CN106373180A - 一种飞行模拟器态势渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行模拟器态势渲染方法，基于OSG实现，其至少包括对地形模块进行渲染，具体包括：A1.解算遥感影像数据和数字高程模型数据两种原始数据，并制成数据库；A2.以预定的帧周期加载数据库，并利用顶点着色器对每一个顶点进行着色；A3.着色完成后，通过OSG渲染生成适用于指挥控制特效地形数据库。本发明具有功能丰富的特点。

Description

一种飞行模拟器态势渲染方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，更具体地说，它涉及一种飞行模拟器态势渲染方法。

背景技术

随着计算机图形学和虚拟技术的飞速发展，图形图像的逼真度越来越高，目前在飞行仿真领域，态势仿真相关技术也得到了相应的发展，然而市场上的态势仿真软件模拟了一些基本的功能，与用户的真正需求和关注点还存在较大的差异，主要情况如下：

1.一些软件的地形模块仅仅采用飞行员视角的数据库，采用了直接渲染静态数据库的算法，此算法渲染的数据库并不适用于指挥控制；

2.一些软件的天空模块采用天空盒技术进行模拟，只是应用对几个典型的时间点进行仿真的算法，不支持天空实时渲染；

3.一些软件的特效模块只模拟示意特效，此方法没有对雷达扫描方向、范围、武器威慑范围、发射波束、通视线等方面进行渲染。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种飞行模拟器态势渲染方法，基于OSG实现，具有功能丰富的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种飞行模拟器态势渲染方法，基于OSG实现，其至少包括对地形模块进行渲染，具体包括：

A1.解算遥感影像数据和数字高程模型数据两种原始数据，并制成数据库；

A2.以预定的帧周期加载数据库，并利用顶点着色器对每一个顶点进行着色；

A3.着色完成后，通过OSG渲染生成适用于指挥控制特效地形数据库。

进一步的，步骤A2具体包括：

a1.使用视图逆矩阵和模型视图矩阵的点积来获取模型矩阵；

a2.在顶点着色器中根据获取到的每个顶点的坐标，通过模型矩阵和顶点的位置之积获取到顶点的世界坐标；

a3.将世界坐标系下的顶点坐标转换成经纬高坐标系下的坐标；

a4.根据顶点的经纬度信息和高度信息对地形进行着色。

3、根据权利要求1所述的飞行模拟器态势渲染方法，其特征是，步骤A3具体包括：通过遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

进一步的，还包括对天空模块进行渲染，具体包括：

B1.利用顶点着色器和像素着色器计算大气密度因子、瑞利散射、米氏散射以及天空颜色；

B2.遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，以及遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

进一步的，还包括对特效模块进行渲染，具体包括：

C1.绘制球体和圆体；

C2.通过改变球体绘制的球体半径、垂直角和水平角，来模拟雷达扫描方向、范围、武器威慑范围；以及通过改变圆体的圆半径、圆法线向量、圆坐标来模拟发射波束、通视线。

与现有技术相比，本发明的优点是：通过以上技术方案，首先，通过对地形数据库的渲染，使其能够适用于指挥控制；其次，实现了对天空模块的渲染，使得模拟效果更加逼真；最后，通过绘制球体和圆体，进而得以实现雷达扫描方向、范围、武器威慑范围、发射波束、通视线等方面进行渲染。

附图说明

图1为本发明中地形模块的设计流程图；

图2为本发明中文件管理的算法逻辑；

图3为本发明中天空模块的设计流程图；

图4为本发明中特效模块的设计的流程图；

图5为本发明中球体模型的示意图；

图6为本发明中球形表面展开展开图；

图7为本发明中圆体模型的示意图；

图8为本发明中圆体模型的三角形网格分割图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

地形模块的设计方法是：首先将遥感影像数据和数字高程数据进行分类，其次利用VPB将源数据制作成为数据库，再次采用文件管理功能加载数据库，接着在顶点着色器内获取各顶点的经度、纬度，然后结合各顶点的高度信息进行着色，最后通过OSG渲染生成可适用于指挥控制特效地形数据库。

图1示出了地形模块的设计流程图，飞行模拟仿真领域图形图像渲染按照帧率进行迭代，通常以60Hz为帧周期进行计算，因此实现从数据帧开始；针对数据库制作，通常采用的遥感影像数据的格式为GeoTiff和数字高程数据的格式为USGS DEM，这两种都带有真实的坐标信息，利用vpbmaster解算原始数据，通过设置-t代表要解算的影像数据，-d代表要解算的高程数据，同时还需设置投影和坐标方式，分割密度和输出文件来进行，如下所示：

vpbmaster-t*.GIF-d*.GIF--geocentric--split 4-1 24-o*.ive文件管理采用数据文件管理机制来处理各类格式的数据文件，然后由此类格式的场景渲染(SceneView)和数据库调度(DatabasePager)功能模块来解算，算法逻辑如图2所示；顶点着色器是基于GPU来处理，在顶点着色器中根据获取到的每个顶点的坐标，使用模型矩阵将顶点转换到世界坐标系，在这个转换过程中需要用到模型矩阵，但是着色器中没有单独的模型矩阵，这时需要使用视图逆矩阵和模型视图矩阵的点积来获取模型矩阵，然后通过模型矩阵和顶点的位置之积获取到顶点的世界坐标；此时的顶点坐标是不能用于伪地形计算的，需要将世界坐标系下的顶点坐标转换成经纬高坐标系下的坐标；根据顶点的经纬度信息和高度信息可以对地形进行着色，根据一定的经度和纬度间隔对顶点着色，比如，以5度网格为例，经度或者纬度为5的倍数的顶点颜色设置为白色，否则设置为黄色；为了使地形效果更好，在此基础上根据顶点的高度信息设置不同深度的黄色；最后通过遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

天空模块的设计方法是，基于大气散射中的瑞利散射、米氏散射模型，考虑到大气密度随高度成指数变化的影响，考虑多重散射的影响，最后采用基于GPU的顶点着手器和像素着色器进行渲染。

天空模块的设计流程图如图3所示：

大气密度因子计算：大气的密度受到高度的影响，当光线从上层传播到地面时，我们需要沿着光线传播的方向以一定的间距进行采样大气的密度，经过研究分析，很多学者假定大气密度因子随高度以指数的形式进行下降，如下等式：其中h是当前的高度，H_R是均质大气高度(H_R＝8km)。

瑞利散射计算：由于体渲染的物理模型中衰减因子包含散射因子和吸收因子，但大气散射模型建立时以散射因子为主，吸收因子几乎可以忽略不计，因此瑞利射等式如下：

米氏散射计算：米氏散射被一些体积较大的浮粒引起，如尘埃等，他散射所有波长的光线。在薄雾的天气，米氏散射导致天空看起来像灰白色，同时导致太阳周围看起来有白色的光环。通常由于大气密度随高度变化而发生变化，米氏衰减因子大约散射因子的1.1，则米氏散射等式如下：其中g是控制传播介质的影响因子，通常取值为0.75。

天空颜色计算：从眼点Pc观察到天空某点Pa的颜色为光线传输因子与光照强度之积的积分，主要等式如下：最后在顶点着色器和像素着色器内对瑞利散射和米氏散射，以及天空颜色进行计算，通过遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，以及遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

特效模块的设计方法主要是：绘制球体和圆体；然后通过改变球体绘制的球体半径、垂直角和水平角，来模拟雷达扫描方向、范围、武器威慑范围；以及通过改变圆体的圆半径、圆法线向量、圆坐标来模拟发射波束、通视线。

特效模块的设计流程图参照图4。

球体绘制：

球体模型可有许多三角形形成，如图5所示，对应于球上任意一点P的坐标可用通过球形坐标来表示(用半径r，垂直角和水平角表示)公式为

Px＝r*sinθ*cosα；

Py＝r*cosθ；

Pz＝r*sinθ*sinα；

若将球面展开，皆可以得到球面上的各点的垂直角和水平角其中Δα＝2π/m，Δθ＝π/n，因而绘制球体图形首先定义全局设备、球心坐标、球体半径，球体在水平方向的分块数目和在垂直方向的分块数目、球体网格中的三角形索引，其中计算网格中每个节点坐标是通过球心坐标、半径、垂直角和水平角来计算；通过定义索引来绘制三角形网格，划分球形表面展开为如图6所示三角形，然后通过绘制三角形网格来渲染球体。

圆体绘制：

在空间中绘制一个圆，要确定该图形的尺寸、位置空间，必须已知至少三个参数，即圆心坐标、半径、圆的法线方向(或其他间接转换为圆所在平面的法线方向)，首先将圆心移动到坐标原点，对于原始任意一点P，它可以通过对向量OP绕轴OO’旋转角度即可，而向量OP垂直Z轴且向量OR方向，其中轴OO’为圆的法线方向，向量OR为长度为r，向量OO’在圆上的投影点，如图7所示：其中角度为轴OO与Y轴的夹角，角度与平面XZ上投影的水平角，所以点R的坐标为：

Rx＝r*cosβ*cosα；

Ry＝r*sinα；

Rz＝r*sinβ*cosα；

参照图8，圆沿切向展开，定义圆半径、圆法线向量、圆坐标、沿切向和径向的分块数量，在顶点时按照先竖向后横向的原则进行节点编号，以索引序号的每个方格为循环单元进行计算；然后通过绘制三角形网格来渲染圆体。

Claims (5)

1.一种飞行模拟器态势渲染方法，基于OSG实现，其至少包括对地形模块进行渲染，具体包括：

A1.解算遥感影像数据和数字高程模型数据两种原始数据，并制成数据库；

A2.以预定的帧周期加载数据库，并利用顶点着色器对每一个顶点进行着色；

A3.着色完成后，通过OSG渲染生成适用于指挥控制特效地形数据库。

2.根据权利要求1所述的飞行模拟器态势渲染方法，其特征是，步骤A2具体包括：

a1.使用视图逆矩阵和模型视图矩阵的点积来获取模型矩阵；

a2.在顶点着色器中根据获取到的每个顶点的坐标，通过模型矩阵和顶点的位置之积获取到顶点的世界坐标；

a3.将世界坐标系下的顶点坐标转换成经纬高坐标系下的坐标；

a4.根据顶点的经纬度信息和高度信息对地形进行着色。

3.根据权利要求1所述的飞行模拟器态势渲染方法，其特征是，步骤A3具体包括：通过遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

4.根据权利要求1所述的飞行模拟器态势渲染方法，其特征是，还包括对天空模块进行渲染，具体包括：

B1.利用顶点着色器和像素着色器计算大气密度因子、瑞利散射、米氏散射以及天空颜色；

B2.遍历所有的渲染器，执行场景筛选的操作，以及遍历所有的图形设备来实现场景绘制的操作。

5.根据权利要求1所述的飞行模拟器态势渲染方法，其特征是，还包括对特效模块进行渲染，具体包括：

C1.绘制球体和圆体；

C2.通过改变球体绘制的球体半径、垂直角和水平角，来模拟雷达扫描方向、范围、武器威慑范围；以及通过改变圆体的圆半径、圆法线向量、圆坐标来模拟发射波束、通视线。