淺析月球車仿真系統(tǒng)中若干視景真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)

淺析月球車仿真系統(tǒng)中若干視景真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)

論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真月球車

論文摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為月球漫游車的設(shè)計(jì)、優(yōu)化等提供了新的有效手段。為在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下開發(fā)月球車仿真系統(tǒng)，視景真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)在其中具有重要地位。研究了真實(shí)感地形生成技術(shù)、仿真過程中的粒子系統(tǒng)特效技術(shù)以及車輪沉陷和車輪軌跡生成技術(shù)。基于分形技術(shù)和月面特征地形生月面高程數(shù)據(jù)；利用MuhigenCreator構(gòu)建和渲染了月面幾何模型；基于OpenGLPerformer開發(fā)了仿真程序并應(yīng)用到一種月球車運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)中。系統(tǒng)可在微機(jī)和SGI圖形工作站運(yùn)行，仿真結(jié)果顯示具有良好的真實(shí)感。

1引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界各國(guó)掀起了一股新的探測(cè)月球的高潮，對(duì)月球車的研究也不斷深入。作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，月球車的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真無疑是提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本的有效手段…。在計(jì)算機(jī)中對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真，除了需要一個(gè)理想的地形、一個(gè)完備的動(dòng)力學(xué)模型和一個(gè)準(zhǔn)確的車輪一地面作用模型，同時(shí)也需要能給予設(shè)計(jì)者直觀和具有真實(shí)感的反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，無疑為仿真注人了新的活力，為月球車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了更加有效的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一大特點(diǎn)是沉浸性(Immersive)，而沉浸性是指用戶對(duì)虛擬世界的真實(shí)感，此種真實(shí)感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中。真實(shí)感的形成對(duì)于仿真的效果非常重要。只有逼真的仿真輸出效果使得仿真結(jié)果更加直觀，更容易被理解，也就提高了仿真的實(shí)用性和意義。

在以往的仿真研究中，比較注重的是對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，缺乏經(jīng)過三維渲染的視景輸出，使得仿真結(jié)果不易觀察和比較。本文即在一個(gè)月球車視景仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，著重研究了視景真實(shí)感的若干實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2系統(tǒng)基本架構(gòu)介紹

本文中的視景仿真建立在一個(gè)虛擬仿真平臺(tái)中，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要包括三個(gè)大的功能模塊。模塊的功能分述如下：

1)幾何建模模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)幾何模型的建立。主要是用于生成真實(shí)感數(shù)字月面模型。。

2)動(dòng)力學(xué)模塊主要定義月球車仿真系統(tǒng)中的作用力模型與約束關(guān)系等。

3)可視化模塊。主要功能為根據(jù)導(dǎo)入的幾何文件建立場(chǎng)景樹，并利用三維視景渲染技術(shù)(場(chǎng)景管理，光照，三維文字，紋理映射以及實(shí)時(shí)陰影等)輸出一個(gè)具有沉浸感和立體感的虛擬環(huán)境，并能夠處理用戶與場(chǎng)景之間的所有交互。可視化模塊在整個(gè)系統(tǒng)中具有重要的地位，可視化的效果直接影響到仿真結(jié)果的表達(dá)和用戶與系統(tǒng)的交互，因此實(shí)現(xiàn)具有真實(shí)感的可視化效果有著十分重要的意義。本文主要介紹在可視化模塊中為實(shí)現(xiàn)仿真真實(shí)感的若干實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

3真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)

月球車仿真中顯示模型的真實(shí)感主要包含兩部分：一是真實(shí)感幾何模型的生成和渲染，主要包括月面地形和月球車模型等；二是在仿真動(dòng)態(tài)循環(huán)中的真實(shí)效果生成，比如用粒子系統(tǒng)來模擬塵埃以及在仿真過程中實(shí)現(xiàn)車輪沉陷效果和車輪軌跡生成等。

3．1真實(shí)感地形

整個(gè)月球表面覆蓋著一層松散層，由巖石碎塊，角礫狀巖塊、砂和塵土組成的松散層，稱為月壤。月球表面起伏不平，高差懸殊，可以劃分出不同地形，如月海、月陸、環(huán)形山月谷和月溪等，圖2是真實(shí)的月面照片。

根據(jù)月球車仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)的需要，首先利用分形技術(shù)生成隨機(jī)月面基礎(chǔ)地形。然后，在生成的月面基礎(chǔ)地形上根據(jù)真實(shí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律添加月而特征，如隕石坑、石塊等，建立了一個(gè)符合月球表面特征的基礎(chǔ)地形，詳細(xì)設(shè)計(jì)過程見文獻(xiàn)[1]。要使數(shù)字地形具有如同照片般的真實(shí)感，需要綜合運(yùn)用包括光照，紋理，材質(zhì)，陰影在內(nèi)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)。本文基于MultigenCreator，提出了一整套地形渲染技術(shù)方案。

3．1．1光照與材質(zhì)處理

在處理月面的光照時(shí)，本文主要考慮了以下因素：

1)由于月面并不是理想的漫反射體，也不是鏡面反射體，而是介于兩者之間的物體。所以，要?jiǎng)?chuàng)建逼真的月面地形，二者都必須模擬。所以需要考慮月表地面上任意點(diǎn)光的反射強(qiáng)度與光源及地面特性之問的關(guān)系。

2)充分考慮影響光照效果的因素，在設(shè)計(jì)光照時(shí)考慮各種光源之間的關(guān)系及相互影響。這樣，模擬月面的地形才能在光照條件下顯示更加逼真的效果，更加接近真實(shí)的地面環(huán)境。

所以該地形選用了無限光源(Infinite)，即從無限遠(yuǎn)處照亮整個(gè)模型數(shù)據(jù)庫的光源，無限光源的光線是相互平行的可以達(dá)到了與太陽光類似的照明效果，從而在光照效果上達(dá)到真實(shí)的程度。

同時(shí)為了體現(xiàn)月面地形與光照的關(guān)系，必須在建模軟件中對(duì)模型的材質(zhì)進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)定．Creator軟件中模型材質(zhì)設(shè)定的基本步驟是：使用材質(zhì)窗口來設(shè)置材質(zhì)球的屬性；然后將設(shè)定好的材質(zhì)球?qū)傩詰?yīng)用到模型上，從而控制模型表面的光照效果．材質(zhì)球的屬性包括Ambient，Diffuse，Specular，Emissive及Shininess，Alpha等6個(gè)分量．Ambient分量設(shè)置模型表面環(huán)境光反射的強(qiáng)度和顏色，相當(dāng)于環(huán)境光反射系數(shù)．Diffuse分量設(shè)置模型表面漫反射的強(qiáng)度和顏色，相當(dāng)于漫反射系數(shù)．Specular分量設(shè)置物體高光的亮度和顏色，相當(dāng)于鏡面反射的系數(shù)；Shininess分量設(shè)置物體表面的高光質(zhì)量，該分量相當(dāng)于鏡面反射參數(shù)，Specular和Shininess共同作用來控制物體表面的鏡面反射光照效果．本文通過計(jì)算以及不斷的測(cè)試調(diào)整參數(shù)設(shè)置的組合，使之達(dá)到了一個(gè)逼真的效果．

3．1．2紋理映射

紋理映射(TextureMapping)是通過將數(shù)字化的紋理圖像覆蓋或投射到物體表面，從而為物體表面增加表面細(xì)節(jié)的過程。紋理映射圖像可以通過采樣得到，也可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)生成。物體的很多表面細(xì)節(jié)是多邊形逼近或其他幾何建模的方法是難以表現(xiàn)的，因此紋理映射技術(shù)能夠使得計(jì)算機(jī)生成的物體看起來更加逼真。

本文在處理紋理映射時(shí)，可以簡(jiǎn)單的歸納為以下幾個(gè)步驟

1)準(zhǔn)備紋理圖像。本文采用的圖像是經(jīng)過處理的真實(shí)的月表圖片，使生成的月面更加具有真實(shí)感。

2)將紋理的U、v坐標(biāo)映射為屏幕空間坐標(biāo)。

3)將紋理顏色與三維地形模型顏色和材質(zhì)顏色融合。

4)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募y理過濾處理，優(yōu)化紋理映射的效果。

本文綜合使用了Creator和OpenflightAPI完成了地形的紋理映射。

用OpenflightAPI編寫的給幾何模型添加紋理所采用的關(guān)鍵代碼

mgSetCoord3d(tmRec，fltTM3PtOriginUV，0．0，0．0，0．0)；／／設(shè)置參考點(diǎn)

mgSetCoord3d(tmRec，fltTM3PtOriginXYZ，zxO，zyO，zzO)；∥設(shè)置圖形中的映射點(diǎn)坐標(biāo)

mgUpdateTextureMapping(tmRec)；／／更新紋理調(diào)板

mgSetAttList(precl，fltPolyDrawType，1，fltPolyTexture，He-windex，fltPolyTexmap，newindex，MG—NULL)；／／為所選面片貼紋理

3．1．3陰影設(shè)置

Creator提供了Flat(平面模式)、“t(動(dòng)態(tài)模式)、Gouraud(高氏模式)、LitGouraud(混合模式)四種不同的著色模式(即陰影處理模式)。本文利用模式來處理月面地形的陰影。模式利用頂點(diǎn)的法線方向跟光源相對(duì)，同時(shí)也考慮面的顏色和材質(zhì)以及光照條件的影響來進(jìn)行著色處理，可以產(chǎn)生逼真的光影效果，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)的著色處理。

3．2粒子系統(tǒng)特效

月球車在松軟的月面上行駛時(shí)，車輪會(huì)帶起月面上的塵土，顯示出一種“塵土效果”。為在仿真中再現(xiàn)和模擬這一效果，用基于SGIOpenGLPerformer的編寫的粒子系統(tǒng)程序來模擬這一過程。

SGIOpenGLPerformer是一個(gè)可擴(kuò)展的高性能實(shí)時(shí)三維視景開發(fā)軟件包，構(gòu)建于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL圖形庫基礎(chǔ)上，可以用于開發(fā)實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用程序和其他專業(yè)的基于高性能的三維圖形應(yīng)用程序。OpenGLPerformer提供了一組標(biāo)準(zhǔn)C和C++語言綁定的編程接口，通過一個(gè)便捷的三維圖形工具集提供高性能幾何圖形渲染功能。

粒子系統(tǒng)(particlesystem)是三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中模擬一些模糊現(xiàn)象的技術(shù)，而這些現(xiàn)象用其它傳統(tǒng)的渲染技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)感。經(jīng)常使用粒子系統(tǒng)模擬的現(xiàn)象有火、爆炸、煙、水流、火花、落葉、云、霧、雪、塵、流星尾跡或者象發(fā)光軌跡這樣的抽象視覺效果等。通常粒子系統(tǒng)在三維空間中的位置與運(yùn)動(dòng)是由發(fā)射器控制的。發(fā)射器主要由一組粒子行為參數(shù)以及在三維空間中的位置所表示。粒子行為參數(shù)可以包括粒子生成速度、粒子初始速度向量、粒子壽命、粒子顏色、在粒子生命周期中的變化以及其它參數(shù)等等。本文即利用Performer建立了一個(gè)發(fā)射器，仿真流程如圖3所示。

3．3車輪沉陷特效

月球表面是松軟的沙土，在月球車的行進(jìn)過程中，會(huì)有部分車輪陷入到沙土中(沉陷量)，同時(shí)，月球車走過的月面會(huì)留有車轍。這一效應(yīng)的模擬對(duì)于實(shí)現(xiàn)月球車行駛的真實(shí)感具有重要意義。本文應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模塊與視景仿真模塊幾何模型間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，模擬車輪沉陷特效。

3．3．1車輪沉陷效果的實(shí)現(xiàn)

在本文的仿真系統(tǒng)中，動(dòng)力學(xué)模塊實(shí)時(shí)計(jì)算沉陷量，同時(shí)通過數(shù)據(jù)交互將數(shù)據(jù)傳給可視化模塊，從而在可視化模塊中可以實(shí)時(shí)根據(jù)沉陷量數(shù)據(jù)更新顯示模型的沉陷效果。此處沉陷量z。依據(jù)J．Y．Wong給出的理論公式

其中，為土壤粘性模量，k為土壤剪切模量為車輪載荷，b為土壤粘性模量，k為土壤剪切模量為車輪寬度，n為承壓指數(shù)，k、k為土壤粘性模量和土壤剪切模量，D為車輪直徑。

3．3．2車轍的實(shí)現(xiàn)

車轍的模擬是記錄月球車車輪每一時(shí)刻與月面的接觸位置，根據(jù)車輪走過的路面情況，在月面上加載--／J,段帶有車轍紋理的圖片累積而成。車輪的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)由動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算并通過數(shù)據(jù)交互提供給可視化模塊。

依據(jù)幾何模型相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，在視景仿真模塊內(nèi)建立與bodyTrack對(duì)應(yīng)的顯示模型：

∥載人貼有車轍圖片的車轍分段

pfNodepfdLoadFile(“track”)；

∥將車轍分段加入動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中

pfDCS：：addChild(pfNodechild)；

在月球表面分布著大小不一的碎石，因此在月球車的巡視過程中，會(huì)越過一些體積比較小的碎石，此時(shí)月球車的某些車輪會(huì)脫離沙土月面，如果此時(shí)仍舊顯示車轍，則會(huì)看到車轍懸空的情況。為了避免這種情況的發(fā)生，在車輪上設(shè)置碰撞檢驗(yàn)條，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輪與月面的接觸情況。主要代碼

∥碰撞檢測(cè)條的設(shè)置

structpfSegSet

{

∥設(shè)置碰撞的類型，包括檢驗(yàn)針對(duì)面片的碰撞還是包圍盒的碰撞；設(shè)定檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼婊蚍疵妫皇欠穹祷亟佑|點(diǎn)的法向量

intmode；／／用戶自定義的數(shù)據(jù)

voiduserData；／／設(shè)置檢測(cè)條的方向、長(zhǎng)度信息

pfSegsegs[PFIS—MAX—SEGS]；∥是否激活檢測(cè)條

uintactiveMask；／／設(shè)定是否監(jiān)測(cè)碰撞

uintisectMask；

／／Performer特有的綁定在振動(dòng)物體上的檢測(cè)條，此處并未用到，設(shè)為NULL

void{bound：

∥碰撞檢測(cè)的增強(qiáng)功能，可以判斷碰撞的合法性，此處并未用到，設(shè)為NULL

int(discFunc)(pfHit})；

}；

intpfNode：：isect(pfSegSet$segSet，p／Hit$hits[])；／／檢測(cè)碰撞

通過設(shè)置碰撞檢驗(yàn)，可以大致判斷出月球車車輪與月面的接觸情況，當(dāng)檢測(cè)到車輪與月面接觸時(shí)，即可將車轍分段添加到月面上：

∥設(shè)置車轍的位置

voidpfDCS：：setMat(pfMatrix&m)；

4應(yīng)用實(shí)例

將上述提到的幾種真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到了真實(shí)感地形建模和某型月球車仿真系統(tǒng)中。該系統(tǒng)為一跨平臺(tái)系統(tǒng)，可運(yùn)行于微機(jī)或者SGI圖形工作站。

4．1真實(shí)感地形

在基于分形算法生成的基礎(chǔ)地形上，通過融合各種月面特征，并經(jīng)過Creator光照，材質(zhì)，紋理和陰影處理之后，得出的真實(shí)感地形效果如圖4所示。

4．2真實(shí)感仿真

通過將前述各種真實(shí)感實(shí)現(xiàn)技術(shù)運(yùn)用仿真系統(tǒng)中的可視化模塊，將該可視化模塊與其他模塊良好的集成，實(shí)現(xiàn)了月球車真實(shí)感仿真。

圖5為仿真的整體輸出界面。該界面不僅具有一般的圖形窗口界面特眭，同時(shí)實(shí)時(shí)輸出仿真結(jié)果、顯示各種仿真特效。

其中，運(yùn)用各種特效技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種仿真效果細(xì)節(jié)如圖6所示。

5總結(jié)與展望

本文主要研究了在月球車虛擬仿真平臺(tái)中為實(shí)現(xiàn)具有真實(shí)感和沉浸感效果的若干技術(shù)方法。運(yùn)用了MultiGeCreator，OpenGLPerforme相關(guān)軟件和API，以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等相關(guān)技術(shù)，建立具有真實(shí)感的月面數(shù)字地形，實(shí)現(xiàn)了月球車實(shí)時(shí)仿真過程中的若干特效。仿真結(jié)果顯示具有良好的真實(shí)感。

在未來的工作中，可以對(duì)其他仿真特效進(jìn)一步開發(fā)，如實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)陰影渲染等。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊艷春，鮑勁松，金燁．一種真實(shí)感虛擬月面建模方法[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007—6，19(11)：2515—2518．

DongXiaolong，SunBo，ZhuSuyun，LiaHeguang，JiangJingshan．Feasibilit