CN102243770A - 一种基于osg的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制技术，该技术以开源三维渲染引擎OSG为平台，以虚拟现实技术，计算机图形处理技术和GPU技术为基础，构建了一个大规模，可实时，动态，交互控制的三维虚拟海战场景。本发明的有益效果：相比现有技术，本技术针对实时仿真系统中CPU和GPU之间的数据通讯瓶颈问题，利用GPU技术大大提高减少CPU和GPU之间通信的数据量，使系统性能大幅度提升，整个画面的真实感强，可实时交互漫游控制，同时加入了三维立体声音特效，使各受训人员都能在这个环境中体验到更好的沉寂感。

Description

一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法

技术领域

 本发明涉及一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制技术，尤其涉及一种基于OSG的大规模、可实时交互控制海战场景绘制；基于OSG平台下LOD和现代GPU技术结合的粒子系统；OSG场景图中引入osgAudio三维立体声音。

背景技术

由于战争具有很强的实践性，要保持现代的，强大的国防力量和军事实力，就必须保持经常性的军事演习。由于常规的海上训练经费高、周期长、风险大等一系列弊端，同时也不能穷尽其所有的可能及其他不可控的因素，因此世界各国军队求助于仿真技术、虚拟现实等来解决类似的问题，进行虚拟海战模拟。

虚拟海战模拟其最重要的一点就是要创造出一个贴近实战的海战场景训练环境，良好的沉寂感可以使各兵种受训人员都能够在这个环境中得到恰如其分的训练。由于海场景的时空动态特性、受力的复杂性、海面光学效应及巨大的计算量，使得大规模海战场景的模拟绘制一直是一个难点问题。随着GPU技术的快速发展及可编程能力的体现，利用GPU技术来加速海战场景真实感图形的绘制成为一个新的研究热点。

OSG是一个开源（即免费）的基于工业图形标准OpenGL的高层次图形开发接口，而且目前最新的版本全面支持OpenGL和GLSL的功能。通过它，可以更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形应用程序。osgOcean开源项目工程是欧盟联合开发的VEUNS(Virtual Exploration of Under Sites)的一部分，本技术在此基础上引入开源的osgAudio三维立体声音模块，以实现更好的沉寂感。所以在OSG的平台下，结合GPU技术进行大规模海战场景真实感图形的快速绘制是一种有效的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，该方法克服现有技术的不足，降低虚拟海战系统研发周期与成本，实现在普通PC机上即可进行大规模海战场景真实感图形的实时生成、交互控制以及各种声音特效模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制技术，方法步骤为：

(1)在OSG的平台下，建立舰船多维空间信息建模，利用Render To Texture技术建立整个海战场景中舰船行驶的导航图，并实现舰船运动的交互控制，舰炮控制，炮塔的旋转及炮管升降的交互控制，所设计的舰船航迹数据库可以保存舰船的位置，并可按照指定路径及速度航行，用于航行路线及航迹的仿真；

(2)在OSG的平台下，利用自定义的粒子系统，结合LOD技术和现代GPU技术来加速粒子系统的绘制，以实现对舰船起火、战场硝烟、爆炸碎片、炮弹激起的水柱、航迹、雨、雪、闪电等不规则物体的加速绘制；

(3)将osgAudio集成到中三维渲染引擎OSG场景图中，实现在三维虚拟海战场中3D声音的准确定位以及各种3D声音的多种特效。

利用Render To Texture技术建立整个海战场景的导航图，在应用程序上显示一个半透明的实时显示漫游者位置的导航图；利用图形学的图形变换基础和OSG的矩阵变换，实现前进、后退、仰视、俯视、左右旋转、上下高度调整的漫游器，及炮塔的旋转及炮管升降精确控制；建立舰船航迹数据库，利用OSG的场景动画组件实现路径动画。

根据人的视觉特性出发，在视点和所观测物体之间的不同距离设置不同的粒子数量等级，即远处粒子密度比较小，近处比较大；在裁剪空间坐标系下生成粒子坐标，通过透视投影逆变换将其转换为视点坐标系，同时利用现代GPU的Geometry Shader 实现纹理的坐标扩展，即粒子在顶点着色器里面用点的表示方法，在顶点着色器里面完成粒子属性的更新运算，再将其转为矩形表达，最后进入片段着色器里面进行绘制；为了避免粒子在产生时突然出现，到达生命周期时突然消失，采用灰度级的纹理贴图来控制单个粒子的透明度在整个生命周期中逐渐变化，产生淡入淡出的效果。

将osgAudio集成到三维渲染引擎OSG场景图中，实现虚拟海战场中各种战斗实体及雨雪等三维声音动态环绕声，并针对各个特定的声源进行必要的计算，产生各声源的距离衰减及多普勒效应等。

自定义的粒子系统是相对于OSG自带的已经定义的粒子系统而言的，由于后者没有使用Shader编程（本方法用GLSL着色语言编写，因为目前OSG只支持GLSL语言，不支持CG语言，HLSL语言）——使用Shader编程可以实现更高的帧速及真实感。

粒子系统是由Reeves于1983年提出来的，其本质思想是用一定数量的简单图元集合（粒子群）来模拟不规则的模糊物体，如雨、雪、云、火焰、爆炸、飞机的尾焰、导弹的尾迹等，每个粒子赋予位置、形状、大小、速度、颜色及生命值等属性。粒子系统通过对上述粒子属性的实时运算更新来实现不规则物体的模拟。粒子系统在每帧都需要进行如下的运算：

1)生成新粒子并计算所产生粒子的初始属性；

2)删除超过生命周期或符合消亡条件的粒子；

3)根据所模拟物体粒子的运动规律计算粒子的速度、位置等属性；

4)绘制并显示所有生命粒子组成的图形。

传统的粒子系统的编程方法是将步骤1）~3）交由CPU来进行运算，导致CPU运算负荷过大。即使CPU在没有其他任何负荷的情况下，所能模拟的粒子数量也只能达到数万。随着GPU可编程能力（Shader编程）的出现，可以将原来此部分由CPU承担的运算转移到GPU上来，这样可以减少CPU的负担，CPU就可以空闲出来处理其他的运算任务。

本方法自定义的粒子系统是对上述1）~4）步骤的改进。

改进（一）：除了1）即粒子的初始位置的创建是唯一有CPU参与的运算，一旦粒子创建后传入GPU，CPU不再参与任何粒子更新及绘制的工作。

改进（二）：引入Geometry Shader 。Geometry Shader是DirectX10的新特性，位于Vertex Shader和Fragment Shader之间的Geometry Shader,可在输入顶点的基础上生成新的顶点甚至新的图元——Vertex Shader通常用来把顶点从模型空间变换到平面空间，Vertex Shader读取一个顶点，输出一个顶点。Fragment Shader读取单一Fragment属性，输出包含颜色和Z信息的的片断。而Geometry Shader是DirectX10提出的，把同一区域的所有顶点作为输入，产生新的顶点或者新的图元。

Vertex Shader是专门处理多边形顶点的，Geometry shader就是专门用来处理场景中的几何图形。在 DirectX10以前，Vertex Shader每一次运行只能处理一个顶点的数据，并且每次只能输出一个顶点的结果。在绘制大规模海战场景时，几何图形的绘制任务非常庞大，仅仅依靠Vertex Shader来绘制效率很低。Geometry Shade能根据顶点的信息来批量地处理几何图形,即可对Vertex Shader输出的顶点数据进行函数处理,快速批量地产生出新的多边形的顶点数据。从而大大提高绘制效率。

改进（三）在GPU粒子系统的基础上引入LOD的思想。LOD思想即从人的视觉特性出发，在视点和所观测物体之间的不同距离设置不同的粒子数量等级，距离视点比较近时，粒子比较多，距离较远时，粒子比较少。由于人眼对远处物体的细节比较模糊，所以此方法在满足真实感的情况下可以节约需要绘制的粒子，从而提高系统的绘制效率。

改进（四）为了避免粒子在产生时突然出现，到达生命周期时突然消失，采用灰度级的纹理贴图来控制单个粒子的透明度在整个生命周期中逐渐变化，产生淡入淡出的效果。

另外，舰船起火、战场硝烟、爆炸碎片、炮弹激起的水柱、航迹、雨、雪、闪电等不规则物体的模拟都是基于以上自定义粒子系统的原理实现的，之所以表示的对象不同，只用在GLSL着色语言编写的Shader里面，根据其物理属性和运动轨迹模型，建立其对应的粒子运动轨迹方程并对其更新绘制，即可模拟出不同的对象。

本发明的有益效果：相比现有技术，本技术针对实时仿真系统中CPU和GPU之间的数据通讯瓶颈问题，利用GPU技术大大提高减少CPU和GPU之间通信的数据量，使系统性能大幅度提升，整个画面的真实感强，可实时交互漫游控制，同时加入了三维立体声音特效，使各受训人员都能在这个环境中体验到更好的沉寂感。本发明由于采用开源的三维渲染引擎OSG、开源项目工程osgOcean及开源的三维立体声音引擎osgAudio，同时由于引入GPU技术，这些使本技术在普通的PC机上即可运行良好，可大大降低开发成本及开发周期。经实践检验，本技术可满足部队的军事训练要求。

具体实施方式

本发明是这样实现的，首先在osgOcean项目工程的基础上利用RTT（Render To Texture）技术在应用程序右上角显示一个半透明的实时显示漫游者位置的导航图；利用计算机图形学的图形变换基础和OSG的矩阵变换，实现前进、后退、仰视、俯视、左右旋转、上下高度调整的漫游器，及炮塔的旋转及炮管升降精确控制；建立舰船航迹数据库，利用OSG的场景动画组件实现路径动画。

osgOcean天空的效果是利用天空盒的原理实现的，通过设置不同天气状态下的背景天空图，可以实现不同天气状态的模拟，如黄昏、多云、黎明等。开源项目工程中已经有天空盒的效果，如果想实现不同的天气效果，只用更改不同的背景图片即可。osgOcean项目工程中已经有海面海水的反射、折射、水底的光照，可调波浪的大小等，同时可实时动态生成舰船航行时随着海浪的高低起伏做逼真的运动，可以直接利用以减少开发周期。

对于海战场中利用粒子系统原理所绘制的效果，譬如雨、雪、闪电、爆炸碎片、硝烟等、其中有些已经在OSG中有定义好的模块；但本技术为了实现更高的帧速，从Shader开始编写属于自己的粒子系统。首先根据人的视觉特性出发，在视点和所观测物体之间的不同距离设置不同的粒子数量等级，即远处粒子密度比较小，近处比较大，由于视点较远时人眼分辨不出物体的细节信息，所以较少的粒子就大大的减少了计算机处理的时间，从而提高了系统的绘制效率；在裁剪空间坐标系下生成粒子坐标，通过透视投影逆变换将其转换为视点坐标系，同时利用现代GPU的Geometry Shader 实现纹理的坐标扩展，即粒子在顶点着色器里面用点的表示方法，在顶点着色器里面完成粒子属性的更新运算，再通过Geometry Shader将其转为矩形表达，最后进入片段着色器里面进行绘制；为了避免粒子产生时突然出现，到达生命周期时突然消失，采用灰度级的纹理贴图来控制单个粒子的透明度在整个生命周期中逐渐变化，产生淡入淡出的效果。对这些不规则物体的模拟，只用根据其物理属性和运动轨迹模型，建立其对应的粒子运动轨迹方程，设定不同模拟对象的粒子属性，并作适当的优化以更好适合GPU编程，以保证在真实感好的的情况下，实现更高的帧速，即可实现对某一个特定的不规则物体的模拟仿真。

弹痕的模拟可以事先绘制两个目标物体模型，一个是未被击中的正常模型，一个为被击中后有弹痕的模型。在程序初始化初期同时对两个模型进行加载，通过OSG的Switch开关节点功能，当导弹击中目标时，实现两个模型的切换，从而从视觉效果上实现物体被击中的模拟。场景中各战斗实体模型及岛屿等，可以通过3DS MAX 或者Creator软件建立，然后导入场景中；OSG通过动态加载插件技术，广泛支持目前流行的2D、3D数据格式。

对于三维立体声音特效模块，可以通过现场录制或者网络获取的方法，获得各种声音的的幅值、频宽、变化规律等数据，建立相应的音效数据库；然后在虚拟海战场中，建立产生各种声音的数字模型，在不同状态和条件下，实时计算不同类型、频率及幅值的声音，并进行必要的修正，最后将不同的声音文件发送到音响发生器。

该技术的主要功能是：1.建立舰船多维空间信息建模。可实现舰船航行路线导航，舰船运动交互控制，舰炮控制（炮塔的旋转及炮管升降的交互控制），同时设计的舰船航线数据库可保存舰船的位置信息，用于建立舰船航行路线和航迹的仿真；2.在OSG的平台下，提出一种基于LOD和GPU技术相结合的方法来加速粒子系统的绘制，以实现更高的帧速；3.海洋场景。实现大规模海面绘制，支持海平面模型的快速傅里叶变换，可调波浪的大小，水面的反射和折射，海面波光粼粼效果及水底光照，海底海面的雾化效果,浪花的产生、移动、消失；4.气象环境。如蓝天白云、乌云密布、彩霞满天、黎明，傍晚等天空效果，以及雨、雪、闪电等天气效果；5.海战场中多维动态模型实时生成；（1）虚拟海战场中的各实体模型。如舰船，直升机，战斗机及其他武器装备，岛屿等；（2）爆炸效果仿真。海面的硝烟，舰船起火，导弹及战斗机的尾焰，击中目标后爆炸碎片，被击中舰船的弹痕，炮弹落在海面形成的水柱等；（3）舰船航行姿态仿真。实时动态生成舰船航行时随着海浪的高低起伏做逼真的运动，以及船航迹（包括首浪、尾浪和船行波），并实现航迹随航速大小实时变化的逼真模拟；6.三维立体声音；加入导弹发射声音、飞机发动机噪音、导弹击中目标爆炸声音，海浪声音，炮弹在水面形成水柱的声音等，并实现多个声源的准确定位与定向，模拟出声音的多普勒效应。7.整个海战场景在普通PC机上运行正常，使用方便。

Claims (4)

1. 一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，其特征是方法步骤为：

(1)在OSG的平台下，建立舰船多维空间信息建模，利用Render To Texture技术建立整个海战场景中舰船行驶的导航图，并实现舰船运动的交互控制，舰炮控制，炮塔的旋转及炮管升降的交互控制，所设计的舰船航迹数据库可以保存舰船的位置，并可按照指定路径及速度航行，用于航行路线及航迹的仿真；

(2)在OSG的平台下，利用自定义的粒子系统，结合LOD技术和现代GPU技术来加速粒子系统的绘制，以实现对舰船起火、战场硝烟、爆炸碎片、炮弹激起的水柱、航迹、雨、雪、闪电等不规则物体的加速绘制；

(3)将osgAudio集成到中三维渲染引擎OSG场景图中，实现在三维虚拟海战场中3D声音的准确定位以及各种3D声音的多种特效。

2.根据权利要求1所述的基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，其特征在于，利用Render To Texture技术建立整个海战场景的导航图，在应用程序上显示一个半透明的实时显示漫游者位置的导航图；利用图形学的图形变换基础和OSG的矩阵变换，实现前进、后退、仰视、俯视、左右旋转、上下高度调整的漫游器，及炮塔的旋转及炮管升降精确控制；建立舰船航迹数据库，利用OSG的场景动画组件实现路径动画。

3.根据权利要求1所述的基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，其特征在于，根据人的视觉特性出发，在视点和所观测物体之间的不同距离设置不同的粒子数量等级，即远处粒子密度比较小，近处比较大；在裁剪空间坐标系下生成粒子坐标，通过透视投影逆变换将其转换为视点坐标系，同时利用现代GPU的Geometry Shader 实现纹理的坐标扩展，即粒子在顶点着色器里面用点的表示方法，在顶点着色器里面完成粒子属性的更新运算，再将其转为矩形表达，最后进入片段着色器里面进行绘制；为了避免粒子在产生时突然出现，到达生命周期时突然消失，采用灰度级的纹理贴图来控制单个粒子的透明度在整个生命周期中逐渐变化，产生淡入淡出的效果。

4.根据权利要求1所述的基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，其特征在于，将osgAudio集成到三维渲染引擎OSG场景图中，实现虚拟海战场中各种战斗实体及雨雪等三维声音动态环绕声，并针对各个特定的声源进行必要的计算，产生各声源的距离衰减及多普勒效应等。