最佳實(shí)時(shí)、三維、可交互的視景仿真平臺(tái)
一、 概述
Multigen-Paradigm公司是一家于1998年9月由MultiGen Inc. 和Paradigm Simulation Inc. 合并而成的世界領(lǐng)先的視景仿真技術(shù)公司，它向客戶提供了一整套的視景仿真解決方案。MultiGen公司成立于1986年，主要提供易于使用的視景仿真建模工具。Paradigm 公司成立于1990年，主要提供廣泛應(yīng)用的實(shí)時(shí)視景仿真驅(qū)動(dòng)和聲音仿真的商業(yè)工具。
MPI在視景仿真領(lǐng)域擁有絕對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)， 其交互式、高度自動(dòng)化的可視化數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生器允許開(kāi)發(fā)者看到自己開(kāi)發(fā)的模型，并能夠在真實(shí)的場(chǎng)景中同時(shí)顯示層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和三維圖像，以便建立和編輯目標(biāo)間的關(guān)系。這些產(chǎn)品提供了詳細(xì)的交換信息、精確的層次、幾何有效性和紋理調(diào)整等不同信息。它通過(guò)軟件提高了運(yùn)行的時(shí)間性能，使得在實(shí)時(shí)仿真環(huán)境中能夠加入更多的模型。通過(guò)將易用的工具和高級(jí)建模功能結(jié)合在一起，MPI向客戶提供了快速容易地建立、修改和運(yùn)行復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用的方法； MPI 定義并支持已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景描述數(shù)據(jù)格式OpenFlight，同時(shí)支持大多數(shù)的數(shù)據(jù)格式，而且OpenFlight API 允許開(kāi)發(fā)者對(duì)特殊的需求進(jìn)行定制；MPI的視景仿真建模工具和渲染工具能夠運(yùn)行在多種實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)上。
二、 建模工具——Creator MPI的視景仿真建模工具
Creator是世界上領(lǐng)先的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫(kù)生成系統(tǒng)，它可以用來(lái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)仿真、娛樂(lè)、城市仿真、訓(xùn)練模擬器和計(jì)算可視化等領(lǐng)域的視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行產(chǎn)生、編輯和查看。它區(qū)別于其他建模軟件，主要考慮在滿足實(shí)時(shí)性的前提下如何生成面向?qū)崟r(shí)仿真的、逼真性好的大面積場(chǎng)景。
其強(qiáng)大的建模功能可為眾多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模工具；它的細(xì)節(jié)等級(jí)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級(jí)及二元分離面等高級(jí)實(shí)時(shí)功能使得它提出的OpenFlight格式在實(shí)時(shí)三維視景仿真領(lǐng)域成為最流行的圖像生成格式，并成為視景仿真領(lǐng)域事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它的自動(dòng)化地形和三維人文景觀生成器、道路生成器等眾多強(qiáng)有力的集成選項(xiàng)增強(qiáng)了其特性和功能。
MPI視景仿真建模工具的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenFlight格式，還體現(xiàn)在先進(jìn)的擴(kuò)展性上。它提供了OpenFlight API，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放性和可移植性，使用戶能在其中添加自己開(kāi)發(fā)的工具。
1．實(shí)體建模工具——CreatorPro CreatorPro是功能強(qiáng)大、交互的建模工具，在它所提供的“所見(jiàn)即所得”的建模環(huán)境中，用戶可以建立所期望的、被優(yōu)化的三維場(chǎng)景。CreatorPro將多邊形建模、矢量建模和地表產(chǎn)生等特征集于一體，使用戶具有無(wú)與倫比的效率和創(chuàng)造性。它不但可以創(chuàng)建航天器、地面車輛、建筑物等模型，還可以創(chuàng)建諸如飛機(jī)場(chǎng)、港口等特殊的地域。它不僅包括了Creator的所有功能，而且還增加了以下許多新功能。
（1）多邊形和紋理建模功能 使用CreatorPro直觀的、可交互的多邊形建模和紋理應(yīng)用工具可以構(gòu)造高逼真度的三維模型，并可對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化而無(wú)需更多的人工干預(yù)。
（2）矢量化建模和編輯功能 利用矢量數(shù)據(jù)能夠高效地建立感興趣的地域，讀入或生成矢量數(shù)據(jù)并對(duì)它進(jìn)行編輯。CreatorPro自動(dòng)地創(chuàng)建全紋理和彩色的模型并把它加到地形表面，“所見(jiàn)即所得”屬性可以讓用戶控制三維模型的創(chuàng)建。通過(guò)利用CreatorPro中的矢量數(shù)據(jù)可以減少多次創(chuàng)建相似場(chǎng)景的工作量，并且使用 CreatorPro 的矢量工具可以將早期生成的OpenFlight 模型放置到場(chǎng)景的任何位置。
（3）地表特征生成功能 CreatorPro擁有一套完整的工具集，可以快速生成地形并且精確地使用來(lái)自USGS和NIMA等有效數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或根據(jù)圖像產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。自動(dòng)化的細(xì)節(jié)等級(jí)使用戶能夠?yàn)槿魏螒?yīng)用創(chuàng)建多種分辨率的地形。使用 #p#page_title#e#CreatorPro的Modify Delauney 算法，可交互式地修改和重新對(duì)地表進(jìn)行三角測(cè)量從而調(diào)整數(shù)據(jù)庫(kù)的精確性和逼真度。
2．地形建模工具——Terrain Bundle 為了加強(qiáng)高精確度地形的自動(dòng)生成功能，MPI在CreatorPro的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了Terrain Bundle。它是一種快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫(kù)的工具，它可以使地形精度接近真實(shí)世界，并帶有高逼真度的三維文化特征和圖像特征。它利用一系列投影算法及大地模型，建立并轉(zhuǎn)換地形，同時(shí)保持與原形一致的方位。通過(guò)自動(dòng)的整體紋理映射，它能生成可與照片媲美的地形，包括道路、河流、市區(qū)等特征。它的路徑發(fā)現(xiàn)算法，比線性特征生成算法更優(yōu)越，可以自動(dòng)在實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景中建立數(shù)千個(gè)逼真的橋梁和路口。
（1）批處理功能 地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)可能是巨大的，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間去創(chuàng)建它。因此，手工交互技術(shù)顯然無(wú)效，Terrain Bundle的自動(dòng)批處理功能將是最佳的選擇。它獨(dú)有的自定義的規(guī)則和行動(dòng)能自動(dòng)控制地形和三維文化特征的生成，從而創(chuàng)建高效的高保真數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足用戶的需要。
（2）高級(jí)地形表面生成功能 連續(xù)適應(yīng)地形 (CAT) 是生成人文景觀極少的大面積帶有紋理地形的最快、最方便的方式。CAT比以往更加通用，在任何圖像生成器上，它可生成靜態(tài)的、帶有文化特征的多重細(xì)節(jié)等級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。TerrainBundle的高級(jí)集成三角形不規(guī)則網(wǎng)絡(luò) (ITIN) 為生成高逼真度和高效率的地形提供了藝術(shù)級(jí)的可證明可測(cè)試的特征。
（3）整體紋理映射功能 對(duì)大面積地形而言，手工映射紋理是不實(shí)際的。TerrainBundle以前所未有的速度生成照片般的細(xì)節(jié)地形數(shù)據(jù)庫(kù)，并將大地的經(jīng)緯參數(shù)賦予細(xì)節(jié)地形紋理，自動(dòng)完成整體紋理映射。
（4）三維文化特征自動(dòng)生成功能 此功能用于生成高逼真度的準(zhǔn)確的三維文化特征，以滿足低空飛行和地面仿真的需求，而這無(wú)需進(jìn)行費(fèi)時(shí)的手工建模。TerrainBundle自動(dòng)檢測(cè)并修改矢量數(shù)據(jù)交點(diǎn)，以生成高保真的視景數(shù)據(jù)庫(kù)。例如：當(dāng)遇到道路與河流交叉時(shí)，TerrainBundle會(huì)自動(dòng)在場(chǎng)景中修建一座橋，而不需去產(chǎn)生橋的數(shù)據(jù)。 路徑發(fā)現(xiàn)算法智能化地跳過(guò)稀疏的線性數(shù)據(jù)采樣，因此TerrainBundle能生成高保真的道路、鐵路和其他特征，對(duì)工程建筑規(guī)定而言，它們是精確的。路徑發(fā)現(xiàn)算法生成的道路、鐵路等能夠自動(dòng)排列并與TerrainBundle生成的橋和路口連接起來(lái)。 除CreatorPro和TerrainBundle，Creator的其他模塊還有道路工具、GIS插件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具等。
三、 渲染工具——Vega MPI的視景仿真渲染工具
Vega是世界上領(lǐng)先的應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的軟件環(huán)境，它用來(lái)渲染戰(zhàn)場(chǎng)仿真、娛樂(lè)、城市仿真、訓(xùn)練模擬器和計(jì)算可視化等領(lǐng)域的視景數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效果等的加入和交互控制。它將易用的工具和高級(jí)視景仿真功能巧妙地結(jié)合起來(lái)，從而可使用戶簡(jiǎn)單迅速地創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)三維仿真應(yīng)用。由于它大幅度減少了源代碼的編寫(xiě)，使軟件的進(jìn)一部維護(hù)和實(shí)時(shí)性能的優(yōu)化變得更容易，從而大大提高了開(kāi)發(fā)效率。使用它可以迅速地創(chuàng)建各種實(shí)時(shí)交互的三維視覺(jué)環(huán)境，以滿足各行各業(yè)的需求。它還擁有一些特定的功能模塊，可以滿足特定的仿真要求，例如特殊效果、紅外和大面積地形管理等。
MPI的視景仿真渲染工具包括最新推出的精華渲染軟件Vega Prime和其經(jīng)典渲染軟件Vega。 最新開(kāi)發(fā)的精華實(shí)時(shí)視景仿真渲染軟件Vega Prime代表了視景仿真應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的巨大進(jìn)步。Vega Prime使視景仿真應(yīng)用程序快速準(zhǔn)確的開(kāi)發(fā)變得易如反掌，是最具有適應(yīng)性和可擴(kuò)展性的商業(yè)軟件。Vega Prime在提供高級(jí)仿真功能的同時(shí)還具有簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)，使用戶能快速準(zhǔn)確地開(kāi)發(fā)出合乎要求的視景仿真應(yīng)用程序，Vega Prime是有效的、快速的、準(zhǔn)確的視景仿真應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。 通過(guò)使用 #p#page_title#e#Vega Prime，用戶能把時(shí)間和精力集中于解決應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題，而無(wú)須過(guò)多考慮三維編程的實(shí)現(xiàn)。此外，Vega Prime具有靈活的可定制能力，使用戶能根據(jù)應(yīng)用的需要調(diào)整三維程序。
Vega Prime還包括許多有利于減少開(kāi)發(fā)時(shí)間的特性，使其成為現(xiàn)今最高級(jí)的商業(yè)的實(shí)時(shí)三維應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境。這些特性包括自動(dòng)的異步數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、碰撞檢測(cè)與處理、對(duì)延時(shí)更新的控制和代碼的自動(dòng)生成。 此外，Vega Prime還具有可擴(kuò)展可定制的文件加載機(jī)制、對(duì)平面或球體的地球坐標(biāo)系統(tǒng)的支持、對(duì)應(yīng)用中每個(gè)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化定位與更新的能力、星象模型、各種運(yùn)動(dòng)模式、環(huán)境效果、模板、多角度觀察對(duì)象的能力、上下文相關(guān)幫助和設(shè)備輸入輸出支持等。
1.Vega Prime的特性
☆跨平臺(tái)性：它支持Microsoft Windows、SGI IRIX、Linux、Sun Microsystems Solaris等操作系統(tǒng)，并且用戶的應(yīng)用程序也具有跨平臺(tái)特性，用戶可在任意一種平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，而且無(wú)須修改就能在另一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行。
☆與C＋＋STL(Standard Template Library)兼容。
☆支持雙精度浮點(diǎn)數(shù)。
☆可定制用戶界面和可擴(kuò)展模塊：Vega Prime可擴(kuò)展的插件式體系結(jié)構(gòu)采用了最復(fù)雜的技術(shù)，提供了最簡(jiǎn)單的使用方法，它可進(jìn)行最大可能的定制，用戶可根據(jù)自己的需求來(lái)調(diào)整三維應(yīng)用程序，能快速設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)視景仿真應(yīng)用程序，用最低的硬件配置獲得高性能的運(yùn)行效果。此外，用戶還可開(kāi)發(fā)自己的模塊，并生成定制的類。
☆同時(shí)支持OpenGL 1.2和 Direct3D 8。 ☆高效的生產(chǎn)率：Vega Prime是對(duì)普通視景仿真應(yīng)用的高級(jí)抽象，它提供了許多高級(jí)功能，能滿足現(xiàn)今絕大部分視景仿真應(yīng)用的需要，同時(shí)還具有簡(jiǎn)單易用的特性，因此具有高效的生產(chǎn)率，它可讓用戶把精力集中于解決與特定應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的問(wèn)題。
☆支持MetaFlight文件格式：MetaFlight是MultiGen-Paradigm公司基于XML的數(shù)據(jù)描述規(guī)范，它使運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)能與簡(jiǎn)單或復(fù)雜的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)連。MetaFlight極大地?cái)U(kuò)展了OpenFlight的應(yīng)用范圍。
2.Vega Prime的基本模塊
Vega Prime包括Lynx Prime 圖形用戶界面配置工具和Vega Prime的基礎(chǔ)VSG（Vega Scene Graph）高級(jí)跨平臺(tái)場(chǎng)景渲染API。此外，Vega Prime還提供了多個(gè)針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的可選模塊，使其能滿足特殊的行業(yè)仿真的需要，還提供了用戶開(kāi)發(fā)自己模塊的功能。
（1）LynX Prime的圖形環(huán)境 LynX Prime是一種可擴(kuò)展的跨平臺(tái)的單一的GUI工具，為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的直接明了的開(kāi)發(fā)界面，如圖1所示，可根據(jù)仿真需要快速開(kāi)發(fā)出合乎要求的視景仿真應(yīng)用程序。Lynx Prime基本上繼承了Lynx的功能，同時(shí)又增加了一些新功能。它具有向?qū)Чδ?，能?duì)Vega Prime的應(yīng)用程序進(jìn)行快速創(chuàng)建、修改和配置，從而大大提高了生產(chǎn)效率；它基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的XML數(shù)據(jù)交換格式，能與其他應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行最大程度的數(shù)據(jù)交換；它可以把ACF (Application Configuration File) 自動(dòng)轉(zhuǎn)換為C++ 代碼。
（2）VSG的應(yīng)用程序接口 VSG（Vega Scene Graph）是高級(jí)的跨平臺(tái)的場(chǎng)景渲染API，是Vega Prime的基礎(chǔ)，Vega Prime包括了VSG提供的所有功能，并在易用性和生產(chǎn)效率上作了相應(yīng)的改進(jìn)。在為視景仿真和可視化應(yīng)用提供的各種低成本商業(yè)開(kāi)發(fā)軟件中，VSG具有最強(qiáng)大的功能，它為仿真、訓(xùn)練和可視化等高級(jí)三維應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供了最佳的可擴(kuò)展的基礎(chǔ)。VSG具有最大限度的高效性、優(yōu)化性和可定制性，無(wú)論用戶有何需求，都能在VSG基礎(chǔ)之上快速高效地開(kāi)發(fā)出滿足需要的視景仿真應(yīng)用程序，VSG是開(kāi)發(fā)三維應(yīng)用程序的最佳基礎(chǔ)。
VSG具有以下特性：
☆幀頻率控制；
☆內(nèi)存分配；
☆內(nèi)存泄漏跟蹤；
☆基于幀的紋理調(diào)用；
☆異步光線點(diǎn)處理；
☆(優(yōu)化的)分布式渲染；
☆跨平臺(tái)可擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持Windows、Irix、Linux和Solaris；
☆ #p#page_title#e#與C++ STL相兼容的體系結(jié)構(gòu)；
☆強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，允許最大程度的定制，使得用戶可調(diào)整VSG來(lái)滿足應(yīng)用需求，而不是根據(jù)產(chǎn)品的限制來(lái)調(diào)整應(yīng)用需求；
☆支持多處理器多線程的定制與配置；
☆應(yīng)用程序也具有跨平臺(tái)性，用戶在任意一種平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序無(wú)須修改就能在另一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行；
☆支持OpenGL和Direct3D的優(yōu)化的渲染功能，應(yīng)用程序能基于OpenGL或Direct3D運(yùn)行，其間無(wú)須改動(dòng)程序代碼；
☆支持雙精度浮點(diǎn)數(shù)，使幾何物體和地形在場(chǎng)景中精確地放置與表示；
☆支持虛擬紋理、軟件實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)查閱，使高級(jí)功能與平臺(tái)無(wú)關(guān)。
3.Vega Prime的可選模塊
Vega Prime為了滿足特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需求，除了上述的基本模塊之外，還提供了功能豐富的可選模塊。Vega Prime的可選模塊基本上覆蓋了Vega的可選模塊，
包括： ☆Vega Prime FX：爆炸，煙霧，彈道軌跡，轉(zhuǎn)輪，等等；
☆Vega Prime：分布式渲染；
☆Vega Prime LADBM：非常大的數(shù)據(jù)庫(kù)支持；
☆DIS/HLA：分布交互仿真；
☆Blueberry ：3D開(kāi)發(fā)環(huán)境；
☆DI-GUY：三維人體；
☆GL-Studio：儀表；
☆Vega Prime IR Scene：傳感器圖像仿真；
☆Vega Prime IR Sensor：傳感器圖像實(shí)際效果仿真；
☆Vega Prime RadarWorks：基于物理機(jī)制的雷達(dá)圖像仿真；
☆Vega Prime Vortex：剛體動(dòng)力學(xué)模擬；
☆Vega Prime marine：三維動(dòng)態(tài)海洋
