基于UE4的火星地表环境视景仿真

陈绪宁，郑建英，胡 勇，池碧茹，陈 巍，胡庆雷,3*

1.北京航空航天大学,北京 100191

2.北京控制工程研究所,北京 100094

3.北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭)，杭州 310023

0 引 言

作为科技发展的前沿领域，面向深空探测任务的研究是当今众多尖端科学技术深度融合的产物，充分体现了一个国家的核心创造力及综合国力，对于维护国家安全，促进技术革新，以及推动中国从航天大国向航天强国的转变具有重大意义[1].围绕深空探测活动，国际上主要航天国家和机构瞄准了包括月球、太阳系内行星和小天体等在内的若干深空目标，持续开展长达数十年的探索研究，取得了一系列重大成果，有力地推动基础科学的提升和应用技术的颠覆性革新[2].我国深空探测起步于月球，依托“嫦娥”系列任务的实施，实现探月工程的“绕落回”三步走战略的完美收官[3-4].除了距离地球较近的月球之外，火星作为相距地球最近的类地行星之一，因其具有与地球类似的自转周期和季节更替特性，同时也拥有稀薄的大气和水以及各类矿藏和稀有金属资源等，广受科研人员的青睐[5-6].鉴于此，全球各大航天机构竞相发射各类火星探测器，相继实现了掠飞、绕飞、着陆等任务目标.我国火星探测器“天问一号”通过一次发射，集成环绕器和着陆器系统，圆满完成火星“绕落巡”三大节点任务.

尽管人类在火星探测任务中取得了一系列的重大突破，仍需清醒地认识到火星复杂的环境因素使得全球有记录的探测任务成功率尚不足50%.其中，火星复杂恶劣的环境特点主要表现为：大气稀薄且不稳定，低气压，地形复杂，沙尘暴多，温度变化大及光照强度弱[7-9].同时因为人类探索火星的频次有限，关于火星环境等各方面的样本数据相对稀缺.上述众多环境因素给火星探测任务设计优化和改造升级等带来巨大挑战，甚至是直接决定任务的成败与否[10-12].

为保证火星探测任务的顺利进行，相关的着陆器/巡视器系统在研制和设计改造阶段需要充足的试验验证进行支撑[6,11-12]，这无疑会带来巨大的资金及时间成本.针对这类问题，可以使用仿真和虚拟现实技术，即基于仿真变量参数和模块/框架的设置，以较高的逼真度模拟出某些工况和环境，替换部分地面无法进行的真实试验.这类仿真技术凭借系统低成本，可重复使用和危险系数低等突出优势，尤其适用于无法获得的未知恶劣环境.鉴于此，各类航天任务中已经逐步引入仿真技术，主要包括月球车运动规划[13-14]、探测器飞行控制[15-16]、月面模拟[17-18]、火星车建模与仿真[19-21]和火星EDL过程建模仿真[22]等任务.

需要指出的是，在当前的航天系统仿真研究中[23-25]，主要关注的是探测器的姿态轨道分析、月球/火星车的运动仿真展示等，缺乏具有3维渲染功能的高逼真度视景展示，很难在同一视景框架下直观比较不同工况下的仿真结果.虚拟现实技术可以有效提升工程设计人员对于虚拟环境的沉浸感和真实感，进而为航天器系统的设计和优化提供一类直观且逼真的反馈.虚幻引擎4(UE4)作为专业的虚拟现实开发平台，给研究人员提供了一系列的数据生成工具和技术支持，从而确保了优越的仿真沉浸和交互效果[26-28].

本文针对火星着陆/探测操作的工程需求，对火星地表环境的数字仿真方案进行了研究，构建了一套基于UE4的火星地表环境虚拟现实3维视景模型.该模型利用地形建模工具包和数据库以及光照渲染功能，生成了火星特有的地形地貌场景，同时以3维可视化形式展现了火星光照、大气层以及沙尘等逼真的环境因素，最终为火星着陆和探测操作任务提供了身临其境的沉浸式虚拟现实场景.

1 火星地表环境总体设计

通过调研可知[10]，火星地表崎岖、沟壑纵横、砾石遍布、起伏大，而且其环境也异常恶劣，并常有沙暴肆虐，因此本节将分别从地形和环境的角度入手，开展火星地表环境视景仿真研究.

基于UE4的火星地表环境视景仿真总体设计与构建可以分为地表地形建模和地表环境建模两大模块，如图1所示.其中，地表地形包括沙坡、岩石、波纹、陨石坑以及山脊的建模，地表环境模型包括沙尘、光照和大气的建模.

图1 视景仿真总体框架图Fig.1 Diagram of visual simulation

2 火星地表环境视景实现

2.1 基础模块建立与导入

为了更好地呈现最终视觉效果，需要在最初建立仿真环境的基础模块时就做的足够精细.因为本文将火星地表的地形和环境模型分开建立，所以其对应的基础模块也应如此.地形基础模块包括岩石、陨石坑等，而环境基础模块则主要指沙尘.接下来给出具体描述.

2.1.1 地形基础模块

(1)资源搜集

由于本文的重点是火星地表环境的视景仿真，所以视觉效果始终是排在第一位的.在视觉呈现中，材质球必不可少.材质球的获取一般有2种：独立制作和网络搜集.本文选择后者，从网络上搜集与火星环境适配的材质球，其中部分如图2所示.

图2 不同的材质球Fig.2 Different material balls

(2)岩石

火星地表分布着大小不一、形状各异的岩石，有碎石、板岩和基岩等.接下来在3Ds Max 3维建模软件中建立不同形状的岩石模型.最后使用材质球赋予不同岩石以相应的视觉形式，如图3所示.

图3 使用不同材质球的岩石模型Fig.3 Rock models of balls using different material

(3)陨石坑

由于空间环境复杂，时常会有天外陨石飞入火星大气层，并与地表碰撞形成陨石坑(撞击坑).陨石坑模块是火星地表环境可视化仿真不可或缺的一部分.首先观察已有的真实火星陨石坑图片并总结出关键特征.接下来与岩石模块相同，在3Ds Max中建立特点鲜明的陨石坑模型，选择材质球给其“上色”，并得到最终效果如图4.

图4 使用不同材质球的陨石坑模型Fig.4 Crater models of balls using different material

2.1.2 环境基础模块

(1)沙尘

火星地表除了分布有各式各样的岩石外，还有沙尘遍布.本节结合真实火星尘土颜色，给出沙尘粒子材质如图5.

图5 沙尘粒子材质Fig.5 Mars dust particle material

2.1.3 基础模块导入

在火星地表地形和环境基础模块建立好之后，需倒入至UE4中进行后续模型建立的操作.需注意，在导入各基础模块时需选择骨架网格模型(skeleton mesh)，以便于接下来设置模型间的碰撞效果.值得一提的是，由于上述模块在导入之后，还可在UE4中根据实际情况进行各种伸缩变换，所以在建立基础模块时只需关注其形状，可暂时忽略其大小.

2.2 火星地表地形模型建立

在建立并导入火星地表地形基础模块之后，即可开展地形模型的建立，而这也是本文的核心模块之一.另外，火星地形建立又可分为初始地形建立和地形元素添加两个部分，下面给出具体技术细节.

2.2.1 初始地形建立

地形是仿真环境的基石，决定了环境的整体风格和走向.UE4提供了2种地形建模的方法，1)根据已有数字高程模型(DEM)自动生成，2)新建空白地形并在其上编辑.本文在总结火星地形主要特点的基础上选择后者使得整个环境更丰富，包含真实元素更多.

在UE4主界面模式选项中选择“地形”，如图6所示，设置地形参数如表1.接下来使用UE4中的自带工具对图6中的平坦地形进行修改.如图7(a)所示，首先选择“雕刻”工具，通过设定合适笔刷的尺寸和衰减程度，可以生成特定的凸起，以实现高山、丘陵地形的建模，如图8(a)所示.另外，使用图7(b)中“侵蚀”工具对地形进行下陷操作，得到如图8(b)所示模型.通过多次调整并选择合适的材质球，最终得到火星地形初始模型如图9所示.

图6 在UE4中新建空白地形Fig.6 New blank terrain in UE4

表1 地形参数Tab.1 Terrain parameters

图7 UE4中的雕刻和侵蚀工具Fig.7 Engraving and erosion tools in UE4

图8 经过雕刻和腐蚀操作后得到的模型Fig.8 The model obtained after the engraving and etching operation

图9 火星地形初始模型Fig.9 Initial model of the Martian terrain

2.2.2 地形元素添加

上一步中建立了图9所示的初始火星地形模型，接下来需要使用第2.1.1节中建立的初始地形模块对整个环境进行更精细的刻画，以实现更丰富的细节.

组合各种岩石、陨石坑等基础地形模块，根据需要对其进行放缩和旋转，得到部分局部细节如图10所示，整体模型如图11所示.

图10 火星地形局部细节Fig.10 Local details of Martian terrain

图11 火星地形整体模型Fig.11 Overall model of Martian terrain

2.3 火星地表环境模型建立

如果把地形比作人的骨骼，那么环境则可以看作人的血和肉.本文中环境和地形搭配组合，二者相辅相成才能造就最终沉浸式的火星地表可视化仿真.地表环境模型的建立可以分为以下几个部分.

2.3.1 光照模型

3维空间模型具有空间位置、光亮度和颜色等特性.要绘制具有真实感的地形模型，需要对模型以及整个仿真系统进行光照渲染.合理的添加光照模型，并对光源位置、光亮度以及光源类型进行设置，有利于渲染出更加真实的3维火星环境.在本文中，选择UE4中光照强度为6lux的“天光”，且光源颜色的RGB值分别为233、242和255.

2.3.2 火星大气模型

除了逼真的光照之外，火星大气层的建模也不可少，本文选择“Sky_Sphere”模拟火星大气，如图12所示.另外，添加火星大气模型之后的地表局部图如图13所示.

图12 火星大气模型Fig.12 Mars atmosphere model

图13 添加火星大气模型后的局部细节Fig.13 Local details after adding the Mars atmosphere model

2.3.3 沙尘模型

最后一项环境模型是火星地表的沙尘模块，具体细节已在第2.1.2节中展示，在本部分只需将其添加到建立好的地表模型中，如图14所示.

图14 添加火星沙尘模型后的局部细节Fig.14 Local details after adding the Martian dust model

2.4 火星地表视景仿真最终效果

在完成基础模块导入、地形模型建立和环境模型建立等步骤之后，最终得到火星地表环境视景仿真效果图，如图15所示.

图15 火星地表环境视景仿真效果Fig.15 Mars surface environment view simulation effect

3 真实性验证

在第2节中，本文主要描述了基于UE4的火星地表环境视景仿真建立过程.为证明上述最终效果贴近真实火星环境，本节将与国际上现有的火星车实际拍摄图片就部分火星细节进行对比.一般来说，主要有技术水平和硬件设施较为领先的好奇号等.

3.1 碎石

由于火星表面碎石、砾石遍布，而大小不一的石块对火星车的路线选择有着一定的决定作用，所以首先进行碎石地形的真实性验证.与仿真环境做比对的是好奇号火星车执行任务期间拍摄的实景图片[29]，对比结果如图16所示.

图16 火星碎石地形细节对比Fig.16 Detail comparison of Martian gravel terrain

3.2 板岩

板岩是火星地表除碎石外的又一典型地形.接下来通过与好奇号火星车拍摄的实际火星板岩图片[29]进行比对，证明了所构建环境的真实性，并一定程度上满足视觉效果的要求，对比结果如图17所示.

图17 火星板岩地形细节对比Fig.17 Detail comparison of Martian slate terrain

4 结 论

本文主要介绍了一种火星地表环境的视景仿真的实现方法，利用UE4引擎强大的虚拟现实模拟技术，实现了火星特有的地形地貌的可视化仿真，为火星着陆和探测操作任务提供了虚拟测试环境.展望未来的载人登火任务，航天员可以在环绕器上通过遥操作实现火星基地建设，迫切需要为这类遥操作提供实时的工作环境展示和控制指令的在线注入，进而降低任务失败的风险.这对于火星视景仿真的实时交互性提出了更高的要求.