CN106327591A - 基于VR‑Vantage的HIT‑TENA三维试验场景显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于VR‑Vantage的HIT‑TENA三维试验场景显示系统及方法，本发明涉及三维试验场景显示系统及方法。本发明解决HIT‑TENA体系的不能进行三维试验场景显示问题。该系统包括通信及数据处理模块、三维模型模块和视景仿真驱动模块；该方法包括用于从HIT‑TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤、用于将三维实体模型以文件的形式存储在VR‑Vantage三维视景数据库中的步骤以及用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤。本发明应用于三维试验场景显示领域。

Description

基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统及方法

技术领域

本发明涉及HIT-TENA三维试验场景显示系统及方法，特别涉及基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统及方法。

背景技术

三维场景显示软件应用广泛，在军事方面主要应用于飞行视景仿真、海战场视景仿真、跟踪雷达显示仿真、导弹对抗仿真中，直观形象地显示试验过程及态势。

目前国内商业三维场景显示软件已经比较成熟，功能强大、使用方便，但是价格比较昂贵。在三维场景显示软件的开发中多使用Vega Prime、OpenGL等API进行二次开发，它们提供了标准的、开放的接口，是常用的视景仿真开发途径。美国MAK Technologies公司开发的一款具备HLA接口的三维场景显示软件VR-Vantage，主要用于显示分布式仿真中的三维战场环境，同时提供了封装好的功能强大的软件开发工具包SDK(Software DevelopmentKit)，便于进行二次开发。

HIT-TENA是在参考美军的TENA体系结构的基础上，结合我国靶场试验技术的发展现状而提出的用于联合试验的支撑体系结构，它能够支持试验方案设计、试验运行支撑、试验过程管控等，可以将功能上分离、结构多样的实物、半实物或仿真的试验资源有效地整合到统一的联合试验系统中，大幅度提高试验系统构建效率和开发效率。在基于HIT-TENA构建的试验系统中，需要对试验场景进行全面、直观地二三维显示。

目前，HIT-TENA体现中尚未有三维场景显示软件，因此不具备对基于HIT-TENA构建的试验系统进行三维试验场景显示的能力。本发明的目的是开发HIT-TENA三维试验场景显示软件，用于对整个试验过程的兵力部署、运动趋势、相关地理信息、环境等显示，可以为试验观察者提供直观的试验态势。

发明内容

本发明的目的是为了解决HIT-TENA体系的不能进行三维试验场景显示问题，而提出的基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统及方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统具体包括：

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的通信及数据处理模块；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的三维模型模块；其中，三维场景数据包括地形数据和场景数据；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的视景仿真驱动模块。

基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法具体包括：

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的步骤；其中，三维场景数据包括地形数据和场景数据；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤。

发明效果

本发明以Qt为开发平台，利用面向对象编程语言C++，基于VR-Vantage软件开发工具包，开发HIT-TENA三维试验场景显示软件；

HIT-TENA体系结构概览图如图1所示。三维场景显示软件：加载资源应用集成开发环境运行平台的试验方案文件，选择方案文件中需要显示的试验资源，在三维场景显示软件中配置三维实体模型。当资源应用集成开发环境运行平台中试验方案中的试验资源运行发布位置、速度、姿态以及爆炸信号等数据的时候，三维场景显示软件中的模型能够通过HIT-TENA中间件接收试验资源发布的数据，并在三维场景显示软件中正确的驱动模型的运动。

因此，三维场景显示软件是作为资源应用集成开发环境的综合显示软件，实时显示资源应用集成开发环境运行平台的方案中试验资源的运行态势，不同于运行平台中通过数字观察态势，三维场景显示软件更加形象直观地显示出试验资源的态势和环境效应。

发明结合HIT-TENA体系结构，使用HIT-TENA中间件作为底层运行支撑环境，利用VR-Vantage工具包，在Qt的开发平台上，将VR-Vantage嵌入到GUI(Graphical UserInterface,图形用户界面)中，进行扩展开发三维场景显示软件。三维场景显示软件主要用于地形环境及运行态势的三维显示，弥补二维显示效果的不足。

针对HIT-TENA体系结构在虚拟试验过程中对试验场景的显示需求，以Qt为开发平台，利用面向对象编程语言C++，基于VR-Vantage工具包，开发三维场景显示软件。阐述了HIT-TENA体系结构的组成及三维场景显示软件的作用，根据三维场景显示软件的功能，使用UML语言对软件进行需求分析、概要设计及详细设计，并分析了软件的功能模块组成，介绍了VR-Vantage的API类层次结构，并对软件进行测试，软件运行结果良好，完善了HIT-TENA体系结构，弥补二维场景显示的不足HIT-TENA体系中以前没有三维试验场景显示软件，本发明主要是为HIT-TENA体系结构开发三维试验场景显示软件。

附图说明

图1为具体实施方式一提出的HIT-TENA体系结构概览图以及三维试验场景显示软件在体系中的位置示意图；

图2为具体实施方式一提出的三维场景显示软件用例图；

图3为具体实施方式一提出的三维场景显示软件功能模块图；

图4为实施例提出的VR-Vantage API主要类层次结构；其中，1为最顶层的类DtVrvApplication，2为DtPluginManager类，3为DtDe类，4为DtDeInitializer类，5为DtDeConfiguration类，6为DtDisplay类，7为DtDriverManager类，8为DtAgentManager类，9为DtDriver抽象类；10为DtInputDriver类；11为DtSceneDriver类；

图5为实施例提出的三维场景显示软件类图；

图6为实施例提出的三维场景显示软件新建并运行显示方案序列图；

图7为实施例提出的三维场景显示软件场景图；

图8为实施例提出的模型设置初始界面示意图；

图9为实施例提出的环境设置界面示意图；

图10为实施例提出的三维场景显示软件视角切换示意图；

图11为实施例提出的三维场景显示软件主界面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2本实施方式的基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统，具体包括：

根据HIT-TENA体系结构和三维场景仿真的相关理论以及对三维场景显示软件的需求分析，可以将HIT-TENA三维试验场景三维显示软件分为三大模块：通信及数据处理模块、视景驱动仿真单元和三维模型模块，如图3所示；

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的通信及数据处理模块；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的三维模型模块；其中，三维场景数据包括地形数据(纹理、高程数据)和场景数据(时间、日照等)；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的视景仿真驱动模块；

进行实时更新状态的具体为：实现三维实体的实时显示，环境效果(雨、雪、雾天气)显示，碰撞爆炸等特殊效果的处理，整个三维场景的渲染，以及视场缩放、视角切换等，并将最终场景输出到输出设备(显示器)。

本实施方式效果：

本实施方式以Qt为开发平台，利用面向对象编程语言C++，基于VR-Vantage软件开发工具包，开发HIT-TENA三维试验场景显示软件；

HIT-TENA体系结构概览图如图1所示。三维场景显示软件：加载资源应用集成开发环境运行平台的试验方案文件，选择方案文件中需要显示的试验资源，在三维场景显示软件中配置三维实体模型。当资源应用集成开发环境运行平台中试验方案中的试验资源运行发布位置、速度、姿态以及爆炸信号等数据的时候，三维场景显示软件中的模型能够通过HIT-TENA中间件接收试验资源发布的数据，并在三维场景显示软件中正确的驱动模型的运动。

因此，三维场景显示软件是作为资源应用集成开发环境的综合显示软件，实时显示资源应用集成开发环境运行平台的方案中试验资源的运行态势，不同于运行平台中通过数字观察态势，三维场景显示软件更加形象直观地显示出试验资源的态势和环境效应。

发明结合HIT-TENA体系结构，使用HIT-TENA中间件作为底层运行支撑环境，利用VR-Vantage工具包，在Qt的开发平台上，将VR-Vantage嵌入到GUI(Graphical UserInterface,图形用户界面)中，进行扩展开发三维场景显示软件。三维场景显示软件主要用于地形环境及运行态势的三维显示，弥补二维显示效果的不足。

针对HIT-TENA体系结构在虚拟试验过程中对试验场景的显示需求，以Qt为开发平台，利用面向对象编程语言C++，基于VR-Vantage工具包，开发三维场景显示软件。阐述了HIT-TENA体系结构的组成及三维场景显示软件的作用，根据三维场景显示软件的功能，使用UML语言对软件进行需求分析、概要设计及详细设计，并分析了软件的功能模块组成，介绍了VR-Vantage的API类层次结构，并对软件进行测试，软件运行结果良好，完善了HIT-TENA体系结构，弥补二维场景显示的不足HIT-TENA体系中以前没有三维试验场景显示软件，本实施方式主要是为HIT-TENA体系结构开发三维试验场景显示软件。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法具体包括：

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的步骤；其中，三维场景数据包括地形数据(纹理、高程数据)和场景数据(时间、日照等)；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤具体为：

一、通过HIT-TENA中间件接口接收运行平台发出的，通过HIT-TENA中间件传送来数据；其中，通过HIT-TENA中间件传送来数据具体包括实体的运动参数(位置、姿态、)和环境参数等；传送来的数据为实体的位置、姿态或环境参数数据；

二、接收输入设备(键盘、鼠标等)发出的数据；其中，数据包括场景缩放和视点移动数据；

三、进行数据处理，将步骤一中从HIT-TENA中间件获取的实体的位置或姿态数据变换成虚拟场景中相关三维实体模型的位置与姿态数据，将步骤一中从HIT-TENA中间件获取的环境参数转换成虚拟场景中的天气参数，将从步骤二中输入设备获取的视场控制数据转换成场景缩放、视点移动的数据。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的步骤具体为：

(1)、利用VR-Vantage提供可直接调用的三维实体模型，例如飞机、坦克、建筑物等静态动态模型；

(2)、在开发过程中，解析并加载VR-Vantage提供的三维实体模型，并将三维实体模型定义为文件；其中，定义的文件具体包括地形文件和场景文件；

地形文件提供地区的地势分布以及信息，场景文件包括了有自然环境信息的地形文件，例如雨雪等；VR-Vantage除了提供地形文件和场景文件外，还提供了制作工具供用户制作所需的地形文件；

(3)、将步骤(2)定义的文件存储在VR-Vantage三维视景数据库中。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤具体为：

1)、选择需要显示的试验方案文件并保存试验方案文件中的试验资源信息及对象模型信息(SDO)的加载试验场景子程序；试验资源信息是根据试验任务由试验人员构造的，不是特定的指哪一类或哪一种资源；

2)、选择合适的或已建立好的地形文件，选择试验方案文件中需要显示的试验资源信息并配置三维实体模型的三维模型程序；其中，配置三维实体模型的信息为初始位置姿态信息、坐标转换信息、尾焰信息或者爆炸效果信息；

3)、设置显示三维实体模型与试验资源信息间的数据关联接收数据的数据关联程序；

4)、设置环境效应包括雨雪信息的环境效应程序。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：

本实施例基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法，具体是按照以下步骤制备的：

VR-Vantage提供应用程序接口，开发者只需要调用相关的头文件和库文件，使用VR-Vantage的API就可以开发自定义的三维场景显示软件。利用这些API开发者可以结合开发需求修改VR-Vantage的功能和GUI，扩展其他类型地图数据的支持以及加载VR-Vantage到其他应用程序上，三维场景显示软件就是利用VR-Vantage的API进行二次开发。

了解VR-Vantage提供的API类层次结构，对于进行VR-Vantage二次开发有着重要帮助。特别是在进行三维场景显示软件开发的过程中，主要是依赖于VR-Vantage提供API类，如图4所示。

DtVrvApplication是VR-Vantage最顶层的类，它封装了DtPluginManager类和DtDe类。DtPluginManager类负责加载和初始化插件，并在DtDe类初始化之前进行，向DtDe类传入指针。VR-Vantage最主要的显示机制是基于DisplayEngine(显示引擎)，在API类中的体现即是DtDe类，主要负责配置、管理和控制三维场景显示，该类聚合了很多具体控制的类。DtDeInitializer类负责显示引擎的初始化，初始化时需要配置好软件的观察者，由DtObserver类负责。DtDeConfiguration类，负责配置显示引擎的window(窗口)和channel(通道)，每一个DisplayEngine(显示引擎)可以拥有多个显示窗口，每一个显示窗口可以拥有多个显示频道，DtDisplay类保存了显示引擎的配置。DtDriverManager类主要负责管理VR-Vantage的各个驱动，主要包括输入驱动，场景驱动和实体驱动。

DtAgentManager类主要负责管理分布式场景物体的框架，包括场景物体和驱动控制时的更新^[9]。

基于VR-Vantage的API(Application Program Interface，应用程序接口)进行二次开发的模式有两种，一种是在原有VR-Vantage应用程序基础上建立新的应用程序，使用DtVrvApplication类进行开发即可，不需要另外创建DisplayEngine(显示引擎)和DtPluginManager，显示界面即是VR-Vantage原有界面；另一种是调用VR-Vantage的API和功能函数，将VR-Vantage的功能嵌入到另一个更大的应用程序中，界面风格和其他功能可自己开发。

为了建立适用于HIT-TENA体系结构的三维场景显示软件，本实施例调用VR-Vantage软件工具包，基于Qt平台，采用第二种嵌入式窗口开发模式，将VR-Vantage显示界面及驱动模块嵌入到三维场景显示软件应用程序中。使用UML(Unified ModelingLanguage，统一建模语言)语言对软件进行了设计，类图如图5所示。

1显示工程主窗口类：该类为软件的入口，用于对整个显示软件的操作，包括新建、保存、关闭及打开显示工程，加载地形文件等。负责初始化显示引擎，建立应用程序界面及界面上工具栏等操作的响应函数，负责获取试验方案类和模型定义类保存的试验资源信息和三维模型信息等，负责与HIT-TENA中间件进行数据交互，接收HIT-TENA中间件数据并进行处理分发。

2试验方案类：软件需要加载并解析资源应用集成开发环境运行平台的试验方案文件，解析出试验资源信息及对象模型信息，因此定义了试验方案类。该类负责解析三维场景显示软件加载的试验方案文件，并将解析出的试验资源信息和对象模型信息保存到QMap中。

3模型定义类：VR-Vantage中的三维实体模型以及交互反应模型等在软件中保存为XML格式的文件，文件中记录了实体模型的名称及各个仿真元素的定义等，因此定义模型定义类。该类负责解析出实体模型及交互反应模型名称，并保存到QMap中，便于查询和引用。试验方案类和模型定义类聚合在主窗口类中。

4模型数据驱动类：该类是重新编写的类，继承自VR-Vantage中的DtDriver抽象类，聚合了DtEntityFacade类，负责实例化实体并驱动实体，DtEntityFacade类负责设置实体位置姿态等信息。DtDriver抽象类的工作机制是开启Driver之后，按照内部定时器，执行onTick()函数，直到停止Driver。因此重写可重载函数onTick()，在函数内部调用DtEntityFacade类函数，设置实体位置姿态等信息。在与HIT-TENA中间件相连并运行显示工程时，开启模型驱动类，执行onTick()函数，直到停止运行显示工程时停止模型驱动类，完成实时接收HIT-TENA中间件数据并更新实体信息。需要注意的是在onTick()函数中功能不能过于复杂，会导致延迟。

5添加参试试验资源窗口类：该类负责用户选择并添加试验方案中需要显示的试验资源参与显示工程，包括单选、全选、删除等操作。

6模型与试验资源关联窗口类：该类负责用户给参试试验资源指定三维实体模型，并保存试验资源与模型对应表。

7SDO模型关联窗口类：该类负责用户将试验资源发布的SDO信息与三维实体模型的属性信息进行关联，并保存数据关联表。

2.2应用流程

三维场景显示软件新建显示工程并运行的序列图如图6所示。

1开启三维场景显示软件，新建显示工程；

2加载试验地形文件，选择需要显示的试验方案文件；

3选择需要显示的试验资源，给试验资源分配相应的显示的三维实体模型；

4配置模型初始位置、姿态及是否需要坐标转换等信息，将三维模型的属性订购试验资源发布的数据，保存显示工程；

5打开HIT-TENA中间件及资源应用集成开发环境运行平台；

6运行平台创建试验系统，运行三维场景显示软件加载的试验方案文件；

7三维场景显示软件运行显示工程，接收数据驱动地形文件上三维实体模型的运动，用户可以随时切换视角、平移缩放场景以及设置战场的雨雪等自然环境；

8停止运行显示工程，停止运行试验方案文件。

主要界面设计

三维场景显示软件主界面，上方为菜单栏及工具栏，中间部分窗口为VR-Vantage显示窗口，左侧显示添加的试验资源及三维实体模型信息，下方实时显示运行过程中实体模型的位置、姿态等信息。图8为模型初始信息设置界面，图9为环境效应设置界面。

软件测试

搭建测试系统虚拟雷达制导导弹、虚拟舰船及电磁波传输效应三个试验资源组成试验方案文件，分布在三个节点上，通过中间件进行通信，三维场景显示软件对该试验方案文件进行显示。

开启资源应用集成开发环境运行平台及中间件，运行三维场景显示软件加载的试验方案文件，三维场景显示软件运行显示工程。图11为显示工程运行界面，选择两个试验资源，并配置了三维实体模型在左侧显示，中间窗口为VR-Vantage显示窗口，加载了地球的地形文件，此时观察者的模式为漫游模式，即视角不变物体运动；图10为在左侧右键单击第一个实体进行视角跟随，此时的观察者视角跟随第一个实体运动，图7为实现场景的缩放及平移。

结论

主要完成了基于VR-Vantage的HIT-TENA虚拟试验场景三维场景显示软件的需求分析及设计，并利用VR-Vantage实现了三维场景显示软件，对开发过程中的重点难点接口等关键技术做了详细介绍。三维场景显示软件实现了场景和实体的显示驱动，实现了与资源应用集成开发环境运行平台及HIT-TENA中间件的相连，并且运行良好。在显示系统中，仿真还需要其他大量的工作，真实实体模型和场景的建模将是一个技术难点，还有待研究。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示系统，其特征在于，该系统包括：

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的通信及数据处理模块；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的三维模型模块；其中，三维场景数据包括地形数据和场景数据；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的视景仿真驱动模块。

2.基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法，其特征在于，该方法包括：

用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤；

用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的步骤；其中，三维场景数据包括地形数据和场景数据；

用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤。

3.根据权利要求2所述基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法，其特征在于：所述用于从HIT-TENA中间件和输入设备中获取及处理数据的步骤具体为：

一、通过HIT-TENA中间件接口接收运行平台发出的，通过HIT-TENA中间件传送来数据；其中，传送来的数据为实体的位置、姿态或环境参数数据；

二、接收输入设备发出的数据；其中，数据包括场景缩放和视点移动数据；

三、进行数据处理，将步骤一中从HIT-TENA中间件获取的实体的位置或姿态数据变换成虚拟场景中相关三维实体模型的位置与姿态数据，将步骤一中从HIT-TENA中间件获取的环境参数转换成虚拟场景中的天气参数，将从步骤二中输入设备获取的视场控制数据转换成场景缩放、视点移动的数据。

4.根据权利要求3所述基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法，其特征在于：所述用于构建符合VR-Vantage格式的三维场景数据以及三维实体模型，并将三维实体模型以文件的形式存储在VR-Vantage三维视景数据库中的步骤具体为：

(1)、利用VR-Vantage提供可直接调用的三维实体模型；

(2)、在开发过程中，解析并加载VR-Vantage提供的三维实体模型，并将三维实体模型定义为文件；其中，定义的文件具体包括地形文件和场景文件；

(3)、将步骤(2)定义的文件存储在VR-Vantage三维视景数据库中。

5.根据权利要求4所述基于VR-Vantage的HIT-TENA三维试验场景显示方法，其特征在于：所述用于将从接收到并处理后的数据驱动三维实体模型进行实时更新状态、更新环境特殊效果渲染、视场缩放以及视角移动的步骤具体为：

1)、选择需要显示的试验方案文件并保存试验方案文件中的试验资源信息及对象模型信息的加载试验场景子程序；

2)、选择合适的或已建立好的地形文件，选择试验方案文件中需要显示的试验资源信息并配置三维实体模型的三维模型程序；其中，配置三维实体模型的信息为初始位置姿态信息、坐标转换信息、尾焰信息或者爆炸效果信息；

3)、设置显示三维实体模型与试验资源信息间的数据关联接收数据的数据关联程序；

4)、设置环境效应包括雨雪信息的环境效应程序。