基于OSG和Bullet的船舶碰撞响应三维仿真创新机制

　针对目前在航海模拟器中缺少对船舶碰撞响应的三维仿真，提出在航海模拟器中基于开源场景图形（OpenSceneGraph， OSG）渲染引擎开发的三维视景中加入Bullet物理引擎的技术方案.根据刚体动力学、接触与碰撞动力学和能量守恒定律，基于Bullet刚体碰撞响应模型，建立船舶三维碰撞动力学模型；运用Projected GaussSeidel迭代算法，得到碰撞后船舶实时的六自由度位置姿态参数；根据碰撞检测阶段获取的碰撞点位置参数，实时绘制划痕并添加爆炸特效.该方案已成功应用于航海模拟器视景系统中，渲染效果良好.  
　　关键词：
　　航海模拟器； 三维视景系统； 碰撞响应； 开源场景图形（OSG）； Bullet物理引擎
　　中图分类号： U666.158
　　文献标志码： A
　　0引言
　　随着国际航运业和现代造船技术的不断发展，船舶大型化、高速化趋势明显，通航密度也越来越大，通航安全问题备受瞩目.为提高海上航行安全，降低海事事故发生率，通常运用航海模拟器对船员进行培训和评估.国际海事组织发布的《STCW公约》马尼拉修正案对航海模拟器提出更高的设备要求，完善航海模拟器的功能迫在眉睫.碰撞检测和碰撞响应是航海模拟器的关键技术之一，目前的模拟系统对碰撞后的船舶往往只做简单的停船处理，碰撞响应视景真实感欠缺.若能有效解决船舶碰撞响应的真实感问题，则可进一步完善航海模拟器的性能，提高船员应急情况下的模拟操纵能力.针对该问题，笔者提出将开源场景图形（OpenSceneGraph，OSG）三维渲染引擎与Bullet物理引擎结合的技术方案，研究三维碰撞响应算法，最终将该方案成功应用于航海模拟器的视景系统中.
　　1技术支持
　　1.1OSG
　　OSG扩展功能突出，跨平台性和可移植性好，且具备良好的场景管理和图形渲染优化功能，能实时高效绘制并控制三维模型，支持多类型外接设备.目前，国内多数航海模拟器的三维视景系统是基于OSG开发的.
　　1.2Bullet
　　物理引擎通过为刚性或柔性物体赋予真实物理属性的方式，计算物体的运动、旋转和碰撞反应.世界三大物理引擎分别为Havok，PhysX和Bullet，其中Bullet是一个开源的、易扩展的动力学类库，可有效解决虚拟环境中可移动物体的碰撞问题，且运算快速稳定.Bullet可作为一个碰撞检测库单独使用，开发者可根据需求自行设计仿真过程.
　　1.3OSG与Bullet的结合
　　1.3.1OSG与Bullet结合的可能性
　　OSG和Bullet均使用四元数和三维向量表示物体的方位，用三角网格表示不规则几何体，并根据时间帧循环运行，这为Bullet与OSG的结合提供可能.OSG主要用于管理场景结构并渲染三维视景，其碰撞检测功能具有一定的局限性，无法满足用户的精确碰撞检测要求；Bullet赋予模型物理属性，提供多种碰撞检测方法，并根据动力学原理作出碰撞响应.将OSG与Bullet结合，可弥补二者自身存在的不足，提高三维虚拟场景的真实感，符合物理世界的规律.
　　1.3.2OSG与Bullet结合的过程
　　OSG与Bullet结合的过程：①初始化物理世界，即对碰撞配置对象（btDefaultCollisionConfiguration）、碰撞调度器对象（btCollisionDispatcher）、解算器（btConstraintSolver）、碰撞粗测阶段（BroadPhase）、动态世界（btDynamicsWorld）进行初始化；②定义碰撞检测，为进行碰撞检测的物体构建合适的碰撞几何体（btCollisionShape）；③创建虚拟场景，设置物理世界中各物体的初始速度、位置、质量、摩擦力等物理参数；④设置回调，包括设置作用力和空间位置的回调，获取物理计算结果；⑤物理更新，根据回调获取的物体的位置姿态等参数，实时更新物体的空间位置.
　　4.2碰撞划痕特效模拟
　　根据碰撞检测阶段获取的碰撞接触点的位置参数，将碰撞接触点依次连接，可实时绘制船舶碰撞的划痕，即：从连续碰撞的第2个碰撞接触点p2开始绘制划痕；将当前获取的碰撞接触点pi与前一个碰撞接触点pi-1相连，形成线段pi-1pi；每产生一个新的碰撞接触点，便绘制一条线段，直到下一次碰撞检测无碰撞接触点时停止本条划痕的绘制.若某时刻又产生新的碰撞接触点，则开始一条新划痕的绘制.碰撞划痕特效见图6（a）.
　　每条划痕实际上是连接一次连续碰撞过程中的所有碰撞接触点p1，p2，…，pi-1，pi，…，pn的折线段.为使折线段更加光滑，可适当提高碰撞检测的频率.
　　4.3碰撞爆炸特效模拟
　　碰撞爆炸特效的产生主要借助OSG的粒子系统osgParticle实现，在每次连续碰撞的第1个碰撞接触点位置模拟爆炸的效果.碰撞特效主要运用OSG粒子系统中ParticleEffect中的ExplosionEffect模拟爆炸效果，FireEffect模拟火的燃烧效果，ExplosionDebrisEffect模拟爆炸后的四散颗粒效果，以及SmokeEffect模拟爆炸后的烟雾效果.碰撞爆炸特效见图6（b）.
　　5结束语
　　将OSG三维渲染引擎与Bullet物理引擎结合以解决航海模拟器中船舶碰撞响应问题.根据刚体动力学相关理论和能量守恒定律，以Bullet的刚体碰撞响应原理为基础，引入船舶碰撞动力学模型，运用Projected GaussSeidel迭代法，根据船舶碰撞前的速度、角速度等物理参数，算出碰撞后的相应参数，进一步推算碰撞后船舶的位置姿态，并进行实时更新.此外，还根据碰撞检测阶段求得的碰撞点的位置，实时绘制划痕并加入爆炸特效，并实时更新这些特效的位置和姿态，使其随船舶的运动位置和姿态的改变而改变.　　该方案创造性地在航海模拟器的视景系统中加入物理引擎Bullet，不仅可完善碰撞响应的仿真效果，而且符合物理规律，能提高视景的真实感和逼真度.
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