基于OGRE的衛(wèi)星視景仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

孫詩行　宗　群　徐　銳

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院　天津 300072)

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基于OGRE的衛(wèi)星視景仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

孫詩行宗群徐銳

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津 300072)

針對衛(wèi)星三維視景仿真的需求，設(shè)計并開發(fā)基于OGRE圖形引擎的衛(wèi)星視景仿真軟件，對整個飛行過程進行模擬和演示。衛(wèi)星視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進行底層渲染，結(jié)合3ds Max建模軟件進行三維實體模型構(gòu)建，基于自主開發(fā)的場景編輯工具生成衛(wèi)星星空場景。仿真軟件的功能模塊包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數(shù)據(jù)管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機交互模塊。運行結(jié)果表明，衛(wèi)星視景仿真軟件可以逼真地模擬再現(xiàn)衛(wèi)星飛行場景，能夠?qū)崟r進行畫面模擬、數(shù)據(jù)監(jiān)視，具有廣闊的應(yīng)用前景。

視景仿真OGRE模塊化開發(fā)衛(wèi)星視景實時模擬

0　引　言

在航空航天技術(shù)的發(fā)展過程中，新時代的學(xué)科交叉對于推動航空航天技術(shù)的不斷進步起到了關(guān)鍵的作用，其中一個非常重要的方面就是視景仿真技術(shù)在航空航天相關(guān)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用。視景仿真承擔(dān)了進行可視化的任務(wù)，利用視景仿真技術(shù)對空間任務(wù)進行全程模擬，可以獲得高效可靠的設(shè)計對策，并提供較為直觀的演示效果，增強了仿真的真實性，有利于增加研究人員對于整個實驗過程的了解和認(rèn)識。

至今，視景仿真技術(shù)已經(jīng)取得了不小進展，許多國內(nèi)外的高校和研究機構(gòu)都進行了視景開發(fā)與技術(shù)研究相關(guān)的工作。目前國外的三維視景仿真有采用OpenGL圖形庫的方式，比如美國航空航天局(NASA)德萊頓飛行研究中心開發(fā)的飛行訓(xùn)練系統(tǒng)，其中的實時視景模擬部分就是基于OpenGL進行開發(fā)的[1]。美國MultiGen-Paradigm公司雖然開發(fā)了一款簡捷的三維視景軟件Vega，但是由于該軟件許多底層的功能并沒有實現(xiàn)，所以難以完成精細(xì)的開發(fā)[2]。華盛頓大學(xué)基于OGRE開發(fā)了移動機器人視景仿真系統(tǒng)，取得了良好的效果[3]。國內(nèi)的視景仿真研究主要在近十幾年的時間內(nèi)興起，也取得了一定的研究進展和成果。例如，西北工業(yè)大學(xué)基于STK模塊開發(fā)了衛(wèi)星實時仿真系統(tǒng)，但由于其非開源的特性，加大了研究和使用的成本[4]；南京航空航天大學(xué)基于OGRE圖形引擎開發(fā)了電子海戰(zhàn)對戰(zhàn)模擬系統(tǒng)[5]；華中科技大學(xué)基于OGRE開發(fā)了港口仿真的可視化演示系統(tǒng)[6]；另外一些國內(nèi)的學(xué)者也針對衛(wèi)星視景軟件進行了相關(guān)的研究工作[7-9]。上述這些視景仿真軟件雖然都實現(xiàn)了視景仿真效果，但某些非開源軟件耗費了大量的開發(fā)時間與成本，需要團隊人員較多，商業(yè)授權(quán)版本昂貴，不適合研究使用；某些開發(fā)基于底層圖形API，導(dǎo)致開發(fā)復(fù)雜，可復(fù)用程度低。

在此背景下，本文選擇了開源免費的OGRE圖形引擎進行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)。該視景軟件使用可靠的軟件系統(tǒng)結(jié)合實時仿真平臺，實現(xiàn)對整個仿真過程的數(shù)字化、信息化及可視化監(jiān)控和管理。最后對設(shè)計的控制算法作出科學(xué)合理的判斷，并對算法進行不斷優(yōu)化。本文首先進行了基礎(chǔ)軟件模塊的設(shè)計與開發(fā)，采用了模塊化可復(fù)用的架構(gòu)設(shè)計，極大地簡化了后續(xù)開發(fā)以及改進的流程，降低了使用以及維護的難度。然后在實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎(chǔ)上，使用已設(shè)計的基礎(chǔ)軟件模塊開發(fā)了一套以實時演示和可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的衛(wèi)星視景仿真軟件，為衛(wèi)星飛行中對編隊構(gòu)型設(shè)計的驗證和各個衛(wèi)星姿態(tài)的實時觀察提供一個更加優(yōu)秀的解決方案，提高衛(wèi)星控制算法驗證的效率，驗證算法設(shè)計的正確性。

本文開發(fā)的衛(wèi)星視景仿真軟件依托于仿真平臺而運行，仿真平臺結(jié)構(gòu)主要包括xPC實時仿真計算機、主控計算機以及視景仿真計算機。其中xPC實時仿真機運行衛(wèi)星編隊仿真模型與算法，并將仿真數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主控計算機。這里，主控計算機用來模擬“地面站”，對整個仿真系統(tǒng)進行管理與控制；同時通過以太網(wǎng)發(fā)送衛(wèi)星編隊的位置與姿態(tài)信息給視景仿真計算機，由其上運行的衛(wèi)星視景仿真軟件實時演示衛(wèi)星編隊過程。

1　視景仿真軟件的總體架構(gòu)設(shè)計

1.1視景仿真軟件需求分析

視景演示軟件的開發(fā)目標(biāo)，是在OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可復(fù)用的實時視景演示程序，配合仿真平臺進行實時的三維模擬演示。軟件需要實現(xiàn)以下性能指標(biāo)：

1) 較高的開發(fā)效率。視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進行開發(fā)，相對于DirectX和OpenGL圖形API擁有更高的開發(fā)效率，能夠極大地縮短開發(fā)周期，減少維護難度。

2) 基礎(chǔ)模塊的組成化特性。視景仿真軟件應(yīng)該對通用的功能特性(例如網(wǎng)絡(luò)、人機界面等)具有很好的抽象，并具備相應(yīng)的基礎(chǔ)模塊，符合軟件工程的模塊化和可復(fù)用性的基本思想。

3) 良好的可擴展性。視景仿真軟件的代碼構(gòu)建應(yīng)當(dāng)充分考慮需求變更的擴展性，每當(dāng)需求發(fā)生改變的時候都能夠很好地應(yīng)對，降低開發(fā)人員所面臨的困難和復(fù)雜度。

4) 三維模型和場景構(gòu)建的簡易性。為了能夠在視景軟件中簡化三維模型和場景的構(gòu)建與導(dǎo)入工作，視景仿真軟件應(yīng)當(dāng)支持常用建模軟件，同時構(gòu)建適合演示的三維場景。

5) 良好的渲染幀率和顯示效果。視景仿真軟件應(yīng)當(dāng)具有較高的渲染幀率，使得整個演示過程流暢。因此衛(wèi)星視景開發(fā)的所有代碼都應(yīng)當(dāng)充分考慮運行效率，避免不必要的內(nèi)存和顯卡開銷，使用良好的軟件設(shè)計模式，選用最優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，降低軟件運行的時間、空間復(fù)雜度，提高渲染幀率和效果。

1.2衛(wèi)星視景仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計

視景仿真軟件架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包括基礎(chǔ)環(huán)境、視景系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件模塊和視景應(yīng)用軟件三大部分。

1) 基礎(chǔ)環(huán)境部分主要包括操作系統(tǒng)、圖形API庫、OGRE圖形引擎開發(fā)和運行環(huán)境。操作系統(tǒng)是開發(fā)和運行視景應(yīng)用的基礎(chǔ)，圖形API庫(包括DirectX和OpenGL)是支撐環(huán)境。OGRE圖形引擎結(jié)合DirectX和OpenGL的特點，實現(xiàn)了跨操作系統(tǒng)平臺移植和開發(fā)的特性[10-13]。

2) 視景系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件模塊是在綜合分析三維視景應(yīng)用軟件的共有特點基礎(chǔ)上，為提高開發(fā)效率，獨立抽象和開發(fā)的可復(fù)用軟件模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與主控計算機間的數(shù)據(jù)傳輸，提供友好的人機交互界面顯示和文件讀寫功能。

3) 應(yīng)用軟件部分根據(jù)具體的視景開發(fā)需求實現(xiàn)不同的視景應(yīng)用程序。

圖1　視景仿真軟件架構(gòu)設(shè)計

2　視景仿真軟件的基礎(chǔ)軟件模塊設(shè)計

基于OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)軟件模塊部分的設(shè)計與實現(xiàn)，是后續(xù)視景軟件開發(fā)的基礎(chǔ)?；A(chǔ)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數(shù)據(jù)管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機交互模塊共五大模塊。

圖2　衛(wèi)星視景基礎(chǔ)軟件模塊

2.1OGRE主體框架模塊

OGRE主體框架模塊是在OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)上進行開發(fā)的基礎(chǔ)。各部分的初始化和配置工作需要按照OGRE相關(guān)要求進行，這部分模塊主要負(fù)責(zé)主體視景程序的構(gòu)建和初始化工作，是視景軟件系統(tǒng)的入口點。同時，主體框架模塊是推進整個渲染進程的渲染泵。本文的設(shè)計抽象出了所有視景應(yīng)用的共有部分，從而避免了針對相同問題的重復(fù)開發(fā)，提高了代碼的可復(fù)用性，提高了開發(fā)效率，同時也符合面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想。當(dāng)需要開發(fā)新的場景，或者擴展不同的視景應(yīng)用時，可以在BaseApp類基礎(chǔ)上進行繼承，復(fù)用已有的接口。

圖3　TinyXML庫解析XML文件流程

2.2文件路徑管理模塊

能夠統(tǒng)一管理文件和路徑，提供簡單易用的接口，減少每次文件讀寫時進行的代碼修改工作。

這里將相關(guān)功能抽象為文件和路徑類型(PATHMANAGER類)，該類型全局共享，所有數(shù)據(jù)和方法均采用static關(guān)鍵字進行標(biāo)注，不需要生成實例對象。同時將配置文件編譯成XML格式，基于TinyXML庫讀取XML配置文件，不必每次對視景程序進行重新編譯，大大簡化了操作步驟，提高了開發(fā)效率。TinyXML庫解析XML文件流程如圖3所示[15]。

2.3場景數(shù)據(jù)管理模塊

針對不同視景仿真的場景，構(gòu)建多種場景素材，用于三維模擬演示。場景數(shù)據(jù)管理模塊封裝了與場景顯示相關(guān)的場景數(shù)據(jù)，包括地形、天空、三維模型等常見的視景應(yīng)用數(shù)據(jù)。場景數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中地形系統(tǒng)主要生成地形數(shù)據(jù)和地形靜態(tài)實體，包括樹木、石塊、草地等；天氣系統(tǒng)主要包括天氣變化，包括雨、雪等不同天氣，實現(xiàn)方式為添加粒子效果。通過使用OGRE中的粒子系統(tǒng)，可以很方便地進行粒子效果模擬。

圖4　場景數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4網(wǎng)絡(luò)通信模塊

圖5　網(wǎng)絡(luò)程序接口流程

網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)與仿真平臺進行數(shù)據(jù)交互和傳輸?shù)认嚓P(guān)工作，實現(xiàn)實時仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維模擬演示。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用UDP協(xié)議方式實現(xiàn)。UDP協(xié)議是面向數(shù)據(jù)報的協(xié)議，不需要建立連接，也無需重傳確認(rèn)，在點對點的簡單環(huán)境當(dāng)中干擾因素較少，不需要對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行反復(fù)確認(rèn)。所以這里的協(xié)議構(gòu)建基于UDP協(xié)議進行，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸具有較好的響應(yīng)效率[15]。視景仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口流程如圖5所示。

2.5人機交互模塊

圖6　加載CEGUI庫流程圖

友好的圖形操作界面負(fù)責(zé)在視景程序中對用戶的功能選項進行響應(yīng)。OGRE圖形引擎并沒有提供與圖形界面相關(guān)的工具或者接口，圖形界面的開發(fā)需要依賴于第三方庫或者是操作系統(tǒng)接口API，這里選用CEGUI庫進行圖形界面的開發(fā)。加載CEGUI庫流程如圖6所示，初始化完成之后，在幀監(jiān)聽當(dāng)中加入對應(yīng)的代碼，使得圖形界面能夠捕獲到系統(tǒng)輸入，并進行用戶事件響應(yīng)。

同時通過第三方的OIS組件庫，結(jié)合OGRE圖形引擎，實現(xiàn)對人機交互的監(jiān)聽工作，包括用戶的鼠標(biāo)操作和鍵盤事件等。

3　衛(wèi)星視景仿真軟件開發(fā)與實現(xiàn)

在上述視景基礎(chǔ)軟件模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)衛(wèi)星視景開發(fā)的特點和需求，進行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)。

3.1三維模型與場景構(gòu)建

衛(wèi)星視景仿真主要包括衛(wèi)星模型、地球模型和星空背景等。

衛(wèi)星與地球的三維模型主要通過3ds Max建模軟件進行構(gòu)建，采用適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)系統(tǒng)和紋理貼圖進行外觀設(shè)計與調(diào)整；然后使用第三方插件OgreMax工具對建模軟件生成的資源素材進行格式轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的資源文件存放在OGRE圖形引擎資源路徑當(dāng)中。同時基于場景數(shù)據(jù)管理模塊，采用天空盒原理的方式進行星空背景構(gòu)建，如圖7所示。

圖7　3ds Max下衛(wèi)星三維模型編輯

3.2多線程程序設(shè)計

為了協(xié)調(diào)各個程序功能之間的邏輯關(guān)系，進行多線程控制以避免邏輯混亂[16,17]。在視景應(yīng)用當(dāng)中，主要任務(wù)分為實時渲染、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和圖形界面交互等。在程序?qū)崿F(xiàn)中，將這幾個任務(wù)抽象成為多個線程，其中渲染線程的主要流程如圖8所示。

圖8　渲染線程流程圖

4　衛(wèi)星視景仿真軟件效果驗證

本文用于仿真驗證的衛(wèi)星編隊構(gòu)型如圖9所示，采用一顆主星、三顆從星的編隊方式，構(gòu)成空間圓編隊。其中主星位于圓心處，三顆從星構(gòu)成同一平面的等邊三角形，四顆衛(wèi)星進行姿態(tài)調(diào)整進而完成對深空的觀測任務(wù)。針對任務(wù)要求，整個仿真過程為6335 s，0～800 s為軌跡優(yōu)化與姿態(tài)調(diào)整階段；800～1000 s為編隊姿態(tài)保持階段；1000～6335 s為自由漂浮階段，整個仿真過程持續(xù)時間約為2小時。在各個階段，四顆衛(wèi)星的編隊構(gòu)型以及自身姿態(tài)均不完全相同，因此采用衛(wèi)星視景仿真軟件可以直觀真實地模擬再現(xiàn)整個過程。這里采用的衛(wèi)星軌道模型與姿態(tài)控制算法為實驗室現(xiàn)有的算法，如圖10所示，不再贅述。

圖9　衛(wèi)星編隊構(gòu)型

圖10　衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制simulink模型

在實驗室視景計算機、實時仿真計算機和主控計算機的驅(qū)動下，衛(wèi)星飛行視景仿真效果如圖11所示。實時仿真計算機運行實時仿真程序(這里為基于xPC Target下的實時仿真程序)。通過以太網(wǎng)通信的方式，主控計算機將實時仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給運行有衛(wèi)星視景仿真軟件的視景計算機，進而驅(qū)動衛(wèi)星視景仿真軟件進行衛(wèi)星飛行過程的模擬與演示。

圖11　衛(wèi)星編隊仿真視景效果圖

5　結(jié)　語

本文基于OGRE圖形引擎對衛(wèi)星視景仿真軟件中的基礎(chǔ)開發(fā)模塊進行設(shè)計與實現(xiàn)，采用了模塊化可復(fù)用的架構(gòu)設(shè)計。這些基礎(chǔ)模塊是可復(fù)用的視景應(yīng)用模塊，是開發(fā)的基本組成部分?；谶@些模塊的設(shè)計，進行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)，并實現(xiàn)了衛(wèi)星飛行的三維視景演示。本套視景仿真軟件克服了數(shù)值仿真階段不夠直觀的特點，并且降低了開發(fā)以及維護的難度，節(jié)約了實驗成本，使用方便，效果逼真，極大地縮短了仿真算法的設(shè)計周期。本套視景仿真軟件取得了滿意的效果，達到了預(yù)期希望，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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DESIGN AND REALISATION OF SATELLITE VISUAL SIMULATION SOFTWARE BASED ON OGRE

Sun ShihangZong QunXu Rui

(SchoolofElectricalandAutomationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

For the needs of satellite visual simulation, we designed and developed the OGRE graphics engine-based satellite visual simulation software to carry out the simulation and demonstration of entire flight process. Satellite visual simulation software makes underlying rendering based on OGRE graphics engine, builds three-dimensional solid model in combination with 3ds Max modelling software, and generates the satellite sky scene on the basis of self-developed scene editing tools. The functional module of the simulation software includes OGRE main frame module, file path management module, scene data management module, network communication module and human-computer interaction module. Operational result showed that the satellite visual simulation software can realistically simulate the satellite flying scene. It is capable of making real-time screen simulation and data monitoring, therefore has broad application prospects.

Visual simulationOGREModular designSatellite visualReal-time simulation

2015-06-30。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA 122602)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(11JCZDJC25100)。孫詩行，碩士生，主研領(lǐng)域：三維視景軟件開發(fā)。宗群，教授。徐銳，碩士。

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.045