CN105184017A

CN105184017A - 一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法

Info

Publication number: CN105184017A
Application number: CN201510642806.5A
Authority: CN
Inventors: 涂旭辉
Original assignee: Chengdu Hermes Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Hermes Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105184017B

Abstract

本发明公开了一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法，仿真系统包括，模型构建模块，用于生成战场环境中的态势要素；环境仿真模块，用于对战场环境进行仿真，所述环境仿真模块包括：地形仿真单元，用于根据由高程文件生成的地形数据库进行地形仿真；天气仿真单元，用于通过计算不同时段太阳所处的位置，得出相应时段的光照颜色和强度，同时，并根据所要仿真的不同的天气情况下的天空环境将其渲染到天空上。目的在于提供一种地形和天气仿真效果真实的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法。

Description

一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及实时战场仿真领域，特别涉及一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法。

背景技术

战场态势可视化是将存在于战场中的态势主体(包括人员、武器装备、某个军事指标或者发生在战场中的事件)动态地表现在图形终端上，常见的形式是在以三维地形为背景的图形用户窗口中，用特定的军事符号表示态势主体，如进攻方向、集结地域、机动路线等。

但现有战场态势可视化技术对功能划分不清晰，不能做到功能模块化，造成不同项目相同功能模块重复开发，使得开发时间长、成本投入大。

其次，现有技术对天气环境的模拟大多通过纹理的替换来实现，这样对太阳、月亮、星星及一天的光线变化仿真效果不够真实。

再者，现有技术地形如果没有纹理，则造成地形颜色单一，地形没有层次感，不够真实。

发明内容

本发明的目的在于克服现有战场仿真系统中地形颜色单一、没有层次感，不够真实，以及太阳、月亮、星星及一天的光线变化仿真效果不够真实的问题，提供一种地形和天气仿真效果真实的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统及方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，包括，模型构建模块，用于生成战场环境中的态势要素；环境仿真模块，用于对战场环境进行仿真，所述环境仿真模块包括：

地形仿真单元，用于根据由高程文件生成的地形数据库进行地形仿真；

天气仿真单元，用于通过计算不同时段太阳所处的位置，得出相应时段的光照颜色和强度，同时，并根据所要仿真的不同的天气情况下的天空环境将其渲染到天空上。

优选的，所述态势要素包括飞机、坦克、导弹、军标图形。

优选的，所述地形仿真单元采用金字塔形分层技术构建不同高度不同颜色的着色模型，并通过视点计算实现动态加载地形数据。

优选的，通过计算不同时段的太阳高度角、太阳方位角得到所述不同时段太阳所处的位置，根据太阳位置计算出光照颜色和强度参数并传入GPU进行渲染。

优选的，所述天气情况包括：晴天、阴天、雨天、雪天；所述天空环境包括：太阳位置、月亮、星星、光照；

晴天时：在日间读取太阳纹理，并渲染出太阳的位置和光照颜色和强度；夜间读取月亮纹理，停止渲染太阳的位置和光照，通过GPU随机渲染星星的位置；

阴天时：日间和夜间均停止渲染太阳、月亮纹理以及太阳光照，加入全局雾特效，所述全局雾特效通过太阳位置来计算全局雾的颜色，使整个场景达到阴沉的效果；

雨天、雪天时：日间和夜间均停止渲染太阳、月亮纹理以及太阳光照，加入全局雾特效，其中，雨、雪通过OpenSceneGraph引擎的粒子系统模拟实现。

优选的，所述仿真系统还包括：

调度模块，用于通过配置文件自定义加载、配置模块到系统中，所述模块包括环境仿真模块、实时更新模块、模型构建模块；

实时更新模块，用于实时更新整个战场三维环境以及态势要素属性信息。

优选的，所述实时更新模块包括：

网络通信单元，用于接收战场环境中的态势要素属性信息并对其更新；

帧循环更新单元，所述环境仿真模块以及更新后的态势要素属性信息传入GPU进行渲染后，通过所述帧循环更新单元进行一次更新，将此更新一直循环，实现整个战场环境的实时更新。

优选的，所述态势要素属性信息包括飞机、坦克、导弹的位置变化及军标图形的变化信息。

一种仿真方法，基于如上所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，包括：

步骤S1、创建系统框架，初始OpenSceneGraph引擎；

步骤S2、创建场景仿真管理器，初始化态势仿真系统；

步骤S3、调度模块读取模块配置文件进行解析，解析模块路径信息并判断是否加载该模块，所述模块包括环境仿真模块、模型构建模块、实时更新模块；

步骤S4、根据判断出的信息加载所述模块；

步骤S5、所述环境仿真模块加载地形和天气数据进行战场地形环境和天气的仿真；所述实时更新模块通过网络通信单元和帧循环更新单元实时更新所述态势要素属性信息和战场的三维地形环境。

优选的，在所述步骤S3中，所述调度模块加载模块的步骤为：

步骤a.解析配置文件，得到待加载模块的路径及是否加载的信息。

步骤b.调用系统函数将模块加载到进程中；

步骤c.调用系统函数获取到该模块的入口函数指针，入口函数指针返回该模块的统一对外接口指针；

步骤d.通过该模块返回的统一对外接口指针访问该模块。

优选的，所述模块具有统一的对外接口函数、具有统一的入口函数、能够扩展接口函数、提供统一的接口查询函数。

优选的，在所述步骤S5中，所述环境仿真模块通过所述地形仿真单元对地形环境仿真，通过所述天气仿真单元对天气进行仿真。

优选的，在所述步骤S5中，所述网络通信单元用于接收战场环境中的态势要素属性信息并对其更新，当所述态势要素属性信息中包含有新增或删除一态势要素时，通过系统加载的模型构建模块读取所要增加的态势要素的参数信息，进行该态势要素的模型创建，或对要减少的态势要素的模型数据进行删除；

当所述态势要素属性信息中包含修改态势要素属性的信息时，根据属性修改信息修改态势要素属性。

优选的，经过所述网络通信单元处理的态势要素属性信息和经过环境仿真模块的得到的地形和天气仿真数据经GPU渲染后通过所述帧循环更新单元进行更新，实现整个战场环境的实时更新。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、根据高程数据查找颜色表数据，通过插值计算赋值给地形顶点数据，让地形数据在没有纹理的情况下更加有层次感。

2、通过地球公转和自转的科学算法模拟实现年、月、日和时、分、秒的计算，为态势渲染中光点位置和光线属性的计算提供数据，点光源技术(即太阳)作为环境光模型，采用真实的地球太阳物理关系计算光源相对地球位置，以标准色带取色方法模拟不同时间太阳光颜色，并通过粒子系统模拟出雨、雪、光照等效果，以达到更加真实的天气环境效果。

3、本发明实现各功能模块化，可灵活选择需要的组件，组装出符合需求的项目，可大大缩短项目的重复开发，即节省时间又减少开发成本。

4、数据实时更新，更加利用掌控战场态势变化。

附图说明：

图1为本发明实施例1和实施例2中环境仿真模块结构示意图。

图2为本发明实施例1和实施例2中实时更新模块结构示意图。

图3为本发明一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统在实施例1和实施例2中的系统结构图。

图3A为本发明实施例1计算Diffuse光的公式中的θ角示意图。

图3B为本发明实施例1中Specular分量计算公式中各参数的向量图。

图3C为OpenSceneGraph引擎的粒子系统实现雨雪效果的流程图。

图4为本发明实施例1和实施例2中调度模块加载模块的步骤示意图。

图5为本发明实施例2中一种战场仿真方法的步骤示意图。

图中标记：1-本发明一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统的系统结构图，20-环境仿真模块，210-地形仿真单元，220-天气仿真单元，30-调度模块，40-实时更新模块，410-网络通信单元，420-帧循环更新单元，50-模型构建模块。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，包括：

I.数据层，为其提供数据支撑的，所述数据层包括：

真实模型库：提供武器装备的真实模型数据。

军标库：提供符合中国军队标准的图形和符号的数据库，在仿真系统中标识部队编制和配置、武器装备及行动计划的图形图标。

地形数据：战场环境的高精度地形数据。

II.支撑层，为本发明仿真系统三维渲染技术提供软件工具，包括：

OpenGL(OpenGraphicsLibrary)：跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。

OpenSceneGraph：开源的基于工业图形标准OpenGL的高层次图形开发接口。

VirtualPlanetBuilder：基于OpenSceneGraph引擎的地形创建工具。

III.应用层，实现各功能模块组合的，所述应用层包括:

模型构建模块50，用于生成战场环境中的态势要素,所述态势要素包括，真实模型库中武器装备模型，以及军标库中的符合中国军队标准的图形和符号。

环境仿真模块20，用于对战场环境进行仿真，其特征在于，所述环境仿真模块包括：

地形仿真单元210，通过VirtualPlanetBuilder基于数据层提供地高精度地形数据，由高程文件生成地形数据库进行地形仿真；

所述地形仿真单元210采用金字塔形分层技术构建不同高度不同颜色的着色模型，通过视点计算实现动态加载地形数据(即通常使用的LOD技术)。

其高层着色算法为:

i.设置颜色表，如下表：

Height1	Color1
		Height2	Color2
…	…
		Heightn	Colorn

其中，Height1、Height2至Heightn为不同顶点数据的高度，Color1、Color2至Colorn为不同高度的顶点数据所顶点颜色数值。

ii.根据地形数据库获取到顶点数据的高度，在颜色表中查找数据进行插值，假设顶点高程在Height2与Height1之间，则其顶点颜色数值Colorx的插值算法如下所示。

Colorx＝Color1+(Color2-Color1)*Height/(Height2-Height1)

iii.将计算得出的Colorx值设置到该顶点保存。

iv.渲染时，GPU读取该顶点保存的Colorx颜色数据并进行地形环境渲染。

通过使用上述方法，较现有技术而言，实现了在没有纹理的情况下让地形更加有层次感。

天气仿真单元220，用于通过计算不同时段太阳所处的位置，得出相应时段的光照颜色和强度，同时，并根据所要仿真的不同的天气情况下的天空环境将其渲染到天空上。

具体的，所述太阳的的位置通过对以下参数进行运算得到：

【参数1】：.太阳到地球距离ER:

可通过如下公式得到：

ER＝1.000423+0.032359sinθ+0.000086sin2θ－0.008349cosθ+0.000115cos2θ

θ称日角：θ＝2πt/365.2422

t又由两部分组成：t＝N－N0

N为积日，表示日期在年内的顺序号，例如，1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366，等等。

N0＝79.6764+0.2422×(Y－1985)－INT〔(Y－1985)/4〕,其中Y表示年份，INT表示只取(Y－1985)/4的计算结果的整数部分。

【参数2】：太阳赤纬角ED：

地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，并且这个角度在公转中始终维持不变。正是由于这一原因形成了每日中午时刻太阳高度的不同，以及随之而来的四季的变迁。日地中心的连线与赤道面间的夹角每天(实际上是每一瞬间)均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。它在春分和秋分时刻等于零，而在夏至和冬至时刻有极值，分别为正负23.442°。

ED＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

【参数3】：时差Et：

真正的太阳在黄道上的运动不是匀速的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳，其周日的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时。

平太阳时S是基本均匀的时间计量系统，与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的，因而无法实际观测它，但它可以间接地从真太阳时S⊙求得，反之，也可以由平太阳时来求真太阳时。为此，需要一个差值来表达二者的关系，这个差值就是时差，以Et表示，其中带⊙下标的符号表示是真太阳时。

S⊙＝S+Et

Et＝0.0028－1.9857sinθ+9.9059sin2θ－7.0924cosθ－0.6882cos2θ

【参数4】：太阳高度角h⊙:

δ就是太阳赤纬角，即Ed，为当地的地理纬度，τ为当时的太阳时角。

τ＝(S⊙+F⊙/60-12)*15°

Sd＝S+(F-(120°-(JD+JF/60))*4)/60

S⊙＝Sd+Et/60

JD为传入经度值度，JF为传入经度值分，S为时间，F为分钟

【参数5】：太阳方位角A:

由此可求出两个A值，第一个A值是午后的太阳方位，

当cosA≤0时90°≤A≤180°

当cosA≥0时0≤A≤90°

第2个A值为午前的太阳方位，取360°－A。

通过计算得到不同时段的太阳高度角、太阳方位角和太阳到地球距离，再对三者进行运算得到所述不同时段太阳所处的位置，根据太阳位置计算出光照颜色和强度参数传入GPU渲染整个场景。

所述光照在OpenGL中具体分为Ambient,Diffuse,Specular,Emiiter四部分，通过将这四部分与法线进行一定比例运算以及将各部分光混合后得出顶点颜色值并进行光照渲染。

其中，Diffuse光计算的算法公式为，图3A为公式中θ角示意图：

I₀＝L_d×M_d×cos(θ)

Specular分量计算的算法公式为，图3B为公式中各参数的向量图：

R＝-2N(L×N)+L

Spec＝(R×Eye)²×L₁×M₁

其中：

L_d、M_d表示光源和物质和diffuse属性；

L向量：表示光源--->顶点，N:法向量，Eye向量:顶点--->Eye，R:反射光，L₁、M₁分别表示光源和物质的Specular属性。

所述不同的天气情况包括：晴天、阴天、雨天、雪天；所述天空环境包括：太阳位置、月亮、星星、光照。

晴天时：在日间读取太阳纹理，并渲染出太阳的位置以及光照的颜色和强度；

其中，太阳位置与光照颜色和强度关系如下代码所示：

SunAlt:太阳方位角。

doublered＝sunAlt*0.5；

doublegreen＝sunAlt*0.25；

doubleblue＝sunAlt*0.125；

red＝red<0.0？0.0:red；

red＝red>1.0？1.0:red；

green＝green<0.0？0.0:green；

green＝green>1.0？1.0:green；

blue＝blue<0.0？0.0:blue；

blue＝blue>1.0？1.0:blue；

osg::Vec4diffuse(red,green,blue,1)；

red＝(sunAlt+10.0)*0.04；

green＝(sunAlt+10.0)*0.02；

blue＝(sunAlt+10.0)*0.01；

red＝red<0.0？0.0:red；

red＝red>0.2？0.2:red；

green＝green<0.0？0.0:green；

green＝green>0.2？0.2:green；

blue＝blue<0.0？0.0:blue；

blue＝blue>0.2？0.2:blue；

osg::Vec4ambient(red,green,blue,1)；

osg::Vec4Specular＝diffuse；

夜间读取月亮纹理，停止渲染太阳的位置和光照，通过GPU随机渲染星星的位置：

其中渲染星星的Shader(着色器)代码如下：

阴天时：日间和夜间均停止渲染太阳、月亮纹理以及太阳光照，加入全局雾特效，所述全局雾特效通过太阳位置来计算全局雾的颜色，使整个场景达到阴沉的效果。

其中，阴天的全局雾特效计算如下代码所示：

雨天、雪天时：日间和夜间均停止渲染太阳、月亮纹理以及太阳光照，加入全局雾特效，其中，雨、雪通过OpenSceneGraph引擎的粒子系统模拟实现，其具体实现流程如图3C所示，具体的，块2201根据块2202设置的天气数据产生雨、雪的类粒子，并通过块2203和块2204分别调用函数产生雨属性、雪属性的粒子，再通过块2205设置风向和雨量级别，最后传递给块2206进行雨雪场景的渲染。

其中，雨天、雪天时的全局雾特效由如下代码计算得到：

网络通信单元410，用于接收战场环境中的态势要素属性信息并对其更新，所述态势要素属性信息包括飞机的姿态位置及坦克、导弹的位置变化情况；或人员、武器装备、某个军事指标或者发生在战场中的事件等战场态势主体的进攻方向、集结地域、机动路线等，及军标图形的变化信息。

当通过所述态势要素属性信息中包含有增加元素的信息时，通过系统中的模型构建模块50新建元素的具体模型；相反的，当元素减少时，系统销毁相应模型数据。

IV.运行层，整个实时战场仿真方法的运行机制，所述运行层包括：

调度模块30，用于通过配置文件自定义加载、配置所述环境仿真模块、实时更新模块或模型构建模块到系统1中帧循环更新单元420，所述帧循环更新单元420更新一次的过程为：所述环境仿真模块20的地形天气数据以及更新后的态势要素属性信息传入GPU进行渲染后并绘制到屏幕上。将此更新一直循环，实现整个战场环境的实时更新。

人机交互机制模块：可由人工控制视角的位置和姿态，实现对整个战场的观察和漫游。

消息处理机制模块：系统响应人工鼠标、键盘的操作，让用户体验更加实用、方便。

实施例2

相应地，根据上述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，本发明实施例还提供一种战场仿真方法，参看图5，所述方法可以包括：

步骤S1、创建系统框架，初始OpenSceneGraph引擎。

步骤S2、创建场景仿真管理器，初始化态势仿真系统。

步骤S3、调度模块30读取模块配置文件进行解析，解析出模块路径信息并判断是否加载该模块，待加载的所述模块包括环境仿真模块、模型构建模块以及由网络通信单元410和帧循环更新单元420组成的实时更新模块40，通过所述实时更新模块40实时更新整个战场三维环境以及态势要素属性信息。

步骤S4、根据判断出的信息加载所述模块，参看图3，载入仿真系统的模块包括环境仿真模块、实时更新模块以及一模型构建模块。

步骤S5、所述环境仿真模块20加载地形和天气数据进行战场地形环境和天气的仿真；所述实时更新模块40通过网络通信单元410和帧循环更新单元420实时更新所述态势要素属性信息和战场的三维地形环境。

参看图4，所述调度模块30加载模块的步骤为：

步骤b.调用系统函数通过模块接口将模块加载到进程中，具体的，当模块加载属性值为1时则加载该模块，为0时则不加载该模块。

步骤c.调用系统函数获取到该模块的入口函数指针，入口函数指针返回该模块的统一对外接口指针。

步骤d.通过该模块返回的统一对外接口指针访问该模块。

所述模块具有统一的对外接口函数、具有统一的入口函数、能够扩展接口函数、提供统一的接口查询函数并通过该模块(动态库)的ID可查询出该模块的统一对外接口指针。

需要说明的是，本发明调度模块30具有可拓展能力，即其所调度的模块不固定，用户可根据需要自定义配置文件进行所需模块的加载，替换或增加减少本实施例中的各个模块后所组成的战场仿真系统均在本发明保护范围内。

所述环境仿真模块20通过所述地形仿真单元210对地形环境仿真，通过所述天气仿真单元220对天气进行仿真。

所述网络通信单元410接收和发送战场环境中的态势要素属性信息，当所述态势要素属性信息中包含有新增或删除一态势要素时，通过系统加载的模型构建模块50读取所要增加的态势要素的参数信息进行该态势要素的模型创建，或对要减少的态势要素的模型数据进行删除。

经过所述网络通信单元410处理的态势要素属性信息和经过环境仿真模块20的得到的地形和天气仿真数据挂入OpenSceneGraph引擎中传入GPU进行渲染，通过帧循环更新单元420进行更新，实现整个战场环境的实时更新。

Claims

1.一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，包括，模型构建模块，用于生成战场环境中的态势要素；环境仿真模块，用于对战场环境进行仿真，其特征在于，所述环境仿真模块包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，所述态势要素包括飞机、坦克、导弹、军标图形。

3.根据权利要求1所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，所述地形仿真单元采用金字塔形分层技术构建不同高度不同颜色的着色模型，并通过视点计算实现动态加载地形数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，通过计算不同时段的太阳高度角、太阳方位角得到所述不同时段太阳所处的位置，根据太阳位置计算出光照颜色和强度参数并传入GPU进行渲染。

5.根据权利要求1所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，所述天气情况包括：晴天、阴天、雨天、雪天；所述天空环境包括：太阳位置、月亮、星星、光照；

6.根据权利要求1所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，所述实时更新模块包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，所述态势要素属性信息包括飞机、坦克、导弹的位置变化及军标图形的变化信息。

9.一种仿真方法，基于如权利要求1-8任一项所述的一种基于OpenSceneGraph的实时战场仿真系统，其特征在于，包括：

步骤S1、创建系统框架，初始OpenSceneGraph引擎；

步骤S2、创建场景仿真管理器，初始化态势仿真系统；

步骤S4、根据判断出的信息加载所述模块；

10.根据权利要求9所述的一种仿真方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述调度模块加载模块的步骤为：

步骤a．解析配置文件，得到待加载模块的路径及是否加载的信息;

步骤b．调用系统函数将模块加载到进程中；

步骤c．调用系统函数获取到该模块的入口函数指针，入口函数指针返回该模块的统一对外接口指针；

步骤d．通过该模块返回的统一对外接口指针访问该模块。