CN103593181A - 一种可配置分布式三维视景仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种可配置分布式三维视景仿真系统，包括场景配置模块、配置解析模块、数据接口模块、消息处理模块、实体管理模块、场景驱动模块和用户控制模块；通过图形化界面的配置方式实现仿真过程表现功能，对仿真实体的各种表现事件进行特殊效果配置，针对基本的仿真实体类型，提供表现配置文件模板，提供可视化的表现配置工具。支持在仿真表现过程中根据表现事件的消息类型和表现配置信息动态加载相应的造型和效果。利用HLA对象模型的继承机制，实现了视景仿真三维实体模型与分布式仿真系统对应实体模型的数据自动关联，免去了一般视景仿真系统作为联邦加入仿真平台时繁琐的数据订购流程。

Description

一种可配置分布式三维视景仿真系统

技术领域

本发明涉及一种可配置分布式三维视景仿真系统设计方法，属于视景仿真技术领域。

背景技术

视景仿真技术是在数值仿真的基础上，以图形和动画来表示仿真的过程或结果，将三维模型的动态显示技术应用于模拟训练、虚拟现实以及其他实时动态仿真系统的图形显示。将视景仿真技术与分布交互式仿真技术结合对复杂巨系统进行网络建模与仿真，把分布在不同地域的实体和人员联接到一个公共虚拟环境中进行仿真，为仿真过程和仿真结果提供了一种直观的表现形式，能够给用户以很强的沉浸感，在多个领域具有广泛的应用前景。

分布交互仿真中，高层体系结构（High Level Architecture，简称HLA）标准已经被接受为国际仿真标准。国内外对基于HLA标准建立的视景仿真系统研究较多，但这类系统大多直接基于HLA提供的接口函数开发，需要开发人员掌握HLA规范中的各种服务接口函数，开发时间较长。此外，由于分布交互仿真系统中包含的对象类众多、实体数目变化，使用这种方式实现的视景仿真系统也存在着通用性不强的问题，往往一个独立的应用场景需要定制一套视景仿真系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可配置分布式三维视景仿真系统，针对不同的视景仿真应用需求，能够通过配制方式，而不是编程方式快速满足要求，并且随着应用的增多，能够对可视化的模型和数据资源进行积累重用。

本发明解决的技术方案是：一种可配置分布式三维视景仿真系统，包括场景配置模块、配置解析模块、数据接口模块、消息处理模块、实体管理模块、场景驱动模块和用户控制模块；

场景配置模块根据作战需求完成仿真想定配置，将配置文件保存为XML格式，并传输给配置解析模块；所述仿真想定配置信息包括三维实体造型、事件；

配置解析模块解析场景配置模块传输进来的配置文件，得到仿真想定配置信息；将仿真想定配置信息初始化后发送给实体管理模块；

数据接口模块根据用户控制模块的指令执行联邦的加入与撤销；数据接口模块将接收到的外部仿真模型建立的对象类及对象类属性、交互类及交互类参数传输给消息处理模块；

消息处理模块接收并将数据接口模块发送的对象类及对象类属性、交互类及交互类参数解析成表现命令，将解析出的表现命令进行缓冲存储至消息缓冲队列；所述的表现命令包括创建相应实体、更新实体状态、表现特殊效果；

实体管理模块在初始化时接收配置解析模块发送的仿真想定配置信息，在运行时调用消息处理模块内消息缓冲队列中的表现命令，根据仿真想定配置信息和表现命令动态生成实体列表，并对实体列表进行管理和维护，包括新建、更新、删除和查询；

场景驱动模块调用实体管理模块，遍历实体列表，对实体列表中的实体进行操作和处理，包括创建相应实体、更新实体状态、表现特殊效果；同时场景驱动模块根据用户控制模块发送的相机控制命令和时间控制命令控制相机视角，调度仿真运行时间；

用户控制模块根据用户要求将相机控制命令和时间控制命令发送给场景驱动模块；所述的相机控制命令包括场景视角切换命令、放大缩小命令；所述的时间控制命令包括仿真开始、仿真暂停、仿真终止、仿真快进；同时用户控制模块向数据接口模块发出加入联邦或撤销联邦的指令。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、相比于传统的基于编程语言实现的可视化系统，能够通过图形化界面的配置方式实现仿真过程表现功能，支持对各种仿真实体进行几何造型配置，对仿真实体的各种表现事件进行特殊效果配置，针对基本的仿真实体类型，提供表现配置文件模板，提供可视化的表现配置工具。并支持在仿真表现过程中根据表现事件的消息类型和表现配置信息动态加载相应的造型和效果。支持实体类型和实体实例两个层面的配置。基于本方法，仿真人员可以快速按需定制实现视景仿真案例开发，大大提高开发效率。

2、建立视景仿真系统所需的模型对象类和模型交互类规范，具有航天飞行器视景仿真通用的实体特征信息及交互事件类型，可以快速构建航天器视景仿真系统；利用HLA对象模型的继承机制，实现了视景仿真三维实体模型与分布式仿真系统对应实体模型的数据自动关联，免去了一般视景仿真系统作为联邦加入仿真平台时繁琐的数据订购流程。该机制普适性强，无须改造接口即可适应各类HLA分布式仿真平台。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明系统中的场景配置模块工作流程图；

图3为本发明系统中的配置解析模块工作流程图；

图4为本发明系统中的数据接口模块工作流程图；

图5为本发明系统中的消息处理模块工作过程图；

图6为本发明系统中的实体管理模块工作过程图；

图7为本发明系统中的用户控制模块工作过程图；

图8为本发明系统中的场景驱动模块工作过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示为本发明仿真系统结构图，包括场景配置模块，配置解析模块，数据接口模块，消息处理模块，实体管理模块，特效管理模块，场景驱动模块，用户控制模块、分布式渲染模块。

本发明中的场景配置模块通过XML Path技术，查找解析ACF文件中的基本特效元素，供用户选择和配置；运用OpenFlight API读取三维造型文件的节点配置信息。用户按照作战需求配置仿真想定配置信息，包括地形场景、仿真实体、特效及事件，配置文件保存为XML格式，传输给配置解析模块使用。其工作流程如图2所示。

由于视景仿真中往往涉及作战实体多，表现事件复杂，因此需要配置的信息较多，本发明定义了一个配置文件规范，采用XML文件格式，配置信息主要有三维实体造型配置和事件配置。

三维实体造型配置用来指定仿真实体模型的类型、三维造型文件、坐标系，其配置信息如表1所示。

表1

事件是最重要的配置信息，当一个实体接收到事件时，或表现特效（Fx），或转动/平动（Dof），或切换状态节点（Switch），或者以任意排列组合方式执行。事件配置中包含相机设置，可以设置观察此事件的最佳视角。

特效（Fx）的配置信息如表2所示。

表2

平动/转动（Dof）节点配置信息如表3所示。

表3

状态切换节点（Switch）主要用来切换实体的造型，当实体毁伤时，根据毁伤等级切换不同的造型，其配置信息如表4所示。

表4

相机节点用来指定事件发生时的相机参数，其配置信息如表5所示。

表5

本发明中的配置解析模块，解析场景配置模块生成的XML配置文件，获取XML文件中的节点列表，遍历每一个节点，当节点遍历结束后读取节点内容，获得节点值，将仿真想定配置信息对应的节点内容发送给实体管理模块，动态创建仿真实体。其工作流程如图3所示。

本发明中的数据接口模块，由仿真接口定义规范和RTI网络数据交互组成，其功能为根据用户控制模块的指令执行仿真联邦的加入与撤销；自动完成对象类及对象类属性、交互类及交互类参数的订购；将仿真数据传输给消息处理模块。

仿真接口定义规范，定义视景仿真系统作为一个HLA成员所需发布订购的对象类和交互类规范。其中接口定义为对视景仿真系统从HLA/RTI订购的对象类及对象类属性、交互类及交互类参数进行定义，根据分布式视景仿真系统必需的数据进行设计，将这些数据信息固定为需要从HLA/RTI上订购的对象类、交互类。该规范定义了实体对象类、探测对象类、事件交互类、消息交互类四种。

实体对象类用于描述各类实体的相关参数和状态数据。一般由实体类模型发布，对象类结构表如表6所示：

表6

探测对象类用于描述各类探测器的相关参数和状态数据。一般由探测器类模型发布，对象类结构表如表7所示：

表7

事件交互类用于描述各类事件及其相关参数，可以由各类仿真模型发布，其结构如表8所示：

表8

消息交互类用于描述各类模型输出消息内容，可以由各类仿真模型发布，其结构如表9所示：

表9

参数标识	参数名称	参数说明
			ModelID	需要打印消息的对象ID	可以是实体、探测器等各类先前创建过的对象
Message	消息内容	消息内容

RTI网络数据交互为向HLA/RTI网络进行订购、接收对象类及对象类属性、交互类及交互类参数，并将网络数据传输给消息处理模块。

根据定义的接口规范，利用HLA对象模型的继承机制，每个仿真模型根据自己的类型特点，分别继承自实体或传感器对象类；仿真模型之间的交互如果需要表现，则继承自事件交互类。这样，在仿真模型更新自身状态时会自动更新所继承的实体或传感器对象类，从而自动给视景仿真系统发消息；在发生交互事件时，会自动触发事件交互类驱动视景仿真系统进行效果表现。

数据接口模块的工作流程如图4所示，用户通过指定不同的fed文件来加入不同的仿真联邦，在网络接口初始化联邦成员数据时创建连接对象加入联邦中，根据约定的接口规范自动地进行对象类及对象类属性、交互类及交互类参数的订购，然后启动侦听线程，侦听到HLA/RTI网络中的表现数据后交由消息处理模块进行处理，否则终止网络侦听线程。

本发明中的消息处理模块，包括数据解析、消息缓冲队列两个单元组成。其工作流程如图5所示，从数据接口模块接收到数据信息后，经过数据解析转变成表现命令，并添加到消息缓冲队列；场景刷新时，实体管理模块从消息缓冲队列中依次取出表现命令进行处理，同时释放内存空间。

数据解析将接收到的网络数据，解析为相应的表现命令，表现命令类型设计如表10所示，这些命令满足了实体管理模块的操作要求。

表10

消息缓冲队列是一个动态分配的内存池，采用先进先出的原则对实体状态信息和事件信息进行缓冲，解决数据接收频率与视景刷新频率不同步的问题，保证仿真数据的完整性和视景仿真时序的正确性。

本发明中的实体管理模块，由实体管理器提供虚拟实体的管理维护功能，供场景驱动模块调用。实体管理器主要对虚拟实体进行管理和维护，包括新建、更新、删除和查询等。实体管理器通过实体列表类来实现，实体列表类由一个实体列表和相关的列表操作函数组成。

实体管理模块的工作过程如图6所示，首先调用配置解析模块获取虚拟实体的造型、事件、特效等配置信息，然后由场景驱动模块根据表现命令中的实体名称参数，调用实体管理器的接口，对实体进行相应的操作和处理，如创建相应实体、更新实体状态、表现特殊效果。

本发明中的用户控制模块，包括相机控制、时间控制、引擎控制三个单元，负责与用户进行交互，响应用户操作，根据用户要求调用场景驱动模块控制场景，启动数据接口模块。其中相机控制单元实现视角切换、场景放大缩小操作；时间控制单元调度仿真运行时间，控制仿真开始、暂停、终止、快进等操作；引擎控制单元根据用户要求启动数据接口模块，向数据接口模块发出加入联邦或撤销联邦的指令。

用户控制模块的工作流程如图7所示，将用户在图形界面的操作命令进行消息解析，判断是否满足触发条件，如果满足则调用场景驱动模块来控制场景。

本发明中的场景驱动模块，由基于Vega Prime的三维绘制引擎、地形数据库和三维造型数据库组成，主要负责对三维视景的渲染。地形数据库存储了构建视景所需要的陆地、海洋、河流等自然环境信息；三维造型数据库存储了所有虚拟实体的几何造型、纹理信息和细节层次节点、自由度控制、自由转换节点、动画等多种特殊节点；三维绘制引擎调用实体管理模块，根据获取的待处理表现命令，对实体状态进行更新，同时执行实体的特殊表现效果，表现三维视景；同时三维绘制引擎还负责根据用户控制模块中用户要求控制相机，如视角切换、场景放大缩小等操作；调度仿真运行时间，控制仿真开始、暂停、终止、快进等操作。

场景驱动模块的工作过程如图8所示，当场景帧更新开始时，调用实体管理模块，获取表现命令，如果是实体创建消息，则创建虚拟实体对象，添加到实体列表，到表现时钟和仿真时钟一致时创建实体；如果是状态更新或事件消息，则在实体列表中找到指定实体，缓存数据到该实体的状态/事件缓冲队列里，到表现时钟和仿真时钟一致时，对实体状态进行更新，执行特殊效果表现命令；如果是时钟消息，则更新仿真时钟。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种可配置分布式三维视景仿真系统，其特征在于：包括场景配置模块、配置解析模块、数据接口模块、消息处理模块、实体管理模块、场景驱动模块和用户控制模块；

场景配置模块根据作战需求完成仿真想定配置，将配置文件保存为XML格式，并传输给配置解析模块；所述仿真想定配置信息包括三维实体造型、事件；

配置解析模块解析场景配置模块传输进来的配置文件，得到仿真想定配置信息；将仿真想定配置信息初始化后发送给实体管理模块；

数据接口模块根据用户控制模块的指令执行联邦的加入与撤销；数据接口模块将接收到的外部仿真模型建立的对象类及对象类属性、交互类及交互类参数传输给消息处理模块；

消息处理模块接收并将数据接口模块发送的对象类及对象类属性、交互类及交互类参数解析成表现命令，将解析出的表现命令进行缓冲存储至消息缓冲队列；所述的表现命令包括创建相应实体、更新实体状态、表现特殊效果；

实体管理模块在初始化时接收配置解析模块发送的仿真想定配置信息，在运行时调用消息处理模块内消息缓冲队列中的表现命令，根据仿真想定配置信息和表现命令动态生成实体列表，并对实体列表进行管理和维护，包括新建、更新、删除和查询；

场景驱动模块调用实体管理模块，遍历实体列表，对实体列表中的实体进行操作和处理，包括创建相应实体、更新实体状态、表现特殊效果；同时场景驱动模块根据用户控制模块发送的相机控制命令和时间控制命令控制相机视角，调度仿真运行时间；

用户控制模块根据用户要求将相机控制命令和时间控制命令发送给场景驱动模块；所述的相机控制命令包括场景视角切换命令、放大缩小命令；所述的时间控制命令包括仿真开始、仿真暂停、仿真终止、仿真快进；同时用户控制模块向数据接口模块发出加入联邦或撤销联邦的指令。

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