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    基于HLA的三維視景仿真系統設計與實現

    2010-01-19 北京神州普惠科技有限公司
    摘要:本文給出了一個基于HLA的三維視景仿真系統設計與實現的方法,具體描述了系統設計要求、體系結構、以及與其它仿真系統的HLA接口。
    關鍵詞:HLA;三維視景仿真系統:SOM;分布交互式仿真
    1系統應用需求
        三維視景仿真可以很好地應用于軍事、公安、水利、農業、林業,城市規劃和設計領域等領域。在軍事領域可以用于三維地形仿真、電子沙盤、支持精確制導武器的地形匹配:可以用于戰場分析,進行戰場地形各類作戰計算,如通行、通視、制高點分析;用于模擬訓練,可以實現實時立體的戰場態勢顯示,并可形象展示火力打擊效果等。在公安領域可以用于建立3D城市交通網和3D城市消防系統,支持對交通和消防的有效管理。在水利、農業、林業方面,可以利用三維可視化技術對水情、作物生長等進行分析或進行洪水淹沒分析。在城市規劃和設計方面,可以利用構建的虛擬城市進行分析與研究,避免因考慮不足而帶來難以挽回的損失。
        基于HLA的三維視景仿真能夠很好地應用于網絡環境。隨著計算機網絡的廣泛應用,三維視景仿真需要對網絡環境有很好的支持。在作戰仿真領域,美國軍方領導下的高層體系結構HLA應運而生。基于HLA的三維視景仿真系統通過對地形、城市、海域等空間對象進行三維建模,在網絡環境下按照標準接口規范可以實現可視化的仿真推演,為用戶提供直觀、生動的信息服務。
    2系統功能設計
    2 .1支持三維視景仿真
    開發的三維視景仿真系統,從設計上能夠滿足對眾多地理空間數據格式和類型的支持,對大地形能夠進行三維渲染和顯示,具有靈活友好的人機用戶接口,并采用面向對象的c++程序設計方法,其開發過程是一個復雜的軟件系統工程。
    2采用HLA仿真體系結構
        高層體系結構川.A是新一代仿真系統的標準,本系統也將采用HI.A接口來實現和仿真系統的互連。基于HLA的三維視景仿真系統將設計成整個系統仿真聯邦中的一個三維可視化顯示的聯邦成員,以實現互操作與可重用。
    2 .3支持對動態目標的三維顯示和管理
        本系統應基于實時交互的仿真系統。典型情況是在所顯示的大地形上展示整個仿真過程中仿真實體的位置、狀態,以及仿真實體之間的相互關系。因此,在系統設計上,系統必須能夠快速、有效地顯示和管理動態目標,能夠對盡可能多的動態目標提供支持,能夠更加生動表達動態目標之間的互連關系等。
    3基于HLA的三維視景仿真系統結構設計
        為提高各種仿真資源的可重用性及互操作性,美國國防部制定了一個建模和仿真用的公共技術框架。其中包括一個高層體系結構(HLA),一個任務空間概念模型和一個通用數據標準,并要求到2002年新建仿真系統均需符合該框架要求,否則不能得到財政支持,也不準使用。因此,我們設計的三維視景仿真系統可作為大型仿真系統的一個聯邦成員,充當三維觀察器的作用。圖I是一個基于HLA的通用仿真系統的設計思想。
     
    通用仿真系統作為一個聯邦,包含劇情發生器成員、觀察器成員(包括二維、三維)和其它各仿真成員。劇情發生器成員用于描述仿真系統的具體實驗活動,它通過基礎數據庫為其它各仿真成員(包括觀察器成員提供仿真腳本、仿真環境等數據作為仿真背景,用戶可以自行設置劇情,通過不同的劇情設置,來完成具體的仿真任務。三維觀察器用于監控仿真進程,并將各仿真成員的仿真結果進行形象直觀地顯示,彌補了以往二維觀察器顯示效果的不足。HLA接口規范以服務的方式定義了聯邦中聯邦成員進行信息交互的方式,包括可調用的服務和應提供的回調服務,分為聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理和數據分布管理六類服務。RTI是HLA接口規范的具體實現,它是聯邦中各個聯邦成員進行交互的基礎。
    4三維視景仿真系統的設計與實現
    4.1系統體系結構設計
        系統體系結構如圖2所示。基于分布交互式仿真的三維可視化平臺對上支持各種具體應用的仿真系統,對下主要由五部分支撐。第一部分是三維可視化支持庫,分別由OpenGL和Microsoft Window窗口系統組成,建立在PC機圖形硬件的基礎之上,是系統的主要部分;第二部分是建立在網絡硬件的基礎之上的對分布交互式仿真HI.A的支持; 第三部分是數據源,包括地形數據和紋理照片等;第四部分是建立的典型三維實體幾何模型庫;第五部分是建立在聲音硬件基礎下的對方體聲效的支特。
     本系統所需的三維幾何模型主要采用微機版的Creator2.5.1和3DNIAX5.0進行開發,視景仿真系統開發采用的操作系統平臺為 Windows 2000 Professional,視景仿真軟件平臺采用微機版Vega和OpenGL. HLA接口采用pRTI v1.3,主要實現以下的功能:
    l          通過HLA接口接收實體信息,并能根據反射的屬性值在三維場景中動態顯示;
    l          提供用戶靈活的選項接口,采用Vega的特效模塊和。penGL各種特效來表征實體的狀態。系統目前提供了數十種特效來表征各種狀態,用戶可以自定義各種狀態對應的特效,這樣用戶在發送端只需發送相應的狀態碼即可。
    l          系統采用了我們自行研制開發的基于微機的大地形管理和調度方案,解決了在微機大面積地形的處理與圖像逼真度、實時性之間的矛盾。這樣的功能Vega在單處理器的微機上沒有提供。
    4.2 HLA接口的設計與實現
    4.2.1 HLA接口功能描述
        采用HLA體制的視景仿真系統與通常用于完成漫游、演示等功能的視景仿真系統有很大的區別。后者對于視景仿真系統出現的實體一般能夠預先確定,只需要將每個實體按預定的行為進行動作。這樣顯然不利于代碼的可重用性,而且難于與其他的仿真系統接口,完成其他仿真系統的三維顯示。而前者則完全作為一個通用的仿真接口,仿真系統只需要按規定的格式將信息通過 HLA體制傳送給視景仿真系統,視景仿真系統只按接收到的信息加載模型,并根據用戶的需求進行動作,使之成為一個真正通用三維觀察器。
    4.2.2 SOM設計
        SOM設計是聯邦開發過程中的重要內容之一,具體包括對象類和交互類的設計,實際是確定各個聯邦成員之間的數據流和控制流。這里重點介紹本系統對象類的設計的方法。

     

     
     
     從上面可以看出,用戶只需要從該類派生所需要的對象類,在需要顯示時向視景仿真系統注冊實例,并更新其位置信息即可。
     于是我們可以設計一個派生自CObject的顯示對象基類: CBaseObject。該類用于封裝顯示一個模型需要的基本信息,在發送端只需要將需要進行三維顯示的實體從該類派生即可,這樣在接收端就可以收到所有實體發送的信息。
     在開發過程中,通過OMDT工具可以很方便地從S.NI表得到其源代碼,我們只需要添加用戶所需要的方法,如添加模型、查找模型、刪除模型、更新位置等操作。如表2所示。
    系統實驗結果
    圖3一圖5所示為系統三維顯示采集的部分圖象。

     

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