摘要:本文給出了一個基于HLA的三維視景仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的方法，具體描述了系統(tǒng)設計要求、體系結(jié)構(gòu)、以及與其它仿真系統(tǒng)的HLA接口。

關(guān)鍵詞:HLA;三維視景仿真系統(tǒng):SOM;分布交互式仿真

1系統(tǒng)應用需求

    三維視景仿真可以很好地應用于軍事、公安、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)，城市規(guī)劃和設計領域等領域。在軍事領域可以用于三維地形仿真、電子沙盤、支持精確制導武器的地形匹配:可以用于戰(zhàn)場分析，進行戰(zhàn)場地形各類作戰(zhàn)計算，如通行、通視、制高點分析;用于模擬訓練，可以實現(xiàn)實時立體的戰(zhàn)場態(tài)勢顯示，并可形象展示火力打擊效果等。在公安領域可以用于建立3D城市交通網(wǎng)和3D城市消防系統(tǒng)，支持對交通和消防的有效管理。在水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)方面，可以利用三維可視化技術(shù)對水情、作物生長等進行分析或進行洪水淹沒分析。在城市規(guī)劃和設計方面，可以利用構(gòu)建的虛擬城市進行分析與研究，避免因考慮不足而帶來難以挽回的損失。

    基于HLA的三維視景仿真能夠很好地應用于網(wǎng)絡環(huán)境。隨著計算機網(wǎng)絡的廣泛應用，三維視景仿真需要對網(wǎng)絡環(huán)境有很好的支持。在作戰(zhàn)仿真領域，美國軍方領導下的高層體系結(jié)構(gòu)HLA應運而生。基于HLA的三維視景仿真系統(tǒng)通過對地形、城市、海域等空間對象進行三維建模，在網(wǎng)絡環(huán)境下按照標準接口規(guī)范可以實現(xiàn)可視化的仿真推演，為用戶提供直觀、生動的信息服務。

2系統(tǒng)功能設計

2 .1支持三維視景仿真

開發(fā)的三維視景仿真系統(tǒng)，從設計上能夠滿足對眾多地理空間數(shù)據(jù)格式和類型的支持，對大地形能夠進行三維渲染和顯示，具有靈活友好的人機用戶接口，并采用面向?qū)ο蟮腸++程序設計方法，其開發(fā)過程是一個復雜的軟件系統(tǒng)工程。

2采用HLA仿真體系結(jié)構(gòu)

    高層體系結(jié)構(gòu)川.A是新一代仿真系統(tǒng)的標準，本系統(tǒng)也將采用HI.A接口來實現(xiàn)和仿真系統(tǒng)的互連。基于HLA的三維視景仿真系統(tǒng)將設計成整個系統(tǒng)仿真聯(lián)邦中的一個三維可視化顯示的聯(lián)邦成員，以實現(xiàn)互操作與可重用。

2 .3支持對動態(tài)目標的三維顯示和管理

    本系統(tǒng)應基于實時交互的仿真系統(tǒng)。典型情況是在所顯示的大地形上展示整個仿真過程中仿真實體的位置、狀態(tài)，以及仿真實體之間的相互關(guān)系。因此，在系統(tǒng)設計上，系統(tǒng)必須能夠快速、有效地顯示和管理動態(tài)目標，能夠?qū)ΡM可能多的動態(tài)目標提供支持，能夠更加生動表達動態(tài)目標之間的互連關(guān)系等。

3基于HLA的三維視景仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

    為提高各種仿真資源的可重用性及互操作性，美國國防部制定了一個建模和仿真用的公共技術(shù)框架。其中包括一個高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)，一個任務空間概念模型和一個通用數(shù)據(jù)標準，并要求到2002年新建仿真系統(tǒng)均需符合該框架要求，否則不能得到財政支持，也不準使用。因此，我們設計的三維視景仿真系統(tǒng)可作為大型仿真系統(tǒng)的一個聯(lián)邦成員，充當三維觀察器的作用。圖I是一個基于HLA的通用仿真系統(tǒng)的設計思想。

 

通用仿真系統(tǒng)作為一個聯(lián)邦，包含劇情發(fā)生器成員、觀察器成員(包括二維、三維)和其它各仿真成員。劇情發(fā)生器成員用于描述仿真系統(tǒng)的具體實驗活動，它通過基礎數(shù)據(jù)庫為其它各仿真成員(包括觀察器成員提供仿真腳本、仿真環(huán)境等數(shù)據(jù)作為仿真背景，用戶可以自行設置劇情，通過不同的劇情設置，來完成具體的仿真任務。三維觀察器用于監(jiān)控仿真進程，并將各仿真成員的仿真結(jié)果進行形象直觀地顯示，彌補了以往二維觀察器顯示效果的不足。HLA接口規(guī)范以服務的方式定義了聯(lián)邦中聯(lián)邦成員進行信息交互的方式，包括可調(diào)用的服務和應提供的回調(diào)服務，分為聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、所有權(quán)管理、時間管理和數(shù)據(jù)分布管理六類服務。RTI是HLA接口規(guī)范的具體實現(xiàn)，它是聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員進行交互的基礎。

4三維視景仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計

    系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。基于分布交互式仿真的三維可視化平臺對上支持各種具體應用的仿真系統(tǒng)，對下主要由五部分支撐。第一部分是三維可視化支持庫，分別由OpenGL和Microsoft Window窗口系統(tǒng)組成，建立在PC機圖形硬件的基礎之上，是系統(tǒng)的主要部分;第二部分是建立在網(wǎng)絡硬件的基礎之上的對分布交互式仿真HI.A的支持; 第三部分是數(shù)據(jù)源，包括地形數(shù)據(jù)和紋理照片等;第四部分是建立的典型三維實體幾何模型庫;第五部分是建立在聲音硬件基礎下的對方體聲效的支特。

 本系統(tǒng)所需的三維幾何模型主要采用微機版的Creator2.5.1和3DNIAX5.0進行開發(fā)，視景仿真系統(tǒng)開發(fā)采用的操作系統(tǒng)平臺為 Windows 2000 Professional，視景仿真軟件平臺采用微機版Vega和OpenGL. HLA接口采用pRTI v1.3，主要實現(xiàn)以下的功能:

l          通過HLA接口接收實體信息，并能根據(jù)反射的屬性值在三維場景中動態(tài)顯示;

l          提供用戶靈活的選項接口，采用Vega的特效模塊和。penGL各種特效來表征實體的狀態(tài)。系統(tǒng)目前提供了數(shù)十種特效來表征各種狀態(tài)，用戶可以自定義各種狀態(tài)對應的特效，這樣用戶在發(fā)送端只需發(fā)送相應的狀態(tài)碼即可。

l          系統(tǒng)采用了我們自行研制開發(fā)的基于微機的大地形管理和調(diào)度方案，解決了在微機大面積地形的處理與圖像逼真度、實時性之間的矛盾。這樣的功能Vega在單處理器的微機上沒有提供。

4.2 HLA接口的設計與實現(xiàn)

4.2.1 HLA接口功能描述

    采用HLA體制的視景仿真系統(tǒng)與通常用于完成漫游、演示等功能的視景仿真系統(tǒng)有很大的區(qū)別。后者對于視景仿真系統(tǒng)出現(xiàn)的實體一般能夠預先確定，只需要將每個實體按預定的行為進行動作。這樣顯然不利于代碼的可重用性，而且難于與其他的仿真系統(tǒng)接口，完成其他仿真系統(tǒng)的三維顯示。而前者則完全作為一個通用的仿真接口，仿真系統(tǒng)只需要按規(guī)定的格式將信息通過 HLA體制傳送給視景仿真系統(tǒng)，視景仿真系統(tǒng)只按接收到的信息加載模型，并根據(jù)用戶的需求進行動作，使之成為一個真正通用三維觀察器。

4.2.2 SOM設計

    SOM設計是聯(lián)邦開發(fā)過程中的重要內(nèi)容之一，具體包括對象類和交互類的設計，實際是確定各個聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)流和控制流。這里重點介紹本系統(tǒng)對象類的設計的方法。

 

 

 從上面可以看出，用戶只需要從該類派生所需要的對象類，在需要顯示時向視景仿真系統(tǒng)注冊實例，并更新其位置信息即可。

 于是我們可以設計一個派生自CObject的顯示對象基類: CBaseObject。該類用于封裝顯示一個模型需要的基本信息，在發(fā)送端只需要將需要進行三維顯示的實體從該類派生即可，這樣在接收端就可以收到所有實體發(fā)送的信息。

 在開發(fā)過程中，通過OMDT工具可以很方便地從S.NI表得到其源代碼，我們只需要添加用戶所需要的方法，如添加模型、查找模型、刪除模型、更新位置等操作。如表2所示。

系統(tǒng)實驗結(jié)果

圖3一圖5所示為系統(tǒng)三維顯示采集的部分圖象。