一种三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维可视化仿真领域，尤其涉及战场环境仿真中的动态地形仿真。
【背景技术】
[0002] 动态地形仿真主要研宄军事系统与虚拟场景中地形的相互作用，在仿真中军事系 统作用于三维地形，通过对地形数据库实时修改体现地形的动态变化，动态地形允许在仿 真过程中对地形状态进行修改，例如作战过程中炮弹击中地产生的弹坑，车辆行驶产生的 车辙印等现象，能够真正实现仿真实体与环境的交互，对提高三维虚拟场景的逼真度具有 重要的作用。
[0003] 目前动态地形主要采用网格变形（deform)、动态贴图（decal)或两者相结合的方 式来实现，其中网格变形主要用于面积较大的动态地形（如弹坑）；对于车辙印这类面积较 小的动态地形一般采用decal技术在地形表面生成一个贴合网格，并映射相应的纹理来实 现，这种方法能够在视觉上生成较为逼真的车辙印记，但存在生成车辙印记单一，不能反映 不同车辆在不同质地的地表生成车辙印的差别。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供一种三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法， 能够体现不同车辆在不同地面行驶产生的车辙印效果，具有很大的灵活性和真实性。
[0005] 本发明的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其包括：
[0006] Sl :获取车辆在行驶过程中处于活动状态的效果发生器的空间坐标，所述车辆设 有四个效果发生器，且四个效果发生器的坐标系原点分别位于车辆的左右前轮和左右后轮 与地面的接触点上，四个坐标系的坐标轴方向均与车辆的本身坐标系方向一致； w = ax(x-xn)
[0007] S2 :根据， (\将Sl中获取的效果发生器的空间坐标转换为场景材质分 h = ax(y-y0) 布灰度图的像素坐标，并获得该像素坐标对应的像素灰度值；
[0008] 其中（X，y)为地形的空间坐标，（w，h)为场景材质分布灰度图的像素坐标，Xtl为地 形网格在世界坐标系X方向上最小值，y〇为地形网格在世界坐标系y方向上最小值；所述 场景材质分布灰度图是根据地形基础纹理创建的256阶的灰度图，用于标记场景中地表材 质的分布；
[0009] S3 :根据S2获得的像素灰度值的字节位与地表材质的对应关系获得地表材质；所 述像素灰度值由一个8位的字节来表示，字节中的每1位对应一个地表材质，对应关系预先 设定；
[0010] S4 :根据所述车辆的名称和所述地表材质的名称在材质效果矩阵中获取对应的材 质效果；
[0011] 所述材质效果矩阵为Μ(η+1)χ(ηι+1)，是以excel文件的形式创建的（m+l) X (n+l)矩 阵；其中η为地表材质数，m为车辆类型数，HiijQ = 2, 3, m+lj = 2, 3，…n+1)为mn车辆 在Hllj地表材质上生成的材质效果名称；
[0012] S5 :对于处于活动状态的每个效果发生器，当其移动距离大于本身长度时，动态创 建一个贴图decal，且所述decal的大小、位置和方向取该效果发生器的大小、位置和方向， 所述decal的效果为S4中获得的材质效果，对所述材质效果进行像素渲染生成车辙印。
[0013] 本发明的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法还包括对生成的decal数 量进行控制的步骤：
[0014] 为每一个车辆创建一个decal队列，用于存储车辆行驶过程中动态创建的decal， 同时绑定一个计时器，计时器的值表示相应decal队列中decal的寿命；
[0015] 当decal队列中的decal数量等达到该decal队列的设定长度时，按照先入先出 的原则将位于队列前端且与新创建的decal等量的decal删除；
[0016] 当车辆停止运动时，绑定于该decal队列的计时器开始计时，当车辆开始运动时， 计时器清零；
[0017] 当场景中所有decal队列的decal总数量达到设定阈值时，对所有decal队列中 时器值最大的队列中位于该队列前二分之一的decal由前到后依次逐个删除，同时将该队 列的计时器清零。
[0018] 本发明的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法还包括对地表材质的基础 纹理、地表细节纹理和生成的车辙印进行融合处理的步骤：
[0019] 步骤a :使用Shader语言在GPU顶点处理器中计算基础纹理和地表细节纹理的融 合因子：
[0020] 设置基础纹理与地表细节纹理完全融合的距离dmin、最大融合距离dmax以及对应的 融合因子b min和b _，则当前车辙印中基础纹理和地表细节纹理的融合因子b的计算公式 为：
【主权项】
1. 一种三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，包括： 51 :获取车辆在行驶过程中处于活动状态的效果发生器的空间坐标，所述车辆设有四 个效果发生器，且四个效果发生器的坐标系原点分别位于车辆的左右前轮和左右后轮与地 面的接触点上，四个坐标系的坐标轴方向均与车辆的本身坐标系方向一致； 52 :根携
将Sl中获取的效果发生器的空间坐标转换为场景材质分布灰 度图的像素坐标，并获得该像素坐标对应的像素灰度值； 其中（x，y)为地形的空间坐标，（w，h)为场景材质分布灰度图的像素坐标，Xtl为地形网 格在世界坐标系X方向上最小值，％为地形网格在世界坐标系y方向上最小值；所述场景 材质分布灰度图是根据地形基础纹理创建的256阶的灰度图，用于标记场景中地表材质的 分布； 53 :根据S2获得的像素灰度值的字节位与地表材质的对应关系获得地表材质；所述像 素灰度值由一个8位的字节来表示，字节中的每1位对应一个地表材质，对应关系预先设 定； S4:根据所述车辆的名称和所述地表材质的名称在材质效果矩阵中获取对应的材质效 果； 所述材质效果矩阵为Μ(η+1)χ(ηι+1)，是以excel文件的形式创建的（m+1) X (n+1)矩阵；其 中η为地表材质数，m为车辆类型数，HiijQ = 2,3，…m+lj = 2,3，…n+1)为mn车辆在 Hllj地表材质上生成的材质效果名称； S5 :对于处于活动状态的每个效果发生器，当其移动距离大于本身长度时，动态创建一 个贴图decal，且所述decal的大小、位置和方向取该效果发生器的大小、位置和方向，所述 decal的效果为S4中获得的材质效果，对所述材质效果进行像素渲染生成车辙印。
2. 如权利要求1所述的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，还 包括对生成的decal数量进行控制的步骤： 为每一个车辆创建一个decal队列，用于存储车辆行驶过程中动态创建的decal，同时 绑定一个计时器，计时器的值表示相应decal队列中decal的寿命； 当decal队列中的decal数量等达到该decal队列的设定长度时，按照先入先出的原 则将位于队列前端且与新创建的decal等量的decal删除； 当车辆停止运动时，绑定于该decal队列的计时器开始计时，当车辆开始运动时，计时 器清零； 当场景中所有decal队列的decal总数量达到设定阈值时，对所有decal队列中时器 值最大的队列中位于该队列前二分之一的decal由前到后依次逐个删除，同时将该队列的 计时器清零。
3. 如权利要求1所述的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，还 包括对地表材质的基础纹理、地表细节纹理和生成的车辙印进行融合处理的步骤： 步骤a :使用Shader语言在GPU顶点处理器中计算基础纹理和地表细节纹理的融合因 子： 设置基础纹理与地表细节纹理完全融合的距离dmin、最大融合距离(1_以及对应的融合 因子bmin和b max，则当前车辙印中基础纹理和地表细节纹理的融合因子b的计算公式为：
其中d为地形网格顶点在xy水平面上的投影与视点在xy水平面上投影的距离； 步骤b :使用Shader语言在GPU像素处理器中对地形的基础纹理和地表细节纹理进行 逐像素的颜色叠加： 在像素渲染阶段，分别创建地形基础纹理、所有细节纹理和分布灰度图的采样器，根据 地表材质与像素灰度值的字节位之间的对应关系由低位到高位的顺序依次对像素颜色进 行叠加处理，计算公式如下：
其中，P表示地形纹理像素颜色值，P'表示细节纹理像素颜色值，Pi表示第i个材质的 纹理颜色，％表示场景材质分布灰度图的像素灰度值字节第i位的值，P ^表示地形基础纹 理的颜色，b表示步骤a计算的融合因子； 步骤c :将车辙印的decal纹理与地形纹理进行融合： 为decal纹理增加一个对应的透明度灰度图，将该透明度灰度图与车辙印纹理进行叠 加，计算公式如下：
其中Pe为最终的地形纹理像素颜色值，P为步骤b计算的地形纹理像素颜色值，P 3为 透明度灰度图的灰度值，Pd为decal纹理像素颜色值。
4. 如权利要求1所述的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，Sl 中：当车辆转向时，四个效果发生器为活动状态；当车辆向前运动时，后方的两个效果发生 器为活动状态；车辆向后运动时，前方两个效果发生器为活动状态。
5. 如权利要求1所述的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，S3 中像素灰度值对应的灰度图阶数为256阶、分辨率为WXH，且满足W/H = X/Y ; ff/X = α 其中地形的长度为X、宽度为Υ，α为标记精度，表示能够识别地面材质属性的最小单 位，从低位到高位分别表示由下至上的图层顺序。
6. 如权利要求1所述的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，其特征在于，S4 中：车辙印效果包括材质属性、漫反射纹理、凹凸纹理、纹理重复度和伴随效果； 其中所述伴随效果包括扬尘和声音；所述材质属性包括：漫反射光、高光、自发光、透 明度。
【专利摘要】本发明提供一种三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法，基于程序化地形细节纹理合成原理，通过材质分层实现了在三维虚拟场景中复杂地形的地表材质分布的标记和提取，并在此基础上综合运用可编程渲染管线技术和decal技术，实现了车辆运动过程中随地形质地变化而动态生成相应的车辙印效果，解决了与地表材质纹理的融合问题。本发明的三维虚拟场景中车辆车辙印的动态生成方法能够实时体现不同车辆在不同地面行驶产生的车辙印效果，具有很大的灵活性和真实性。
【IPC分类】G06T13-20
【公开号】CN104680568
【申请号】CN201510104347
【发明人】梁强, 杜君
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月10日