最佳實時、三維、可交互的視景仿真平臺
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，主要提供廣泛應用的實時視景仿真驅(qū)動和聲音仿真的商業(yè)工具。
MPI在視景仿真領域擁有絕對領先的技術(shù)， 其交互式、高度自動化的可視化數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生器允許開發(fā)者看到自己開發(fā)的模型，并能夠在真實的場景中同時顯示層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和三維圖像，以便建立和編輯目標間的關(guān)系。這些產(chǎn)品提供了詳細的交換信息、精確的層次、幾何有效性和紋理調(diào)整等不同信息。它通過軟件提高了運行的時間性能，使得在實時仿真環(huán)境中能夠加入更多的模型。通過將易用的工具和高級建模功能結(jié)合在一起，MPI向客戶提供了快速容易地建立、修改和運行復雜實時應用的方法； MPI 定義并支持已成為工業(yè)標準的實時三維場景描述數(shù)據(jù)格式OpenFlight，同時支持大多數(shù)的數(shù)據(jù)格式，而且OpenFlight API 允許開發(fā)者對特殊的需求進行定制；MPI的視景仿真建模工具和渲染工具能夠運行在多種實時硬件平臺上。
二、 建模工具——Creator MPI的視景仿真建模工具
Creator是世界上領先的實時三維數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)，它可以用來對戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景數(shù)據(jù)庫進行產(chǎn)生、編輯和查看。它區(qū)別于其他建模軟件，主要考慮在滿足實時性的前提下如何生成面向?qū)崟r仿真的、逼真性好的大面積場景。
其強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；它的細節(jié)等級、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級及二元分離面等高級實時功能使得它提出的OpenFlight格式在實時三維視景仿真領域成為最流行的圖像生成格式，并成為視景仿真領域事實上的行業(yè)標準。它的自動化地形和三維人文景觀生成器、道路生成器等眾多強有力的集成選項增強了其特性和功能。
MPI視景仿真建模工具的先進性不僅體現(xiàn)在采用了工業(yè)標準OpenFlight格式，還體現(xiàn)在先進的擴展性上。它提供了OpenFlight API，實現(xiàn)了開放性和可移植性，使用戶能在其中添加自己開發(fā)的工具。
1．實體建模工具——CreatorPro CreatorPro是功能強大、交互的建模工具，在它所提供的“所見即所得”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)建諸如飛機場、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用工具可以構(gòu)造高逼真度的三維模型，并可對它進行實時優(yōu)化而無需更多的人工干預。
（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)并對它進行編輯。CreatorPro自動地創(chuàng)建全紋理和彩色的模型并把它加到地形表面，“所見即所得”屬性可以讓用戶控制三維模型的創(chuàng)建。通過利用CreatorPro中的矢量數(shù)據(jù)可以減少多次創(chuàng)建相似場景的工作量，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自USGS和NIMA等有效數(shù)據(jù)源的標準數(shù)據(jù)或根據(jù)圖像產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。自動化的細節(jié)等級使用戶能夠為任何應用創(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地表進行三角測量從而調(diào)整數(shù)據(jù)庫的精確性和逼真度。
2．地形建模工具——Terrain Bundle 為了加強高精確度地形的自動生成功能，MPI在CreatorPro的基礎上開發(fā)出了Terrain Bundle。它是一種快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫的工具，它可以使地形精度接近真實世界，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，同時保持與原形一致的方位。通過自動的整體紋理映射，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，可以自動在實時三維場景中建立數(shù)千個逼真的橋梁和路口。
（1）批處理功能 地形場景數(shù)據(jù)庫可能是巨大的，需要花費很長的時間去創(chuàng)建它。因此，手工交互技術(shù)顯然無效，Terrain Bundle的自動批處理功能將是最佳的選擇。它獨有的自定義的規(guī)則和行動能自動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，滿足用戶的需要。
（2）高級地形表面生成功能 連續(xù)適應地形 (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節(jié)等級數(shù)據(jù)庫。TerrainBundle的高級集成三角形不規(guī)則網(wǎng)絡 (ITIN) 為生成高逼真度和高效率的地形提供了藝術(shù)級的可證明可測試的特征。
（3）整體紋理映射功能 對大面積地形而言，手工映射紋理是不實際的。TerrainBundle以前所未有的速度生成照片般的細節(jié)地形數(shù)據(jù)庫，并將大地的經(jīng)緯參數(shù)賦予細節(jié)地形紋理，自動完成整體紋理映射。
（4）三維文化特征自動生成功能 此功能用于生成高逼真度的準確的三維文化特征，以滿足低空飛行和地面仿真的需求，而這無需進行費時的手工建模。TerrainBundle自動檢測并修改矢量數(shù)據(jù)交點，以生成高保真的視景數(shù)據(jù)庫。例如：當遇到道路與河流交叉時，TerrainBundle會自動在場景中修建一座橋，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、鐵路等能夠自動排列并與TerrainBundle生成的橋和路口連接起來。 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是世界上領先的應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的軟件環(huán)境，它用來渲染戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景數(shù)據(jù)庫，實現(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視景仿真功能巧妙地結(jié)合起來，從而可使用戶簡單迅速地創(chuàng)建、編輯、運行復雜的實時三維仿真應用。由于它大幅度減少了源代碼的編寫，使軟件的進一部維護和實時性能的優(yōu)化變得更容易，從而大大提高了開發(fā)效率。使用它可以迅速地創(chuàng)建各種實時交互的三維視覺環(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。 最新開發(fā)的精華實時視景仿真渲染軟件Vega Prime代表了視景仿真應用程序開發(fā)的巨大進步。Vega Prime使視景仿真應用程序快速準確的開發(fā)變得易如反掌，是最具有適應性和可擴展性的商業(yè)軟件。Vega Prime在提供高級仿真功能的同時還具有簡單易用的優(yōu)點，使用戶能快速準確地開發(fā)出合乎要求的視景仿真應用程序，Vega Prime是有效的、快速的、準確的視景仿真應用開發(fā)工具。 通過使用 #p#page_title#e#Vega Prime，用戶能把時間和精力集中于解決應用領域內(nèi)的問題，而無須過多考慮三維編程的實現(xiàn)。此外，Vega Prime具有靈活的可定制能力，使用戶能根據(jù)應用的需要調(diào)整三維程序。
Vega Prime還包括許多有利于減少開發(fā)時間的特性，使其成為現(xiàn)今最高級的商業(yè)的實時三維應用開發(fā)環(huán)境。這些特性包括自動的異步數(shù)據(jù)庫調(diào)用、碰撞檢測與處理、對延時更新的控制和代碼的自動生成。 此外，Vega Prime還具有可擴展可定制的文件加載機制、對平面或球體的地球坐標系統(tǒng)的支持、對應用中每個對象進行優(yōu)化定位與更新的能力、星象模型、各種運動模式、環(huán)境效果、模板、多角度觀察對象的能力、上下文相關(guān)幫助和設備輸入輸出支持等。
1.Vega Prime的特性
☆跨平臺性：它支持Microsoft Windows、SGI IRIX、Linux、Sun Microsystems Solaris等操作系統(tǒng)，并且用戶的應用程序也具有跨平臺特性，用戶可在任意一種平臺上開發(fā)應用程序，而且無須修改就能在另一個平臺上運行。
☆與C＋＋STL(Standard Template Library)兼容。
☆支持雙精度浮點數(shù)。
☆可定制用戶界面和可擴展模塊：Vega Prime可擴展的插件式體系結(jié)構(gòu)采用了最復雜的技術(shù)，提供了最簡單的使用方法，它可進行最大可能的定制，用戶可根據(jù)自己的需求來調(diào)整三維應用程序，能快速設計并實現(xiàn)視景仿真應用程序，用最低的硬件配置獲得高性能的運行效果。此外，用戶還可開發(fā)自己的模塊，并生成定制的類。
☆同時支持OpenGL 1.2和 Direct3D 8。 ☆高效的生產(chǎn)率：Vega Prime是對普通視景仿真應用的高級抽象，它提供了許多高級功能，能滿足現(xiàn)今絕大部分視景仿真應用的需要，同時還具有簡單易用的特性，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用領域相關(guān)的問題。
☆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，它使運行數(shù)據(jù)庫能與簡單或復雜的場景數(shù)據(jù)庫相關(guān)連。MetaFlight極大地擴展了OpenFlight的應用范圍。
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VSG（Vega Scene Graph）高級跨平臺場景渲染API。此外，Vega Prime還提供了多個針對不同應用領域的可選模塊，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是一種可擴展的跨平臺的單一的GUI工具，為用戶提供了一個簡單的直接明了的開發(fā)界面，如圖1所示，可根據(jù)仿真需要快速開發(fā)出合乎要求的視景仿真應用程序。Lynx Prime基本上繼承了Lynx的功能，同時又增加了一些新功能。它具有向?qū)Чδ埽軐?/span>Vega Prime的應用程序進行快速創(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)標準的XML數(shù)據(jù)交換格式，能與其他應用領域進行最大程度的數(shù)據(jù)交換；它可以把ACF (Application Configuration File) 自動轉(zhuǎn)換為C++ 代碼。
（2）VSG的應用程序接口 VSG（Vega Scene Graph）是高級的跨平臺的場景渲染API，是Vega Prime的基礎，Vega Prime包括了VSG提供的所有功能，并在易用性和生產(chǎn)效率上作了相應的改進。在為視景仿真和可視化應用提供的各種低成本商業(yè)開發(fā)軟件中，VSG具有最強大的功能，它為仿真、訓練和可視化等高級三維應用開發(fā)人員提供了最佳的可擴展的基礎。VSG具有最大限度的高效性、優(yōu)化性和可定制性，無論用戶有何需求，都能在VSG基礎之上快速高效地開發(fā)出滿足需要的視景仿真應用程序，VSG是開發(fā)三維應用程序的最佳基礎。
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；
☆異步光線點處理；
☆(優(yōu)化的)分布式渲染；
☆跨平臺可擴展的開發(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)；
☆強大的可擴展性，允許最大程度的定制，使得用戶可調(diào)整VSG來滿足應用需求，而不是根據(jù)產(chǎn)品的限制來調(diào)整應用需求；
☆支持多處理器多線程的定制與配置；
☆應用程序也具有跨平臺性，用戶在任意一種平臺上開發(fā)的應用程序無須修改就能在另一個平臺上運行；
☆支持OpenGL和Direct3D的優(yōu)化的渲染功能，應用程序能基于OpenGL或Direct3D運行，其間無須改動程序代碼；
☆支持雙精度浮點數(shù)，使幾何物體和地形在場景中精確地放置與表示；
☆支持虛擬紋理、軟件實現(xiàn)圖像的動態(tài)查閱，使高級功能與平臺無關(guān)。
3.Vega Prime的可選模塊
Vega Prime為了滿足特定應用開發(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)庫支持；
☆DIS/HLA：分布交互仿真；
☆Blueberry ：3D開發(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：傳感器圖像實際效果仿真；
☆Vega Prime RadarWorks：基于物理機制的雷達圖像仿真；
☆Vega Prime Vortex：剛體動力學模擬；
☆Vega Prime marine：三維動態(tài)海洋
