一種基于Direct3D的交會(huì)測(cè)量軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合Windows編程技術(shù)成功將三維可視化應(yīng)用于交會(huì)測(cè)量的動(dòng)態(tài)仿真，根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)模擬復(fù)現(xiàn)交會(huì)測(cè)量過(guò)程，為今后交會(huì)測(cè)量軟件系統(tǒng)開發(fā)提供了一種新的思路。