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基于虚幻4引擎的试验态势三维交互演示系统

中国科技纵横 / 2018年10月25日 22:55

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张斌 刘炼

摘 要:为解决目前指挥显示系统在试验过程中环境表现不够自然真实的情况,提出了利用最先进的三维虚拟现实技术来制作交互演示系统的方法,以此提高指挥显示系统的表现效果。本项目依托业内领先的虚幻4三维显示引擎,使用精细三维模型,生成超大三维地形,制作爆破等粒子特效。通过该引擎的蓝图脚本实现装备展示选定、态势展示等功能。应用结果表明,系统人机交互性能优良,程序运行流畅可靠,极大提高了试验态势交互演示的可视化水平。

关键词:虚幻4;三维仿真;交互演示

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)10-0027-03

进行飞行试验之前,指挥员和参试各方需要及时全面的了解掌握试验概况、兵力装备部署、航区设定、航路规划等情况。这类试验信息通常是以文档或幻灯片的形式提供,而本文所设计的基于虚幻4引擎的试验态势三维交互演示系统可以有效弥补纸质形式存在的不足,帮助指挥员和参试各方快速掌握和理解试验信息并进行决策。虚幻4三维显示引擎的光照和物理渲染系统都处于领先地位,可以打造非常逼真的画面,特别是虚幻4独有的蓝图系统(Blueprints),提供直观明了的编辑界面,这种图形化的编程方式与完全使用代码相比,在开发效率上具有比较大的优势,本系统的功能就完全采用蓝图方式实现。

1 系统目标及功能设计

飞行器试验态势交互演示系统的目标是基于虚幻4平台,综合采用MAYA、World Machine、Substance等软件,生成与试验区域对应的地形模型,导入发射平台、飞行器、靶船、测控设备等模型,构建与真实试验场景对应的三维虚拟空间,为参试人员提供多视角、全方位的试验任务态势展现,为指挥决策提供更直观逼真的判断依据。具体来说,应当包括如下主要功能:

1.1 参试装备三维交互显示

对被试飞行器和主要参试装备建立可交互的高精度三维模型,可以360度全方位观察装备关键部位,并根据需要动画展示装备各构件的装配关系。

1.2 试验航区三维交互显示

在虚拟三维空间中,通过读取配置数据文件或者手动输入装订的方式,绘制试验航区及规划的航路点,并可以漫游观察虚拟试验场景。

1.3 测控方案三维交互显示

对地面大型测控设备的分布进行交互式配置及显示,通过调整测控设备的部署,展示不同测控设备的作用距离,可以对测控方案的实施效果进行仿真演示。

1.4 飞行器飞行过程三维交互显示

采用三维实时渲染技术,在三维空间中对飞行器试验过程进行全弹道全过程显示,重点展示飞行器发射及命中目标阶段的动画特效。

根据上述对系统功能的需求分析,综合运用多种三维技术领域内的常用软件,分别完成超大地形生成、装备模型构建、粒子特效制作、UI界面设计等步骤,然后以虚幻4引擎作为集成平臺,导入制作好的各类模型,应用蓝图系统实现系统功能,得到最终产品。

2 系统开发的关键技术

2.1 超大地形建模

地形的建立一直是虚拟现实领域的一道难题。无论是绘制虚构地形还是绘制现实中客观存在的地形,一般的作法是在虚拟现实引擎中,或是在Photoshop等绘图软件中,用笔刷进行地形的绘制,这是一项非常艰巨的工程,不仅工作量巨大,还要求操作人员有非常深厚的美术功底。否则画出的地形纹理细节与真实地形相比差别过大,而导致场景不真实。为了快速绘制出纹理细节丰富而真实的地形,本系统设计了一种基于DEM数据,使用World Machine制作高度图,然后将高度图导入虚幻4引擎中生成最终地形的方法。

2.1.1 获得数字高程模型

数字高程模型,英文名为DEM(Digital Elevation Matrix),是一定范围内规则网格点的平面坐标(X,Y)及其高程(Z)的数据集,它主要描述区域地貌形态的空间分布,通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测),然后进行数据内插而形成的。由于DEM描述的是地面高程信息,它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。

本系统使用的DEM数据来源于地理空间数据云。地理空间数据云平台由中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心开发,面向科研活动的实际需求,通过国际交流合作,引进当今国际上权威的科学数据资源,实现数据资源的集中镜像服务。地理空间数据云平台还提供互联网免费下载服务,经过项目验证,其数据精度满足需求。

2.1.2 World Machine制作高度图

图1所示,World Machine是一个程序化的地形编辑工具。可以通过节点编辑工具生成任意状态的地形。并且可以输出网络模型、贴图颜色、高度图等信息。相比ZBrush,Maya等软件,有绘制速度快,可调参数灵活的优点,是目前制作地形纹理的首选工具。使用时需要注意,在高度图文件的输出选项中,一定要选用高精度的16位贴图。虽然虚幻4引擎推荐使用RAW16格式的图像作为高度图的默认格式,但在项目的制作过程我们发现,用PNG图像也一样能够达到良好的显示效果,并且支持更多的读取方式,所以经过测试,我们选用PNG格式作为我们项目高度图的通用格式。

2.1.3 虚幻4引擎世界构成器

因为计算机内存和CPU等硬件资源受限的原因,加载管理超大地形比较困难,通常的方法是将整个地形拆分成若干个小的区块,当游戏角色在场景中漫游时,按照设置的视野距离,动态加载角色可见的几个区块,当角色离开时,卸载相关的区块。这样既不影响用户的漫游体验,也避免了一次加载过大地形造成的硬件资源压力。在虚幻4引擎中,将这样的区块划分技术称为关卡流,并且设计了世界构成器,用来管理各个关卡。使用世界构成器时,将之前得到的共16张PNG格式的高度图文件存放在一个目录下,然后在虚幻4引擎关卡构建菜单中选择该目录,软件会扫描该目录下所有符合要求的文件,自动生成16个子关卡。

2.2 粒子特效

火焰、爆炸等效果在各类仿真项目中,均有非常多的应用。尤其是军事类的仿真项目中,更是会用到大量火焰的效果。在传统CG项目中,火焰的制作是通过Maya中的nParticle等仿真软件进行解算,最后再通过Mental Ray等渲染软件进行最终效果输出,这种方式画质的效果虽好,但系统解算压力很大,并且无法实时运算。虚幻4引擎独创的级联粒子系统编辑器提供了创建精细复杂的火焰、烟雾、雪、尘土、泥土、碎石等所需的工具.其强大的渲染效果和逼真的特效使得设计者能创建出无与伦比的效果。粒子系统由多个发射器组成,每个发射器包括多个模块,可以根据需求添加和删除模块。每个发射器发射特定的粒子,多个发射器共同发射不同属性粒子组成一个完整的粒子系统。可以通过这种级联的方式,合理组合不同素材,达到接近真实火焰的显示效果。使用虚幻4引擎粒子系统创建的火焰特效图2所示。

3 系统功能的实现

使用虚幻4引擎制作项目通常来讲遵循如下工作流程:创建场景地形,加入天空,光照等环境元素,然后添加必要的角色物体模型,就本系统而言,包括飞行器、各种装备等,最后使用蓝图系统编写交互逻辑功能。虚幻4引擎生成的程序以关卡为基本单元,关卡相当于一个大场景,可以在其中添加各种各样的游戲对象,称为角色。对应关卡和角色分别有两种类型的蓝图,即关卡蓝图和类蓝图,关卡蓝图负责管理关卡动态切换,并可以和放置在关卡中的类蓝图进行交互,比如读取和设置变量、触发自定义事件等。类蓝图的本质是将角色抽象为具有特定属性和方法的对象,非常适合于制作可交互式的资源,根据需要,本系统创建了飞行器类、导航点类、雷达类、靶船类等类蓝图。其中针对飞行器可能存在多种型号的情况,抽象出通用功能,创建飞行器基类,主要包括以下几种功能:

(1)发射装订初始化:完成变量初始化,事件注册,导航点更新。(2)飞行计时:发射起飞后开始计时。(3)飞行器自身速度、姿态更新:根据飞行器不同的飞行阶段和导航点信息,改变飞行器的东北天速和俯仰角、偏航角、滚转角。(4)弹道更新:根据飞行器自身速度、姿态改变弹道。(5)飞行时序:根据飞行计时发出各种弹上指令。

以姿态更新功能为例,定义三个输入变量俯仰角、偏航角、滚转角,然后调用Make Rotator节点生成姿值,作为SetActorRotation节点的输入,就可以创建姿态更新模块的蓝图代码。姿态控制所需的部份蓝图图3所示。

按照相似的流程创建其它功能的蓝图代码,从而得到完整的飞行器基类。根据具体型号的差异,通过调整基类的属性值,可以派生出不同的飞行器类,然后以拖放的形式放入关卡中,就会生成飞行器类的实例。导航点类、雷达类、靶船类的创建过程也类似。在关卡蓝图中,可以编写事件调度机的调用脚本,通过预先设定的按键、触发器或时间延时调用类蓝图的时序动作或特效。在调用的同时给相关变量赋值,达到控制角色运动状态和其它属性的目的,从而实现系统的主要功能。

4 结语

本系统采用功能强大的虚幻4引擎作为集成开发平台,实现对飞行器试验任务综合态势信息的分层表现、空间表现和立体表现,系统以多角度、多方位、动态展示飞行器试验全过程,全面展示了包括试验环境、发射平台等诸多要素,相比文档形式而言,以三维可视化的方式呈现试验态势,具有直观逼真,快速高效等优点,为试验指挥人员的决策提供有力的技术支持,系统技术方案创新性强,在某飞行试验中实际应用结果良好。

参考文献

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[2]陈海波,郑健,费瑞轶,陈锦华.虚拟现实技术在电力系统中的典型应用[J].电网与清洁能源,2016,(2):20-25.

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[4]李可心,刘尚辉.虚拟现实技术在医学领域的研究进展[J].电子世界,2016,(12):66.

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