[发明专利]一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制技术，尤其涉及一种基于OSG的大规模、可实时交互控制海战场景绘制；基于OSG平台下LOD和现代GPU技术结合的粒子系统；OSG场景图中引入osgAudio三维立体声音。

背景技术

由于战争具有很强的实践性，要保持现代的，强大的国防力量和军事实力，就必须保持经常性的军事演习。由于常规的海上训练经费高、周期长、风险大等一系列弊端，同时也不能穷尽其所有的可能及其他不可控的因素，因此世界各国军队求助于仿真技术、虚拟现实等来解决类似的问题，进行虚拟海战模拟。

虚拟海战模拟其最重要的一点就是要创造出一个贴近实战的海战场景训练环境，良好的沉寂感可以使各兵种受训人员都能够在这个环境中得到恰如其分的训练。由于海场景的时空动态特性、受力的复杂性、海面光学效应及巨大的计算量，使得大规模海战场景的模拟绘制一直是一个难点问题。随着GPU技术的快速发展及可编程能力的体现，利用GPU技术来加速海战场景真实感图形的绘制成为一个新的研究热点。

OSG是一个开源（即免费）的基于工业图形标准OpenGL的高层次图形开发接口，而且目前最新的版本全面支持OpenGL和GLSL的功能。通过它，可以更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形应用程序。osgOcean开源项目工程是欧盟联合开发的VEUNS(Virtual Exploration of Under Sites)的一部分，本技术在此基础上引入开源的osgAudio三维立体声音模块，以实现更好的沉寂感。所以在OSG的平台下，结合GPU技术进行大规模海战场景真实感图形的快速绘制是一种有效的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制方法，该方法克服现有技术的不足，降低虚拟海战系统研发周期与成本，实现在普通PC机上即可进行大规模海战场景真实感图形的实时生成、交互控制以及各种声音特效模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于OSG的虚拟海战场真实感图形快速绘制技术，方法步骤为：

(1)在OSG的平台下，建立舰船多维空间信息建模，利用Render To Texture技术建立整个海战场景中舰船行驶的导航图，并实现舰船运动的交互控制，舰炮控制，炮塔的旋转及炮管升降的交互控制，所设计的舰船航迹数据库可以保存舰船的位置，并可按照指定路径及速度航行，用于航行路线及航迹的仿真；

(2)在OSG的平台下，利用自定义的粒子系统，结合LOD技术和现代GPU技术来加速粒子系统的绘制，以实现对舰船起火、战场硝烟、爆炸碎片、炮弹激起的水柱、航迹、雨、雪、闪电等不规则物体的加速绘制；

(3)将osgAudio集成到中三维渲染引擎OSG场景图中，实现在三维虚拟海战场中3D声音的准确定位以及各种3D声音的多种特效。

利用Render To Texture技术建立整个海战场景的导航图，在应用程序上显示一个半透明的实时显示漫游者位置的导航图；利用图形学的图形变换基础和OSG的矩阵变换，实现前进、后退、仰视、俯视、左右旋转、上下高度调整的漫游器，及炮塔的旋转及炮管升降精确控制；建立舰船航迹数据库，利用OSG的场景动画组件实现路径动画。

根据人的视觉特性出发，在视点和所观测物体之间的不同距离设置不同的粒子数量等级，即远处粒子密度比较小，近处比较大；在裁剪空间坐标系下生成粒子坐标，通过透视投影逆变换将其转换为视点坐标系，同时利用现代GPU的Geometry Shader 实现纹理的坐标扩展，即粒子在顶点着色器里面用点的表示方法，在顶点着色器里面完成粒子属性的更新运算，再将其转为矩形表达，最后进入片段着色器里面进行绘制；为了避免粒子在产生时突然出现，到达生命周期时突然消失，采用灰度级的纹理贴图来控制单个粒子的透明度在整个生命周期中逐渐变化，产生淡入淡出的效果。

将osgAudio集成到三维渲染引擎OSG场景图中，实现虚拟海战场中各种战斗实体及雨雪等三维声音动态环绕声，并针对各个特定的声源进行必要的计算，产生各声源的距离衰减及多普勒效应等。

自定义的粒子系统是相对于OSG自带的已经定义的粒子系统而言的，由于后者没有使用Shader编程（本方法用GLSL着色语言编写，因为目前OSG只支持GLSL语言，不支持CG语言，HLSL语言）——使用Shader编程可以实现更高的帧速及真实感。