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2006-02-18 基于OSG的3DVRI支撑平台系统总体功能模块组成
基于OSG的3DVRI支撑平台系统总体功能模块组成
      三维仿真软件经过几十年的发展后,经历了OpenGVS,Vtree,SGI performer,Multigen等等多代软件的发展,目前已进化到先进基础仿真软件Openscenegraph(以下简称OSG)的时代,据世界权威的现代仿真网站(www.modsim.org)在2005年3~4月份的调查统计,OSG在世界仿真软件市场的占有率已超过51%,附调查统计饼图(图零)。
Modsim
      基于OSG的3DVRI支撑平台(以下简称3DVRI支撑平台)对OSG进行功能扩展与大幅度改造后的一个易于二次开发与具备快速定做各类仿真系统的平台,使用该支撑平台的用户花费较短的学习周期后就能相对容易与高效率地开发出各类仿真应用系统,从而大大减少由最原始的工具做起开发一个仿真系统的成本,该支撑平台具备以上特性后,适合于在各个领域进行广泛的推广。
与老一代的基础仿真软件Multigen之类相比3DVRI支撑平台继承与发展了各类OSG具有的先进特性列表列举如下:
1)产品的内核采用标准的场景图结构,通过对各类遍历场景图的算法进行优化,具备了最高效率的场景图结构与访问方法,通过对并行功能的加强,使得多个CPU可以对同一场景图进行硬件支持的高效运算。
2)直接从内核开始支持最新发布的OpenGL2.0版本的功能,目前极大多数仿真软件仍然停留在Opengl1.5或者更早期的版本的基础上,已经不能满足日益提高的仿真市场的需求。
3)内置了对已经成为世界标准的GLSL的支持,使得仿真效果的真实性大为提高,老式的仿真软件由于开发年代久远限于当时的硬件条件,在效果的视觉真实性方面一直存在让人感觉很不舒服的效果真实性问题,而仿真软件的一大目标就是要让人们能得到与真实接近的计算机仿真结果,不真实的仿真结果与这一目标是背道而驰的。
4)将原来非常复杂的各种基础仿真功能封装成非常易于使用的OCX控件开发包的形式,使得快速开发仿真系统成为可能,并且同时保留了让用户进行底层开发,自行增加定制指令的功能。
5)内置块状地形分割与降解的高速算法,能处理以地球为规模的大地形仿真工程。
6)直接与显示硬件相关联的二进制文件格式,可以快速的装入大量的数据到显示内存中。
7)能直接处理大量模型数据的场景编辑器,老式的仿真软件受限于研发时的硬件条件,通常以少量的面片作为仿真场景编辑器的处理单位,现在随着显示硬件的飞速发展,仿真场景能处理的模型的复杂度与数据量都大幅度增长,老式仿真软件的模型与数据处理能力不再与最新的仿真硬件相匹配,从而面临淘汰的命运。
8)可以快速的提高仿真场景的制作效率与所得到结果的真实性,许多老式的仿真软件自带具备建模能力的场景编辑器,但由于这类场景编辑器不是主流的建模的软件,结果随着岁月的流逝当时确实非常领先的工具,经过N年后已不再先进,反而变成一个提高仿真模型与场景生产效率的阻碍因素,3DVRI支撑平台则通过专为当今最为先进的几大三维建模及动画软件3DSMAX、MAYA等等编写插件的方式可以直接支持与读入这些软件的工作结果,无论在模型的生产效率与场景的真实性方面都有一个质的飞跃。
9)通过软件提供的外围数据库接口,可以非常方便的将仿真场景与外围的数据库中的内容进行动态挂接,甚至只需写上几句Visual Basic语句就可以将场景中的物体与数据库挂接起来,而老式的仿真软件通常提供C++的数据库接口,这样将提高仿真软件使用者的技能要求,会将一大批懂专业但编程能力不是很强的很有价值的专业人士排除在仿真领域之外。
10)OSG本身就具备了许多其他仿真软件目前并不具备的先进特性限于篇幅这儿不再逐一介绍,详细可以查看OSG官方网站的信息 www.openscenegraph.net。
3DVRI支撑平台由3dsmax建模及输出模块、Maya建模及输出模块、仿真核心工作模块、仿真数据库管理模块、仿真算法模块、大规模地形模块、场景编辑器模块、VR仿真内容发布系统模块、流体动力学粒子系统仿真模块、网络仿真及通讯模块、多通道视觉仿真模块、各类仿真特效模块、方向盘驾驶及各类外设控制模块、OCX控件二次开发包模块等等功能模块组成。如图 所示
3DVRI Module
各模块的功能简介如下:
1)3dsmax建模及输出模块、Maya建模及输出模块:
      仿真项目的完成过程中,在明确需求及计划确定后,第一件必须面对的工作基本上就是仿真场景的构建,通过这些模块可以方便的在建模与动画软件中将场景构建与修改完成,然后导出到场景编辑器中,加入各种仿真需要的属性。
Max Plugin
2)场景编辑器模块:
      仿真项目的场景构建完毕后就可以通过这个模块,将原来内容相对来说比较单一的几何体赋上仿真需要的各种属性,诸如LOD、switch节点、碰撞、物理属性等等,然后进入下一步的工作流程。
Scene Editor Moudle
3)仿真核心工作模块:
      这个模块是3DVRI支撑仿真系统的工作核心,主要处理一些内核的仿真任务的调度,各种图形相关的核心工作,通过它将其它的外围仿真模块连接在一起协同工作。
4)仿真数据库管理模块:
      数据库是与仿真紧密联系的一个部分,很多仿真数据的读入及保存都必须通过数据库进行,这个模块,在内核中保留了最基本但功能又非常强大的数据库处理能力,通过这个模块,可以处理海量的数据,当数据量大内存不够时,这个模块会将硬盘通过一套内置的虚拟内存系统与物理内存进行动态交换,并且对大型场景进行动态加载。
该模块的另一作用是将各种插件式开发的.dll功能增强模块作为一个数据库进行动态管理,这样如果用户或者软件研发者需要增加额外的系统功能,只需要编写一个.dll插件,然后在这个数据库系统中进行一次注册,将在下次系统启动时自动加载与进行工作。
5)仿真算法模块:
      无论在数值仿真或者视觉仿真领域,都会面临着许多的仿真算法,在这个模块中提供了一些在仿真领域中最常见或者使用频率最高的一些算法,有了这个模块后,软件研发或者用户,可以不用自己去重复地编写常用的算法,只需要调用几个现成的函数就能解决常见问题。
6)大规模地形模块:
      在遥感与军事仿真领域都面临着大区域地形的三维复原与数据处理的挑战,3DVRI支撑平台内置了块状地形分割与自动降解模块,可以处理以地球为单位的数据量,并且,提供高低二种数值精度的处理方式,当用户对系统内置的地形算法不满意时还可以研发自己的地形渲染与处理系统,然后,以外部插件的形式替换掉内置的算法进行工作,在卫星航片的地形处理中系统支持LCC算法,可以根据图像的色彩分析出绿化与植被的分布,在生成模型时自动的将建筑、植物等等分布到应该分布的位置。
Terrain Moudle
Terrain Moudle

7)流体动力学粒子系统仿真模块:
      在军事或者其它常见领域的仿真中,粒子系统是种常见的现象,诸如轮船开动时的尾迹、飞机航行时的尾迹与烟雾等等,很多属于流体动力学范畴,3DVRI支撑平台,提供了仿真这一类现象的流体动力学粒子系统仿真模块。

Hydrokinetics
Hydrokinetics
8)各类仿真特效模块:
      在自然界中存在着很多的自然现象,诸如下雨、下雪、水面的反射、有阳光或者灯光时的镜头光斑等等各种效果,3DVRI支撑平台的仿真特效模块,可以解决很多这一方面的问题,让仿真的结果栩栩如生。
Specilly Effect

9)集群仿真及网络通讯模块:
      在仿真中通常会面对不同地点的分布式仿真的问题,3DVRI支撑平台的网络仿真及通讯模块遵循美国军方的HLA之类成为国际标准的分布式仿真协议,可以与支持HLA的主机直接联接,进行异地分布仿真,或者用自己的协议组成局域网进行仿真。
      3DVRI网络通讯和群集渲染模块的功能主要是将虚拟现实仿真的计算能力进行了大幅度的扩展和提高,为运行非常复杂的虚拟环境提供了可行的软硬件基础,同时该模块还负担了网络通讯的功能。
所需要的最小规模单个硬件集群配置方案与型号如下

  (1)渲染节点机硬件配置:
  CPU P4 3.0G
  内存 1G DDR400双通道
  主板:PCI Express图形接口主机板
  图形卡 NV Geforce FX6800 Ultra 256M
  硬盘 80G SATA
  键盘、显示器等等其它基本配置
  最低配置台数为 4台,根据数据量及规模,以4台、8台、16台、32台~256台的数量增加。
  (2)图形合成终端机硬件配置:
  CPU P4 3.0G
  内存 1G DDR400双通道
  主板:PCI Express图形接口主机板
  图形卡 NV Geforce FX6800 Ultra 256M
  硬盘 80G SATA
  键盘、显示器等等其它基本配置
  数量在1~2台之间。

(3)3000M宽带光纤通信网络系统及交换系统,光纤网络交换机、网卡若干。

(4)大型Powerwall、CAVE等图形仿真结果显示终端设备。

(5)3DVRI集群渲染支持软件

Cluster

10)多通道视觉仿真模块:
      为了提高仿真效果,就要使显示的视野更加的宽阔,而目前最高端的显示技术就是360度立体环幕,但人眼的视野也就不到 180 度,因此市场上选择最多的是小于 180度的多通道显示器拼接技术,而且经过反复实验,双通道及三通道所模拟的环幕性价比最高;时下国内很多虚拟仿真案例都使用双、三通道显示系统,将普通仿真软件系统升级成多通道显示视觉感官会产生质的飞跃;它不但有着宽阔的视野,而且带上立体眼睛在视觉感官上和看立体电影一样,加上V R的互动,会使人们产生完全沉浸在虚拟场景中的感受。

      使用该模块可以支持很多通道的视觉仿真,满足高端客户的需要,该模块具备软件边缘融合等等很多功能。
双通道系统的硬件组成如下:
四台三洋3600流明投影机,偏振镜头,投影机架.
几十付偏振眼镜(让人观看立体用).
定做的环形投影屏幕.
具备罗技Momo方向盘的改装过的高尔夫仿真车.
100M网络.
三台网络仿真用的电脑(二台工作主机,一台网络控制主机).
仿真工作主机配置为4GECC内存,Quadro FX3400 256M显卡 工控电源机箱 17"液晶彩显

Multi Center

11)方向盘驾驶及各类外设控制模块:
      使用该模块可以支持方向盘等等仿真外部设备,并处理与他们的各种接口。

12)VR仿真内容发布系统模块:
      使用该模块可以非常方便地将仿真内容进行发布。

13)OCX控件二次开发包模块等等功能模块组成:
      虚拟现实软件的开发是一项复杂的工作,涉及到计算机图形学、各类算法
等等很多方面,如果从C 语言、Opengl、Direct3D 等基础的开发工具入手将
极大的降低这类软件的开发效率或无限制的延长开发周期,很容易造成最后得
不到可以实用的成形软件的结局。可以与各类开发平台挂接和无缝植入的快速
虚拟现实开发工具3DVRI OCX,通过这一可编程控制的OCX 开发用户可以几天
之内就轻松开发出一套完整可实用的虚拟现实软件,从而极大的提高了开发用户的工作效率。

3DVR OCX