一種三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維可視化仿真領(lǐng)域，尤其涉及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真中的動(dòng)態(tài)地形仿真。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)態(tài)地形仿真主要研宄軍事系統(tǒng)與虛擬場(chǎng)景中地形的相互作用，在仿真中軍事系 統(tǒng)作用于三維地形，通過對(duì)地形數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)修改體現(xiàn)地形的動(dòng)態(tài)變化，動(dòng)態(tài)地形允許在仿 真過程中對(duì)地形狀態(tài)進(jìn)行修改，例如作戰(zhàn)過程中炮彈擊中地產(chǎn)生的彈坑，車輛行駛產(chǎn)生的 車轍印等現(xiàn)象，能夠真正實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)體與環(huán)境的交互，對(duì)提高三維虛擬場(chǎng)景的逼真度具有 重要的作用。
[0003] 目前動(dòng)態(tài)地形主要采用網(wǎng)格變形（deform)、動(dòng)態(tài)貼圖（decal)或兩者相結(jié)合的方 式來實(shí)現(xiàn)，其中網(wǎng)格變形主要用于面積較大的動(dòng)態(tài)地形（如彈坑）；對(duì)于車轍印這類面積較 小的動(dòng)態(tài)地形一般采用decal技術(shù)在地形表面生成一個(gè)貼合網(wǎng)格，并映射相應(yīng)的紋理來實(shí) 現(xiàn)，這種方法能夠在視覺上生成較為逼真的車轍印記，但存在生成車轍印記單一，不能反映 不同車輛在不同質(zhì)地的地表生成車轍印的差別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法， 能夠體現(xiàn)不同車輛在不同地面行駛產(chǎn)生的車轍印效果，具有很大的靈活性和真實(shí)性。
[0005] 本發(fā)明的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其包括：
[0006] Sl :獲取車輛在行駛過程中處于活動(dòng)狀態(tài)的效果發(fā)生器的空間坐標(biāo)，所述車輛設(shè) 有四個(gè)效果發(fā)生器，且四個(gè)效果發(fā)生器的坐標(biāo)系原點(diǎn)分別位于車輛的左右前輪和左右后輪 與地面的接觸點(diǎn)上，四個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向均與車輛的本身坐標(biāo)系方向一致； w = ax(x-xn)
[0007] S2 :根據(jù)， (\將Sl中獲取的效果發(fā)生器的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景材質(zhì)分 h = ax(y-y0) 布灰度圖的像素坐標(biāo)，并獲得該像素坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素灰度值；
[0008] 其中（X，y)為地形的空間坐標(biāo)，（w，h)為場(chǎng)景材質(zhì)分布灰度圖的像素坐標(biāo)，Xtl為地 形網(wǎng)格在世界坐標(biāo)系X方向上最小值，y〇為地形網(wǎng)格在世界坐標(biāo)系y方向上最小值；所述 場(chǎng)景材質(zhì)分布灰度圖是根據(jù)地形基礎(chǔ)紋理創(chuàng)建的256階的灰度圖，用于標(biāo)記場(chǎng)景中地表材 質(zhì)的分布；
[0009] S3 :根據(jù)S2獲得的像素灰度值的字節(jié)位與地表材質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得地表材質(zhì)；所 述像素灰度值由一個(gè)8位的字節(jié)來表示，字節(jié)中的每1位對(duì)應(yīng)一個(gè)地表材質(zhì)，對(duì)應(yīng)關(guān)系預(yù)先 設(shè)定；
[0010] S4 :根據(jù)所述車輛的名稱和所述地表材質(zhì)的名稱在材質(zhì)效果矩陣中獲取對(duì)應(yīng)的材 質(zhì)效果；
[0011] 所述材質(zhì)效果矩陣為Μ(η+1)χ(ηι+1)，是以excel文件的形式創(chuàng)建的（m+l) X (n+l)矩 陣；其中η為地表材質(zhì)數(shù)，m為車輛類型數(shù)，HiijQ = 2, 3, m+lj = 2, 3，…n+1)為mn車輛 在Hllj地表材質(zhì)上生成的材質(zhì)效果名稱；
[0012] S5 :對(duì)于處于活動(dòng)狀態(tài)的每個(gè)效果發(fā)生器，當(dāng)其移動(dòng)距離大于本身長度時(shí)，動(dòng)態(tài)創(chuàng) 建一個(gè)貼圖decal，且所述decal的大小、位置和方向取該效果發(fā)生器的大小、位置和方向， 所述decal的效果為S4中獲得的材質(zhì)效果，對(duì)所述材質(zhì)效果進(jìn)行像素渲染生成車轍印。
[0013] 本發(fā)明的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法還包括對(duì)生成的decal數(shù) 量進(jìn)行控制的步驟：
[0014] 為每一個(gè)車輛創(chuàng)建一個(gè)decal隊(duì)列，用于存儲(chǔ)車輛行駛過程中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的decal， 同時(shí)綁定一個(gè)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的值表示相應(yīng)decal隊(duì)列中decal的壽命；
[0015] 當(dāng)decal隊(duì)列中的decal數(shù)量等達(dá)到該decal隊(duì)列的設(shè)定長度時(shí)，按照先入先出 的原則將位于隊(duì)列前端且與新創(chuàng)建的decal等量的decal刪除；
[0016] 當(dāng)車輛停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，綁定于該decal隊(duì)列的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)車輛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)， 計(jì)時(shí)器清零；
[0017] 當(dāng)場(chǎng)景中所有decal隊(duì)列的decal總數(shù)量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，對(duì)所有decal隊(duì)列中 時(shí)器值最大的隊(duì)列中位于該隊(duì)列前二分之一的decal由前到后依次逐個(gè)刪除，同時(shí)將該隊(duì) 列的計(jì)時(shí)器清零。
[0018] 本發(fā)明的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法還包括對(duì)地表材質(zhì)的基礎(chǔ) 紋理、地表細(xì)節(jié)紋理和生成的車轍印進(jìn)行融合處理的步驟：
[0019] 步驟a :使用Shader語言在GPU頂點(diǎn)處理器中計(jì)算基礎(chǔ)紋理和地表細(xì)節(jié)紋理的融 合因子：
[0020] 設(shè)置基礎(chǔ)紋理與地表細(xì)節(jié)紋理完全融合的距離dmin、最大融合距離dmax以及對(duì)應(yīng)的 融合因子b min和b _，則當(dāng)前車轍印中基礎(chǔ)紋理和地表細(xì)節(jié)紋理的融合因子b的計(jì)算公式 為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，包括： 51 :獲取車輛在行駛過程中處于活動(dòng)狀態(tài)的效果發(fā)生器的空間坐標(biāo)，所述車輛設(shè)有四 個(gè)效果發(fā)生器，且四個(gè)效果發(fā)生器的坐標(biāo)系原點(diǎn)分別位于車輛的左右前輪和左右后輪與地 面的接觸點(diǎn)上，四個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向均與車輛的本身坐標(biāo)系方向一致； 52 :根攜
將Sl中獲取的效果發(fā)生器的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景材質(zhì)分布灰 度圖的像素坐標(biāo)，并獲得該像素坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素灰度值； 其中（x，y)為地形的空間坐標(biāo)，（w，h)為場(chǎng)景材質(zhì)分布灰度圖的像素坐標(biāo)，Xtl為地形網(wǎng) 格在世界坐標(biāo)系X方向上最小值，％為地形網(wǎng)格在世界坐標(biāo)系y方向上最小值；所述場(chǎng)景 材質(zhì)分布灰度圖是根據(jù)地形基礎(chǔ)紋理創(chuàng)建的256階的灰度圖，用于標(biāo)記場(chǎng)景中地表材質(zhì)的 分布； 53 :根據(jù)S2獲得的像素灰度值的字節(jié)位與地表材質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得地表材質(zhì)；所述像 素灰度值由一個(gè)8位的字節(jié)來表示，字節(jié)中的每1位對(duì)應(yīng)一個(gè)地表材質(zhì)，對(duì)應(yīng)關(guān)系預(yù)先設(shè) 定； S4:根據(jù)所述車輛的名稱和所述地表材質(zhì)的名稱在材質(zhì)效果矩陣中獲取對(duì)應(yīng)的材質(zhì)效 果； 所述材質(zhì)效果矩陣為Μ(η+1)χ(ηι+1)，是以excel文件的形式創(chuàng)建的（m+1) X (n+1)矩陣；其 中η為地表材質(zhì)數(shù)，m為車輛類型數(shù)，HiijQ = 2,3，…m+lj = 2,3，…n+1)為mn車輛在 Hllj地表材質(zhì)上生成的材質(zhì)效果名稱； S5 :對(duì)于處于活動(dòng)狀態(tài)的每個(gè)效果發(fā)生器，當(dāng)其移動(dòng)距離大于本身長度時(shí)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一 個(gè)貼圖decal，且所述decal的大小、位置和方向取該效果發(fā)生器的大小、位置和方向，所述 decal的效果為S4中獲得的材質(zhì)效果，對(duì)所述材質(zhì)效果進(jìn)行像素渲染生成車轍印。
2. 如權(quán)利要求1所述的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，還 包括對(duì)生成的decal數(shù)量進(jìn)行控制的步驟： 為每一個(gè)車輛創(chuàng)建一個(gè)decal隊(duì)列，用于存儲(chǔ)車輛行駛過程中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的decal，同時(shí) 綁定一個(gè)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的值表示相應(yīng)decal隊(duì)列中decal的壽命； 當(dāng)decal隊(duì)列中的decal數(shù)量等達(dá)到該decal隊(duì)列的設(shè)定長度時(shí)，按照先入先出的原 則將位于隊(duì)列前端且與新創(chuàng)建的decal等量的decal刪除； 當(dāng)車輛停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，綁定于該decal隊(duì)列的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)車輛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí) 器清零； 當(dāng)場(chǎng)景中所有decal隊(duì)列的decal總數(shù)量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，對(duì)所有decal隊(duì)列中時(shí)器 值最大的隊(duì)列中位于該隊(duì)列前二分之一的decal由前到后依次逐個(gè)刪除，同時(shí)將該隊(duì)列的 計(jì)時(shí)器清零。
3. 如權(quán)利要求1所述的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，還 包括對(duì)地表材質(zhì)的基礎(chǔ)紋理、地表細(xì)節(jié)紋理和生成的車轍印進(jìn)行融合處理的步驟： 步驟a :使用Shader語言在GPU頂點(diǎn)處理器中計(jì)算基礎(chǔ)紋理和地表細(xì)節(jié)紋理的融合因 子： 設(shè)置基礎(chǔ)紋理與地表細(xì)節(jié)紋理完全融合的距離dmin、最大融合距離(1_以及對(duì)應(yīng)的融合 因子bmin和b max，則當(dāng)前車轍印中基礎(chǔ)紋理和地表細(xì)節(jié)紋理的融合因子b的計(jì)算公式為：
其中d為地形網(wǎng)格頂點(diǎn)在xy水平面上的投影與視點(diǎn)在xy水平面上投影的距離； 步驟b :使用Shader語言在GPU像素處理器中對(duì)地形的基礎(chǔ)紋理和地表細(xì)節(jié)紋理進(jìn)行 逐像素的顏色疊加： 在像素渲染階段，分別創(chuàng)建地形基礎(chǔ)紋理、所有細(xì)節(jié)紋理和分布灰度圖的采樣器，根據(jù) 地表材質(zhì)與像素灰度值的字節(jié)位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由低位到高位的順序依次對(duì)像素顏色進(jìn) 行疊加處理，計(jì)算公式如下：
其中，P表示地形紋理像素顏色值，P'表示細(xì)節(jié)紋理像素顏色值，Pi表示第i個(gè)材質(zhì)的 紋理顏色，％表示場(chǎng)景材質(zhì)分布灰度圖的像素灰度值字節(jié)第i位的值，P ^表示地形基礎(chǔ)紋 理的顏色，b表示步驟a計(jì)算的融合因子； 步驟c :將車轍印的decal紋理與地形紋理進(jìn)行融合： 為decal紋理增加一個(gè)對(duì)應(yīng)的透明度灰度圖，將該透明度灰度圖與車轍印紋理進(jìn)行疊 加，計(jì)算公式如下：
其中Pe為最終的地形紋理像素顏色值，P為步驟b計(jì)算的地形紋理像素顏色值，P 3為 透明度灰度圖的灰度值，Pd為decal紋理像素顏色值。
4. 如權(quán)利要求1所述的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，Sl 中：當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，四個(gè)效果發(fā)生器為活動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)車輛向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，后方的兩個(gè)效果發(fā)生 器為活動(dòng)狀態(tài)；車輛向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，前方兩個(gè)效果發(fā)生器為活動(dòng)狀態(tài)。
5. 如權(quán)利要求1所述的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，S3 中像素灰度值對(duì)應(yīng)的灰度圖階數(shù)為256階、分辨率為WXH，且滿足W/H = X/Y ; ff/X = α 其中地形的長度為X、寬度為Υ，α為標(biāo)記精度，表示能夠識(shí)別地面材質(zhì)屬性的最小單 位，從低位到高位分別表示由下至上的圖層順序。
6. 如權(quán)利要求1所述的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，其特征在于，S4 中：車轍印效果包括材質(zhì)屬性、漫反射紋理、凹凸紋理、紋理重復(fù)度和伴隨效果； 其中所述伴隨效果包括揚(yáng)塵和聲音；所述材質(zhì)屬性包括：漫反射光、高光、自發(fā)光、透 明度。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法，基于程序化地形細(xì)節(jié)紋理合成原理，通過材質(zhì)分層實(shí)現(xiàn)了在三維虛擬場(chǎng)景中復(fù)雜地形的地表材質(zhì)分布的標(biāo)記和提取，并在此基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用可編程渲染管線技術(shù)和decal技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車輛運(yùn)動(dòng)過程中隨地形質(zhì)地變化而動(dòng)態(tài)生成相應(yīng)的車轍印效果，解決了與地表材質(zhì)紋理的融合問題。本發(fā)明的三維虛擬場(chǎng)景中車輛車轍印的動(dòng)態(tài)生成方法能夠?qū)崟r(shí)體現(xiàn)不同車輛在不同地面行駛產(chǎn)生的車轍印效果，具有很大的靈活性和真實(shí)性。
【IPC分類】G06T13-20
【公開號(hào)】CN104680568
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510104347
【發(fā)明人】梁強(qiáng), 杜君
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月10日