聯(lián)網(wǎng)飛行模擬器的視景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)研究

董鴻鵬， 金　雷， 王春財(cái)

(解放軍92728部隊(duì), 上?！?00040)

飛機(jī)模擬器能夠模擬飛機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)的飛行狀態(tài)、飛行環(huán)境和飛行條件,為飛行員提供近似真實(shí)的操縱負(fù)荷、視覺、聽覺以及運(yùn)動(dòng)感覺,是提高飛行人員飛行訓(xùn)練水平的重要裝備。而通過各飛行模擬器間的聯(lián)網(wǎng)建設(shè),能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)飛機(jī)模擬器分別扮演紅藍(lán)方進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)模擬實(shí)時(shí)空戰(zhàn)訓(xùn)練的功能[1]。在飛行模擬器聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中,視景數(shù)據(jù)庫的建立是非常重要的一個(gè)方面,因?yàn)椴煌吞?hào)的模擬器一般是由不同廠家生產(chǎn)的,并且每個(gè)模擬器單機(jī)訓(xùn)練時(shí)使用的視景數(shù)據(jù)庫一般是機(jī)場(chǎng)周邊范圍,當(dāng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗時(shí)必須使用統(tǒng)一的包含作戰(zhàn)區(qū)域的視景數(shù)據(jù)庫來保證模擬對(duì)象在空間上的一致性。只有視景數(shù)據(jù)庫中地景和目標(biāo)模型的坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式等方面的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,才能確保聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練中仿真數(shù)據(jù)的有效性。

聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫能夠滿足飛行訓(xùn)練所需的窗外視景,為受訓(xùn)人員提供典型地區(qū)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)景的空戰(zhàn)對(duì)抗和對(duì)海突擊等顯示效果,在起降模擬訓(xùn)練時(shí)能滿足受訓(xùn)人員正確判斷滑跑距離、離地高度、下降速度、與跑道相對(duì)運(yùn)動(dòng)及距離變化等視覺效果的要求。聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫中不僅包含模型的幾何信息,而且還包含紋理、材質(zhì)信息和燈光、LOD、模板、運(yùn)動(dòng)等高級(jí)特征。

本文結(jié)合具體的工程項(xiàng)目要求,以VegaPrime、Mantis、TerraVista pro、Multigen Creator等視景數(shù)據(jù)庫仿真建模軟件為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種聯(lián)網(wǎng)飛行模擬器的視景數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)方法。

1　聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)要求

飛行模擬器在單機(jī)訓(xùn)練時(shí)使用的地景數(shù)據(jù)庫一般是機(jī)場(chǎng)周圍400km×400km的場(chǎng)景,滿足日常起降等訓(xùn)練的要求,不同機(jī)種根據(jù)機(jī)場(chǎng)位置的不同場(chǎng)景也千差萬別,如有的在海南,有的在山東半島,這些模擬器聯(lián)網(wǎng)也飛不到一起。因此進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗訓(xùn)練時(shí)必須使用統(tǒng)一配發(fā)的包含主要作戰(zhàn)區(qū)域大地景數(shù)據(jù)的地景數(shù)據(jù)庫,如南海地區(qū)、臺(tái)海地區(qū)等,以保證模擬對(duì)象在空間上的一致性滿足轉(zhuǎn)場(chǎng)和戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗等課目對(duì)大地景的需要。

飛行模擬器的聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練時(shí),首先由總導(dǎo)調(diào)臺(tái)根據(jù)訓(xùn)練科目,設(shè)置聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)想定并將其發(fā)送給聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中參與訓(xùn)練的各個(gè)模擬器,同時(shí)發(fā)送聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練的控制命令。各個(gè)模擬器在收到總導(dǎo)調(diào)臺(tái)發(fā)送來的控制命令和作戰(zhàn)想定后,能夠產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)一的三維和二維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。這就要求聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫的格式必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的國軍標(biāo)和規(guī)范要求,使用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化制作方法,并采用成熟的開發(fā)工具,減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

目前我軍使用的飛行模擬器,由于視景系統(tǒng)的軟硬件都是采用集中采購的方式實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,因此采用統(tǒng)一的地景數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練不存在技術(shù)問題。

2　聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫是飛機(jī)模擬器聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中一個(gè)重要的二級(jí)子系統(tǒng),為飛機(jī)模擬器提供滿足聯(lián)網(wǎng)模擬訓(xùn)練需求的地景和目標(biāo)三維視景數(shù)據(jù)庫,主要包括三方面:機(jī)場(chǎng)三維模型庫,空中、地/海面運(yùn)動(dòng)和靜止目標(biāo)模型庫以及固定經(jīng)緯度范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)庫[2-4]。

2.1　地形數(shù)據(jù)庫

地形數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含以下自然和人文特征:樹林、草地、山脈、河流、橋梁、公路、鐵路、地面特征建筑等,部分特征物應(yīng)提供三維模型。

為滿足不同機(jī)種起降、對(duì)抗等各種訓(xùn)練任務(wù)需要,要求地形數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有多種細(xì)節(jié)層次(LOD),能夠滿足不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下視景分辨率變化的需求,LOD應(yīng)不少于3級(jí)。

為盡可能提高戰(zhàn)場(chǎng)逼真度,提高訓(xùn)練效果,地形紋理應(yīng)采用實(shí)地的真彩色遙感影像(航片或衛(wèi)片)。經(jīng)研究多家模擬器的數(shù)據(jù)庫后,設(shè)置紋理配置:機(jī)場(chǎng)跑道中心附近5km×5km區(qū)域,紋理分辨率不低于1m/像素;機(jī)場(chǎng)跑道中心附近20km×20km區(qū)域,紋理分辨率不低于5m/像素;其他區(qū)域紋理分辨率不低于15m/像素。該像素條件下能夠滿足飛行人員的正確判斷滑跑距離、離地高度、下降速度、與跑道相對(duì)運(yùn)動(dòng)及距離變化等視覺效果的要求,過高的像素雖能小幅提高視景效果,但會(huì)大幅增加數(shù)據(jù)量,嚴(yán)重影響仿真進(jìn)程。

由于聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫屬于大范圍地形數(shù)據(jù)庫,對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)分頁調(diào)度格式,來保證大地景顯示的連續(xù)性。

2.2　三維目標(biāo)模型庫

三維目標(biāo)模型數(shù)據(jù)庫主要包括各類運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、軍事設(shè)施、地面建筑、橋梁、港口、大型發(fā)電廠及輸配電設(shè)施等三維模型等,可分為三大類別:靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型和損毀模型。靜態(tài)模型應(yīng)具有不同層次的細(xì)節(jié)描述,最細(xì)一級(jí)應(yīng)保證目標(biāo)模型的外觀、尺寸同真實(shí)目標(biāo)一致,且應(yīng)具有相應(yīng)的特征細(xì)節(jié),包括紋理描述,能體現(xiàn)目標(biāo)材質(zhì)和光照;動(dòng)態(tài)模型能夠正確模擬活動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征及目標(biāo)局部的運(yùn)動(dòng)特征;損毀模型能正確模擬目標(biāo)的損毀特征。

2.3　機(jī)場(chǎng)模型庫

機(jī)場(chǎng)模型庫是指機(jī)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)鄰近區(qū)域及半徑為20km～40km范圍內(nèi)高逼真度的地形描述,滿足晝/夜間的目視起飛、著陸訓(xùn)練需要,并具備包括某一季節(jié)(如冬季)的季節(jié)效應(yīng)模型。在聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練中飛行模擬器既包括固定翼飛機(jī)也包括直升機(jī),因此聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的機(jī)場(chǎng)也應(yīng)包括固定翼機(jī)場(chǎng)和直升機(jī)機(jī)場(chǎng),本文以固定翼機(jī)場(chǎng)為例,簡(jiǎn)要分析建立機(jī)場(chǎng)模型庫應(yīng)包括的內(nèi)容:機(jī)場(chǎng)模型包括機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、停機(jī)坪的細(xì)節(jié)描述,其中包含有紋理和地面標(biāo)記(包括滑行聯(lián)絡(luò)道口(等待線)、中心線、著陸區(qū)和接地區(qū)的標(biāo)志、跑道上常駐的標(biāo)記等);機(jī)場(chǎng)建筑物包括塔臺(tái)、機(jī)庫、候機(jī)樓和飛行保障設(shè)施等三維模型;機(jī)場(chǎng)鄰近區(qū)域中應(yīng)包括適當(dāng)?shù)牡匦巍⒔ㄖ锖蜆淠镜热S模型,以及城鎮(zhèn)、公路、橋梁、植被、湖泊、河流等地物特征,且應(yīng)具有真實(shí)地面紋理描述;機(jī)場(chǎng)燈光包括有特殊作用的旋轉(zhuǎn)信號(hào)燈、目視進(jìn)場(chǎng)斜率指示燈(簡(jiǎn)稱VASI燈)和進(jìn)場(chǎng)頻閃燈,為跑道保留標(biāo)志提供照明效果;在機(jī)場(chǎng)滑聯(lián)絡(luò)道口、進(jìn)場(chǎng)、接地區(qū)、機(jī)場(chǎng)邊界、滑行道和停機(jī)坪等處應(yīng)具有跑道指示燈,所有燈光的分布和色彩都應(yīng)參照機(jī)場(chǎng)燈光分布圖。

機(jī)場(chǎng)模型是飛行模擬器使用最多的模型庫,機(jī)場(chǎng)模型庫的精細(xì)程度很大程度上會(huì)影響飛行員的起降訓(xùn)練效果,因此機(jī)場(chǎng)模型在建立前,必須到實(shí)地進(jìn)行拍照記錄,找準(zhǔn)跑道、塔臺(tái)、燈光、標(biāo)志物等的位置關(guān)系,力求模型庫能最大程度還原機(jī)場(chǎng)實(shí)際特征,提高飛行人員訓(xùn)練效果。

3　聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)流程

整個(gè)聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)模擬器的視景數(shù)據(jù)庫采用國際通用的WGS84地球參考模型,以經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)為地理數(shù)據(jù)交換坐標(biāo),其設(shè)計(jì)開發(fā)流程如圖1所示。

3.1　原始資料數(shù)據(jù)收集

通過采購、調(diào)研和實(shí)地拍攝等方式,收集以下數(shù)據(jù)[5]:

不同精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域、機(jī)場(chǎng)區(qū)域);

不同精度的影像數(shù)據(jù)(覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域、機(jī)場(chǎng)區(qū)域);

設(shè)計(jì)圖和資料:機(jī)場(chǎng)和燈光系統(tǒng)、地面建筑(塔臺(tái)、機(jī)庫、候機(jī)樓、飛行保障設(shè)施、直升機(jī)起降平臺(tái)等);

實(shí)拍紋理照片:機(jī)場(chǎng)跑道和燈光系統(tǒng)(同上)、地面建筑(同上)、艦船(同上)。

3.2　影像數(shù)據(jù)處理

利用專業(yè)影像處理軟件GlobalMapper、ERDAS IMAGINE、Photoshop等工具,針對(duì)第一步收集到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去除云霧、投影變換、幾何糾正、信息增強(qiáng)、拼接處理、色彩校正、影像信息融合等,處理方式如表1所示。

表1　影像數(shù)字圖像處理

3.3　三維地形和地面文化特征生成

基于數(shù)字高程數(shù)據(jù)和高精度衛(wèi)星照片,通過TerraVista大地景建模軟件生成機(jī)場(chǎng)區(qū)域及半徑為5km～10km范圍內(nèi)高逼真度的三維地形模型,同時(shí)初步生成并定位機(jī)場(chǎng)跑道、建筑物和燈光以及周邊區(qū)域的建筑物、道路和樹木等三維模型[6]。生成流程如圖2所示。

3.4　建立視景三維模型

在TerraVista生成的三維模型基礎(chǔ)上,利用Multigen Creator視景仿真建模軟件進(jìn)一步精細(xì)建模與場(chǎng)景渲染,生產(chǎn)機(jī)場(chǎng)及周邊區(qū)域的視景三維模型,并帶有細(xì)節(jié)層次(LOD)功能,以固定翼機(jī)場(chǎng)為例,應(yīng)包括的三維模型如表2所示。

表2　固定翼機(jī)場(chǎng)三維模型層次

3.5　三維地形數(shù)據(jù)庫生成

通過TerraVista軟件,調(diào)入機(jī)場(chǎng)模型,設(shè)置文化特征參數(shù)和坐標(biāo)系統(tǒng),根據(jù)不同的需求生成三維地形數(shù)據(jù)庫(txp、flt);通過模型轉(zhuǎn)換軟件Celerity將三維地形轉(zhuǎn)換成mnp、vt數(shù)據(jù)格式。生成流程如圖3所示。

3.6　紋理配置

視景數(shù)據(jù)庫紋理配置共分4級(jí),如圖4所示。針對(duì)地形數(shù)據(jù)庫、固定翼飛機(jī)機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫,紋理配置指標(biāo)均不一樣,詳細(xì)參數(shù)參考模型設(shè)計(jì)要求。

3.7　模型檢驗(yàn)

采用演示的方法進(jìn)行模型檢驗(yàn),即通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù),加載機(jī)場(chǎng)模型、艦船模型、三維地形數(shù)據(jù)庫和各類特殊效果模型,運(yùn)行視景驅(qū)動(dòng)軟件,觀察顯示的模型是否滿足有關(guān)要求。Mantis軟件檢驗(yàn)mnp和vt數(shù)據(jù)格式模型,VegaPrime軟件檢驗(yàn)txp和flt數(shù)據(jù)格式模型。

3.8　采用的建模技術(shù)[7-9]

除建模所需的MultiGen Creator、Terra Vista pro等開發(fā)軟件工具外,為了解決飛機(jī)低空飛行及起降時(shí)速度和高度感的模擬逼真度問題,結(jié)合目前流行的視景仿真建模技術(shù),采用了如下高級(jí)建模技術(shù)方法:

1)地面細(xì)節(jié)紋理。為提高飛機(jī)地面滑行、起降時(shí)的視景仿真逼真度,利用圖面可印貼多層紋理的特性,可在跑道、滑行道、停機(jī)坪及其周圍地區(qū)的圖像上,在原有最高精度紋理的基礎(chǔ)上加一層局部細(xì)節(jié)紋理,增加地面(水泥面、草地、沙石地等)局部細(xì)節(jié)的描述。圖像文件會(huì)根據(jù)距離屬性,在不同的圖像分辨率下顯示不同的紋理精度而不用添加任何多余的多邊形,如距離30m時(shí)顯示精度較高的紋理,距離50m時(shí)顯示精度一般的紋理。

2)動(dòng)態(tài)樹。在模擬器空中飛行場(chǎng)景仿真中,對(duì)樹木的模擬可以采用十字交叉面和樹的透明紋理來實(shí)現(xiàn),但在機(jī)場(chǎng)附近進(jìn)行掠地飛行時(shí)對(duì)場(chǎng)景仿真的要求較高,可以采用動(dòng)態(tài)樹的建模技術(shù)更逼真地模擬。對(duì)樹木等模型使用多細(xì)節(jié)層次建模,是根據(jù)視點(diǎn)遠(yuǎn)近來顯示圖層的精細(xì)程度,逐步增加樹木的細(xì)節(jié)描述,從而很好地解決了樹木模擬的逼真度與實(shí)時(shí)性的平衡問題。

3)不同高度的動(dòng)態(tài)水面。在一般的視景仿真中,動(dòng)態(tài)水面都是在同一高度實(shí)現(xiàn)的,這對(duì)只單一模擬海面或湖面時(shí)沒有問題。當(dāng)需要同時(shí)模擬海洋和內(nèi)陸湖時(shí),或者模擬水壩時(shí),就無法實(shí)現(xiàn)了?？梢酝ㄟ^在動(dòng)態(tài)水面建模時(shí)對(duì)水面根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)設(shè)置不同的高度屬性參數(shù),使視景仿真軟件建模時(shí)能夠讀取出水面的高度信息,實(shí)現(xiàn)了不同高度的動(dòng)態(tài)水面模擬,從而解決了上述存在的問題。

4)跑道積雨或積雪。為了在視景仿真中更逼真地模擬下雨和下雪的效果,除了模擬天空中飄舞的雨水和雪花外,還應(yīng)模擬地面的積雨和積雪效果?？梢酝ㄟ^在地面建模時(shí)設(shè)置不同的地面特效屬性參數(shù),對(duì)面的積雨或積雪屬性進(jìn)行標(biāo)記,實(shí)現(xiàn)跑道及其他區(qū)域的積雨或積雪的仿真效果,從而為飛機(jī)復(fù)雜氣象飛行模擬奠定基礎(chǔ)。

4　結(jié)束語

本文介紹了一種聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)模擬器視景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫的功能要求,按資料數(shù)據(jù)收集、影響數(shù)據(jù)處理、三維地形和地面文化特征生成、建立機(jī)場(chǎng)三維模型、地形數(shù)據(jù)庫生成、紋理配置、模型檢驗(yàn)的流程對(duì)聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)其中關(guān)鍵的建模技術(shù)進(jìn)行了研究。按此方法設(shè)計(jì)的聯(lián)網(wǎng)視景數(shù)據(jù)庫經(jīng)過工程項(xiàng)目試驗(yàn),滿足飛機(jī)模擬器的聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗訓(xùn)練的特定功能和性能的要求,具有較高的逼真度和可信度,可為更高技術(shù)精度要求的視景數(shù)據(jù)庫開發(fā)作為支撐。