光电经纬仪虚拟现实仿真平台设计及关键技术研究
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摘要
光电经纬仪被广泛应用于光电跟踪测量，随着其性能和跟踪测量要求的不断提高，基于实际外场实验的训练、测试方法和传统室内仿真测试方法，由于种种局限性，已经不能满足操作手训练和经纬仪测试的需求。针对这一现状，本文着眼于虚拟现实技术和系统仿真技术的结合，设计并研制了光电经纬仪虚拟现实仿真平台。平台具备手动跟踪、自动跟踪和半实物仿真三种功能模式，集操作手训练和经纬仪测试功能于一体，是对现有经纬仪模拟训练和仿真测试的重要拓展，具有较高的工程实用价值。
简要介绍了光电经纬仪的基本工作过程；分析总结了等效目标法、等效正弦法和旋转靶标测试法等传统室内仿真测试方法的局限性；根据平台研制的预期目标，以其功能需求为设计思路，设计了仿真平台总体方案，包括其系统结构、软硬件组成、工作模式、关键技术问题等。就实际使用效果而言，最终研制出的平台是经济、实用、高效和可靠的。
为了满足训练和测试对虚拟目标轨迹的要求，研究了两种目标轨迹仿真的方法。一种是基于实际外场实验数据，根据经纬仪单站或交汇测量模型进行轨迹仿真；另一种是基于目标各个阶段的运动特征，根据目标轨迹、速度和姿态之间的关系进行轨迹仿真。前者适用于针对外场任务进行针对性训练和测试，后者适用于仿真出满足经纬仪跟踪测试对角速度、加速度要求的目标轨迹。
实现了仿真平台的基础，即原始虚拟场景的实时渲染。研究了Creator三维建模技术和Vega视景仿真技术；在研究OpenGL透视投影成像规律与经纬仪相机成像特性关系的基础上，实现了虚拟场景的经纬仪成像特性模拟；研究了虚拟场景中云图背景的模拟，包括Vega云仿真模型、粒子系统云仿真、Perlin与Simplex噪声模拟云等；结合Vega、OpenGL和VC开发了场景仿真程序。在文中所给原始场景渲染实例中，帧频保持在270fps左右，完全满足仿真平台实时性要求。
为了让虚拟场景更加接近真实场景，研究了为原始场景实时添加所需图像效果的方法。基于Vega的程序结构和通道回调机制提出了对场景进行实时图像处理的方法：利用现代GPU（Graphics Processing Unit，图形处理单元）强大的图形能力和可编程性，用GLSL（OpenGL Shading Language, OpenGL着色语言）编写实现相应图像效果的着色器，代替OpenGL固定纹理映射功能完成对场景纹理的图像处理。用这种方法为原始虚拟场景添加了灰度化、噪声和降质模糊效果。噪声效果通过Perlin噪声和Simplex噪声实现，降质模糊效果通过对场景纹理进行卷积滤波实现。为了提高卷积滤波效率，提出了一种基于GPU线性纹理滤波功能的卷积滤波优化方法。对文中所给卷积滤波器实例，效率提高了60%以上。在文中给出的添加了以上效果的最终场景渲染实例中，帧频保持在240fps左右。
最后，研究了仿真平台各个工作模式的实现。通过虚拟现实技术实时渲染虚拟场景，通过RTW（Real-time Workshop）由经纬仪相关传动或跟踪控制Simulink模型生成跟踪状态实时解算模块，二者结合实现了手动和自动跟踪模拟，可方便灵活地进行有针对性的、可重复的操作手训练。构建了半实物仿真测试系统，将仿真平台与实际经纬仪结合，通过RTW/xPC完成经纬仪跟踪控制算法的快速实现，可方便快速地对经纬仪跟踪控制系统进行测试。
Photoelectric theodolites are widely used in the field of photoelectric trackingmeasurement. With the continuous improvement of theodolite performance, theconventional methods for operator training and theodolite testing, which based on theoutdoor experiments or indoor simulation, have been unable to satisfy the requirement.In view of this situation, this thesis is devoted to the research for the combination ofvirtual reality technology and system simulation technology. And a virtual realitysimulation platform has been designed and set up. The platform, which can be used forboth operator training and theodolite testing, has three function modes: manual tracking,automatic tracking and semi-physical simulation. The research in this thesis, which hasimproved the existing methods for operator training and theodolite testing, is quitepractical in engineering application.
The basic working process of the photoelectric theodolite is briefly introduced andthe limitations of the conventional indoor methods for simulation testing are analyzed.According to the desired objectives and function requirements, a design of the platform,which includes system structure, composition of the hardware and software, workingmodes and key technical problems, has been proposed. The performance of theapplication shows that the platform is economic, practical, efficient and reliable.
In order to meet the requirements of the trajectory of the virtual target for trainingand testing, two methods for target trajectory simulating are studied. One of themethods uses the actual outdoor experiments result according to the single station orintersection measuring model; the other takes advantage of the target movementcharacteristics according to the relationship of the target trajectory, velocity and attitude.The former method is suitable for targeted training and testing for outdoor experiments,and the latter one is convenient in simulating the target trajectory whose angularvelocity and acceleration meets the requirement of the theodolite testing.
Rendering the original virtual scene in real time, which is the foundation of thesimulation platform, is carried out. The3D modeling technology based on Creator andvisual simulation technology based on Vega are studied. The theodolite imagingcharacteristic of the virtual scene is simulated based on the principle of OpenGLperspective projection and the imaging characteristic of the theodolite camera. The simulation of the cloud background of the virtual scene, including Vega cloud model,particle system, Perlin noise and Simplex noise, is researched. The scene simulationprogram is developed with Vega, OpenGL and VC. In the instance given by this thesis,the frame rate keeps around270FPS, which completely satisfies the real-timerequirement.
The research on adding desired image effects to original virtual scene in real timeis made for the sake of making the virtual scene closer to the real scene. Based onVega’s program structure and channel callback function, a method for the real-timeprocessing of the scene image is proposed. It makes use of modern GPU’s powerfulgraphics capabilities and programmability, and uses GLSL shader to replace OpenGL’sfixed texture mapping function to perform image processing on the scene texture. Theimage effects, including luminance, noise and blur, are added to original scene. Thenoise effect is realized based on Perlin and Simplex noise; the blur effect is realized byconvolution filtering. In order to improve the efficiency of convolution filtering, anoptimization method is proposed based on GPU’s linear texture filtering. For theconvolution filter in this thesis, the efficiency is improved by more than60%. For thefinal scene to which the image effects are added, the frame rate keeps around240FPS.
Finally, the realization of the three working modes of the simulation platform isstudied. The manual and automatic tracking modes are realized by rendering the virtualscene in real time and generating tracking state solver module with RTW. These twoworking modes can be conveniently and flexibly used for operator training. Thesemi-physical simulation mode is set up based on the combination of the simulationplatform and real theodolite, and the theodolite tracking control algorithm is fastrealized with RTW/xPC. This working mode can be applied to the fast testing of thetheodolite tracking control system.
简要介绍了光电经纬仪的基本工作过程；分析总结了等效目标法、等效正弦法和旋转靶标测试法等传统室内仿真测试方法的局限性；根据平台研制的预期目标，以其功能需求为设计思路，设计了仿真平台总体方案，包括其系统结构、软硬件组成、工作模式、关键技术问题等。就实际使用效果而言，最终研制出的平台是经济、实用、高效和可靠的。
为了满足训练和测试对虚拟目标轨迹的要求，研究了两种目标轨迹仿真的方法。一种是基于实际外场实验数据，根据经纬仪单站或交汇测量模型进行轨迹仿真；另一种是基于目标各个阶段的运动特征，根据目标轨迹、速度和姿态之间的关系进行轨迹仿真。前者适用于针对外场任务进行针对性训练和测试，后者适用于仿真出满足经纬仪跟踪测试对角速度、加速度要求的目标轨迹。
实现了仿真平台的基础，即原始虚拟场景的实时渲染。研究了Creator三维建模技术和Vega视景仿真技术；在研究OpenGL透视投影成像规律与经纬仪相机成像特性关系的基础上，实现了虚拟场景的经纬仪成像特性模拟；研究了虚拟场景中云图背景的模拟，包括Vega云仿真模型、粒子系统云仿真、Perlin与Simplex噪声模拟云等；结合Vega、OpenGL和VC开发了场景仿真程序。在文中所给原始场景渲染实例中，帧频保持在270fps左右，完全满足仿真平台实时性要求。
为了让虚拟场景更加接近真实场景，研究了为原始场景实时添加所需图像效果的方法。基于Vega的程序结构和通道回调机制提出了对场景进行实时图像处理的方法：利用现代GPU（Graphics Processing Unit，图形处理单元）强大的图形能力和可编程性，用GLSL（OpenGL Shading Language, OpenGL着色语言）编写实现相应图像效果的着色器，代替OpenGL固定纹理映射功能完成对场景纹理的图像处理。用这种方法为原始虚拟场景添加了灰度化、噪声和降质模糊效果。噪声效果通过Perlin噪声和Simplex噪声实现，降质模糊效果通过对场景纹理进行卷积滤波实现。为了提高卷积滤波效率，提出了一种基于GPU线性纹理滤波功能的卷积滤波优化方法。对文中所给卷积滤波器实例，效率提高了60%以上。在文中给出的添加了以上效果的最终场景渲染实例中，帧频保持在240fps左右。
最后，研究了仿真平台各个工作模式的实现。通过虚拟现实技术实时渲染虚拟场景，通过RTW（Real-time Workshop）由经纬仪相关传动或跟踪控制Simulink模型生成跟踪状态实时解算模块，二者结合实现了手动和自动跟踪模拟，可方便灵活地进行有针对性的、可重复的操作手训练。构建了半实物仿真测试系统，将仿真平台与实际经纬仪结合，通过RTW/xPC完成经纬仪跟踪控制算法的快速实现，可方便快速地对经纬仪跟踪控制系统进行测试。
Photoelectric theodolites are widely used in the field of photoelectric trackingmeasurement. With the continuous improvement of theodolite performance, theconventional methods for operator training and theodolite testing, which based on theoutdoor experiments or indoor simulation, have been unable to satisfy the requirement.In view of this situation, this thesis is devoted to the research for the combination ofvirtual reality technology and system simulation technology. And a virtual realitysimulation platform has been designed and set up. The platform, which can be used forboth operator training and theodolite testing, has three function modes: manual tracking,automatic tracking and semi-physical simulation. The research in this thesis, which hasimproved the existing methods for operator training and theodolite testing, is quitepractical in engineering application.
The basic working process of the photoelectric theodolite is briefly introduced andthe limitations of the conventional indoor methods for simulation testing are analyzed.According to the desired objectives and function requirements, a design of the platform,which includes system structure, composition of the hardware and software, workingmodes and key technical problems, has been proposed. The performance of theapplication shows that the platform is economic, practical, efficient and reliable.
In order to meet the requirements of the trajectory of the virtual target for trainingand testing, two methods for target trajectory simulating are studied. One of themethods uses the actual outdoor experiments result according to the single station orintersection measuring model; the other takes advantage of the target movementcharacteristics according to the relationship of the target trajectory, velocity and attitude.The former method is suitable for targeted training and testing for outdoor experiments,and the latter one is convenient in simulating the target trajectory whose angularvelocity and acceleration meets the requirement of the theodolite testing.
Rendering the original virtual scene in real time, which is the foundation of thesimulation platform, is carried out. The3D modeling technology based on Creator andvisual simulation technology based on Vega are studied. The theodolite imagingcharacteristic of the virtual scene is simulated based on the principle of OpenGLperspective projection and the imaging characteristic of the theodolite camera. The simulation of the cloud background of the virtual scene, including Vega cloud model,particle system, Perlin noise and Simplex noise, is researched. The scene simulationprogram is developed with Vega, OpenGL and VC. In the instance given by this thesis,the frame rate keeps around270FPS, which completely satisfies the real-timerequirement.
The research on adding desired image effects to original virtual scene in real timeis made for the sake of making the virtual scene closer to the real scene. Based onVega’s program structure and channel callback function, a method for the real-timeprocessing of the scene image is proposed. It makes use of modern GPU’s powerfulgraphics capabilities and programmability, and uses GLSL shader to replace OpenGL’sfixed texture mapping function to perform image processing on the scene texture. Theimage effects, including luminance, noise and blur, are added to original scene. Thenoise effect is realized based on Perlin and Simplex noise; the blur effect is realized byconvolution filtering. In order to improve the efficiency of convolution filtering, anoptimization method is proposed based on GPU’s linear texture filtering. For theconvolution filter in this thesis, the efficiency is improved by more than60%. For thefinal scene to which the image effects are added, the frame rate keeps around240FPS.
Finally, the realization of the three working modes of the simulation platform isstudied. The manual and automatic tracking modes are realized by rendering the virtualscene in real time and generating tracking state solver module with RTW. These twoworking modes can be conveniently and flexibly used for operator training. Thesemi-physical simulation mode is set up based on the combination of the simulationplatform and real theodolite, and the theodolite tracking control algorithm is fastrealized with RTW/xPC. This working mode can be applied to the fast testing of thetheodolite tracking control system.
引文
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