虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中基于GPU的動(dòng)態(tài)地形仿真

虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中基于GPU的動(dòng)態(tài)地形實(shí)時(shí)可視化技術(shù)研究虛擬戰(zhàn)場(chǎng)是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息系統(tǒng)等交叉技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)等交互仿真的應(yīng)用。地形可視化指的是將地形的高程DEM數(shù)據(jù)繪制成3D模型，以便在虛擬的世界中進(jìn)行實(shí)時(shí)地瀏覽。在DEM中，地形形空間被被分割成成規(guī)則的的幾何單單元，通通常是正方形，，而每個(gè)幾幾何單元元代表了了一個(gè)高高程采樣樣值。在靜態(tài)地地形可視視化中，，地形的的高程數(shù)數(shù)據(jù)是不不變的。。在動(dòng)態(tài)地地形中，，地形的的高程數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)被被實(shí)時(shí)的的修改。。例如導(dǎo)導(dǎo)彈爆炸炸生成彈彈坑導(dǎo)彈撞擊擊地面修改地形形模型和和紋理導(dǎo)彈爆炸炸生成彈彈坑不同的導(dǎo)導(dǎo)彈入射射角

產(chǎn)生不同同形狀的的彈坑用細(xì)節(jié)層層次（LOD）技術(shù)簡(jiǎn)化地形形網(wǎng)格數(shù)數(shù)據(jù)車輛行駛駛產(chǎn)生輪輪胎痕跡跡車痕

修改地形形模型和和紋理用LOD技術(shù)簡(jiǎn)化化地形網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)據(jù)主要?jiǎng)?chuàng)新新點(diǎn)1改進(jìn)的LOD算法LOD((LevelofDetail)技術(shù)采用用各種細(xì)細(xì)節(jié)層次次、各種種精度的的地形模模型來描描述地形形的整體體或局部部區(qū)域，，從而達(dá)達(dá)到“近近處精細(xì)細(xì)，遠(yuǎn)處處粗略””的效果果。LOD技術(shù)減少少了所需需要繪制制的三角角形數(shù)量量，提高高了系統(tǒng)統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)效率，，保證了了輸出的的地形圖圖像具有有一定的的逼真度度。LOD地形網(wǎng)格格近處密密度大，，遠(yuǎn)處密密度小1.1地形數(shù)據(jù)據(jù)LOD的構(gòu)建我們首先先將整個(gè)個(gè)地形的的高程數(shù)數(shù)據(jù)分割割成若干干正方形形的block其尺寸大大小為257X257,并且以四四叉樹結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行組織。。如圖,根節(jié)點(diǎn)block代表整個(gè)個(gè)地形,每個(gè)父節(jié)節(jié)點(diǎn)都被被分成四四個(gè)子塊塊。而樹樹的層次次L越低,節(jié)點(diǎn)block的網(wǎng)格精精度就越越高。為了進(jìn)一一步簡(jiǎn)化化地形網(wǎng)網(wǎng)格,從而加速速地形繪繪制，我我們將每每一個(gè)block分成16個(gè)tile，每一個(gè)個(gè)tile又分成16個(gè)tilelet。1.2LOD的選擇擇每一個(gè)block或者tile的層次都都有一個(gè)個(gè)屏幕誤誤差t:其中δ是地形區(qū)區(qū)域的幾幾何誤差差，D是視點(diǎn)到到地形區(qū)區(qū)域的最最近點(diǎn)的的距離，，W是屏幕空空間的像像素寬,fovy是視場(chǎng)角角。我們會(huì)根根據(jù)t選擇地形形的LOD,,使得t小于給定定的誤差差閾值。。在實(shí)時(shí)運(yùn)運(yùn)行中，，先根據(jù)據(jù)誤差自自頂向下下的在四四叉樹中中選擇所所需的block層次次，得到到一個(gè)粗粗略的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化地形形：然后根據(jù)據(jù)誤差選選擇每一一個(gè)block中tile的的層次，，得到一一個(gè)精細(xì)細(xì)的簡(jiǎn)化化地形。。tile的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化方法法就是去去掉中間間行以及及列的頂頂點(diǎn)，得得到新的的網(wǎng)格層層次。tile的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化方法法可以在在GPU中快速速并行的的執(zhí)行。。圖中白白色的頂頂點(diǎn)被去去除為了便于于后續(xù)GPU算算法的實(shí)實(shí)現(xiàn)，我我們將CPU內(nèi)內(nèi)存中的的block地地形高程程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成block紋理理圖，存存放于GPU存存儲(chǔ)器中中。block紋理圖圖中每一一個(gè)元素素的顏色色值代表表了對(duì)應(yīng)應(yīng)頂點(diǎn)的的高程值值，它可可以通過過頂點(diǎn)處處理器進(jìn)進(jìn)行訪問問。1.3視景體裁裁剪技術(shù)術(shù)視景體裁裁剪技術(shù)術(shù)就是在在繪制前前剔除不不可見的的三角形形。首先在CPU中進(jìn)行初初級(jí)裁減減。紅色色表示處處于視景景體外部部的tile，它們被被直接剔剔除。黃黃色表示示處于視視景體內(nèi)內(nèi)部的tile，它們被被直接送送入管線線繪制。。而灰色色表示與與視景體體相交的的tile，它們的的tilelet被傳輸?shù)降紾PU中進(jìn)行二二級(jí)裁剪剪。為了減輕輕CPU的負(fù)擔(dān)，，我們用用Vertexbufferobject((VBO)來建立一一個(gè)幾何何模板用用于傳輸輸tilelet。VBO是一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)陣，它它描述了了tilelet的索引信信息。通過VBO在GPU中找到tilelet四個(gè)角的的頂點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)，然然后就可可以進(jìn)行行并行的的二級(jí)裁裁剪。如如圖紅色色表示處處于視野野之外的的tilelet，它們被被剔出。。這樣就就進(jìn)一步步減少了了需要繪繪制的多多邊形數(shù)數(shù)量1.4動(dòng)動(dòng)態(tài)再再細(xì)分區(qū)區(qū)域原始的地地形數(shù)據(jù)據(jù)有一個(gè)個(gè)最大分分辨率，，這個(gè)分分辨率往往往不足足以表達(dá)達(dá)動(dòng)態(tài)地地形的細(xì)細(xì)節(jié)。所所以我們們引入動(dòng)動(dòng)態(tài)再細(xì)細(xì)分區(qū)域域技術(shù)。。該技術(shù)術(shù)就是在在發(fā)生地地形形變變的區(qū)域域，用GPU對(duì)地形分分辨率進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)的擴(kuò)展展,加入新的的頂點(diǎn)與與多邊形形。具體步驟驟如下：：1）將最大大分辨率率為nXn的地形區(qū)區(qū)域的高高程數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)化為為GPU中nXn的紋理理圖。2）用nXn的紋理理圖繪制制并填滿滿一個(gè)n’Xn’的屏幕空空間。對(duì)對(duì)不匹配配的紋理理坐標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行線線性插值值，從而而得到一一個(gè)n’Xn’的紋理圖圖。下圖圖黑點(diǎn)為為插值處處：3）將n’Xn’的紋理圖圖還原為為n’Xn’的高程數(shù)數(shù)據(jù)。于是原來來nXn的分辨率率擴(kuò)展為為n’Xn’。nXn的地形高高程數(shù)據(jù)據(jù)n’Xn’的地形高高程數(shù)據(jù)據(jù)2.物理模型型與過程程紋理在虛擬戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)態(tài)地形系系統(tǒng)中，，為了生生成實(shí)時(shí)時(shí)的彈坑坑以及車車痕,我們就要要實(shí)時(shí)修修改地形形的高程程數(shù)據(jù)。。而這個(gè)個(gè)操作依依賴于彈彈坑以及及車痕的的物理模模型。此此外在改改變地形形表面幾幾何特征征的同時(shí)時(shí),還要改變變地形表表面的紋紋理特征征。原始始的單一一紋理無無法滿足足仿真的的需求，，因此這這里提出出了一種種過程紋紋理的方方法來描描述地形形表面細(xì)細(xì)節(jié)上的的變化。。2.1彈坑物理理模型與與過程紋紋理根據(jù)爆炸炸力學(xué)，，我們?cè)O(shè)設(shè)計(jì)彈坑坑模型如如下在導(dǎo)彈撞撞擊地面面所引發(fā)發(fā)的爆炸炸事件中中，由于于導(dǎo)彈與與著彈點(diǎn)點(diǎn)區(qū)域的的地形表表面存在在一個(gè)入入射角，，而導(dǎo)彈彈自身的的沖量會(huì)會(huì)在水平平面上產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)分量。。這個(gè)分分量就會(huì)會(huì)改變彈彈坑的形形狀，因因此我們們?cè)O(shè)計(jì)了了帶方向向Vc的彈坑模模型。它它是一個(gè)個(gè)不對(duì)稱稱的幾何何體。為了生成成彈坑的的過程紋紋理圖，，我們采采用了三三種基本本紋理圖圖：焦土土，巖石石以及草草地。由由于彈坑坑中心區(qū)區(qū)域受到到爆炸的的沖擊最最大，所所以中心心區(qū)域的的地形表表面主要要由焦土土構(gòu)成。。稍微遠(yuǎn)遠(yuǎn)離彈坑坑中心的的區(qū)域主主要由巖巖石構(gòu)成成，而彈彈坑邊緣緣區(qū)域則則由草地地構(gòu)成。。根據(jù)這這一原理理，我們們對(duì)三種種基本紋紋理圖的的元素顏顏色值進(jìn)進(jìn)行加權(quán)權(quán)平均運(yùn)運(yùn)算，得得到一個(gè)個(gè)漸變的的合成紋紋理圖。。公式如如下,texturetile[[I]是基本紋紋理圖的的元素值值，percentagei表示權(quán)值值。2.2車痕物理理模型與與過程紋紋理我們根據(jù)據(jù)經(jīng)典的的“壓壓力-下陷”理理論設(shè)計(jì)計(jì)了車痕痕物理模模型，公公式如下下。其中中其中W表示輪胎胎的負(fù)載載重量，，b表示輪胎胎的厚度度，D表示輪胎胎的直徑徑，Kc表示粘聚聚因子，，k?表示裁剪剪模量，，n表示下陷陷系數(shù)。。Y就是輪胎胎壓力作作用在地地形表面面時(shí)，頂頂點(diǎn)高程程值的偏偏移量。。車痕的基基本紋理理圖有兩兩個(gè)：上上層地貌貌紋理圖圖以及下下層地貌貌紋理圖圖。越靠靠近車痕痕的對(duì)稱稱軸，地地形表面面的下陷陷越明顯顯，這時(shí)時(shí)主要是是下層地地貌紋理理圖。相相反越靠靠近車痕痕的邊緣緣區(qū)域，，就主要要是上層層地貌紋紋理圖。。根據(jù)這這一原理理，我們們進(jìn)行加加權(quán)平均均運(yùn)算，，得到一一個(gè)漸變變的合成成紋理圖圖。其公公式與彈彈坑紋理理類似。。3.地形形變變策略設(shè)設(shè)計(jì)地形形變變策略直直接影響響著動(dòng)態(tài)態(tài)地形仿仿真的實(shí)實(shí)時(shí)效率率。它主主要分為為兩個(gè)步步驟：1）頂點(diǎn)點(diǎn)偏移量量的計(jì)算算。2）形變變地形的的生成。。以前的算算法主要要依靠CPU完完成地形形形變操操作，這這里我們們將該操操作移植植到了GPU中中，大大大提高了了實(shí)時(shí)效效率。3.1車痕地形形形變策策略為了用GPU計(jì)算車痕痕地形的的偏移量量，我們們首先將將視點(diǎn)移移動(dòng)到車車輛模型型的底下下，并且且使其低低于整個(gè)個(gè)地形的的最低點(diǎn)點(diǎn)。然后后使視點(diǎn)點(diǎn)方向向向上并垂垂直于水水平面。。最后將將投影方方式設(shè)置置為平行行投影，，并使視視口的大大小囊括括車輛所所在的地地形區(qū)域域。這樣就可可以用framebufferobject（FBO）比較地地形與車車輪胎的的頂點(diǎn)深深度，如如果輪胎胎深度大大于地形形深度則則說明該該頂點(diǎn)產(chǎn)產(chǎn)生了下下陷。將將輪胎深深度與地地形深度度之間的的差值繪繪制到GPU中，就得得到了車車痕偏移移量紋理理圖。然后用GPU將對(duì)應(yīng)的的地形高高程紋理理圖與車車痕偏移移量紋理理圖進(jìn)行行混合，，將兩者者的數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行減減法運(yùn)算算。然后后還原成成地形高高程數(shù)據(jù)據(jù)，就可可以生成成車痕形形變地形形。3.2彈坑地形形形變策策略彈坑的偏偏移量是是固定的的，它可可以由彈彈坑模型型直接轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為偏偏移量紋紋理圖，，并且一一直保存存在GPU中。。然后根據(jù)據(jù)彈坑中中心點(diǎn)坐坐標(biāo)以及及彈坑方方向，將將地形高高程紋理理圖與彈彈坑偏移移量紋理理圖進(jìn)行行匹配與與混合，，就可以以生成彈彈坑形變變地形4.動(dòng)態(tài)地形形中海量量地形數(shù)數(shù)據(jù)的管管理由于地形形數(shù)據(jù)的的海量性性,在可視化化過程中中我們無無法將全全部的地地形一次次性的調(diào)調(diào)入內(nèi)存存里。于于是需需要將整整個(gè)地形形數(shù)據(jù)分分割成許許多子區(qū)區(qū)域（block），然后后存儲(chǔ)于于分布式式的外存存設(shè)備中中。在實(shí)實(shí)時(shí)運(yùn)行行中，根根據(jù)需要要將數(shù)據(jù)據(jù)在內(nèi)存存和外存存之間進(jìn)進(jìn)行讀取取和交換換。為了高效效的管理理和調(diào)度度海量地地形數(shù)據(jù)據(jù)，我們們?cè)O(shè)計(jì)了了一種基基于GPU的海量地地形管理理方法,實(shí)現(xiàn)了彈彈坑以及及車痕的的動(dòng)態(tài)地地形管理理。4.1地地形集群群管理系系統(tǒng)地形集群群管理系系統(tǒng)通過過連接大大量的普普通計(jì)算算機(jī)作為為存儲(chǔ)節(jié)節(jié)點(diǎn)，從從而提供供高可靠靠性、高高性能、、可擴(kuò)充充的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)存儲(chǔ)服服務(wù)。地形集群群管理系系統(tǒng)是獨(dú)獨(dú)立于虛虛擬戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)可視化化系統(tǒng)的的外部系系統(tǒng)，專專門進(jìn)行行地形數(shù)數(shù)據(jù)的管管理和調(diào)調(diào)度。地形集群群管理系系統(tǒng)分為為主節(jié)點(diǎn)點(diǎn)服務(wù)器器,元數(shù)數(shù)據(jù)服務(wù)務(wù)器,I/O節(jié)點(diǎn)服服務(wù)器。。1)主節(jié)點(diǎn)服服務(wù)器運(yùn)行著兩兩個(gè)主線線程，一一個(gè)是監(jiān)監(jiān)聽服務(wù)務(wù)，負(fù)責(zé)責(zé)監(jiān)聽地地形可視視化系統(tǒng)統(tǒng)的數(shù)據(jù)據(jù)請(qǐng)求；；另一個(gè)個(gè)是調(diào)度度服務(wù)，，負(fù)責(zé)根根據(jù)地形形可視化化系統(tǒng)的的請(qǐng)求向向元數(shù)據(jù)據(jù)服務(wù)器器查詢數(shù)數(shù)據(jù),并向I/O節(jié)點(diǎn)服務(wù)務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)請(qǐng)求。。2)元數(shù)據(jù)服服務(wù)器記錄著所所有地形形block數(shù)據(jù)的元元數(shù)據(jù)。。所謂元元數(shù)據(jù)是是關(guān)于地地形block的地理空空間信息息，屬性性信息，，存取方方式，組組織形式式等等一一些特征征。元數(shù)數(shù)據(jù)的作作用是幫幫助數(shù)據(jù)據(jù)使用者者方便地地理解和和操作數(shù)數(shù)據(jù)。3)I//O節(jié)點(diǎn)服務(wù)務(wù)器提供最終終的數(shù)據(jù)據(jù)存儲(chǔ)服服務(wù)和數(shù)數(shù)據(jù)傳輸輸服務(wù)，，它由許許多分布布式的存存儲(chǔ)設(shè)備備構(gòu)成。。整個(gè)地地形數(shù)據(jù)據(jù)被分割割成block后，這些些block會(huì)以合理理的方式式進(jìn)行編編碼與分分配。最最后保存存在I/O節(jié)點(diǎn)服務(wù)務(wù)器中。。4.2GPU緩沖池預(yù)預(yù)裝載策策略緩沖池的的預(yù)裝載策略是為為了提前前將需要要的地形形block從外存設(shè)設(shè)備中調(diào)調(diào)入可視視化系統(tǒng)統(tǒng)的內(nèi)存存，從而而保證實(shí)實(shí)時(shí)仿真真的流暢暢性。我們?cè)贕PU中建立了了一個(gè)4X4block大小的緩緩沖池。。將視野野里的地地形高程程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成GPU緩沖池里里的紋理理圖。當(dāng)試點(diǎn)平平移時(shí)，，需要更更新的只只有黃色色的L型區(qū)域。。藍(lán)色區(qū)區(qū)域不變變，虛線線部分被被移出緩緩沖池。。當(dāng)試點(diǎn)上上升時(shí)，，需要將將原來16個(gè)block合并成4個(gè)block（藍(lán)色區(qū)區(qū)域），，然后更更新黃色色的L型區(qū)域。。當(dāng)試點(diǎn)下下降時(shí)，，只需要要將原來來中間的的4個(gè)block分裂成16個(gè)block（藍(lán)色區(qū)區(qū)域。4.3動(dòng)態(tài)地形形管理設(shè)設(shè)計(jì)以前大多多數(shù)的海海量地形形管理策策略都局局限于靜靜態(tài)地形形。在靜靜態(tài)地形形中由于于地形數(shù)數(shù)據(jù)不會(huì)會(huì)被實(shí)時(shí)時(shí)地修改改,外存中的的地形數(shù)數(shù)據(jù)是只只讀的。。而在動(dòng)動(dòng)態(tài)地形形中我們們不但要要對(duì)外存存數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行讀操操作，而而且還要要進(jìn)行寫寫操作用用以保存存地形的的變化量量。否則則隨著block移出內(nèi)存存,地形變化化量也隨隨之丟失失。當(dāng)再再次調(diào)入入同一個(gè)個(gè)block時(shí)，我們們將無法法恢復(fù)原原來的彈彈坑或者者車痕。。以前的方方法往往往是把改改變后的的地形block整個(gè)保存存在外存存中，但但這樣會(huì)會(huì)產(chǎn)生兩兩個(gè)問題題:1）將block傳輸?shù)酵馔獯鏁?huì)占占用大量量的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)帶寬,增加調(diào)度度策略的的復(fù)雜度度,甚至嚴(yán)重重影響系系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)效率;2）為了不不覆蓋初初始數(shù)據(jù)據(jù),修改后的的頁面將將會(huì)占用用額外的的外存空空間,這就使得得海量地地形變得得更加龐龐雜,從而大大大增加了了管理與與組織的的難度。。我們