基于Vega的机载SAR场景仿真

摘 要：讨论了采用Vega系列软件对机载合成孔径雷达的工作场景进行实时三维视景仿真,着重分析实时场景渲染的一般过程和Vega应用程序的基本框架。采用LynX操作和Vega的API函数共同开发Vega仿真程序的方法对机载SAR工作场境进行实时三维视景仿真,展示仿真结果――机载SAR工作场境的实时三维视景图。

关键词：Vega;LynX;场景仿真;实时

Scene Simulation for Airborne SAR Based on Vega

TAN Shuting,SHEN Xiaofeng

(Electronic Engineering Institute,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

Abstract：Real-time 3D scene simulation for the environment of airborne Synthetic Aperture Radar (SAR) based on Vega is discussed.The usual process of real-time scene rendering and a typical Vega application is analysed.A method which uses LynX operations and Vega′s API functions to simulate the real-time 3D scene for a airborne SAR is introduced in detail.At last,a figure of 3D scene simulation for airborne SAR is shown.This is valuable to graphic user interface design in the application software of airborne SAR simulation system.

Keywords：Vega;LynX;scene simulation;real-time

オ

1 引 言

随着仿真技术的不断发展,仿真复杂大系统的能力也越来越强,随之而来的是庞大的仿真数据量。为了摆脱这些繁琐枯燥的数据,数据可视化技术诞生了。可视化就是一种用图形或图像来表征数据的计算方法,即利用计算机图形图像技术将一维数据转化为可观察的二维或三维几何表示,从而达到增强人们对抽象信息认知的目的［1］。

在进行SAR仿真时,需要描述的各种数据具有量大、结构复杂、抽象等特点,迫切需要数据可视化技术,令人们能够更直观形象地接受数据信息。本文讨论的机载SAR三维场景仿真,是开发基于HLA的分布式合成孔径雷达仿真应用软件的图形用户界面的重要组成部分,其目的是使用户能够在虚拟环境中体验真实世界,根据需要对虚拟环境中的三维立体模型进行实时的可控制的交互。具体地说,就是用户观察机载SAR工作场境的实时三维视景图,可以了解到机载SAR的工作情况(如SAR平台的运动轨迹,当前雷达的波束范围以及当前波束范围内的地形情况等),根据需要改变参数控制仿真系统运行。

2 视景仿真软件介绍

Creator系列软件是美国Multigen-Paradigm公司针对可视化仿真行业应用特点推出的实时可视化三维建模软件系统,它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库进行产生、编辑和查看［1］。

Vega是美国Multigen-Paradigm公司推出的先进的软件环境,主要用于虚拟现实技术中的实时场景生成、声音仿真及科学计算可视化等领域,它支持快速复杂的视觉仿真程序,能为用户提供一种处理复杂仿真事件的便携手段。Vega包括友好的图形环境界面LynX、完整的C语言应用程序接口API、丰富的相关实用库函数和一批可选的功能模块,能够满足多种特殊的仿真要求［2］。

LynX图形界面的操作可以代替多数创建Vega应用程序必需的API函数,大大简化开发应用程序的过程。LynX还允许在不涉及源代码情况下改变应用程序性能,简单的应用程序仅靠LynX就可以实现。在许多场合,把LynX和Vega的API函数结合起来使用,对创建应用程序非常有效率［5］。

3 实时场景生成原理

3.1 渲染过程

仿真场景由一系列有序的三维模型构成。将三维模型数据库从模型数据到被实时渲染成一帧一帧的画面,要经历应用、剔除和绘制三个主要阶段。

(1) 应用阶段

应用阶段主要主要任务是：更新虚拟场景模型数据库的数据,读取输入设备的控制信息,计算当前视点和模型在虚拟场景中的位置和方向等,并将所有这些必备的数据信息储存为场景图,从而在进入图形通道后进行剔除和绘制处理。

(2) 剔除阶段

剔除阶段遍历场景图,通过判断场景模型元素的边界体是否与观测体相交,来确定场景图中当前可视范围内的模型,然后剔除当前不可见的模型数据。通常,系统会把需要绘制的场景状态信息和渲染指令以显示列表的形式储存在内存中,为绘制场景图做好准备。生成的显示列表是一次性的,即有效期只有一帧,在进入下一帧的渲染循环前即被清除。

(3) 绘制阶段

绘制阶段根据显示列表中储存的场景状态信息和渲染指令,将场景数据库中的相关数据(如模型多边形、纹理等)渲染至帧缓存,进而将场景图像数据绘制到显示终端屏幕的指定位置上(如窗口、通道等),然后进入下一帧的渲染循环。

3.2 应用程序框架

典型的Vega应用程序一般都遵循如图1所示的框架。

Vega应用程序一般可以分为两个阶段,首先是Vega系统的静态描述阶段,然后进入Vega系统的动态循环阶段。静态描述阶段的主要工作是为确保Vega系统的正常运行进行必要的系统配置,包括内存分配、参数设置、Vega类的定义等。动态循环阶段主要负责仿真场景渲染,每循环一次就渲染一帧画面。

4 视景仿真方法

为提高效率,本文采用LynX配置ADF文件,Vega的API函数控制仿真主循环的方法,共同创建视景仿真应用程序。

4.1 仿真场景简述

本文讨论的仿真场景主要包括地形、机载SAR平台、雷达波束和天空。实际上,雷达波束及其照射范围是肉眼不可见的,为了直观地表现雷达平台与雷达波束照射范围之间的关系,用一个半透明圆锥体表示雷达波束,使不可视的雷达波束可视化了。用Creator建模是一项及其繁琐、费时的工作,为提高开发速度,本文尽量采用Vega自带模型文件。上述元素的模型,除了较简单的雷达波束通过Creator建模外,其余均来自Vega自带的模型库。

4.2 使用LynX配置ADF文件

应用程序定义文件(ADF)用来保存Vega应用程序在初始化和运行阶段需要的各种参数信息［3］。Vega应用程序运行离不开ADF文件的支持,因此配置ADF文件成为开发Vega视景仿真程序的重要任务之一。ADF文件配置的主要步骤如下：