本發(fā)明屬于計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，涉及一種飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)的模擬方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)拉煙就是“尾跡云”，就是飛機(jī)排出來的廢氣與周圍環(huán)境空氣混合后，水汽凝結(jié)而成的特殊云系。飛機(jī)尾跡在軍事上有重要的價值，模擬飛機(jī)拉煙在軍事仿真上有重大意義與價值。煙霧的計算機(jī)模擬近年來都是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的熱點。煙霧的動畫模擬是計算機(jī)的重要組成部分，模擬煙霧產(chǎn)生的動畫在影視娛樂、軍事仿真等方面具有重大的應(yīng)用價值。

在現(xiàn)實生活中飛機(jī)的飛行軌跡即為煙霧的軌跡，飛機(jī)的不同飛行軌跡可以產(chǎn)生不同的飛機(jī)拉煙效果。特技飛行表演中飛機(jī)拉煙的絢麗效果留給人們很多美好的印象和震撼，編排更多新奇的飛機(jī)拉煙效果，借助煙霧實時模擬，模擬特技飛行表演中的飛機(jī)拉煙仿真場景十分必要。

時代在進(jìn)步，對于飛機(jī)表演過程中的飛行軌跡和煙霧效果的要求越來越高，新的機(jī)型，新的飛行軌跡，新奇的編制隊伍這幾個方面，在漫長的研發(fā)過程中需要無數(shù)次測試與實驗，耗費大量的人力物力，但是通過飛機(jī)拉煙演練模擬系統(tǒng)就可以很快地在計算機(jī)中通過操作呈現(xiàn)飛機(jī)拉煙的飛行的模擬效果，利用飛機(jī)的3d模型和煙霧的3d模擬設(shè)定軌跡來呈現(xiàn)出相應(yīng)的模擬效果，利用虛擬系統(tǒng)大大減少了在研究過程中的人力、物力及時間上的浪費。

隨著虛擬科技的發(fā)展，越來越多的科技工作人員一直致力于尋找新的更為有效的方法來模擬煙霧，為了實現(xiàn)更加真實的模擬動畫效果，必須調(diào)節(jié)煙霧的各種參數(shù)來完成對飛機(jī)拉煙模擬系統(tǒng)的模擬。在模擬過程中，煙霧運動的物理模型是通過流體力學(xué)中描述不可壓縮流體的最為全面的微分方程的N-S方程組來組建。

將飛機(jī)的運動軌跡和煙霧運動軌跡相匹配，所以煙霧軌跡模擬是我們要解決的最核心的問題，要實現(xiàn)出千變?nèi)f化的飛機(jī)拉煙隊列，軌跡建模和構(gòu)建煙霧軌跡的核心算法尤為重要。Foster和Lamorlette分別在2001年和2002年，通過人為設(shè)定空間曲線和曲面用于控制流體的運動和結(jié)構(gòu)。2004年，Pi ghin等人使用基于徑向基函數(shù)的控制粒子來引導(dǎo)周圍的粒子沿著用戶定義的方向運動。2006年，Kim等人提出了一種基于物理方法的物理模擬方法，可使煙霧沿著用戶設(shè)定的三維空間曲線運動。2013年，Jamie等人用拉格朗日渦粒子的方法控制煙霧的速度，控制顆粒給出運動軌跡，在網(wǎng)格內(nèi)分配目標(biāo)顆粒，使目標(biāo)顆粒匹配控制粒子獲得速度場。2014年，Sarah Abraham等人，采用煙霧刷系統(tǒng)，在數(shù)字畫布上繪制煙霧動畫使原圖更加真實，或完全用煙霧繪制精美的圖片。當(dāng)前煙霧軌跡模擬都集中表現(xiàn)特定軌跡，而忽略了煙霧仿真也可以應(yīng)用到飛行表演等軍事仿真，飛機(jī)拉煙軌跡可以千變?nèi)f化，因此利用煙霧軌跡的模擬來完成飛機(jī)拉煙表演模擬系統(tǒng)。

當(dāng)前煙霧軌跡模擬都集中在表現(xiàn)特定的軌跡，而忽略了煙霧仿真也可以應(yīng)用到特技飛行表演等軍事仿真上。利用現(xiàn)在的模擬仿真，對飛機(jī)拉煙的軌跡，機(jī)型，煙霧顏色等進(jìn)行設(shè)計和設(shè)置，進(jìn)而對飛機(jī)拉煙進(jìn)行系統(tǒng)的模擬，這樣就減少了實地演練的時間和資源，能夠直觀地看到演練后的效果，此外，所述飛機(jī)拉煙模擬系統(tǒng)具有操作簡單，場景真實的特點。

目前的飛機(jī)拉煙模擬系統(tǒng)中，只是對飛機(jī)拉煙機(jī)理的模擬實現(xiàn)，沒有對飛機(jī)編制隊伍、軌跡和煙霧效果的模擬。本發(fā)明方法對飛機(jī)的機(jī)型，編制隊伍，飛行軌跡和煙霧各種參數(shù)等效果都進(jìn)行了仿真模擬，實現(xiàn)了對飛機(jī)拉煙演練的系統(tǒng)的仿真模擬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種飛機(jī)拉煙演練模擬系統(tǒng)，以解決上述問題。

本發(fā)明的技術(shù)方法主要包括：利用3DMAX等3D建模軟件建造飛機(jī)的3D模型；利用改進(jìn)的N-S方程組建煙霧運動的物理模型；飛機(jī)在飛行時的編制隊伍的設(shè)計與實現(xiàn)；飛機(jī)飛行軌跡的設(shè)計與實現(xiàn)；對用戶交互界面上對飛機(jī)飛行軌跡的設(shè)計的實現(xiàn)；另外在交互界面對煙霧各種參數(shù)的設(shè)置的實現(xiàn)。

為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)的模擬方法，本發(fā)明的飛機(jī)拉煙模擬系統(tǒng)主要包括：常規(guī)飛機(jī)拉煙模擬模塊和自行設(shè)計演練模塊；在所述常規(guī)飛機(jī)拉煙模擬模塊中，用戶可以根據(jù)飛機(jī)機(jī)型、飛機(jī)數(shù)量、飛機(jī)飛行編制隊伍及飛機(jī)飛行軌跡的條件，來選擇在項目中已有的飛機(jī)拉煙模擬的場景來展示，在場景中可以對煙霧的濃度與顏色進(jìn)行設(shè)置；在所述自行設(shè)計演練模塊中，用戶可以在場景中根據(jù)用戶的想法和意愿去選擇飛機(jī)機(jī)型，并設(shè)計飛機(jī)的飛行數(shù)量和編制隊伍，設(shè)計每架飛機(jī)的飛行軌跡，也可以對每股煙霧的顏色和濃度進(jìn)行設(shè)置，以此達(dá)到想要的飛機(jī)拉煙場景的模擬效果，并且還可以對所設(shè)計的場景進(jìn)行修改和保存；所述飛行拉煙模擬系統(tǒng)的后端還包括飛機(jī)模型數(shù)據(jù)庫、飛機(jī)編制隊伍數(shù)據(jù)庫和軌跡數(shù)據(jù)庫；所述飛行拉煙模擬系統(tǒng)的前端還包括選擇飛機(jī)機(jī)型單元、選擇飛機(jī)數(shù)量單元、選擇飛機(jī)飛行編制隊伍單元、設(shè)置煙霧顏色與濃度單元和選擇飛機(jī)拉煙的飛行軌跡單元以及自行設(shè)計飛機(jī)拉煙場景模塊單元；其中所述的選擇飛機(jī)機(jī)型單元是展示出用戶可以選擇的飛機(jī)的機(jī)型，展示出飛機(jī)的圖片和型號；在所述的選擇飛機(jī)數(shù)量單元中就是將常規(guī)飛機(jī)拉煙場景中的飛機(jī)數(shù)量列出供選擇；所述的選擇飛機(jī)飛行編制隊伍單元就是針對不同的數(shù)量有其常規(guī)的不同的編制隊伍，陳列出在此單元內(nèi)可以選擇的編制隊伍；所述的設(shè)置煙霧顏色和濃度單元就是用于對在模擬場景中的煙霧參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對飛行拉煙中的煙霧進(jìn)行顏色與濃度的設(shè)置；在所述的飛行拉煙的選擇飛行軌跡單元中，陳列出常規(guī)場景中飛機(jī)飛行的軌跡以供選擇；所述的自行設(shè)計飛機(jī)拉煙場景模塊單元，用戶可以在此單元模塊上設(shè)置飛機(jī)機(jī)型、設(shè)置飛機(jī)數(shù)量并設(shè)計飛行時的編制隊伍，設(shè)計飛機(jī)的飛行軌跡和設(shè)置煙霧的各項參數(shù)，實現(xiàn)想要的仿真模擬場景；該方法的模擬過程包括如下步驟：

(1)建立飛機(jī)立體3d模型庫，根據(jù)可視化面板上展示的飛機(jī)模型圖片，將飛機(jī)拉煙中飛機(jī)的型號、圖片和相關(guān)模型導(dǎo)入到飛機(jī)模型庫中；

步驟(1)改進(jìn)了飛機(jī)模型從2d轉(zhuǎn)換到3d模型，實現(xiàn)了運行場景時更加立體、真實的視覺效果。

(2)選擇需要展示的飛機(jī)的數(shù)量，組建模擬場景中飛機(jī)飛行的編制隊伍，核實飛機(jī)的數(shù)量；

步驟(2)創(chuàng)建了飛機(jī)的數(shù)量和編制隊伍，呈現(xiàn)出了更多元化的表演形式和效果。

(3)利用改進(jìn)的流體方程N-S方程建立煙霧的物理模型，選擇每一架飛機(jī)的飛行軌跡，軌跡選擇有直線，曲線，螺旋路線，創(chuàng)建逼真的煙霧視覺效果；

步驟(3)利用改進(jìn)的流體方程N-S方程建立煙霧的物理模型，展現(xiàn)出真實的煙霧效果。

(4)創(chuàng)建煙霧的軌跡，對飛機(jī)的煙霧進(jìn)行設(shè)置，使飛機(jī)的軌跡與煙霧的軌跡同步，完成飛機(jī)與煙霧同軌跡；

步驟(4)創(chuàng)建煙霧的飛行軌跡，使飛機(jī)的飛行軌跡與煙霧的軌跡相同步，根據(jù)拉煙的效果調(diào)整飛機(jī)飛行的速度，用以完成想要的飛機(jī)拉煙的場景。

(5)設(shè)置煙霧的各項參數(shù)，包括煙霧的濃度與顏色。

步驟(5)可以設(shè)置煙霧的相關(guān)參數(shù)，在模擬仿真場景中，針對不同的場景和不同的視覺效果，可以設(shè)置煙霧濃度與顏色等相關(guān)參數(shù)。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的界面設(shè)計和煙霧建模技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：

1)采用3DUI界面展示3d飛機(jī)模型，更有立體展示效果；

2)采用的基于物理模型的建模方法建立煙霧模型，使場景中的模擬煙霧更有真實感；

3)采用3d立體環(huán)境場景，能夠更有真實感，更有真實視覺效果。

本發(fā)明方法提供了對飛機(jī)拉煙演練時的動畫模擬，可以真實的呈現(xiàn)出飛機(jī)拉煙的仿真模擬場景，達(dá)到真正的效果需求。該方法為飛行表演的軍事仿真上提供了技術(shù)支持和效果支持。

附圖說明

圖1是飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)功能模塊圖；

圖2是控制煙霧運動路徑模擬的流程圖；

圖3是內(nèi)部驅(qū)動力改變速度；

圖4是本發(fā)明飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)的模擬方法流程圖。

具體實施方式

利用附圖將更清楚簡潔的展現(xiàn)出本發(fā)明方法的發(fā)明內(nèi)容和算法運行過程。下面將結(jié)合附圖詳細(xì)地闡述本發(fā)明方法的技術(shù)方案，以便更好地理解本發(fā)明的功能和實際意義。

如圖1所示是飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)功能模塊圖，本發(fā)明的實施過程是選擇已有常規(guī)飛機(jī)拉煙演練的場景觀看或者進(jìn)入自行設(shè)計飛機(jī)拉煙演練場景模塊，然后選擇相應(yīng)的選項或者設(shè)計好場景后點擊運行即可實現(xiàn)對飛機(jī)拉煙場景的仿真模擬。

飛機(jī)的3d模型是在3DMAX上制作出來的3d立體模型，根據(jù)在閱兵時或者飛行表演中的場景制作出其相應(yīng)的3d模型。在飛機(jī)模型庫中，有單拉煙孔飛機(jī)和雙拉煙孔飛機(jī)模型供選擇，另外還有不同的飛機(jī)模型型號如有殲7，K8教練機(jī)等。

由于N-S方程是牛頓第二定律在不可壓縮粘性流體中的表達(dá)式，是常用的計算流體動力學(xué)模型，所以利用它來建立煙霧運動的物理模型。由于求解偏微分方程的N-S方程計算量比較大，對于傳統(tǒng)的有限差分方法只適應(yīng)規(guī)則區(qū)域的不足，使用改進(jìn)的有限差分方法求解偏微分方程。

基于物理模型的模擬方法因為其可以逼真的實現(xiàn)流體的運動效果，已經(jīng)成為研究流體模擬的一種重要方法。Kajiya J，Herzen等人在1984年就提出了云云物理方法來模擬煙霧，但當(dāng)時計算機(jī)的性能只能在粗燥的網(wǎng)格上進(jìn)行模擬，得到的模擬效果受到影響，應(yīng)用與發(fā)展受到限制。直到1996年Foster N等人在三維空間上使用Navier-Stokes方程描述流體的運動。他們在求解物理模型的方程時，用來顯示格式解決方程。該方法的求解速度快，但只有滿足一定的條件下才能保持穩(wěn)定。為解決顯示求解方法所存在的穩(wěn)定性問題，Stam提出一種無條件穩(wěn)定模型，其分步計算Navier-Stokes方程組中的方程，即用隱式方法求解，并利用半拉格朗日方法求解N-S方程的對流項。

流體運動速度矢量為U＝(U_x，U_y，U_z)，時間為t，密度為ρ，在時間為t＝0處，將速度場和壓力場初始化。流體的連續(xù)方程為

其中，對于不可壓縮流體，為散度算子，設(shè)質(zhì)量力密度函數(shù)為f，為梯度算子，為對流項，v為運動粘性系數(shù)，p為壓強(qiáng)，在不考慮流體粘性的情況下，則流體的動量方程為

Fedkiw et al改善了渦度限制，通過引入網(wǎng)格大小h，保證網(wǎng)格計算和細(xì)化的一致性，他們的方法成功實現(xiàn)了在粗網(wǎng)格上產(chǎn)生局部湍流的效果。改變旋渦限制方法中作用于整個空間單一不變的旋渦系數(shù)，利用自適應(yīng)旋渦限制方法，通過調(diào)節(jié)螺旋形強(qiáng)度，網(wǎng)格尺度h和系數(shù)三個量的大小，產(chǎn)生旋渦限制力，將其作用到速度場中，可使得煙霧模擬過程中出現(xiàn)小漩渦細(xì)節(jié)效果。

建立飛機(jī)飛行軌跡，在本發(fā)明中，實際上是先建立煙霧的運動軌跡，再將飛機(jī)的運動軌跡與煙霧的運動軌跡相匹配，實現(xiàn)飛機(jī)與煙霧的運動軌跡一致。關(guān)于煙霧軌跡模擬方面的研究也是目前煙霧仿真模擬的一個熱點。

2004年，Raanan等人提出一種新的方法可以有效地控制煙霧的動畫，給定一系列目標(biāo)例子的狀態(tài)，驅(qū)動生成煙霧朝著目標(biāo)運動，實現(xiàn)了復(fù)雜的煙的實時煙霧動畫模擬，成本代價和優(yōu)化代價??；2004年，Pighin等人使用基于徑向基函數(shù)的控制粒子來引導(dǎo)周圍的粒子沿著用戶定義的方向運動，但受限于有限粒子數(shù)和固定的半徑；2006年，Kim等人提出了一種基于物理方法的控制煙霧模擬方法，可使煙霧沿著用戶設(shè)定的三維空間曲線運動，但路徑控制是通過不斷地將當(dāng)前煙霧速度場和目標(biāo)速度場相匹配得到的，故模擬過程需一直重復(fù)匹配；2007年，秦培煜、陳傳波等人在物理模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了模型的實時數(shù)值模擬方法；2013年，Jamie等人利用目標(biāo)粒子的驅(qū)動方式控制粒子的運動軌跡，在一個網(wǎng)格內(nèi)分配目標(biāo)粒子獲取速度后使得目標(biāo)粒子對控制粒子進(jìn)行匹配；2013年，Jamie等人用拉格朗日渦粒子的方法控制煙霧的速度，控制顆粒，給出運動軌跡，在網(wǎng)格內(nèi)分配目標(biāo)顆粒，使目標(biāo)顆粒匹配控制粒子獲得速度場，利用隨機(jī)陰影映射機(jī)制呈現(xiàn)渲染粒子系統(tǒng)；2014年，Sarah Abraham等人建立一個可以在數(shù)字畫布上繪制煙霧的筆刷系統(tǒng)，在真實圖片的基礎(chǔ)上繪制煙霧動畫使原圖更加生動真實；

在飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)已有的仿真模擬場景中，煙霧沿著已指定的軌跡運動，具體過程流程如圖2所示。用戶指定要實現(xiàn)的飛機(jī)拉煙軌跡曲線，確定曲線的半徑，求解N-S方程，求解外力項，再求解對流項，再求解壓力投射項，最后計算密度場，根據(jù)密度場繪制出速度場，從而給出煙霧的軌跡，飛機(jī)的運動軌跡與煙霧運動軌跡相匹配，將煙霧的速度賦值給飛機(jī)的速度，使兩者同步變化。

由于煙霧的密度梯度總是從低密度處指向高密度處，若在煙霧上施加一個內(nèi)部驅(qū)動力，就可使煙霧沿著密度梯度相同的方向從路徑密度高的一端流向路徑密度低的一端，如圖3顯示了內(nèi)部驅(qū)動力改變速度的過程，f使得任一內(nèi)部網(wǎng)格點k處的新速度趨近密度梯度的相反的方向。

利用飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)做出幾種常見的飛機(jī)拉煙的場景實例，同時建立一個飛機(jī)拉煙場景庫存儲于系統(tǒng)中，在飛機(jī)拉煙場景庫中存儲了多種已經(jīng)設(shè)定好的飛機(jī)拉煙場景，例如：九架飛機(jī)的菱形編制隊伍場景，五架飛機(jī)大雁型編制隊伍場景等可以直接選擇運行觀看。

飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)包含設(shè)計飛機(jī)拉煙場景和觀看已有飛機(jī)拉煙場景。

示例性的，展示觀看場景庫中的場景。在可視化面板上，對其場景各個參數(shù)設(shè)置確定后即可觀看到庫中的場景。例如,可視化面板上有相應(yīng)的選擇飛機(jī)機(jī)型、選擇飛機(jī)數(shù)量后出現(xiàn)其數(shù)量相相應(yīng)的飛機(jī)編制隊伍，面板上還可對飛機(jī)拉煙中的煙霧進(jìn)行設(shè)置濃度，顏色等參數(shù)，選擇飛機(jī)飛行的軌跡后運行即可出現(xiàn)此仿真模擬場景。

另外自行設(shè)計模塊，在其可視化面板上選擇飛機(jī)機(jī)型，用鼠標(biāo)拖曳其飛機(jī)圖標(biāo)就可在其場景中出現(xiàn)并且改變其在場景中的位置，進(jìn)而可以設(shè)計出飛機(jī)飛行時的編制隊伍，然后再設(shè)計出每個飛機(jī)的飛行路線，再設(shè)置好每架飛機(jī)煙霧的濃度和顏色運行后即可展示出自行設(shè)計的飛機(jī)拉煙的場景。

圖4所示是本發(fā)明飛機(jī)飛行拉煙模擬系統(tǒng)的模擬方法流程圖，該模擬方法具體實施步驟：

1)在常規(guī)飛機(jī)拉煙模擬模塊上，根據(jù)可視化面板上展示的飛機(jī)圖片，飛機(jī)名稱和型號選擇飛機(jī)；

2)選擇需要展示的飛機(jī)的數(shù)量，選擇后會出現(xiàn)其數(shù)量相對應(yīng)的飛機(jī)編制隊伍，選擇想要看場景的編制隊伍；

3)選擇每一架飛機(jī)的飛行軌跡，軌跡選擇有直線，曲線，螺旋路線；

4)對飛機(jī)的煙霧進(jìn)行設(shè)置，對于煙霧要設(shè)置的參數(shù)有煙霧濃度，顏色；

5)在自行設(shè)計演練模塊上，點擊設(shè)計模塊，即可創(chuàng)建新的場景進(jìn)行設(shè)計，針對飛機(jī)的機(jī)型，飛機(jī)的數(shù)量和軌跡進(jìn)行隨意設(shè)置，有時候針對一些隊形的設(shè)計可能對飛機(jī)速度也可進(jìn)行調(diào)整，另外還要對每架飛機(jī)拉出的煙霧的濃度和顏色進(jìn)行設(shè)置；

6)在這兩個模塊中，都是在設(shè)置完所有屬性以后，點擊運行按鈕便可生成飛機(jī)拉煙的仿真模擬。