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1、2005年9月遥测遥控57基于3DSMAX模型的无人直升机实时监控系统三维建模杨昕欣张晓林苏玉成赵刚(北京航空航天大学电子信息工程学院北京100083)文摘分析OpenGL中三维建模的主要方法,结合共轴式无人直升机实时监控飞行系统的设计需要,得出利用3DSMAX的输出模型进行三维建模可以大大提高效率。分析3DSMAX主要输出文件的结构,指出OpenGL建模所需的要素。设计并实现了3DSMAX到OpenGL的模型转换模块,能够分离出3DSMAX场景中的三维模型,为在实时监控系统中再现3DS模型并构造监
2、控飞行系统的三维场景提供灵活性。主题词实时监控三维建模模型转换无人直升机前言无人直升机实时监控系统包括机载和地面两个分系统。机载分系统主要完成遥测数据的采集以及发送,并根据地面分系统传来的指令控制直升机。地面分系统则接收来自机载分系统的遥测数据,通过仪表或显示器提供给驾驶员,同时将驾驶员的输入形成控制指令发送给机载设备。在进行超视距飞行时,驾驶员完全依靠地面监控系统的仪表和屏幕来了解直升机的状态。因此,在地面站监视器上尽可能真实地表现远端直升机的姿态和所处态势就变得非常重要。图1为监控系统的地面分系统。采用虚拟现实技
3、术,在监控计算机上再现直升机所处的三维场景,能够为驾驶员提供很强的临场感,帮助驾驶员做出正确的判断和操作,从而大大提高驾驶员对直升机的控制能力。构造真实感三维场景的基础是三维建模技术,三维建模技术的平台可以采用OpenGL或者DirectX。目前,基于OpenGL的造型技术包括简单几何体造型、NURBS造型和3DSMAX模型转换等。其中,前两者的效率较低,而目前基于OpenGL的模型转换程序只实现了场景的复制,尚未能将场景中的三维实体分别提取出来。本文在分析3DSMAX各种模型文件的基础上,实现了能从三维场景中分离并提取三维模
4、型的转换软件,大大提高了建模的效率。此建模技术还把DirectX的标准模型文件纳入模型库,从而使系统具备在不同三维平台间移植的能力,大大提高了系统的兼容性和扩展能力。图1地面监控分系统1基于OpenGL的三维建模三维建模是指在计算机屏幕上用点、线、面等基本几何元素构造出具有立体感的飞机、汽车等三维物收稿日期:2004-07-13收修改稿日期:2004-09-0758基于3DSMAX模型的无人直升机实时监控系统三维建模第26卷第5期体的过程。在图形学中,通常把三维物体的表面分解成大量的三角形面元,通过确定这些三
5、角形面元的顶点及其法向量来确定如何描述整个三维物体的几何信息,进而确定反射、散射、阴影等光学特性。通常描述一架共轴式直升机需要2500个三角形,而描述一架波音747需要5760多个三角形。显然,如果直接手工计算每一个三角形单元的顶点坐标和法向量,其工作量是无法忍受的。因此,必须利用OpenGL函数并结合一定的数学工具来间接生成三维物体。1.1简单几何体OpenGL中最简单的建模方法是用规则的几何形体来搭建所要的物体。在OpenGL中,可以方便地调用函数来生成长方体、立方体、圆锥体、角锥体、圆球体、圆柱体等规则几何体。这种方法
6、可以描述比较规则和简单的物体,但却无法描述车头、直升机头、螺旋桨叶等复杂的曲面。1.2NURBS曲面建模用OpenGL描述诸如直升机头之类的复杂表面时,可以采用NURBS(即非均匀有理B样条)曲面。NURBS曲面有下列特点:对所有的曲线、曲面,有统一的数学表达式;均匀B样条的形状控制参数只有顶点,而NURBS曲面除了顶点外,还可以通过改变节点与权重来实现对曲面的修改;调整权因子可以精确地控制曲线和曲面形状;NURBS还具有局部逼近特性,即修改某一控制点只会影响其周围曲面而不会破坏整体,特别适合于设计时的修改。因此,NURBS
7、方法已经成为当今自由曲线和曲面描述的通用方法,可以统一表示初等解析曲线和曲面、有理与非有理Bezier曲线和曲面以及有理与非有理B样条曲线和曲面。我们曾在OpenGL中用NURBS生成了一个机头,其表面非常光滑流畅并且能真实地反映反射光、漫射光和高光区等光学特性。但是,进行NURBS建模时要进行大量的计算来估算控制点,而且一般不会一次成功,需要经过多次修改才能达到满意的效果,而利用OpenGL编程时,又不能进行可视化编辑。因此,用NURBS建模虽然可行,但依然是费时费力的方法。尤其是考虑到监控系统中三维物体种类繁多,而且经常要
8、根据需要修改三维模型,因此可视化编辑就显得非常必要了。1.33DSMAX模型目前,最常用的三维建模及动画制作软件是3DSMAX。它可以进行可视化编辑,从而可以随心所欲地对模型进行修改。由于支持放样建模、NURBS建模等技术,使3DSMAX可以建立起飞机、汽车、太空飞船等复杂
