劉娜 江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所

1.引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可利用計(jì)算機(jī)建立模型來描述人、物、環(huán)境及其相互關(guān)系，創(chuàng)造一個(gè)讓人如同體驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景的三維虛擬世界，在游戲開發(fā)、軍事仿真等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。OpenGL 作為一種開發(fā)可視化仿真系統(tǒng)的圖形API，提供了嚴(yán)格遵循計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理設(shè)計(jì)的點(diǎn)、線、多邊形等基本圖形函數(shù)以及圖形變換、紋理映射、動(dòng)畫顯示等圖形操作函數(shù)，具有很強(qiáng)的二次開發(fā)功能。

本文在Visual C++平臺(tái)上利用OpenGL函數(shù)庫建立了導(dǎo)彈飛行視景仿真模型，根據(jù)輸入的導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)參數(shù)，可對(duì)導(dǎo)彈飛行彈道進(jìn)行可視化仿真，對(duì)所規(guī)劃的彈道進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

2.視景仿真生成方法

2.1 導(dǎo)彈目標(biāo)建模方法

高品質(zhì)的三維實(shí)體模型是形成逼真的視景仿真效果的關(guān)鍵條件。OpenGL提供了一系列繪制基本圖元的函數(shù)，然后利用繪制的基本圖元按照一定的空間位置組合形成復(fù)雜的幾何物體。采用這種方法對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的物體較為容易，且可將繪制模型形成的代碼進(jìn)行封裝，重復(fù)使用，提高建模效率，本文中的導(dǎo)彈模型就是采用此方法建立的。根據(jù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把導(dǎo)彈分為彈頭、彈身、舵翼等部分。

對(duì)于如飛機(jī)等形狀復(fù)雜的目標(biāo)物體，單純利用上述基本圖元組合方法，編程復(fù)雜，圖形顯示實(shí)時(shí)性不能保證。本文對(duì)于目標(biāo)的外形的建立是通過3ds max實(shí)現(xiàn)的，利用轉(zhuǎn)換軟件將其轉(zhuǎn)換為OpenGL可讀取的文件格式，采用三角形近似逼近的方法繪制目標(biāo)。

2.2 導(dǎo)彈目標(biāo)飛行模擬實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)彈與目標(biāo)的飛行過程模擬是通過保持視點(diǎn)坐標(biāo)不變，移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及縮放導(dǎo)彈及目標(biāo)模型等方式實(shí)現(xiàn)的。首先確認(rèn)視點(diǎn)坐標(biāo)位置，通過gluLookAt()函數(shù)定義了仿真視點(diǎn)的位置，通過讀取事先開發(fā)的導(dǎo)彈模擬程序的計(jì)算文件獲取導(dǎo)彈與目標(biāo)的位置信息，并利用OpenGL提供的glTranslatef將導(dǎo)彈與目標(biāo)更新的位置坐標(biāo)變化轉(zhuǎn)換到視圖界面中對(duì)應(yīng)的(x,y,z)位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈與目標(biāo)在視景仿真過程中沿著x軸、y軸、z軸平移動(dòng)作，通過glRotatef函數(shù)設(shè)置導(dǎo)彈與目標(biāo)在飛行過程中旋轉(zhuǎn)變換；通過glScale 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈與目標(biāo)沿著x，y，z軸縮放操作。

2.3 環(huán)境仿真實(shí)現(xiàn)

環(huán)境仿真效果對(duì)視景仿真的逼真性和實(shí)際的仿真顯示效果具有重要影響，場(chǎng)景仿真越接近真實(shí)環(huán)境，對(duì)圖形處理的要求就越高。

1）地形繪制

地形作為自然界中復(fù)雜程度最高的景物，其模擬繪制方法廣受關(guān)注，地形生成可分真實(shí)地形與模擬地形可視化兩類，而本導(dǎo)彈飛行視景仿真對(duì)地形背景要求只需滿足基本感官效果，不必達(dá)到真實(shí)地形的逼真程度，因此，本系統(tǒng)采用了隨機(jī)高程數(shù)據(jù)生成方法來模擬地形。隨機(jī)高程三維地形模擬方法是將三維地形中的地平面分解為網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格頂點(diǎn) ( x , z)，利用計(jì)算機(jī)生成的隨機(jī)特征點(diǎn)作為地形高度y值，同時(shí)在不同高度值間采用多階曲線擬合方法使形成的地形比較平滑，最后對(duì)地形網(wǎng)格進(jìn)行多重紋理貼圖，形成具有較高逼真性的三維地形。在三維地形繪制中，通過建立頂點(diǎn)位置數(shù)組、顏色數(shù)組及紋理坐標(biāo)數(shù)組方法，減少函數(shù)的調(diào)用及頂點(diǎn)傳遞次數(shù)，提高視景顯示的流暢性。

2）天空背景模擬

天空的構(gòu)造為視景仿真提供了極好的感官效果。本文采用構(gòu)建貼有天空紋理的半球形網(wǎng)格方法進(jìn)行天空體的繪制，通過OpenGL中球面坐標(biāo)系建立網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)f(x,y,z)，然后選擇合適的天空紋理映射到網(wǎng)格的方法建立半圓頂形天空模型。由于半球形天空繪制方法形成的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)越多，紋理貼圖效果越逼真，霧化效果越均勻，但是頂點(diǎn)數(shù)據(jù)過多會(huì)造成天空背景繪制效率變慢，本文采用半球形網(wǎng)格天空繪制方法生成的32×64個(gè)天空頂點(diǎn)。

2.4 爆炸效果實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)導(dǎo)彈與目標(biāo)模型位置差進(jìn)行碰撞檢測(cè)，當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)模型位置差小于導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殺傷距離時(shí)，確定彈目遭遇，進(jìn)行爆炸效果的模擬，否則導(dǎo)彈未命中。對(duì)爆炸效果的模擬采用了對(duì)象的不同繪制方法，在爆炸前是按照幾何圖形繪制方法繪制導(dǎo)彈，讀取OBJ文件并根據(jù)三角近似逼近的方法繪制目標(biāo)；而在導(dǎo)彈擊中目標(biāo)后，爆炸效果繪制分為破裂和碎片飛散兩個(gè)步驟，模型破裂采用三角近似逼近的方法模擬爆炸碎片，將導(dǎo)彈與目標(biāo)分成不同的面片，分散來進(jìn)行繪制的，在爆炸后根據(jù)爆炸原理繪制碎片飛散效果，將導(dǎo)彈與目標(biāo)殘骸向外膨脹，爆炸碎片隨著距離的增加而逐漸衰減，根據(jù)計(jì)算模型對(duì)象的各個(gè)三角形面片在爆炸作用下的新的位置，利用最初的三角形面片的紋理，將爆炸對(duì)象繪制出來，同時(shí)賦予爆炸碎片旋轉(zhuǎn)屬性。

3.結(jié)論

本文利用VC與OpenGL開發(fā)了以某型導(dǎo)彈為例的導(dǎo)彈飛行視景仿真模型，能方便的對(duì)場(chǎng)景中的導(dǎo)彈各部分尺寸進(jìn)行設(shè)置，可通過改變性能參數(shù)來達(dá)到不同型號(hào)的導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真。提供了真實(shí)的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈的六自由度可視化演示，對(duì)規(guī)劃導(dǎo)彈飛行彈道具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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