基于Vega的潛望鏡視景系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1 引 言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體變化與相互作用的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，它具有多媒體信息感知性、沉浸性、交互性和自主性等特點?；谔摂M環(huán)境的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的熱點之一。它通過計算機(jī)生成看起來、聽起來、觸摸起來像真的虛擬世界，給用戶身臨其境的沉浸感，能通過立體眼鏡和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備讓用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行直接交互，獲得類似于在現(xiàn)實中操作的體驗[1]。

由于利用虛擬仿真技術(shù)，在計算機(jī)上就可以進(jìn)行反復(fù)多次的模擬實驗，以取代耗資巨大的物理和實物實驗，甚至可以進(jìn)行各種原因和條件限制而無法實現(xiàn)的實驗，具有投資少、效益高、無風(fēng)險、可重復(fù)、周期短等突出的優(yōu)點，被迅速推廣，特別是在各種操作培訓(xùn)方面，起到了尤為突出的作用。

本文依托的是某型潛艇航海訓(xùn)練模擬器中的潛望鏡視景系統(tǒng)研究，該視景系統(tǒng)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過在計算機(jī)上生成具有一定真實感的視景，模擬潛望鏡視景中的海洋環(huán)境，從而可以使受訓(xùn)人員產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感，改善訓(xùn)練效果，解決常規(guī)的海上訓(xùn)練經(jīng)費高、周期長、風(fēng)險大等問題。

2 視景系統(tǒng)的構(gòu)建

整個潛望鏡視景系統(tǒng)的構(gòu)建采用半實物仿真，操作者可以通過潛望鏡的物理仿真平臺進(jìn)行交互操作，物理仿真平臺接收的輸入信號經(jīng)過信號處理和通訊系統(tǒng)輸入到視景系統(tǒng)，視景系統(tǒng)實時更新畫面顯示來展現(xiàn)整個海域的海況。

潛望鏡視景系統(tǒng)的構(gòu)建框架如圖1所示。

圖1 潛望鏡視景系統(tǒng)構(gòu)建框架

系統(tǒng)的開發(fā)采用了美國MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的Creator和Vega[2,3]，以及C語言開發(fā)環(huán)境VC++6.0。為使模擬器能為艇員提供逼真的訓(xùn)練環(huán)境，首先運用Creator完成海區(qū)地形以及海上目標(biāo)的建模，創(chuàng)建具有逼真效果的潛艇外部三維造型和艇外海洋環(huán)境，包括敵我雙方的艦艇以及海面航行可辨識的目標(biāo)。對于復(fù)雜物體的建模可以結(jié)合其他商業(yè)軟件如3DS和CAD等來實現(xiàn)，一些表現(xiàn)度要求不高的模型，如場景中的樹木和航標(biāo)燈等可以結(jié)合Creator的布告板技術(shù)來進(jìn)行簡化，最后結(jié)合實際物體的照片，運用紋理映射來生成逼真的場景和物體。

然后通過Vega調(diào)用模型并驅(qū)動，用Lynx建立應(yīng)用程序定義文件(.adf)。通過Vega提供的模塊來模擬海浪和音響以及海面的特殊效果，增強(qiáng)仿真的真實度。

在C、C++或VC++語言平臺上利用Vega的API和軟件庫調(diào)入已建立的ADF文件及三維模型對程序進(jìn)行初始化，編制代碼響應(yīng)用戶輸入并動態(tài)地改變程序的運行，最終完成自己的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序編程。

最后，對應(yīng)用程序進(jìn)行編譯鏈接，開發(fā)可以脫離Vega和VC環(huán)境的獨立程序，并對輸入設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

3 基于Vega的虛擬視景開發(fā)

3.1 基于Creator的建模

Creator是專門針對可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點推出的實時可視化三維建模軟件系統(tǒng)。該軟件支持大規(guī)模場景和地形的建模，且支持通過其他商業(yè)軟件如3DS和CAD等建立模型，再導(dǎo)入Creator轉(zhuǎn)換成其支持的OpenFlight(.flt)格式。針對虛擬現(xiàn)實的實時性要求，Creator采用了多種簡化技術(shù)，如復(fù)雜物體的紋理技術(shù)(texture mapping)，即應(yīng)用紋理來代替實體模型中的細(xì)節(jié)，提高逼真度和顯示速度。實例化技術(shù)(Instance)，對于在海洋環(huán)境中多次出現(xiàn)的物體模型，如海面航標(biāo)燈、民用船只等，采用相同的實體只在內(nèi)存中放置1份，其余的實體顯示通過旋轉(zhuǎn)、平移和縮放等方式來放置。在較復(fù)雜的物體建模方面，采用LOD(Level of Detail)技術(shù)，不同的觀察距離顯示的細(xì)節(jié)層次也不同，圖2和圖3是在不同LOD層級下的驅(qū)逐艦?zāi)Ｐ汀?/p>

圖2 高LOD層級顯示

圖3 低LOD層級顯示

3.2 Vega中的特效仿真模塊

Vega是1套完整的交互式開發(fā)、可視化仿真軟件平臺，它提供了一系列的模塊來實現(xiàn)場景的驅(qū)動、控制和管理，并能方便地實現(xiàn)大量特殊效果和聲音效果。在虛擬海洋環(huán)境中，海浪以及海洋特效是系統(tǒng)的重要組成部分，其逼真度直接影響到整個系統(tǒng)的真實度。

Vega中的海洋特效模塊提供了3個控制面板：海洋面板(Oceans Panel)，場地向量面板(Field Vectors Panel)海洋特效面板(Marine Effects Panel)。海洋面板提供了用來生成動態(tài)和靜態(tài)海洋的參數(shù)，包括波浪的紋理、海況參數(shù)、海況定義以及添加的海洋特效。在海洋特效面板中，可以通過簡單的設(shè)置來模擬真實海洋環(huán)境的動態(tài)可視化效果，海洋特效對于航海模擬器的真實度有很大的效果，可以增強(qiáng)人的沉浸感。模塊提供的特效包括船尾流、船首浪花、海面的漩渦和浪端的白沫等[4]。

Vega海洋模塊可以模擬動態(tài)海浪和海面特效，海洋的仿真是在觀察者的周圍生成一個動態(tài)的海面，可以設(shè)定動態(tài)海面的半徑，而在此范圍之外，則是靜態(tài)的海洋模塊。

Vega提供了3種海浪的仿真模式，2D模擬、3D正弦曲線模擬和3D次擺線模擬[5,6]，對于2D和3D正弦曲線海洋模擬而言，動態(tài)的海洋是1個由10個以上的正弦波疊加的波場中的多邊形的近似疊加，3D次擺線動態(tài)海洋運用次擺線替代正弦線，但是數(shù)據(jù)的定義和前面兩者一樣。對于3D正弦模擬，以下是其定義的方式：

for(j=0; j<10;j++)//對10個隨機(jī)正弦波的定義

{

omglist[j] = 2.5f * (j + 1.0f); /*omglist, 頻率*/

anglist[j] = 0.6283 * j;/* anglist,相位偏移*/

hlist[j] = 6.283 -0.6283 * j;/* hlist,航向偏差*/

amplist[j] = (j + 1) * 0.1f; /* amplist,振幅*/

}

vgOceanWave( ocean, 10, omglist, anglist, hlist, amplist);//定義海浪,將參數(shù)應(yīng)用到海浪模塊中

圖4是運用3D正弦定義的大風(fēng)浪海面仿真效果。

圖4 3D正弦定義的大風(fēng)浪海面效果

3.3 基于MFC的程序開發(fā)

在VC環(huán)境下有3種較為典型的Vega應(yīng)用程序開發(fā)模式：控制臺程序、傳統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序和基于MFC的應(yīng)用[7,8]。

MFC作為比較流行的面向?qū)ο缶幊坦ぞ?，可以開發(fā)出功能強(qiáng)大、運行效率高、重用性好及可擴(kuò)展的開放式系統(tǒng)。利用MFC應(yīng)用程序中的菜單、對話框等資源，可以改變Vega應(yīng)用程序的外觀，使之更加符合Windows操作系統(tǒng)用戶的習(xí)慣，使用Visual C++ 6.0產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的基于MFC的程序，并將1個Vega窗口植入到基于MFC的程序中，這是將標(biāo)準(zhǔn)的Windows用戶接口組件與Vega應(yīng)用程序融合的較好方法。

基于MFC的程序開發(fā)主要有以下3個步驟：第一步，初始化，調(diào)用vgInitSys函數(shù)初始化系統(tǒng)并創(chuàng)建共享的內(nèi)存區(qū)和信號區(qū)。第二步，定義，通過創(chuàng)建需要的事件和需要的類來定義系統(tǒng)。第三步，系統(tǒng)配置，使ADF中的定義與函數(shù)調(diào)用結(jié)合起來，最后，調(diào)用vgConfigSys函數(shù)完成步驟。Vega應(yīng)用程序的主循環(huán)包括vgSyncFrame和vgFrame函數(shù)的調(diào)用，通常由每個仿真循環(huán)或者每次需要一個新的顯示時調(diào)用這些函數(shù)。

Vega系統(tǒng)需要進(jìn)行實時的循環(huán)渲染，是一個非常耗時的工作，需要為之創(chuàng)建一個線程。通過線程的全局函數(shù)runVegaApp來實現(xiàn)初始化、定義和系統(tǒng)配置。與傳統(tǒng)的編程不同，這里的vgInitSys函數(shù)由vgInitWinSys代替。然后，通過MFC全局函數(shù)AfxBeginThread來創(chuàng)建工作線程，其代碼放置在runVegaApp函數(shù)中，當(dāng)調(diào)用runVegaApp函數(shù)時就創(chuàng)建該線程并通過此函數(shù)獲取ADF文件的類實例。其工作流程如圖5所示。

圖5 仿真程序工作流程圖

創(chuàng)建線程的部分代碼[5,6]如下：

UINT runVegaApp(LPVOID pParam){

CVegaView* pOwner=(CVegaView*)pParam;

vgInitWinSys(AfxGetInstanceHandle(),

pOwner->GetSafeHwnd());

pOwner->setVegaInitted(TRUE);

pOwner->postInit();

vgInitFx();/*初始化特效模塊*/

vgInitMarine(); /*初始化海洋模塊*/

vgDefineSys(pOwner->getAdfName());

pOwner->setVegaDefined(TRUE);

pOwner->postDefine();

vgConfigSys();

pOwner->setVegaConfiged(TRUE);

pOwner->postConfig();

while(pOwner->getContinueRunning()){

vgSyncFrame();

pOwner->postSync();

vgFrame();

pOwner->postFrame();}

pOwner->setVegaInitted(FALSE);

vgExit(0);

return 0;}

MFC自動生成的派生自CView的CvegaView類可以作為基于MFC的Vega應(yīng)用程序的視圖基類來派生其他的類，也可以直接把一些基本的工作放在這個類當(dāng)中完成，通過添加及修改其中原有的函數(shù)，實現(xiàn)自己需要的交互式系統(tǒng)。

添加運行Vega的成員變量和成員函數(shù)，定義的成員變量主要用來控制和修改Vega中的各個類參數(shù)值，如定義指向object物體、scene場景、chan通道的指針等，通過添加的成員函數(shù)獲得和設(shè)置系統(tǒng)的配置和狀態(tài)值。然后利用MFC應(yīng)用程序中的菜單、對話框等資源，改變Vega應(yīng)用程序的外觀，同時利用vegaAPI增強(qiáng)應(yīng)用程序的功能，可以實現(xiàn)通過外部設(shè)備的交互控制。最后，通過編譯可以生成脫離Vega和VC++環(huán)境的程序，并將系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)視景系統(tǒng)的集成。

4 仿真結(jié)果

該仿真初步建立了某型潛艇航海訓(xùn)練器中潛望鏡視景仿真系統(tǒng)的視景環(huán)境，生成了近似實戰(zhàn)的虛擬海洋環(huán)境，并實現(xiàn)了視景環(huán)境中的驅(qū)動、控制模型，生成了逼真的航行軌跡和環(huán)境效果，為受訓(xùn)者提供了交互式的仿真環(huán)境，實現(xiàn)了受訓(xùn)者與仿真環(huán)境的自然交互，具有很高的逼真度，達(dá)到了預(yù)期的效果。

系統(tǒng)具有以下特點：

? 三維圖形質(zhì)量高：由于采用實體造型、光照、紋理等特殊圖像處理效果，使得仿真圖形具有較好的三維真實感。能真實地反應(yīng)海洋環(huán)境和海面目標(biāo)。

? 高實時性：視景系統(tǒng)中采用了針對虛擬現(xiàn)實實時性要求的簡化建模和調(diào)度算法，可以完成對操作者輸入的實時處理。

? 良好的交互性：艇員可以通過潛望鏡物理仿真裝置、大屏幕等與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，具有很好的交互性。

圖6是筆者實現(xiàn)的MFC程序界面，圖7為潛艇水面航行效果圖。

圖6 基于MFC的程序界面

圖7 潛艇水面航行效果

5 結(jié)束語

本文介紹了虛擬仿真軟件Creator和Vega，結(jié)合潛艇航海訓(xùn)練的要求，研究并提出了基于VR的潛艇航海訓(xùn)練模擬器的設(shè)計方案，給出了在Vega環(huán)境下開發(fā)潛望鏡視景軟件的設(shè)計方法和開發(fā)流程，完成了基于MFC和Vega的潛望鏡視景仿真程序的開發(fā)，并給出了程序的基本框架。在潛艇的航海訓(xùn)練模擬器中，我們采用了虛擬現(xiàn)實的最新技術(shù)，并結(jié)合艇員的實際訓(xùn)練要求，建立了艇員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。本模擬器已完成了初步的設(shè)計和研制工作，隨著計算機(jī)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將運用更多更好的設(shè)計方法運用到本模擬器的開發(fā)研制中來，使之更加完善。基于虛擬現(xiàn)實的潛艇訓(xùn)練模擬器對解決常規(guī)訓(xùn)練中的高投入、高風(fēng)險、長周期等有重要的實際意義，且能提供虛擬化的視覺效果，增強(qiáng)艇員訓(xùn)練的實效，相信在以后會得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 汪成為,高文,王行仁.靈鏡虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論實現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

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