基于CTS的大地形仿真技术
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摘要:该文结合某型飞机飞行模拟系统研制,以视景仿真软件Creator Terrain Studio、建模软件Creator和视景驱动软件Vega Prime为基础,研究了大地形仿真的各项关键技术,实现了某地区九万平方公里(三百公里×三百公里)区域的大地形仿真。
关键词:大地形;Creator;CTS;VegaPrime;仿真
中图分类号:TP319文献标识码:A 文章编号: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
运用虚拟现实技术进行军事模拟与仿真训练已成为当今军事作战演习和军事理论及战法研究的重要手段。而飞行仿真要求视景的细节度较高,实时生成的多边形数量较多,需要运用大量的 GIS 数据,其区域之广可至上千公里、纹理量之大可有几千兆,这些都对传统建模和调用方式产生极大挑战,势必影响作战模拟系统的实时交互能力以及战术演练和训练的质量,已经成为飞行仿真系统中亟待解决的问题。
传统的视景仿真技术在产生大地形时对海量地形数据的生成与管理能力较弱。早期的技术是利用Creator自带的Terrain Pro工具读取DED高程数据文件。该方法虽简单宜用,但缺点很多,例如对系统要求极高,运行速度慢,尤其当DED文件非常大时,该方法是“不可行”的。为了提高效率,MPI公司后来又推出了Creator Terrain Studio(CTS),并重新开发了视景渲染工具Vega Prime。其方法是通过CTS产生地形数据,然后MetaFlight文件被Vega Prime的大地理管理模块(LADBM)调用。这种方法可以大幅提高地形产生与管理的效率。
本文结合某型飞机飞行模拟系统研制,以视景仿真软件Creator Terrain Studio、建模软件Creator和视景驱动软件Vega Prime为基础,研究了大地形仿真的各项关键技术,实现了某地区九万平方公里(三百公里×三百公里)区域的大地形仿真。
1 软件平台
1.1 Creator―――三维实时建模工具
Multigen Creator是比较知名的实时三维建模工具软件。Creator基于Open Flight数据格式,它是一种分层结构的景观描述数据库,用来通知图像生成器何时渲染实时三维景观,非常精确可靠。它支持很多场景仿真中的概念,如光源、纹理映射,层次细节模型、声音、自由度、动画序列以及模型的实例化等。
1.2 Creator Terrain Studio(cts)―――新一代地形开发工具
Creator Terrain Studio(以下简称CTS)是Multigen-Paradigm公司的下一代地形开发工具。CTS是一个工具集,用于创建和管理在可视化仿真程序中使用的地形、纹理及为大规模数据库使用的Culture文件。你可以创建地形或虚拟的纹理、浏览你完成的地形数据库并保存你的数据库为MetaFlight文件。该文件可以被一个实时应用程序调用,比如Vega Prime。
1.3 Vega Prime―――视景驱动工具
VegaPrime 提供真正跨平台、可扩展的开发环境,来高效创建和配置视景仿真、城市仿真、基于仿真的训练、通用可视化应用。VegaPrime 基于VSG(Vega Scene Graph――MPI 公司先进的跨平台场景图形API,底层为OpenGL),同时包括Lynx Prime GUI (用户图形界面)工具,让用户既可以用图形化的工具进行快速配置,又可以用底层场景图形API 来进行应用特定功能的创建。VegPrime的大地理管理模块(LADBM)支持分块索引技术(场景分割) ,可以有效提高大场景的漫游效果。另外支持多分辨率纹理贴图(mipmap纹理)技术。
2 视景数据库设计
视景数据库的设计是从以下几个方面进行考虑:原始数据准备、原始数据优化处理、地形生成、三维模型构建、纹理处理、数据结构优化、细节层次处理、调试等。原始资料准备是指收集素材,主要包括地形数据、卫星照片、航拍照片、三维物体的三视图和尺寸、三维物体的三视角正向照片或各部分正向照片等。本系统视景数据库所需卫片采用三个层次:以某机场为中心15KM×15KM范围采用0.6米分辨率高精度;机场100KM×100KM范围采用5米分辨率;机场300KM×300KM范围采用15米分辨率;采用15米分辨率的高程数据;所用卫片在数据校正的基础上进行融合。然后根据总体设计要求,确定建库的具体指标(参数),对原始数据进行校正和优化预处理,数据库的设计流程如图1所示。
3 视景数据库的实现的关键技术
3.1 基本3D模型的构建
基本3D模型的构建是生成视景数据库的基础,它将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中实现,并根据系统需求保存部分物理属性。模型构建首先要建立对象物体的几何模型,确定其空间位置和几何元素的属性。另外,为了增强虚拟环境的真实感,要表现出对象物体的颜色、材质、纹理等物理特性。三维物体的纹理以实际机场的照片为原始资料,通过扫描输入到计算机,运用Photoshop软件进行修正,生成三维物体的纹理。利用Creator交互直观的用户界面进行多边形建模和纹理贴图,能够方便快速地生成一个高逼真度的3D模型,并且创建的3D模型能够在实时过程中随意优化。
3.2 纹理映射技术Virtual Texture
环境模型中的图形体和面的几何结构,是不能产生仿真环境的真实感觉的(如地理、几何结构只体现其范围、海拔高度、山脉走向等线条框架),还需对其表面进行处理即加表面反射和纹理。这样做的好处不仅增加了细节水平及景物的真实感,还可大大减少环境模型的多边形数目,提高图形显示的刷新率。
Virtual Texture(VT)技术源于SGI平台下的Clipmapping技术,它是一个正方形的纹理分层分块结构,层级从1×1的纹理开始,逐层2倍增加,一直到最高层。每层均覆盖整个地形。VT最高层的尺寸大小取决于地形覆盖范围及纹理影像最高分辨率。在本应用中,地形覆盖范围约300Km x 300Km,按照最高分辨率1m计算,为保证精度,Virtual Texture的尺寸确定为524288×524288(219),一共20层。在这一层,理论上应该有1024×1024块512×512的纹理,每块512×512的纹理占地约(300000/1024)×(100000/1024)=293m×98m。而在第19层(218),则有512×512块,同样1张512×512的纹理,实际占地将是586m×196m,是原来的四倍,其他层依此类推。在地形数据库实时运行中,Vega Prime自动根据视点的位置,在VT的各层中,选出和视点位置最为接近的1张VT并进行显示,这是优化的关键。在VT中,纹理格式可按5551存储。基于Virtual Texture原理,已经完全解决了大面积高精度纹理应用的问题,而且,纹理空间的余度还比较大,多出来的纹理内存部分可以考虑用在丰富建筑物等地面特征上。
3.3 多层LOD
对应于虚拟纹理的分层结构,三维地形生成也需要进行合理地分层/分块处理,而且在对应的层上,地形分块的大小必须小于等于纹理分块的大小,这样才能显示出相应层最高精度的纹理。在本文的应用中,在最高层每块纹理时间占地约293m×98m,在最高层的地形分块的大小就只能小于等于这个数值,才能显示出1m精度的纹理。另外,地形的分层和VT的分层不同,没有必要像VT那样分成十几二十层,一般而言,按照LOD分层设置,分成4-6层即可满足应用要求。在本应用中,考虑到1m分辨率纹理的显示,将地形分为6层LOD(仅在有高精度纹理的地区,调用高层LOD地形;在全区域范围低精度地区,仅调用最低精度的LOD地形),并根据多边形数目限制及视锥的参数,设置了合理的LOD距离及每层LOD的多边形构成。最终在最复杂的时候,在视锥内的地形多边形数目大致在8万左右。在CTS生成虚拟纹理和地形LOD过程中,会根据分块纹理/分块地形的层次级别,自动生成文件目录结构,并生成一个特定的MetaFlight文件(基于XML格式),“通知”Vega Prime如何匹配和调用这些分块文件。
3.4 大规模地景数据库生成技术
对于大型场景数据库,视景系统不可能一次性将所有地形调入内存。而事实上由于视线的方向性、视觉的局限性以及物体间的相互遮挡,人们所看到的往往只是场景中的一部分。因此,将数据库分割成较小的模型单元,仅将围绕在视点周围的部分数据库通过动态更新函数实时装载到内存并进行绘制,而用行的整个数据库存储在硬盘内,同时根据视点的运动实时地更新这些数据分块。为了确保图形质量,在实际运行过程中还需要对场景进行一些实时修正,根据场景与视点的距离变化进行实体模型替换、纹理替换,使图像显示更流畅、更真实。
4 仿真结果
采用以上仿真方法,开发了某型飞机飞行模拟系统的视景数据库,系统实现了对某地区九万平方公里大地形的仿真,其视景效果如图3所示。
5 结束语
视景仿真技术是一种前沿的科学技术,现已广泛地应用在各种领域中。本文介绍了视景仿真的开发流程和一些关键技术,实现了大地形仿真。文中论述的方法同样适用于其他大地形视景仿真系统的设计开发,进一步加强大地形视景仿真,提供与实际相同的训练环境,将对提高军事训练效益起到极大的促进作用。
参考文献:
[1] Creator Terrain Studio Desktop Tutor[Z].
[2] MultiGen Paradigm, Inc[EB/OL]..
[3] VegaPrime Programmer’s Guide[Z].
[4] Vega Programmer's Guide Version 3.3 for Windows NT[Z].
[5] 虚拟无忌[EB/OL]./news.