（信息与通信工程专业论文）视景仿真在雷达系统仿真中的应用.pdf

摘要 摘要 视景仿真技术是计算机图形学研究中最热门的方向之一，近年来引起了广泛 的专注，在建筑、娱乐、航空航天、军事等各个领域都发挥着重要的作用。将视 景仿真技术应用到雷达系统仿真中，能够给决策者提供一个良好的视觉环境，使 整个仿真过程变得更加形象、逼真，对于提高雷达系统仿真的真实感、可信度以 及降低研发费用有着重要意义。 文章对视景仿真建模、视景仿真驱动和视景仿真在雷达系统仿真中的应用进 行了研究： 首先讨论了三维建模的关键技术，根据项目仿真需求，建立了雷达仿真系统 的三维人文目标模型数据库，包括飞机、坦克、潜艇、舰船、战车、公路、铁路、 桥梁、机场、城市建筑等。重点研究了三维地形建模技术，分析了四种地形转换 算法( p o l y m e s h 、d e l a u n a y 、t c t 、c a t ) ，总结了各种转换算法的适用场合。寻找 到一种真实感强的大地形建模方法，给出了地形建模流程，生成了符合实时仿真 要求的大面积地形。结合仿真要求和实际硬件情况，给出了场景优化的方法。总 结了常用建模规范，规范的建立可以提高了建模效率和数据库管理效率。 其次，本文深入研究了基于v e g a 的视景仿真驱动技术，给出了使用v e g a 开 发应用程序的流程。针对仿真中数据库非常大，无法实时显示的问题，分析研究 了大规模数据管理技术。使用数据分页调度方法，解决了仿真中真实性和实时性 之间的矛盾。深入分析了v e g a 中雷达成像的原理，给出了不同参数下的机载s a r 成像结果。分别使用m a t l a b 仿真工具和v e g a 工具模拟出了s a r 成像结果，并对 结果进行了对比、分析。重点研究了v e g a 中雷达散射截面积( r a d a rc r o s ss e c t i o n ， r c s ) 的获取方法，建立了场景r c s 数据库。对雷达成像的研究，为以后基于v e g a 的雷达成像视景仿真提供了借鉴。 最后，完成了基于h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 架构的机载s a r 成像视 景仿真联邦成员的设计，给出了设计框架、程序流程，介绍了整个系统的运行环 境，给出了系统测试结果。 摘要 将视景仿真技术引入到雷达系统仿真中，可以动态地展现雷达成像的工作过 程和效果，具有较好的实用价值。 关键字：视景仿真，c r e a t o r ，v e g a ，雷达散射截面积，合成孔径雷达 a b s t r a c t a b s t r a c t v i s u a ls i m u l a t i o ni so n eo fm o s tp o p u l a rr e s e a r c hi nt h es t u d yo f c o m p u t e rg r a p h i c r e c e n t l y ，i ti sp a i dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l e ，a n dp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do f b u i l d i n g ，e n t e r t a i n m e n t , a e r o n a u t i c s ，m i l i t a r y e t c i tc a l l p r o v i d eag o o d v i s u a l e n v i r o n m e n t 诵mv i s u a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u ea p p l i e dt or a d a rs y s t e ms i m u l a t i o n t h e p r o c e s so fs i m u l a t i o nw i l lb ev i s u a la n dr e a l i t y i ti ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h er e a l i s m , c r e d i b i l i t ya n dr e d u c et h ec o s to f r e s e a r c h t h i sp a p e rd i s c u s s e sv i s u a ls i m u l a t i o nm o d e lc r e a t i o n , d r i v e r , a n dt h ea p p l i c a t i o n i nr a d a rs y s t e m f i r s t , t h ek e yt e c h n o l o g yo fc r e a t i n g3 dm o d e l si sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o np r o j e c t ，t h ed a t a b a s eo f3 dc u l t u r a lo b j e c t sm o d e li sc r e a t e d t h e s eo b j e c t s c o n t a i np l a n e ，t a n k , s u b ，s h i p ，c a r , r o a d ，r a i l w a y , b r i d g e ，a i r p o r t ，c i t yb u i l d i n g ，e t c t h e t e c h n o l o g yo fc r e a t i n g3 dt e r r a i nm o d e li sr e s e a r c h e di nd e t a i l ，a n df o u rt e r r a i nc r e a t i o n a l g o r i t h m s ( p o l y m e s h , d e l a u n a y , t c t , c a t ) a r ed i s c u s s e d a n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l d s o fe a c ha l g o r i t h ma r es u m m a r i z e d am e t h o do fc r e a t i n gr e a l i t yt e r r a i nm o d e li s p r o p o s e d ，a n dt h es t e po fc r e a t i n gt e r r a i nm o d e li sd e s c r i b e d at e r r a i nm o d e lt h a t s a t i s f i e dt h en e e do fs i m u l a t i o ni sc r e a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o np r o j e c ta n dt h e a c t u a lh a r d w a r es i t u a t i o n ，t h em e t h o d so fm o d e io p t i m i z a t i o na r eg i v e n s o m ec r i t e r i o n s o fc r e a t i n gm o d e la r es u m m a r i z e d w i t ht h e s ec r i t e r i o n s ，t h ee f f i c i e n c yo fc r e a t i n g3 d m o d e la n dd a t a b a s em a n a g e m e n ta r ei m p r o v e d s e c o n d , t h et e c h n o l o g yo fv i s u a ls i m u l a t i o nd r i v e rb a s e do nv e g ai sd i s c u s s e di n d e t a i l a n dt h es t e po fd e v e l o p i n ge x e c u t i v ep r o g r a mi nv e g ai sg i v e n t h em o d e l d a t a b a s ei sm a s s i v e ，i ti sd i f f i c u l tt od i s p l a yi nt i m e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h e t e c h n i q u eo fl a r g ed a t a b a s em a n a g e m e n ti si n 订o d u c e d w i mt h em e t h o do fm e m o r y p a g i n g ，t h ec o n f l i c tb e t w e e nr e a l i t ya n dr e a l t i m ei ss o l v e d t h ep r i n c i p l eo fr a d a r i m a g i n gi nv e g ai sa n a l y z e d t h er e s u l to fr a d a ri m a g eu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e ri s g i v e no u t t h es i m u l a t i o no fs a ri m a g i n gi si m p l e m e n t e d 、杭也m a t l a ba n dv e g a r e s p e c t i v e l y t h ew a yo fg e e i n gr c si sd i s c u s s e di nv e g ae m p h a t i c a l l y a n dt h er c s d a t a b a s eo fs c e n ei sb u i l d t h e s er e s e a r c h e so nr a d a ri m a g i n gp r o v i d eab a s i sf o rt h e m a b s t r a c t r a d a ri m a g i n gv i s u a ls i m u l a t i o n f i n a l l y , av i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fa i r b o r n es a p i m a g i n gb a s e do nh i 曲l e v e l a r c h i t e c t u r ei si m p l e m e n t e d n 圮s y s t e mf l a m ea n dp r o g r a mp r o c e s sa l eg i v e n t h e n , t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti ss h o w n w i mt h ev i s u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e di nr a d a rs i m u l a t i o n ，t h ep r o c e s sa n d r e s u l to fr a d a ri m a g i n gc a nb es h o w nd y n a m i c a l l y i ti sv a l u a b l ei nr a d a rs y s t e m s i m u l a t i o n k e y w o r d ：v i s u a ls i m u l a t i o n , c r e a t o r , v e g a , r a d a rc r o s ss e c t i o n , s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：望尘日期： 内7 年j 月j 3 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 鲨垒导师签名： 日期：即 第一章绪论 1 1 视景仿真技术概念 第一章绪论 视景仿真技术是计算机技术、图像生成与图形处理技术、立体音响和影像技 术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用，它依托于计算机科学、 声学、数学、光学、力学、机械学、生物学、美学和学会学等多种学科，是近年 来十分活跃的技术研究领域。视景仿真技术可以使用户产生身临其境的感觉，能 够实现用户与环境的直接交互，达到身临其境的效果。目前，其应用己广泛涉及 工程设计、商业、医学、应是、艺术、娱乐、教育培训、军事等众多领域，并带 来了巨大的经济效益【1 - 2 。 视景仿真是动画的高级阶段【3 】，采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的， 构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。它可分 为视景仿真建模和视景仿真驱动。 视景仿真建模主要包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等， 构造出逼真的三维模型和特效。 视景仿真驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、大地形处理等、分布交 互，高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作。 视景仿真系统由三部分组成：模型数据库、图像生成器和显示设备【4 】。模型数 据库包括几何定义数据、仿真环境需要纹理数据等；图像生成器绘制的内容是仿 真器从视点定义的，这些数据存储在模型数据库中，显示系统可以是投影仪、显 示器等。 1 2 视景仿真技术发展动态 ( 1 ) 国外发展动态【5 1 0 】 1 9 6 0 年，m o r t o nh e l l i g 发明了一个成为“s e n s o r a m as i m u l a t o r 的装置， 这个装置由两台3 5 毫米的放映机组成，同时它包括运动、彩色、立体声、风、香 味和一个能振动的座椅。整个场景模拟骑摩托车在纽约大街上经过的场面，骑在 车上可以感受到风、路上的坑坑洼洼，通过食品店时还可以闻到食品的香味。当 电子科技大学硕士学位论文 h e i l i g 试图推销他的这一装置时，从政府到r c a 、m g m 、h o l l y w o o d 等大公司没人 想到对他的发明投资，谁也没感到它代表了信息技术领域革命的技术进步，但在 3 0 年后，几乎每个人都想在这个技术上花钱投资进行深入研究。 1 9 6 5 年，计算机图形学的奠基人i v a ns u t h e r l a n d 在其论文“终极显示 中 提出了一个研究计划。他认为，“人们面对一个显示屏幕，通过这个窗口可以看到 一个虚拟世界”。这篇文章被称为是研究视景仿真系统的开端。但是，由于当时软 硬件还比较落后，这项技术直到上世纪八十年代中期才逐步兴起，并在上世纪九 十年代初得到了长足发展。 美国在视景仿真技术方面的水平基本上代表国际上视景仿真技术发展的水 平。美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室完成了操纵空间站的实时仿真，对哈勃太 空望远镜的仿真等。现在n a s a 已经建立了航空、卫星维护训练系统，空间站训练 系统，并且已经建立了可供全国使用的虚拟教育系统。美国国防高级研究计划局 ( d a r p a ) 开发了著名的虚拟战场s i 心e t ( s i m u l a t o rn e t w o r k i n g ) ，实现了 分布式的战场环境仿真。 在欧洲，北大西洋公约组织将海战、空战仿真系统与s i m n e t 相连，把各个不 同国家的兵力汇集入s i m n e t ，从而形成一个分布式的虚拟战场。英国已经成功研 制了世界上首个模拟城区环境的作战模拟系统，此系统可模拟在三十平方公里的 区域内进行连级规模作战对抗的仿真环境。其他的一些国家，如法国、德国、瑞 典、西班牙等也积极进行了视景仿真的开发与应用，目前已取得了不少成果。 日本在视景仿真技术方面的研究也居于领先地位。东京大学的原岛研究室开 展了人类面部表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示和动态图像的 提取三项研究。 ( 2 ) 国内发展动态【5 一o j 视景仿真技术是一项投资巨大、难度高的技术研究领域。我国在此技术上研 究起步相对较晚，与早先开展研究的国家相比，还有一定的差距，发展我国的视 景仿真技术是非常必要的。“十一五 攻关计划、国家8 6 3 计划、国家自然科学基 金会、国家高科技研究发展极化等都把视景仿真的研究列入了资助范围。我国军 方对视景仿真技术的关注较早，而且支持的力度也逐日加大。国内的一些院校和 科研单位陆续开展了视景仿真技术的研究。 北京航空航天大学完成了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态 数据库和开发视景仿真应用系统的开发平台，并与有关单位实现了远程连接。浙 江大学开发了虚拟故宫，游客可以自己控制自己的行进路线和方向，能够逼真地 2 第一章绪论 模拟在故宫内旅游的情景，给人以身临其境的感受。清华大学在球面屏幕显示和 图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法。 哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了特定人脸图像的合成、表情的合成等技术问 题。北方工业大学c a d 研究中心是我国较早开展视景仿真技术研究的单位之一， 已经完成了两个“8 6 3 项目。国防科技大学已成功研制出了某新型雷达训练模拟 器，标志着我军雷达训练手段提高到一个新的水平。 另外，西北工业大学、国防科技大学、上海交通大学、中科院电子所、西安 电子科技大学、南京理工大学等单位也进行了一些研究性工作和尝试，并取得了 一定的研究成果。 1 3 视景仿真在雷达系统仿真中的应用 视景仿真在军事方面的应用主要集中在军用模拟训练系统、作战仿真、武器 性能评估等方面。将视景仿真技术应用到时间紧迫、代价高昂、实时要求高的训 练环境，可以用来训练操作人员的基本技术和战术动作，又可以模拟出较复杂的 战场环境，具有减少训练费用和降低危险性的潜力。传统上的实战演练，耗费的 资金和军用物资非常大，安全性差，而且很难在实战演习条件下改变状态，来反 复进行各种场景态势下的战术和决策研究。通过视景仿真技术的应用，使得军事 演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃。在武器性能评估方面，能够对武器系 统的外观特性进行评估，进行性能预测、结果分析、故障再现及分析、模型及参 数修正等。美国宇航局是视景仿真最早的研究单位和应用者。宇宙飞船及各类航 空器需耗费巨资进行研发，在进入宇宙时有大量未知、危险的因素，因而模拟各 种航空器可能遇到的环境，不仅可节省大量费用，而且是十分必要的。 雷达系统仿真是模拟雷达性能及效果的重要手段。具有代表性的是美国波音 公司研制的b - i 机载雷达成像仿真系统。美国c a m b e r 公司也于1 9 9 6 年后陆续开 发出若干型面向第四代战斗机的、技术更先进、效果更好的雷达模拟器，成为美 国军方雷达模拟器的主要的开发商i l 。国内在此方面的研究也取得了一定的成果， 但大部分都集中在模拟训练仿真系统和战场环境仿真方面。北京航空航天大学、 国防科技大学、浙江大学、中科院程序所、装甲兵工程学院、解放军测绘学院共 同建立了一个分布式虚拟战场环境，包括一块大小为1 l o k m x1 5 0 h n 、基于真实地 形数据的虚拟陆地战场环境。在参研单位的密切合作下，已进行了多次异地海陆 空三军作战联合演练。国内对于结合三维地形的雷达成像仿真研究还较少见。 3 电子科技大学硕士学位论文 雷达地物回波图像仿真是雷达系统仿真的重要组成部分，其逼真度直接关系 到雷达系统仿真的质量。当前最为常见的几种设计方案有：数据回放、位图贴片、 卫星图片、杂波模型【l 引。视景仿真中的目标及地形建模技术为建立逼真的雷达陆 地环境提供了基础，通过为目标和地形赋予不同的材质属性，可以得到不同工作 频段、不同入射角、不同极化方式情况下的目标r c s ，使得雷达成像仿真具有了更 高的可信度。 h l a 技术是美国国防部建模与仿真办公室提出的未来建模与仿真的技术框架 之一1 1 3 j 。h l a 技术的提出是分布交互式仿真发展的一个飞跃。以往的雷达系统仿真 大都是在一台p c 机上完成整个雷达系统的仿真。处理的数据量大、系统复杂，无 法达到快速、动态的特点，系统通用性差。基于h l a 的分布式仿真系统具有非常 好的交互性、可重用性、可扩充性和协同性，因此研究基于h l a 和视景仿真技术 的雷达系统仿真是雷达系统仿真的发展趋势。 1 4 课题研究意义 传统的雷达仿真方法分析手段很抽象，对于繁杂的数学公式和大量的数据， 除了专业人员了解其真实情况外，一般的训练人员和决策者会感到无所适从，难 以迅速准确地做出判断，这就需要有一种全新的手段和研究分析环境，将数学模 型和数据转变成视觉、听觉和触觉的效果，使分析的过程和结果变得看得见和听 得到，既有抽象的理性的定量分析，又有形象的感性的定性分析。在这样的研究 分析环境中，研究分析更加透明，沟通和理解更加容易，可以为系统研究人员、 试验训练人员和决策分析人员创造一个共享的视听环境，用共同的语言来研究、 分析和探讨问题，提高电子信息武器装备试验训练的质量和研究水平。这里涉及 很多技术问题，但核心技术是视景仿真技术【j 4 1 。 c r e a t o r 和v e g a 软件是美国m u l t i g e np a r a d i g m 公司开发的两款软件，c r e a t o r 用来完成三维模型建立f 】5 - 蝈，v e g a 用来完成视景仿真驱动设计f 1 7 1 3 1 ，此两款软件 都是业内非常优秀的实时仿真软件。虽然c r e a t o r 和v e g a 是专为实时视景仿真应 用而开发的建模和驱动软件，但如果在系统设计的过程中没有养成良好的工作习 惯，未树立起足够的优化观念，则建立的仿真系统很可能会因为数据组织结构混 乱、冗余、复杂而严重影响到仿真运行时的渲染效率。这就需要对c r e a t o r 和v e g a 软件的功能有一个全面了解，深入理解其针对实时性应用而设计的建模和驱动技 巧，并加以运用。 4 第一章绪论 雷达成像仿真系统是一个非常复杂的系统，单靠传统的仿真方法不能形象地 表达作战和试验过程，将视景仿真技术引入到雷达成像仿真中就可以解决这一问 题。通过建立大面积、具有真实物理属性的三维真实环境，可以为决策者和分析 人员提供一个共享的作战环境，使整个仿真过程、结果变得看得见、摸得着。将 视景仿真技术应用到雷达雷达成像仿真中使得雷达成像仿真变得更加真实、可信， 提高了雷达成像仿真的质量。 将h l a 技术应用于雷达系统的仿真则可以使各仿真模块相对独立地开发，每 一个模块可以最大程度的利用各自的技术。其次，h l a 技术的应用可以充分利用分 布式并行计算和流水线的仿真架构，解决雷达信号处理中运算量过大的问题，减 少了仿真时间。 本文采用实时视景仿真技术，完成了基于h l a 架构的机载s a r 的可交互、可 视化的视景仿真模块，对生成场景的r c s 获取进行了分析研究，在国内，此方面 的研究还不多，对雷达系统仿真的交互性、可视化提供了一定的借鉴。 1 5 本文研究的内容及结构安排 本文以视景仿真技术为背景，对雷达成像系统的视景仿真进行了深入研究， 对三维模型建立、场景渲染驱动和雷达成像仿真环境构建三方面进行了深入探讨。 使用m u l t i g e np a r a d i g m 公司的仿真软件c r e a t o r 和v e g a 设计实现了一个机载 s a r 成像视景仿真模块，仿真的重点在于解决实时性和真实性的矛盾问题。 本文主要研究内容如下： 1 研究视景仿真三维目标实体建模技术，建立视景仿真系统目标信号模型的 数据库，其中包括飞机、舰船、坦克、战车、公路、铁路、桥梁、农田、 机场、城市建筑、海洋、河流、湖泊、森林等。解决建模过程中关键问题， 对模型进行优化，建立适合实际仿真要求的模型数据库。 2 研究大面积三维地形的建模技术，根据实际仿真需求，建立地形数据库。 对地形建模中的关键技术进行研究，解决地形建模过程中，地形生成、纹 理映射和特征映射等问题。根据仿真需求，对地形模型进行优化，建立真 实感强、大面积三维地形模型。 3 研究视景仿真的驱动、渲染技术，针对大地形仿真，研究大规模数据库管 理技术，解决视景仿真大规模数据库调度问题，实现大面积地形的实时显 示。解决仿真真实性和实时性之间的矛盾。 电子科技大学硕士学位论文 4 研究s a r 成像原理，并研究v e g a 中的雷达成像机制。分别使用m a t l a b 仿 真工具和v e g at 具仿真s a r 成像，对比二者成像结果。研究r c s 的获取 方法，建立仿真场景的r c s 数据库。 5 根据实际项目需求，基于h l a 架构，设计机载s a r 成像视景仿真模块，完 成平台联邦成员的开发。 6 仿真实验研究。 本文的结构安排如下： 第一章：绪论。阐述了视景仿真技术及其在雷达系统仿真中应用的发展动态， 介绍了论文的研究意义、内容及结构安排。 第二章：视景仿真建模。研究了视景内部表示，给出了常用建模工具。研究 了三维目标实体建模技术和地形建模技术，结合实际需求完成了项目所需目标模 型数据库和地形数据库的建立。针对建模过程中遇到的问题，给出优化方案。总 结了使用c r e a t o r 建模的规范要求。 第三章：视景仿真驱动。研究了技术v e g a 的视景仿真驱动技术，研究了大型 复杂场景中数据的动态调度方法，解决了大地形仿真实时显示问题，并给出了视 景仿真测试结果。研究了雷达成像原理，并对v e g a 中雷达成像机制进行了分析。 给出了v e g a 中不同雷达参数设置下的成像结果，并对比了使用m a t l a b 仿真工具和 v e g a 工具进行s a r 成像仿真的结果。研究了r c s 的获取方法，建立了仿真场景 的r c s 数据库。 第四章：机载s a r 成像视景仿真设计。设计了基于h l a 架构的机载s a r 成 像视景仿真系统，完成了平台联邦成员的开发。 第五章：系统测试。介绍了整个系统的仿真环境，给出了系统测试结果。 第六章：总结与展望。对全文的工作进行了概括总结，对论文中有待提高的 地方进行了展望。 6 第二章视景仿真建模 第二章视景仿真建模 视景仿真的三维建模是整个视景仿真系统的重要基础。为了给用户创建一个 直观的、真实感强的三维环境，必要的条件之一就是根据需要，在视景仿真系统 中逼真地显示出视野内的事物。 视景仿真的建模主要分为自然场景建模和人文实体建模。自然场景建模包括 地形、河流、湖泊等自然景物的建模；人文实体建模包括飞机、坦克、车辆、桥 梁、道路等人造实体的建模。 视景仿真中的建模与传统3 d m a x 、c a d 、动画建模有着本质的不同，视景仿 真的建模对实时性要求非常高，要求能够完成交互操作。为保证能够实时运行， 大多数采用纹理、光照等技术来提高逼真度。 2 1 视景内部表示 ( 1 ) 图形表示 图形中常用概念包括曲线和曲面，点和线是图形中最基本表示单位，多边形 是图形中最常用单位。点通常用p ( x ，y ，z ) 表示，两个顶点的坐标p l p 2 就可以表示一 条直线，多边形通常用有序的多个顶点来表示。 计算机处理的是离散的数据，生成的图形在显示设备中显示，显示设备对于 程序员而言，只相当于一个帧存储器。因而，显示图形就是写存储器操作。 ( 2 ) 二维图像的表示 位图是最常见、最基本的图像表达方式，图像用二维数据矩阵表达，其中每 一个矩阵元素代表对应点的灰度值。 ( 3 ) 三维图像的表示 三维曲线的并非是理想的曲线，中间可能存在不连续，三维b 样条1 1 4 l 就是其 表示方法之一。 三维表面的表示是计算机视觉中的中心问题之一，计算机图形学在多变量曲 线插值、c o o n s 曲面、b e z i e r 曲线曲面、b 样条、有理曲线、曲面等方面有了长远 发展。f e r g u s o n 、c o o n s 、g o r d o n 提出了由曲线边界或曲线网格构造曲面的简便方 法，创立了c o o n s g o r d o n 型曲面。b e z i e r 提出了以逼近为基础的构造曲线与曲面 7 电子科技大学硕士学位论文 的方法。b 样条具有局部修改的方便，形态控制灵活等优良特性，克服了b e z i e r 方法的不足之处，成为构造曲线、曲面的主要工具。1 9 7 5 年，美国的v e r s p r o l l e 博士在其论文中提出了非均匀有理b 样条( n u r b s ) 。国外几乎所有的商品化三维 图形软件都使用了n u r b su 9 l 。 2 2 三维建模常用开发工具 ( 1 ) o p e n g l 三维图形编程工具中最为突出的是s g i 公司的o p e n g l ( o p e ng r a p h i c s l a n g u a g e ) ，它是一个优秀的专业化的3 d 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) ，包括了1 0 0 多个图形函数，用来建立三维模型和进行三维实时交互f 捌。 提供的函数包括一系列的图形变换函数、三维图形单位、外部设备访问函数等。 o p e n g l 的图形绘制能力非常强，包括绘制物体、纹理映射、启动光照、管理位图、 动画、图像增强以及交互技术等功能。目前已经成为高性能图形与交互式视景处 理的工业标准，并且逐步成为高档的三维工作站的专业标准。 ( 2 ) 3 ds t u d i om a x 3 ds t u d i om a x 是1 9 9 6 年k i n e t i x 公司开发的一种全新的可用于p c 机上三维 造型和动画软件1 2 ，它采用了面板化的开发平台，通过大量的外挂面板和更多的 第三方面板可以极大地扩展其功能。3 ds t u d i o 姒x 具有可操作性强、直观、方便 易学、制作模型逼真等特点，然而其致命的弱点是模型复杂，生成的模型文件较 大。如果不经过模型的优化与调整，极大的数据量会影响整个系统的运行效率， 造成实时漫游困难，不能满足视景仿真系统的实时性要求【翻。 ( 3 ) c r e a t o r c r e a t o r 是m u l t i g e n - p a r a d i g m 公司开发的一款高度专业化的工具【2 3 1 ，可以创 建高效的三维模型和地形用于视景仿真及其他实时交互式的应用。c r e a t o r 包括了 一套综合的强大建模工具，使你能够建立满足实时仿真要求的场景，不会出现令 人不快的视觉异常。也可以将源于c a d 、3 d 或动画软件所建的模型转换成c r e a t o r 所支持的格式，并提供了对这些模型的优化工具，最终结果将具有无可比拟的效 率，以及可靠性和优越的实时性能。o p e n f l i g h t 数据格式的c r e a t o r 的根基，是 逻辑化的有层次的景观描述数据库，又来通知图像生成器何时及如何渲染实时三 维景观，非常精确可靠。 c r e a t o r 软件与3 ds t u d i om a x 等其他建模软件的主要区别是考虑在满足实时 8 第二章视景仿真建模 性的前提下，如何生成面向仿冀的、逼毋性好的大面积场景。它以o p e n g l 为基础， 但又可以省却大量的代码编写，拥有良好的集成，发环境，能够高效地建直_ _ _ = 维 模型。c r e a t o r 的o p e n f l i g h ta p i 提供了读出和处理已有数据库的函数，也提供 了构造用户自己数据库的函数允许用户更深入地歼接应用工具口。 系统中对实时性要求很高，对比几种建模工具后，选用m u l t 】g e n 公司的视景 仿真建模工具c r e a t o r 柬完成系统的建模工作。 2 3c r e a t o r 数据库结构 c r e a t o r 数据库结构是整个建模的基础，对视景仿真系统的运行质量有很大的 影响。熟悉三维数据库结构有利于对模型进行优化，加深对视量建模及驱动的认 识理解。 o p e n f l i g h t 数据格式足m u l f i g e n 公司开发的一种场景描述数据库规范一是逻 辑化的有层次是视景描述数据库，用来通知图像生成器何时以及如何渲染实时= 维场景，非常精确可靠【2 5 - 2 6 1 。开放的连接及简易交互式的操作与细节等级、多边 形删碱、逻辑删减、绘制优先级、平面分离等先进的实时功能使o p e n f l i g h t 成为 最受欢迎的实时三维图像格式，许多重要的视景开发环境都与它兼容。o p e n f l i g h t 数据格式已成为实时三维视景仿真领域的事实上的工业标准6 l 。 o p e n f l i g h t 数据库结构定义了各个竹点之间的关系，o p e n f l i 曲t 数据结构图如 图2 - 1 所示。从上到下包括头节点、组节点、对象节点、而节点和定点节点，其中 定点节点在树状结构不显示。 头节点_ - 击i 帅61 ：i 帅6 叫：i 4 “6 - 1 ：i 删口口刁口刁 图2 - 1o ) e n f li g h t 数据结构圈 各节点支持的功能如下： ( 1 ) 头节点：异j 柬配置控制系统和数据创建历史、版本、外部引用数据库路 电子科技大学硕士学位论文 径，模型各部分和集合造型的定义、位置和大小。 ( 2 ) 组节点：由一些体节点组成，按照一定的逻辑顺序有条理地编排成组， 可以使操作变得更加容易、快捷。 ( 3 ) 体节点：由面若干面节点组成。提供更好的结构细节、组织单个部件模 型的删减、模型面的实时渲染。 ( 4 ) 面节点：由一系列有序的空间点组成。面节点包含颜色、纹理、材质、 光照等大量的多边形属性信息。通过面节点可以对相应多边形进行定义、编辑。 ( 5 ) 顶点节点：组织和定义数据库中几何造型最细的一层节点，通过顶点节 点可以对顶点的位置、色彩、纹理映射和光线矢量进行编辑。 实体模型的数据组织结构对视景仿真系统的运行质量有很大的影响。在建立 一个场景之前，应该根据场景中每个实体的空间位置，以及模型之间的结构关系， 确定场景中所有实体模型的层次结构。 用户可以通过层次结构图及其修改工具，可以加速数据库的组织、模型生成、 修改编辑、赋予属性和调整结构关系。 2 4 建模关键技术 视景仿真中，模型的逼真度关系着整个仿真系统的仿真效果，但模型的逼真 度越高，使用的多边形就越多，复杂度就越高，要求系统的硬件配置就越高。在 现有硬件的基础上，建立起一个真实度高，又可以满足实时显示要求的三维模型 就显的尤为重要。 针对建立真实感好，又可以满足实时显示要求的模型，很多专家学者研究和 实践了面向视景仿真的三维建模技术。其中着重提高真实感的技术有：纹理映射 技术、光照技术、公告牌技术等；着重提高实时性的技术有：细节层次模型技术 ( l e v e lo fd e t a i l ，即l o d 技术) 、实例化技术、消隐技术等1 2 6 】。 2 4 1 提高真实感的技术 ( 1 ) 纹理映射技术 在视景仿真中，增加模型多边形数量会增大计算机渲染开销，影响显示帧数。 纹理映射技术是用来增强场景真实感，同时提高图形绘制速度最有效的方法，其 基本原理是把场景模型的表面的图像信息映射到所绘制的几何模型表面，以表现 模型的表面细节。 1 0 第二二章视景仿真建模 纹理映射的实质是建立二维平而图形与二维曲面之问的对应关系，即建立物 体空间坐标( t h 二) 和纹理空间坐标( ) 之间的对应关系。 图2 - 2 纹理映射前的厂房 图2 - 3 纹理映射后的厂房 充分利用纹理映射技术可以建立真实感非常强的地形模型和实体模型。系统 在建模的过程中使用了大量的纹理。图2 2 、图2 - 3 给出了模型在纹理映射前和映 射后的对比效果。 ( 2 ) 光照技术 视景仿真场景巾如果没有光源，将会是漆黑一片使用光照技术可以产生逼真 的阴影效果，增加虚拟场景的可信度。 l a m b e r t 余弦定理给出了点光源所发出的光照射在一个完全漫反射物体上时 的反射法则，即：一个完全漫反射体上反射光线的强度旧入射光十物体表面的法 线之间夹角的余弦成正比。即： h + ! 筹 1 ) 其中，。为泛光光强，。为物体表面对泛光的漫反射常数，d9 为衰减固子，且 0 ps 2 ，k 为任意常数。 l a m b e r t 模型中没有考虑镜面反射光的情况，p h o n g 在l a m b e r t 模型的基础l 提出了著名的p h o n g 光照模型f 2i 。p h o n g 光照模型见式( 2 - 2 ) “u 。+ 赤( c o s 8 + k 。5 ”“) ( 2 - 2 ) 式中k 为物体表面的镜面反射常数，a 是镜面反射光于视线的夹角，”对应不 同的材质取不同的值。越光亮的表面一的取值越大。 电子科技大学硕士学1 _ j ：论文 c r e a t o r 中使用的是o p e n g l 提供的光照模型。在o p e n g l 中，光源分为无限光 源、局部光源和聚光光源三种。对于每种光源，可以根据其方向、强度等值计算 到达物体模型表面时的光强，并将光强作为入射光带入到光照模型中。根据物体 表面的反射属性计算光照模型的各个参数，产生明暗模型。 ( 3 ) 公告牌技术 使用公告牌( b i l l b o a r d ) 技术的多边形模型在视点改变时，会绕指定的轴旋 转，从而保证始终面向着视点。 公告牌通常用于创建场景中类似与树木、电线杆或具有对称性的物体。图2 - 4 给出了使用公告牌技术建立的树木模型。树木随着视点的变化而变化从而保证 始终面向视点，给人以三维树木的假象。 加垃理 场景中显示 幽24 公告牌树木的建模 由于视点改变时要旋转，而实体的旋转变换是一个矩阵帽乘运算，每做一次 旋转就还必颁晕新进行次消隐面和阴影计算这两者的计算量都很大。所以当 场景中的树木用此方法建造过多时，会因为计算量过大而导致帧速度变慢，从而 影响实时响应述度。 242 提高实时性的技术 ( 1 ) 【( ) d 技术 l o d 技术的垫本思想是：为场精中的物体建立多个小同精细程度的模型，当视 点距模型较近时，调用精细的楼型，当视点离模型较远时调用比较粗糙的模型。 根拒人眼的特点，较远出的模型调用比较粗糙的模型并不会影响视觉效果。用越 少的多边形术表示就会获得较高的裎示速度。所以采用l o d 技术的好处就是可以 兰：兰塑墨堕壅建塑 在不影响视觉效果的同时，提高显示速度。 图2 - 5 和图26 是使用l o d 的两个层次模型的bj 2 轰炸机效果图。 搿 b b 剀25 细节层次1 ( 1 4 0 个面) 图2 6 细节层敬2 ( 7 0 0 个面) 不同视点距离调用不同细节层次的模型是通过为每个l o d 节点设置转入 ( s w l t c hi n ) 和转出( s w i t c ho u t ) 参数来控制的。创建l o d 节点时必须为模型 设置转入和转出参数，否则l o d 的建立是没有意义的。l o d 的应用效果只自在实时 仿真驱动中才能观察出来。 一般在大地形数据库中需要应用l o d 技术，在对动态实体和复杂的静态实体 建模时，有时也需要使用l o d 技术。 ( 2 ) 实例化技术 实例化技术是在内存中只放 个实恸，通过平移、旋转、缩放得到其他模 型。这些模型只是在位置上不同。实例仅仅是数据库中模型对象的指针，并没有 复制模型对象的集合形体。实例化创建的副本并不增加模型数据库的实际多边形 数量，适当使用实例化技术可以节省硬件系统的内存空间。 平移、旋转、缩放变换矩阵可咀用t 来表示，其表达式如下： t = l la 口2 】：2 口3 l口 2 l4 ： a 13 a 4 1 2 2 3 口 口”口 4 “ 23 ) d 1 ia 2a n 其中：k 。a 。：a 4 3 】用来产生平移变换；q 。用来产生比例、旋转 l o t 【o j ：o ，一j 【口。 用来产生整体比例变换。由此可推导出每种 换变影投生 t 柬用 医卿 ， 矩 换 换 变 变 电子科技大学硕士学位论文 对模型对象实例进行移动、旋转、缩放等操作是通过向实例节点插入对应的 变换矩阵实现的。 ( 3 ) 消隐技术 消隐技术是指决定场景中的可见面和不可见面，找出并剔除不可见的面。离 视点越远，物体被遮挡的几率就越大，消隐算法的实质是物体表面离视点远近的 排序。 很多科研工作者对消隐技术进行了研究，提出了许多实用的消隐算法。z 缓存 器算法是这些算法中唯一具有线性计算复杂度的算法。现在大多数显卡都有z 缓 存器，在视景仿真中普遍采用z 缓存算法。 y 图2 7z 缓存器算法图解 z