MultiGenCreator_Vega在高速列车运行视景仿真系统中的应用

ISSN1009-3044

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MultiGenCreator/Vega在高速列车运行视景仿真系统中的应用

何敏（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州730070）

摘要：随着计算机软、硬件技术的迅速发展，利用三维视景仿真技术动态描述列车运行仿真过程成为一个新的发展方向。简要介绍了开发工具MultigenCreator和Vega的特点。研究了利用Creator和Vega实现视景仿真的总过程。结合高速列车运行实例说明了利用MultigenCreator建立铁路三维模型的主要思路和过程，并详细分析了建模过程中的难点问题及相应的办法；还研究了利用Vega实现实时驱动的步骤和方法。仿真结果表明，基于MultigenCreator和Vega的高速列车运行实时视景仿真系统取得了良好的效果。

关键词：视景仿真；MultigenCreator；Vega；建模；列车运行仿真中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1009-3044(2009)24-6973-02

MultiGenCreator/VegaandTheirApplicationintheDrivingSimulatoroftheHigh-speedTrainTransportionSystemHEMin

(SchoolofElectrical&InformationEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

视景仿真(VisualSimulation)是计算机仿真技术的重要分支，是计算机图形图像技术、图形处理与图像生成技术、立体影像和影像技术、信息合成技术、现实技术等诸多高新技术的综合运用，其最重要的目标是真实体验和方便自然的人机交互。它有利于缩短实验和研制周期，提高试验和研制质量，节省试验和研制经费，并已经在许多领域得到了广泛的应用[1]。

目前，列车控制系统（CTCS）已成为我国铁路列车控制的发展方向。由于该系统得基础设施、闭塞制式、列车运行方式等各方面都非常复杂,因此有必要建立一个仿真系统，为行车组织、基础设施建设、列车安全运行等提供科学的可靠的决策支持。铁路视景仿真技术是仿真动画的高级阶段，应用三维视景仿真技术开发此类系统的显示模块，不但提高效率，缩短研发周期，减少训练时间，不受环境及气候的限制，而且对保证安全、节约开支、提高试验和研制质量、系统设计的灵活性尤其具有突出的功效。

1软件平台

1.1三维建模软件

MultigenCreator系列软件，由美国Multigen-Paradigm(www.multigen.com)公司开发的，是一种实现三维仿真建模工具的软件系列。它性能优越，系统可靠，稳定性好，具有同类建模软件系统无法比拟的优点。它有别于传统的机械建模CAD等建模软件，可以满足实时性的前提下的面向仿真的、逼真性好的大面积场景。Creator还提供创建和编辑数据库文件的可视化环境，拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式、最优化地生成实时三维（RT3D）数据库。它主要由基本建模环境模块、地形建模模块和特殊用途模块

组成。其中基本建模环境模块给建模人员提供一个交互的、可视化建模环境。地形建模模块提供了强大的批处理三维地形、地貌生成工具。特殊用途模块主要包括公路、仪表构建模块等。

1.2实时仿真工具

Vega用于实时视觉模拟、虚拟现实和普通视觉应用。Vega将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来，从而可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。Vega能显著地提高工作效率，同时大幅度减少源代码开发时间。使用Vega可以迅速地创

建各种实时交互的三维环境，以满足各行各业的需求。

Vega包括图形用户界面LynX（一种基于X/Motif技术的点击式图形环境）、Vega库还包括完整的应用程序接口(API)。图形用户界面Lvnx，用来定义和预览Vega应用程序，最后生成用于Vega程序的.ADF文件(应用定义文件)。LYNX实际上是创建、修改和预览.adf文件的一个编辑器。一个可以独立运行的Vega程序能通过解释不同的.adf文件而产生不同的仿真效果。在视窗环境下，Vega的基本开发环境为VC++，它可以很方便地与C++/OpenGL相结合。

2总体实现方法

2.1总体创建思路

为实现列车视景的仿真，我们要在三维视景模型建立完成的基础上，对视景系统进行配置和建立实时驱动程序。所以，我们首先要运用MultigenCreator构建出车站、轨道、地形等的三维模型，然后运用Vega的API函数实现轨道列车的实时运行。图1为三维实时仿真应用程序的创建过程。

2.2三维场景建模思路和方法

Creator采用的是OpenFlight的数据库格式。OpenFlight数据格式是

图1

三维实时仿真应用程序的创建过程

收稿日期：2009-05-11

作者简介：何敏，女，甘肃兰州市人，在读硕士研究生，兰州交通大学，研究方向：图形图象处理和虚拟现实技术及应用。

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Creator的根基，它的逻辑化层次场景的面熟数据库可以通知图像生成器何时、以何种方式渲染实时三维景观。先进的实时功能，如细节层次、多边形删减、逻辑删减、绘制优先级、平面分离等，是OpenFlight成为最受欢迎的实时三维图像格式的几个原因。从模型数据库的储存结构上看，OpenFlight格式是一种树状的层次化结构。采用这种结构不但可以方便地将模型按照几何特性进行有效

地组织，并将其转化为能够方便

地进行移动和编辑的节点形式，而且这种树状结构非常适合实时系统进行各种便利操作。

比如利用Creator创建一个车站三维场景，我们将车站主要分为：站台、监控室、墙壁、各种公告牌、信号机以及轨道等。按照OpenFlight格式的树状层次建模的思想，可以由大到小安排数据库的各种层次：公告牌、站台、轨道、房顶等相互独立的模块放在同一层次，轨道两侧站台属于站台的下一层次，而监控室可以放在比两站台低一级的层次上。

其中轨道的创建使用Creator中的道路(Road)工具来实现。道路工具主要包括道路构造(RoadConstruction)工具和道路配置(RoadTessellation)工具。前者用来创建直轨道、曲线轨道、坡度轨道。为了生成更逼真的道路模型，还需使用道路配置工具为其定义各种其它道路特征属性。Creator提供了5个道路特征属性：路基、车道、LOD、道路特征、导航数据。针对轨道的具体情况,主要设置了路基、LOD、道路特征3项。另外，利用Creator中的地形建模模块可以方便的建立出列车驶过的地形设计。

在建立好模型后，可利用Creator的简化工具进行优化，达到在保证效果的情况下，提高渲染速度、保证刷新速率。

2.3建模中的关键技术

2.3.1层次细节技术

层次细节（LevelofDetail，简称LOD）技术是用一组复杂程度不同的实体层次细节模型来描述同一个对象，并在图形绘制中依据视点远近或其他标准在这些细节模型中进行切换，从而能够实时地改变场景的复杂度。当实体远离视点时，选择较粗糙的LOD模型绘制,如果实体靠近视点则选择高分辨率的LOD模型进行绘制。毫无疑问LOD技术既保证了场景的视觉效果，又提高了场景绘

制帧速，改善了系统的实时性。

LOD切换标准有尺寸/距离标准、偏心距标准和运动标准。在MultiGen中一般采用尺寸/距离标准来进行LOD切换,对使用了LOD的模型需要定义每一级LOD进行切换显示的范围值，即切入距离与关闭距离。MultiGen还支持Morphing过渡算法,Morphing方法是在相邻的LOD间生成一个过渡区、顺利实现不同级别LOD的切换和平滑过渡。如图所示两级LOD之间的切换、过渡。

在MultiGen中允许模型的层次结构中存在LOD节点，并可对节点下的不同模型细节分别进行修改，以形成不同级别的LOD模型。简化模型的方法有细分法、采样法、删减法，实际应用中多采用删减法。图2两级LOD之间的切换、过渡原理图

纹理映射技术2.3.2

有效使用纹理映射技术，不仅能增加场景的真实感，而且能提高实时性。使用它可以在不增加多边形的前提下，使模型获得照片一样清晰地真是视觉效果。车站广告牌、车站监控室等规则物体和模型都具有数量较大的细节部分。如果过分强调细节，会使工作量和模型复杂度骤然增大，导致整个系统实时运行速度的下降。因此对细致建模一般采用纹理映射的方法，在对应位置的多边形表面贴上纹理图片，用来代替详细的模型。2.3.3Billboard技术

MultiGen提供了Billboard建模方法，即在二维的Billboard对象上贴上逼真的纹理并且使之随视点转动便可达到三维的效果。可以应用于某些难于精确建模或模型复杂的对象，例如在大的场景系统中对于远方的物体，用一幅贴图来代替，就能够在满足仿真要求，有效地减少数据量，提高图像绘制、输出时的显示速度。2.3.4实例化技术

当三维复杂模型中具有多个几何形状相同但是位置不同的物体时，可以采用实例技术。实例化是对数据库中已存在的模型的引用。外观上的效果与复制相同，但实例并不是数据库中真实存在的几何体，而只是指向其父对象的指针，实例就像是一个模型的众多的影子，而实际物体只有一个。其他的通过平移、旋转、缩放之后得到。也就是说在内存中只装入一次，这一点类似于动态链接库文件。因此，可以对某一实例的几何特征、颜色、纹理等属性进行编辑。但这将改变

所有实例的属性，这样可以节省大量的硬盘和内存空间。2.3.5外部引用技术

外部引用可以让用户直接把其他数据库引用到当前的数据库中，引用的数据库能在当前数据库中重新定位。这样做的好处就像把图片分割以加快下载速度一样。在设计轨道旁边的树木、房屋和电线杆时利用外部引用技术。通过外部引用其他模型数据库，有效降低了模型数据库的规模，节省了内存空房间和存储空间，方便了建模操作，提高了系统资源的利用率。

——驱动显示3Vega仿真应用—3.1配置和初始化

在建模完成后，为了实现场景漫游需要对视景系统进行配置和初始化。系统主要是使用Vega提供的带有图形用户界面的工具

LynX进行配置。在不需要编写代码或重新编译的情况下，使用LynX中的定义窗口、通道、观察者、运动模式、路径、环境、环境特效等，并根据预览效果实时的更改这些参数，以实现其逼真的效果。完成各种设置后，使用动态预览功能观看场景设置的效果。

3.2实时驱动

如图1所示，将.flt文件中建好的模型在图形用户界面LynX中配置和初始化得到一个.adf文件后，就可以在VC++平台中调用Vega的应用编程接口，对.adf文件中定义的三维场景进行实时驱动，现实仿真画面。

建立Vega应用的步骤为：

（下转第6990页）

6974多媒体技术及其应用本栏目责任编辑：唐一东

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5结束语

在本篇论文中，结合了之前所做过的图像纹理方面的工作，得到了图像的若干纹理特征。在之前的工作中，其道路分类一直是采用神经网络来进行，但有时的结果不令人满意。当使用决策树后，发现之前认定的5个特征系数不完全都是有用的，这是非常有意义的。可以注意到，在今后的工作中如果需要提取特征的话，可以先使用决策树来得到对结果影响比较大的因子，并能大约得到每个维上影响决策的程度。

但也要注意到，决策树也是一种对训练集很敏感的分类方法，在实验中我也发现，如果使用的道路图像上有车辆等信息会干扰特征的提取以至于分类的结果。在这里，滤波是一定不能使用的了，因为会影响整个数据的信息量，不过可以考虑使用小波等方式，在小波的基础上提取特征。

图5决策树

[1]M.Mokhtarzade,M.J.ValadanZoej.Roaddetectionfromhigh-resolutionsatelliteimages

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[3]王波,姚宏宇,李弼程.一种有效的基于灰度共生矩阵的图像检索方法[J].武汉大学学报:信息科学版,2006,31(9):761-764.[4]JiaweiHan,MichelinKamber.数据挖掘概念与技术[M].2版.范明,孟晓峰,译.北京:机械工业出版社,2007.

参考文献：

（上接第6974页）

1)初始化：调用vgInitSys()函数对系统进行初始化。具体工作包括初始化图形形状、创建共享内存区和共享信号区。2)定义：直接使用相应的VegaAPI函数相应的实例。3)配置：调用VgConfigSys()函数完成系统配置。

设置完Vega系统后，就开始了应用主循环。主循环的作用是对三维视景进行渲染驱动。首先调用vgSyncFrame()函数实现给定帧速的帧同步。然后调用vgFrame()函数实现当前显示帧的一些必要处理。

在主循环中，视景仿真程序根据从Vega系统中接收的列车运行参数以及其他参数，完成对当前场景状态的更新，并计算视点及运动物体的位置、状态等。并通过调用API实现视景的输出。

4仿真结果

图3列车驶出站的仿真效果图4实时中的隧道

5结束语

该文研究了一种基于MultigenCreator和Vega的列车运行视景仿真系统，实现了用户和仿真环境的交互，能够很好的模拟列车的实际运行状态，具有很高的逼真度，达到了预期的效果。由于该系统比较庞杂，肯定有许多不足之处，在以后的研究中还需要在列车加、减速的控制和列车运行系统数据的研究等方面进行改进和完善，从而使仿真效果更加真实。

参考文献：

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