高速列控系統三維視景子系統設計與實(shí)現

基于三維視景的仿真系統構造了一個(gè)可視化的列車(chē)運行環(huán)境，能夠全程模擬列車(chē)的真實(shí)運行情況，為使用者提供了真實(shí)體驗和方便自然的人機交互，多套仿真系統聯(lián)網(wǎng)可以為列車(chē)運行間隔、閉塞制式、進(jìn)路控制以及列車(chē)運行圖的設計等多方面的研究提供強有力的驗證手段，為我國自主開(kāi)發(fā)CTCS搭建技術(shù)創(chuàng )新平臺有重大意義。

三維視景的構建與驅動(dòng)，比較基本的方法是采用OpenGL實(shí)現[1],其缺點(diǎn)是不能利用高效的建模工具制作的三維模型，所以三維場(chǎng)景逼真度以及場(chǎng)景的大小都受到很大的限制。而MultiGen公司的軟件Creator和Vega提供了完整的、成熟的模型制作、加載以及視景驅動(dòng)功能，所以很多研究者都是用這種方式建立三維視景系統[2,3].但是Creator和Vega是商業(yè)軟件，因此要承擔較高的研究和開(kāi)發(fā)成本。與其它建模軟件，如3 D SMAX(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MAX)相比，Creator建立的模型通用性很弱，只能在MultiGen公司的平臺下使用，并且用Creator建模，在模型精細程度、燈光效果等方面也相差較遠[4].同時(shí)Vega封裝較嚴格，因此在軟件開(kāi)發(fā)自由度以及二次開(kāi)發(fā)上都面臨不少的限制。

OGRE(Objected-Oriented GraphicsRendering Engine)是一個(gè)用C++開(kāi)發(fā)的面向場(chǎng)景、非常靈活的3D引擎，它旨在讓開(kāi)發(fā)人員更容易、更直接的利用硬件加速的3D圖形系統開(kāi)發(fā)應用。因此，本文使用基于OGRE的3D引擎，采用MAX建模，構造了鄭州-西安高速鐵路路線(xiàn)逼真的三維視景系統。

1.大規模地景的加載與顯示

鄭西高速鐵路線(xiàn)的三維視景系統的地理范圍是從鄭州到西安的長(cháng)約五百公里的高速鐵路線(xiàn)，對視景仿真來(lái)說(shuō)，這涉及到大地景的加載與顯示技術(shù)。

列車(chē)駕駛員視點(diǎn)雖然只能沿著(zhù)鐵路線(xiàn)移動(dòng)，但是視點(diǎn)卻一直貼近地面上的景物，因此全部鐵路沿線(xiàn)的模型都需要非常精細。這提出了三個(gè)問(wèn)題：

鐵路沿線(xiàn)模型建模需要非常精細;精細的模型需要占用較大內存，因此需要系統能夠動(dòng)態(tài)加載模型;為了減少內存占用，需要使用大型網(wǎng)格多分辨率技術(shù)。

第一個(gè)問(wèn)題第二節詳細討論。

多分辨率技術(shù)以網(wǎng)格簡(jiǎn)化為基礎，通過(guò)構造原始網(wǎng)格模型的多個(gè)逼近表示，結合硬件資源的繪制能力和繪制誤差選擇最優(yōu)的細節層次(level-of-detail,LOD)進(jìn)行繪制，并在保證繪制速度的前提下盡可能提高繪制質(zhì)量。其涉及內容主要包括：1)多分辨率表示的設計，如LOD的組織和切換;2)多分辨率表示的構建，如按照層次結構自底向上生成所有LOD;3)多分辨率表示的繪制，如根據硬件繪制能力、光照參數和觀(guān)測參數選擇、加載和繪制LOD.

對于地形可視化技術(shù)而言，三維地形數字高程數據(DEM)的合理有效的組織是后續地形簡(jiǎn)化的基礎。隨著(zhù)地形場(chǎng)景范圍的不斷擴大，仿真所用地形數據量不斷激增，這些海量數據已遠遠超過(guò)了計算機的實(shí)時(shí)處理能力，使得地形數據無(wú)法一次性調入內存。為了實(shí)現大規模場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制，需要對數據的組織結構進(jìn)行處理，還要對數據的調度過(guò)程進(jìn)行高效率的管理。因此，如何高效、實(shí)時(shí)的處理、調度數據，同時(shí)保證畫(huà)面幀速率的穩定性成為了亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

在數據組織方面，地形三維可視化場(chǎng)景數據通常采用樹(shù)形結構，利用樹(shù)形結構來(lái)組織數據;在數據存儲方面，由于海量數據不能一次性讀入內存，故需要對數據在外存模式下的訪(fǎng)問(wèn)頻率盡可能低，從而盡可能提高CPU運行效率。海量數據的訪(fǎng)問(wèn)模式應該滿(mǎn)足：在同一區域數據的存儲具有很好的連續性;按照不同的LOD逐層訪(fǎng)問(wèn)，同層或相鄰層的數據應具有良好的局部性;在數據動(dòng)態(tài)調度方面，為解決海量數據與計算機內存容量之間的矛盾，目前普遍采用的數據調度方法都是基于外存算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

利用多線(xiàn)程和基于外存的方法來(lái)進(jìn)行可見(jiàn)性計算與數據操作，使用基于視點(diǎn)的可見(jiàn)性判斷作為數據預讀取策略，動(dòng)態(tài)加載數據，系統內存緩沖區存儲新近使用的幾何數據。

2.3DS MAX精細建模

對于普通的三維視景建模來(lái)說(shuō)，MAX與Creator都能達到所需要的構建精度要求，但在構建逼真度方面Creator的表現不及MAX.對于高精度模型的構建，Creator除了制作軍事場(chǎng)景和一些復雜人物模型之外，在其他方面極少會(huì )用到，對于制作具有高圓滑度的細節部分，Creator制作起來(lái)也不如MAX的質(zhì)量高。而MAX在這個(gè)方面運用得非常成熟，使用MAX更為流行。它提供很好的工具，比如說(shuō)蒙皮、骨骼等，動(dòng)畫(huà)角色的動(dòng)作、表情等的細膩表達，通過(guò)MAX可以展現得非常逼真。

多重紋理技術(shù)是能夠增強模型渲染逼真度的一個(gè)技術(shù)。三維圖形是由稱(chēng)作立體多邊形的面組合構成的，但為了再現立體表面的花樣和質(zhì)地的感覺(jué)，有時(shí)在多邊形中粘貼稱(chēng)為紋理的圖像。疊合了多個(gè)紋理圖像，一次性地重疊多個(gè)紋理，同時(shí)進(jìn)行繪畫(huà)的方法就是多重紋理。

一次性多重貼圖混合是顯卡等硬件對應才能夠使用的功能，由于可以重疊多個(gè)紋理并同時(shí)繪畫(huà)，所以其速度快，它可以將幾次渲染合為一次來(lái)進(jìn)行，在這個(gè)渲染過(guò)程中， 可以在不同的紋理單元分別放入第1次、第2次、第3次需要渲染的對象。當程序向屏幕繪圖時(shí)，將這些渲染結果疊加起來(lái)，最終結果顯示到屏幕。在硬件不對應的情況下，用軟件進(jìn)行多次重復紋理繪畫(huà)的多重貼圖混合。

3.快速渲染小物體

對于視景仿真系統來(lái)說(shuō)，逼真度是非常重要的一環(huán)，因此，高度復雜的場(chǎng)景就不可缺少，樹(shù)木和草覆蓋在地面上能夠起到很好的效果，這些樹(shù)木和草通常被稱(chēng)作小物體(widget)。

實(shí)際上，用作widget的最有效的模型通常只使用少數幾個(gè)雙面多邊形和單張的紋理。這種簡(jiǎn)單性使我們可以渲染比其他方法多得多的實(shí)例。但是由于樹(shù)和草的數量比較大，現在的硬件可以渲染大量的三角形，但是只有當渲染的單位是有上千個(gè)頂點(diǎn)組成的塊時(shí)才能得到最好的性能表現。這是因為大量的單個(gè)三角形從內存發(fā)送到顯卡需要占用比較大的顯存帶寬，而且由于GPU的處理速度非?？?，就會(huì )造成GPU在等待小物體的頂點(diǎn)數據的情形出現，嚴重影響顯示效率。

一個(gè)高效的解決辦法是，對場(chǎng)景中所有的小物體進(jìn)行合理化分組，隨著(zhù)視點(diǎn)的變化渲染不同分組的小物體。二叉空間劃分法(Binary Space Partitioning,BSP)是一種非常有效的分組方式，使得場(chǎng)景可以是非規則的形狀，而不用花費額外的內存來(lái)存儲空的節點(diǎn)。這種方法遞歸地將空間使用超平面劃分為凸面體集合，引出了借助于稱(chēng)之為BSP樹(shù)的樹(shù)形數據結構的場(chǎng)景表示。二維(稱(chēng)為四元樹(shù)，Quad Tree)和三維(k-d樹(shù))BSP樹(shù)及其變體是計算機圖形學(xué)中使用得十分重要的數據結構。最初，整個(gè)區域被定義為BSP樹(shù)的根;之后，繼續劃分區域，一旦把凹形區域劃分為兩個(gè)凸形區域(在最好情況下)或凹多邊形，命名這些區域，它們成為其父結點(diǎn)的子節點(diǎn)，父結點(diǎn)實(shí)際上代表了整個(gè)區域。

4.系統結構及仿真結果

OGRE是一個(gè)開(kāi)源的三維引擎，這個(gè)類(lèi)庫隱藏了底層系統庫OpenGL和Direct3D的所有細節，提供了一個(gè)基于世界對象和其它直觀(guān)類(lèi)的接口，極大的提高了開(kāi)發(fā)效率。本系統采用了OGRE 1.7.3版本，開(kāi)發(fā)平臺采用Microsoft Visual Studio 2010.硬件平臺采用的是Intel Xeon 2.5GHz CPU,3G RAM,WinFast GTX 460顯示卡，操作系統采用Windows7 Professional.本系統是以鄭州-西安高速客運專(zhuān)線(xiàn)為仿真對象構建的視景系統的顯示效果，列車(chē)運行公里標、速度、進(jìn)路信息以及信號機顯示參數由高速列控實(shí)驗室仿真平臺通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。視景輸出為1280*1024像素，幀速率不低于30fps.

5.結語(yǔ)

基于高速列車(chē)視景仿真不同于飛行仿真的特點(diǎn)，系統需要能夠很好的處理大范圍地景的高逼真度、高精度建模，提供有效的數據結構組織、存儲地景及其紋理數據，當列車(chē)運行的時(shí)候，根據視點(diǎn)的變化，利用多線(xiàn)程技術(shù)高效的索引及加載多分辨率的地形和紋理以及樹(shù)和草等小物體，處理好海量數據加載和畫(huà)面流暢度的矛盾，為高速列車(chē)運行控制系統實(shí)驗室的視景系統的建設提供了有效地解決方案。

另外，系統在設計的時(shí)候把信號機和應答器的模型與數據分開(kāi)處理，軌道道岔和進(jìn)路能夠單獨控制，因此系統擁有良好的可移植性與擴展性，能夠方便的把系統應用到其它高速列車(chē)線(xiàn)路，例如京滬、京哈等線(xiàn)路上，為多條線(xiàn)路、多種型號的高速列車(chē)單獨甚至交叉運行實(shí)驗提供良好的實(shí)驗環(huán)境。