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基于Vega的某激光末制导武器视景仿真技术
2015年7月22日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:刘庆国,张君儒,陈 蕾
    单位:沈阳炮兵学院 自行火炮系
         沈阳炮兵学院 训练部
         沈阳炮兵学院 科研部

    摘要:某激光末制导武器系统的使用存在操作内容多、程序复杂、各分系统协同度高等问题,为此提出基于Vega 的虚拟操作仿真。在分析武器操作训练需求的基础上,对仿真模型构建、利用输入设备实现操作交互以及观测结果屏显仿真等关键技术进行了论述。

    某激光末制导武器系统是新一代远程火力压制武器,该武器的使用存在操作内容多、程序复杂、各分系统协同度高等问题,开发配套的仿真训练系统具有显著的军事效益。虚拟现实技术以计算机技术为核心,生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体的虚拟环境,且能使人、机和虚拟环境间进行动态交互[1]。

    近年来虚拟现实技术在武器装备的操作训练方面得到广泛应用,将该技术应用于武器训练可以大大提高装备训练水平,节约训练和保养经费,从而使装备尽快形成战斗力。

    1 视景仿真的任务

    激光末制导的原理是依靠激光制导武器以外的发射平台提供激光照射目标,激光制导武器被动地接收反射激光信号,计算误差并修正飞行姿态,从而提高命中目标的精度。在视景仿真方面,需要完成的任务如下:

    一是在保证仿真运行顺畅的前提下,建立较高精度的武器模型;

    二是实现利用鼠标等常规输入设备对装备模型各子部件进行操作交互,以达成对武器进行技术操作的练目的;

    三是对武器数据显示单元进行视景仿真

    四是实现对激光发射平台的测距、照射的数据处理和显示[2]。针对上述仿真任务,系统在开发中采用以下关键技术。

    2 关键技术及实现方案

    系统在视景仿真开发中,选用3DS Max和Creator软件建立仿真模型,选用 Vega 作为实时仿真开发软件,利用 Lynx 图形用户界面对虚拟场景进行初始化设置和预览,调用 Vega API 函数来实现场景的渲染和模型驱动。

    2.1  装备三维模型的建立及优化

    首先利用 3DS Max 建立实体模型。在建立模型时,选择好模型坐标系的坐标原点,利用参数化建模功能建立模型。

    应利用自由曲面建模和特征建模功能处理模型的细节部分,使模 型 更 贴 近 实 装[3-4]。实 体 模 型 建 立 之 后 将 其 导 入Creator,在 Creator 中通过材质处理和纹理贴图提高模型的逼真程度,并在 Creator 中创建自由度(Degree of Freedom,DOF)节点和模型的局部坐标系,然后设置 DOF 节点相对于局部坐标系在一定自由度范围内运动[5]。由于 3DS Max 在建立规则体时会产生较多多余的多边形,带来不必要的系统资源浪费,可以利用 Creator 的合并功能减少多边形的数量,还可以通过手工删除模型中不被显示出来的多边形和过渡的模型细节,减小模型文件的大小,提高仿真速度[6]。利用 3DS Max生成的火炮模型为 3 200 KB,优化后为 520 KB,达到了优化的目的。

    系统建立了榴弹炮、激光发射器等模型。基于装备操作模拟的技术需求,建模时考虑以下几点:一是尽可能提高模型的精细程度,提高仿真效果;二是剔除冗余顶点、面等数据,通过纹理的有效补充,精简数据量;三是建立合理的模型数据库层次结构,方便 Vega 的实时渲染;四是建立合理的空间自由度节点,实现装备模拟时的模型动作反馈。部分模型效果如图 1 所示。

    2.2  部件虚拟操作交互的实现

    鼠标是常用的计算机外围设备,利用其对部件进行拾取和控制,较键盘灵活方便,较数据手套经济实用,所以本系统采用鼠标进行交互控制。Vega 中的 vgPicker 类提供用于鼠标拾取的函数,调用这些函数可以利用鼠标对部件进行拾取和控制,包括部件的平移、旋转等[7]。

    拾取的原理:虚拟场景中,装备的各部件对应屏幕坐标,拾取时系统通过视线(Line of Sight,LOS)碰撞检测,根据鼠标光标位置判断同哪个部件的屏幕坐标重合,进而相应的部件被选取。在选取部件后,根据该部件的自由度(DOF)设定进行平移、旋转等操作。在进行拾取时,由于平移、旋转等操作只对 vgPlayer 类型和动态对象(Dynamic Object)有效,这样当鼠标拾取到的对象只是用户预期拾取部件的子节点时,就会出现虽然装备部件可被鼠标拾取,但不会产生相应的反馈动作的现象。解决办法:

    一是装备的.flt 类型的模型数据库结构应合理,上下级节点之间应满足部件间的总 分关系和动力学关系;

    二是确定好拾取对象级别,Vega 中预置了 VGPICK OBJECT、VGPICK  PART 等 级 别,经 实 验,当 拾 取 级 别 为VGPICK PART 时,可满足虚拟操作要求;

    三是在拾取时应对节点属性进行判断(是否为 vgPlayer 类型对象,如果不是则获取父节点指针),进而进行相应的动作。


图 1 发射平台(火炮)模型效果

    在使用 vgPicker 时,首先进行初始化,创建 vgPicker 对象实例,并对该实例进行属性的设置:

       void createPicker( )

       {

           picker = vgNewPicker( ) ;

           vgPickerScene( picker, mainScn) ; // 与场景绑定

           vgPickerChannel( picker, mainChan) ; // 与通道绑定

           vgProp( picker, VGPICK HL LEVEL, VGPICK PART) ; // 设定拾取对象级别

         }

    拾取函数应位于Vega 的主循环中,首先建立鼠标对象,系统中对鼠标左键和右键“按下”操作进行消息响应,左键“按下”进行部件平移或旋转的正向操作,右键进行反向操作。

    拾取函数首先获取 vgPart 对象指针,而后根据部件名称确定平移的坐标系或旋转的坐标轴,最后进行相应的动作设置。程序流程如图 2。

 


图 2 程序执行流程

1
标签:Vega激光制导视景仿真
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