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炮兵射击训练模拟系统的视景仿真技术实现
2010年9月13日    评论:    分享:

    来源:第三维度(http://www.d3dweb.com)
    作者:郑长伟 张小超  (装甲兵工程学院装备作战室)

    摘要 炮兵射击训练系统是一套可以部分替代实弹射击的即可以实现迫击炮指挥员训练又可以实现迫击炮操作训练的实时模拟仿真系统。本文从真实地形仿真、二维图片视景显示、海浪仿真、三屏同步、粒子爆炸效果等方面论述该系统在野战战场环境视景仿真所采取的技术措施。

    1 引言

    火炮实弹射击训练不同于轻武器射击训练,需要有足够大的场地和大量训练经费的支持,尤其是远程火炮或超远程火炮的实弹射击训练,更增加了训练的不安全性。迫击炮射击训练模拟系统就是综合运用多种仿真技术,在室内模拟出野外战场环境、野战射击环境。受训人员可以根据模拟观察所的观察景象和模拟火炮的射击效果按照各种决定诸元方法及射击法则指挥射击,并将作业数据输入到模拟系统,进行智能化成绩评定。该模拟训练不受天候、场地和时间的限制,既可大大节省训练经费,又能保证迫击炮射击训练质量,有利于迫击炮射击训练的规范化,提高院校教学和部队训练的效果。

    2 系统简介

    2.1 系统组成

    迫击炮射击训练模拟系统由教员控制台(1 台主控计算机和3 台三维图形实时生成计算机联网)、6 门模拟迫击炮、1 部模拟测距机、72 个MX-01 型迫击炮射击训练作业盒和3 个投影仪。相互之间通过实时通信技术、串口通信技术和A/D、D/A 技术相互连接,实现信息交互。

图1 间瞄火炮射击训练模拟系统结构
图1 间瞄火炮射击训练模拟系统结构

    2.2 视景系统组成

    视景系统3 台图形生成计算机、3 个投影仪和一个2×9m2 的大屏幕(由3 个2×3m2 的屏幕拼接而成)组成。图形生成计算机用于弹道计算;各种地形、目标和射击效果的显示;实时生成间瞄火炮射击观察所的观察视景,通过3 个投影仪组成的视景显示系统输出到三屏拼接的投影屏上,构成野外战场环境。

    为了满足迫击炮射击训练模拟系统的实时性和真实感的要求,其图形生成采用三维实时视景仿真技术生成的三维实时虚拟野外战场环境,共有陆地和海上两类10 个不同的地形场景。本文将就构成野外战场环境使用的视景仿真关键技术展开讨论。

    3 视景关键技术

    3.1 三维实时视景仿真技术

    本套系统的视景显示采用三维实时视景仿真技术生成的三维实时虚拟场景,可实时更换观察所位置、观察方向,实时显示战场动态变化。使用GeForce Ti4600 图形加速卡,Windows 2000 操作系统,Visual C++ 6.0 编程软件,OpenGVS 4.3 视景驱动软件,MultiGen Creator 三维建模软件。野战战场共有陆地和海上两类10 个场景, 陆地场景用MultiGen Creator 建模,海上场景用OpenGL 底层函数绘制。为了满足大观察视野的要求,采用投影在一个2×9m2 的大屏幕(由3 个2×3m2 的屏幕拼接而成)上显示野战战场视景,水平视场角为1200 密位(72°),高低视场角为300 密位(18°)。

    3.2 真实地形仿真技术

    仿真训练毕竟不能完全代替现地训练,为了使仿真训练与现地训练紧密结合最好的方法就是使用现地地形作为仿真训练的地形。生成真实地形的技术很多,目前大多采用数字地面模型(Dig-italTerrainModel,DTM)来生成, DTM 是描述地面诸特征在空间分布的数值序列,建立三维可视化地形模型所需的数据都可以归入DTM 的描述范围。随着日益丰富的各种遥感、测绘方法及其技术水平的提高,地形建模也较之从前有了更好的数据支持,利用现有的DEM、GIS、DTED 等地形高程数据即可生成三维地形。但该方法也存在许多问题:首先,原始资料的成本太高。如果研究地区有航片,可以购买航片,如果没有航片,临时航飞代价太高。其次,对软硬件要求较高。

    实际中,最便利的三维地形生成方法就是利用等高线地图来生成三维地形。通过矢量化等高线地图,赋与高程值并在此基础上进行插值计算,可以将其转化为与所用的地形生成软件格式相符合的数字高程模型。首先等高线地形图经过扫描成为电子图像,再经过断点续连、去除污点等图像预处理,生成较为清晰的二维地形图像。然后使用自行编写的软件进行矢量化,对每条等高线进行标高,再对等高线多剖面插值生成规则数字高程矩阵,得到该地域的DTM(DED 格式文件)。再利用MultiGen Creator 的地形模块导入,设定相应参数,生成三维地形模型(.flt 格式文件),再依据现地情况配置地物,这样就完成了真实地形的三维建模。

    3.3 三维地形计算数据,二维图片视景显示技术、

    采用真实地形的三维模型,可以随意更换观察所位置、观察方向,但它牺牲了大量的地理信息,与实际的地形有着一定的差别,尤其是地表特征及地物都是人工导入,因而只能是局部的反映了地形特征。为了让受训人员熟悉真实训练场地情况,就要使用现地照片作为观察场景。不过由此也带来了目标设置、弹道计算、命中检查、炸点显示等技术难题。根据空间的一致性,可以在三维地形中进行数据计算,然后将显示位置映射到二维图片中进行显示。这样即数据准确,又视景逼真,达到训练和熟悉的双重目的。

图2 三维目标与二维图片对应关系铅垂方向示意图
图2 三维目标与二维图片对应关系铅垂方向示意图

    通过上图我们不难看出,物体远近与该物体在底片上投影角的大小有关。因此我们可以通过投影角的比值关系确定空间物体在二维图像中的平面坐标位置。当我们通过三维地形计算出任意目标点(C 点)的坐标后,可以计算出该目标点观目线(观察点(拍摄点)与目标点连线)与拍摄照片时的中心线的夹角(中心线的角度可以在拍摄时确定)。根据空间的一致性的原则,可以得到该目标点在二维照片上的坐标:

    X=A/2* (tan(α x - β x )/tan(γ x - β x ))+a ①

    Y=B/2* (tan(α y - β y )/tan(γ y - β y ))+b ②

    其中

    α x ——观目线与水平面的夹角; β x ——照相机的俯仰角;

    γ x ——照相机水平视角的一半; α y ——观目线与铅垂面的夹角;

    β y ——照相机的偏转角; γ y ——照相机垂直视角的一半;

    a ——二维图像内X 轴方向的偏差量; b ——二维图像内Y 轴方向的偏差量;

    A ——二维图像的宽度值; B ——二维图像的高度值;

    上式中,并没有考虑照相机的光学偏差、球形形变和高程畸变、材料变形等引起的偏差量。但实际应用中,由于普通相机的角度不大,大视角的二维现地照片多由数张照片拼接而成,因此,采用分段使用公式的方法,这样仅需乘一个偏差修正系数即可取得满意的效果。

    另外,为了防止出现山体后面的目标也显示到屏幕上,还需要对可视山体部分进行曲线拟合,如果目标位置不在可视曲线方位内,该目标即不进行显示处理。

    3.4 海浪仿真技术

    海浪本身是一个十分复杂的自然现象,实际的海面总是呈现不规则的波浪,而且波的传播没有一定的方向。对于这种不规则的、随机的任意方向波,用精确的数学表达式描述它是很困难的。从统计意义上讲,不规则的海浪可以用无数个不同波幅和波长的单元规则波叠加来组成。


    其中


    这样,在我们可以将仿真的海域划分成网格,由③求出各个网格节点的高程,以视景仿真程序的帧时作为海浪谱的t ,贴上逼真的纹理,即可实现一个波动的海面。实际应用中,由于系统实时性的要求,通常将仿真的海面划分为核心海面、边带和角带几个部分。核心海面区域的网格大小为m*n,外围海面网格大小为2m*2n,外围海面的周围与边带和角带相接。

图3 平面网格模型
图3 平面网格模型

    3.5 三屏同步技术

    为了满足大观察视野的要求,系统采用了在一个2×9m2 的大屏幕上显示野战战场视景,因为人眼对视景在空间上的不一致非常敏感,所以三幅图象之间任何细微的不同步,都很容易被人眼捕捉到。这样就出现一个三屏视景拼接的问题。

    3.5.1 视点的同步

    如图4 所示,为了保证视景的完全重合,需要将三个投影屏的视场角设成相同,并将左、右两屏的视点相应旋转一定角度——水平视场角大小,同时三个投影仪的位置必须垂直于投影屏(如图5所示)。

图4 视点角度设置示意图
图4 视点角度设置示意图

图5 三屏投影位置示意图
图5 三屏投影位置示意图

    管理台与这三台微机之间的通讯尽管是依次完成的,但因为三台微机只收不发,且通过非阻塞方式进行,所以时间间隔很小。经实际测试,管理台完成与这三台微机之间的通讯所用的时间不超过3ms。因此可以认为数据是同时到达三台微机的接收缓冲区的。尽管如此,如果在这三台微机中视景生成与数据通讯在两个未加同步的线程中分别进行,生成的图象还是不可能完全同步。为解决这一问题,我们将数据接收嵌入视景生成线程,并设为阻塞方式。这样,每帧图象的生成都是由接收数据启动。这样就做到了三幅图象的生成完全同步。

    3.5.2 海浪的同步

    海浪模型不同于地形模型,由前面论述的海浪仿真方法可以看出,海面的波动形状与视景图形的帧时密切相关,三屏拼接的情况下很难保证每台图形计算机的帧时完全一致,拼接出来的海面可能出现缝隙。为了避免这种情况的发生,必须保证三台图形计算机海浪谱的t 一致。将中间屏计算机设为主机,左、右屏计算机设为从机,主机产生绘制海浪所需的时间t ,通过网络传递给左、右从机,从机以传输过来的时间t 绘制海浪,这样三屏就显示一个完整的海面模型。

    3.6 粒子爆炸效果

    爆炸效果的模拟通常用纹理循环贴图的方式来实现,但由于图源、处理等方面原因,存在样式单一、立体感差、人工痕迹多等问题,效果一般。而用粒子系统对爆炸过程进行模拟与之相比,有样式多样、人工痕迹少、效果逼真等特点。

    粒子系统是用基本粒子群来描述物体的属性及其变化,这些基本粒子可以是一个象素,可以是一些简单的绘图图元,它们的集合确定了物体的基本形态。用粒子系统对爆炸过程进行模拟包括爆炸焰火和爆炸物飞溅的效果仿真。

    3.6.1 爆炸焰火仿真

    逼真的焰火效果的仿真是比较困难的,使用简单的循环贴图的方式来实现,样式单一;使用粒子系统的方式来实现,实时性要受到影响(尤其是连、排集火时)。为此,我们采用一种利用循环贴图的方式制作多组焰火效果,在程序中随机调用的方式来进行焰火效果的仿真。实践证明,该方法不仅实时性好,而且较好地解决样式单一、真实感不高的问题。

    3.6.2 爆炸物飞溅仿真

    用粒子系统对爆炸物飞溅仿真不需要很多的粒子,且样式随机。用粒子系统对爆炸物飞溅过程进行模拟有如下几个特点:

    1、爆炸过程中,粒子只在初始帧产生,而在随后的帧序列中只要改变在初始帧产生的粒子运动属性即可。

    2、由于实际爆炸产生的碎片形状可以多种多样,显然要完全模拟实际情况是不可能的。但可以通过建模预先定义一系列不同形状的爆炸碎片(如:三角面片、长方体、多面体),然后用随机函数为爆炸粒子增加形状属性。

    3、爆炸过程中,各粒子除了在速度方向上的运动外,还有绕x,y,z 三轴的旋转运动。假设粒子与x,y,z 三轴正向所成的角度分别为:p,h 和r,而绕三轴的转动角速度分别为:ωx, ωy 和ωz,则第i f 帧时粒子与x,y,z 三轴所成的夹角为:


    4、由于重力的作用,各碎片的运动轨迹应为抛物线运动,直至最后坠落在地面上。此条件也是粒子的死亡条件。假设粒子在y 轴上的运动速度为y v ,则在第i f 帧时有:


    4 结束语

    迫击炮射击模拟训练系统已经研制成功,在石家庄陆军学院安装了一套82 式迫击炮射击模拟训练系统,应用上述视景仿真技术成功地营造出了一个形象逼真、沉浸感强的野外战场视景,取得了良好效果。

图6 2m×9m 的三屏投影
图6 2m×9m 的三屏投影

    参考文献

    【1】华希坤 刘东义等,《迫击炮射击教材》 海潮出版社 2000 年

    【2】华希坤 刘东义等,《炮兵观测教材》 海潮出版社 2000 年

    【3】Quantum3D, Inc,《OpenGVS 4.3 Programming Guide》 Quantum3D, Inc 1999 年。

    【4】郭齐胜等,《实时视景仿真技术》 系统仿真学报 2001 年增刊

    【5】张 芹 谢隽毅等,《火焰、烟、云等不规则物体的建模方法研究综述》中国图象图形学报 2000 年

标签:炮兵军事视景仿真
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