[发明专利]一种基于三维运动视景的仿真系统设计与实现方法

说明书

技术领域

本发明属于三维运动视景技术领域，其利用信号处理、计算机辅助设计技术、视景仿真技术和计算机仿真技术等实现仿真多种船舶和飞行器目标在不同风向、风速等级和不同运行状态时的三维视景动画，仿真的视景动画效果能够直观且真实地反映设定的仿真参数对船舶和飞行器目标运动状态的影响，本发明涉及一种基于三维运动视景的仿真系统设计与实现方法。

背景技术

传统的雷达仿真方法分析手段较为抽象，对于繁杂的数学公式和大量的数据，除了专业人员了解其真实情况外，一般的训练人员和决策者难以迅速准确地做出判断。李震,李积德,王庆.舰船三维运动视景仿真系统的设计[J].哈尔滨工程大学学报,2003,24(1):9-13.

随着计算机硬件和计算机图形学的发展,科学计算可视化已成为一门独立的新兴学科。特别地,视景仿真技术以其灵活、通用、高效和低成本等特点在多领域得到了广泛应用。康凤举.舰船仿真技术发展综述[J].舰船电子工程,2004,24(1):9-11.

针对传统雷达仿真方法存在的问题，利用视景仿真技术建立具有真实物理属性的三维真实研究分析环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而为系统研究人员、雷达训练人员和决策分析人员创造一个共享的视听环境，用共同的语言来研究、分析和探讨问题，使整个仿真过程变得看得见和听得到，使结果变得更加真实、可信。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是建立具有真实物理属性的三维真实研究分析环境，使系统研究人员、雷达训练人员和决策分析人员对整个仿真过程既有抽象的理性的定量分析，又有形象的感性的定性分析。

本发明能够仿真出适用于船舶航行水域环境和飞行器航行的天空环境下的三维运动视景动画，根据设定的船舶和飞行器目标的名称、类型、持续时间、经度、高度、纬度、俯仰角、偏航角、翻滚角、速度以及风向、风速等仿真数据，生成对应的船舶和飞行器目标在设定的水域和天空环境按既定的运动参数进行相应的状态更新画面。

本发明的技术方案：

为了实现基于三维运动视景的仿真系统设计，首先建立一个基于MFC单文档的OpenGL仿真系统框架；然后建立由采用OpenGL纹理贴图方法绘制的地物模块(树、山等)、天空模块、海洋模块和光照模块组成的环境系统；同时建立坐标系统；再将利用计算机辅助设计技术生成的船舶和飞行器目标的三维模型载入构建好的程序框架中；并通过实时通讯，读取外部的驱动数据，实现目标的状态更新；建立的视角转换系统，可通过键盘交互，实现不同的观测效果；最后利用OpenGL双缓存技术实现平滑的动画，通过数据显示系统显示目标信息。

本发明采用的技术方案如下：

第一步：建立OpenGL仿真系统框架

在操作系统下,建立一个基于MFC单文档的OpenGL图形程序框架，具体步骤为：

1.1利用“MFC应用程序”选择“应用程序类型：单个文档”创建基于MFC单文档的工程；

1.2在已创建好的工程中添加OpenGL库文件和头文件，完成初始化设置；

1.3调用OpenGL相关命令进行图形绘制；

1.4退出OpenGL绘图窗口，同时释放OpenGL绘制描述表和Windows设备描述表。

第二步：建立环境系统模型

环境系统包括地物模块(树、山等)、天空模块、海洋模块和光照模块。各模块采用OpenGL的纹理贴图方法进行绘制，即通过读取外部的图像文件，采用纹理映射的方法进行贴图。在海洋模块中，为接近真实效果的海水起伏以及海面明暗变化，运用基于快速傅里叶变换生成动态的海面高度场，其中，海面的高度被看成一个由位置X＝(x,z)和时间t组成的随机变量h(X,t)，与海浪谱相关且满足本仿真方法采用Phillips海浪谱，将海面高度场存入到顶点纹理中，同时采用多块网格无缝拼接形成无限海面，然后通过取顶点纹理的值对网格进行扰动，实现动态的海面效果。

第三步：建立坐标系统

本仿真系统在数据结构和程序实现上需建立一个窗口二维坐标系和两个三维坐标系，两个三维坐标系为OpenGL坐标系及目标坐标系。

第四步：建立目标系统

4.1建立船舶和飞行器目标的三维模型：搜集关于所建模型的几何结构信息，通过相关专业杂志和网络资源提供的设计图以及现场实拍的真实图片，根据所获取的目标模型的具体信息，利用3DS Max建模工具按比例绘制出真实模型并加以纹理贴图和光照效果的渲染；