一種基于三維運動視景的仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維運動視景技術領域，其利用信號處理、計算機輔助設計技術、視景 仿真技術和計算機仿真技術等實現(xiàn)仿真多種船舶和飛行器目標在不同風向、風速等級和不 同運行狀態(tài)時的三維視景動畫，仿真的視景動畫效果能夠直觀且真實地反映設定的仿真參 數(shù)對船舶和飛行器目標運動狀態(tài)的影響，本發(fā)明涉及一種基于三維運動視景的仿真系統(tǒng)設 計與實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的雷達仿真方法分析手段較為抽象，對于繁雜的數(shù)學公式和大量的數(shù)據(jù)， 除了專業(yè)人員了解其真實情況外，一般的訓練人員和決策者難以迅速準確地做出判 斷。李震，李積德，王慶.艦船三維運動視景仿真系統(tǒng)的設計[J].哈爾濱工程大學學 報，2003, 24(1) :9-13.
[0003] 隨著計算機硬件和計算機圖形學的發(fā)展，科學計算可視化已成為一門獨立的新 興學科。特別地，視景仿真技術以其靈活、通用、高效和低成本等特點在多領域得到了廣泛 應用?？跌P舉.艦船仿真技術發(fā)展綜述[J].艦船電子工程，2004,24(1):9-11.
[0004] 針對傳統(tǒng)雷達仿真方法存在的問題，利用視景仿真技術建立具有真實物理屬性的 三維真實研究分析環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互 作用、相互影響，從而為系統(tǒng)研究人員、雷達訓練人員和決策分析人員創(chuàng)造一個共享的視聽 環(huán)境，用共同的語言來研究、分析和探討問題，使整個仿真過程變得看得見和聽得到，使結 果變得更加真實、可信。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明要解決的技術問題是建立具有真實物理屬性的三維 真實研究分析環(huán)境，使系統(tǒng)研究人員、雷達訓練人員和決策分析人員對整個仿真過程既有 抽象的理性的定量分析，又有形象的感性的定性分析。
[0006] 本發(fā)明能夠仿真出適用于船舶航行水域環(huán)境和飛行器航行的天空環(huán)境下的三維 運動視景動畫，根據(jù)設定的船舶和飛行器目標的名稱、類型、持續(xù)時間、經(jīng)度、高度、煒度、俯 仰角、偏航角、翻滾角、速度以及風向、風速等仿真數(shù)據(jù)，生成對應的船舶和飛行器目標在設 定的水域和天空環(huán)境按既定的運動參數(shù)進行相應的狀態(tài)更新畫面。
[0007] 本發(fā)明的技術方案：
[0008] 為了實現(xiàn)基于三維運動視景的仿真系統(tǒng)設計，首先建立一個基于MFC單文檔的 OpenGL仿真系統(tǒng)框架；然后建立由采用OpenGL紋理貼圖方法繪制的地物模塊（樹、山等）、 天空模塊、海洋模塊和光照模塊組成的環(huán)境系統(tǒng)；同時建立坐標系統(tǒng)；再將利用計算機輔 助設計技術生成的船舶和飛行器目標的三維模型載入構建好的程序框架中；并通過實時通 訊，讀取外部的驅動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標的狀態(tài)更新；建立的視角轉換系統(tǒng)，可通過鍵盤交互，實 現(xiàn)不同的觀測效果；最后利用OpenGL雙緩存技術實現(xiàn)平滑的動畫，通過數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)顯示 目標信息。
[0009] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0010] 第一步：建立OpenGL仿真系統(tǒng)框架
[0011] 在操作系統(tǒng)下，建立一個基于MFC單文檔的OpenGL圖形程序框架，具體步驟為：
[0012] 1. 1利用"MFC應用程序"選擇"應用程序類型：單個文檔"創(chuàng)建基于MFC單文檔的 工程；
[0013] 1. 2在已創(chuàng)建好的工程中添加 OpenGL庫文件和頭文件，完成初始化設置；
[0014] 1. 3調用OpenGL相關命令進彳丁圖形繪制；
[0015] 1. 4退出OpenGL繪圖窗口，同時釋放OpenGL繪制描述表和Windows設備描述表。
[0016] 第二步：建立環(huán)境系統(tǒng)模型
[0017] 環(huán)境系統(tǒng)包括地物模塊（樹、山等）、天空模塊、海洋模塊和光照模塊。各模塊采 用OpenGL的紋理貼圖方法進行繪制，即通過讀取外部的圖像文件，采用紋理映射的方法進 行貼圖。在海洋模塊中，為接近真實效果的海水起伏以及海面明暗變化，運用基于快速傅里 葉變換生成動態(tài)的海面高度場，其中，海面的高度被看成一個由位置X = (X，z)和時間t組 成的隨機變量h(X，t)，&(&，〇與海浪譜相關且滿足
，本仿真方法 采用Phillips海浪譜，將海面高度場存入到頂點紋理中，同時采用多塊網(wǎng)格無縫拼接形成 無限海面，然后通過取頂點紋理的值對網(wǎng)格進行擾動，實現(xiàn)動態(tài)的海面效果。
[0018] 第三步：建立坐標系統(tǒng)
[0019] 本仿真系統(tǒng)在數(shù)據(jù)結構和程序實現(xiàn)上需建立一個窗口二維坐標系和兩個三維坐 標系，兩個三維坐標系為OpenGL坐標系及目標坐標系。
[0020] 第四步：建立目標系統(tǒng)
[0021] 4. 1建立船舶和飛行器目標的三維模型：搜集關于所建模型的幾何結構信息，通 過相關專業(yè)雜志和網(wǎng)絡資源提供的設計圖以及現(xiàn)場實拍的真實圖片，根據(jù)所獲取的目標模 型的具體信息，利用3DS Max建模工具按比例繪制出真實模型并加以紋理貼圖和光照效果 的渲染；
[0022] 4. 2載入船舶和飛行器目標的三維模型：采用文件讀入的方式將繪制的三維模型 載入程序框架；具體步驟為：
[0023] 4. 2. 1生成3DS文件，利用3DS Max軟件將繪制的三維模型導出為3DS文件；
[0024] 4. 2. 2編寫讀取3DS文件的VC++程序，即頭文件"Read3DS. h"和源文件"Read3DS. cpp" ；
[0025] 4. 2. 3載入工程，在構建好的程序框架中，包含頭文件"Read3DS.h"，調用函數(shù)讀 取目錄下的3DS文件，完成三維模型的載入，并可在工程中對載入模型進行對象管理。
[0026] 4. 3船舶和飛行器目標的數(shù)據(jù)驅動：
[0027] 本仿真系統(tǒng)通過讀取外部的驅動數(shù)據(jù)實現(xiàn)船舶和飛行器目標的實時狀態(tài)更新，驅 動數(shù)據(jù)包括船舶和飛行器目標的名稱、類型、持續(xù)時間、經(jīng)度、高度、煒度、俯仰角、偏航角、 翻滾角和速度等數(shù)據(jù)。其中經(jīng)度、高度及煒度坐標需以OpenGL坐標系為基準，對經(jīng)度、高度 及煒度坐標數(shù)據(jù)進行相應轉換。
[0028] 船舶和飛行器目標的實時狀態(tài)包括位置和姿態(tài)，位置由OpenGL坐標系X，Y，Z的三 個坐標值來確定，姿態(tài)包括俯仰角、偏航角及翻滾角。以OpenGL坐標系為基準，沿OpenGL 坐標系的X，Y，Z三個坐標軸平移實現(xiàn)目標的位置變換；以OpenGL坐標系為基準，沿OpenGL 坐標系的X，Y，Z三個坐標軸旋轉實現(xiàn)目標的姿態(tài)變換，目標的俯仰變換為繞X軸旋轉，目標 的偏航變換為繞Υ軸旋轉，目標的翻滾變換為繞Ζ軸旋轉。
[0029] 目標的實時狀態(tài)控制由OpenGL中的模型轉換函數(shù)（glTranslatef ()和 glRotatef ())完成，在繪制目標前調用相應的轉換函數(shù)，通過不斷地改變三個坐標值和各 角度值，實現(xiàn)目標的實時狀態(tài)更新。
[0030] 第五步：建立視角轉換系統(tǒng)
[0031] 本仿真系統(tǒng)共定義了 2種視點，分別是跟蹤視點和固定視點。跟蹤視點是將相機 位置設置于目標附近，與目標距離的遠近參數(shù)可以調用SetCamera()來設置，視點會隨目 標的運動而移動。固定視點是將相機固定在某一具體三維坐標上，用于實現(xiàn)固定點的觀測 效果，處于固定視點時，通過鍵盤交互，系統(tǒng)會有三個不同程度的縮放效果，人為設定視角 度數(shù)，縮放的效果可以使用OpenGL中的透視投影函數(shù)gluPerspectiveO來實現(xiàn)。
[0032] 第六步：三維運動視景系統(tǒng)實現(xiàn)
[0033] 本仿真系統(tǒng)采用OpenGL雙緩存技術，OpenGL利用glutSwapBuffers ()函數(shù)來交 換雙緩存，如此循環(huán)反復，實現(xiàn)平滑的動畫，并通過據(jù)顯示系統(tǒng)顯示必要的目標信息。
[0034] 系統(tǒng)利用響應定時中斷來為船舶和飛行器目標更新狀態(tài)數(shù)據(jù)，使船舶和飛行器目 標每隔一定的時間（用戶可設定）讀取一次狀態(tài)數(shù)據(jù)，隨著狀態(tài)數(shù)據(jù)的不斷更新，目標的實 時狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，最終實現(xiàn)目標的模擬運動。
[0035] 本發(fā)明可以通過實時通訊，實時讀取驅動數(shù)據(jù)，完成三維模型狀態(tài)的實時繪制，實 現(xiàn)不同的視景變換；可以將目標狀態(tài)仿真數(shù)據(jù)進行一次性存儲，通過讀取仿真數(shù)據(jù)進行三 維可視化驗證。
[0036] 本發(fā)明根據(jù)已設定的船舶和飛行器目標的名稱、類型、持續(xù)時間、經(jīng)度、高度、煒 度、俯仰角、偏航角、翻滾角、速度以及風向、風速等仿真數(shù)據(jù)，可成對應的船舶和飛行器目 標在設定的水域、天空環(huán)境和既定運動參數(shù)下的狀態(tài)畫面，為系統(tǒng)研究人員、雷達訓練人員 和決策分析人員創(chuàng)造一個共享的視聽環(huán)境，使整個仿真過程變得看得見、摸得著，使結果變 得更加真實、可信。
【附圖說明】
[0037] 圖1是基于三維運動視景仿真系統(tǒng)的總體設計框圖。
[0038] 圖2是采用OpenGL紋理貼圖方法繪制完成的環(huán)境系統(tǒng)。
[0039] 圖3是基于三維運動視景仿真系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)。
[0040] 圖3 (a)是窗口坐標系。
[0041] 圖 3 (b)是 OpenGL 坐標系。
[0042] 圖3(c)是目標坐標系。