一種三通道球帶幕視景系統(tǒng)的開發(fā)

周章勇

摘要：飛行仿真試驗環(huán)境要求提供大視場角、高實時性的視景系統(tǒng)。在分析飛控系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，提出了一種三通道球帶幕視景系統(tǒng)的開發(fā)方案，并對其進(jìn)行了數(shù)字模擬與分析，最后對其性能指標(biāo)進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該視景系統(tǒng)具有視場角大和高實時性等特點，能夠滿足飛控系統(tǒng)試驗環(huán)境的要求。

關(guān)鍵詞：三通道;球帶幕;視景

飛行仿真環(huán)境所用的視景系統(tǒng)主要用于控制、顯示地景圖像和聲音信息，逼真地模擬飛行員在機(jī)場和空中看到的地理圖像信息、飛機(jī)產(chǎn)生的聲音和外部環(huán)境音，使飛行員有身臨其境的感覺，是飛行模擬的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)末以來，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)組織開展了許多關(guān)于視景系統(tǒng)算法與應(yīng)用的研究工作，提出了動態(tài)地形可視化^[1]、交互式幾何校正等算法技術(shù)^[2]，并在指揮引導(dǎo)編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真^[3]、武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)^[4]、飛行可視化仿真^[5]等方面獲得了應(yīng)用，這些研究工作顯著提升了我國在視景系統(tǒng)方面的水平。

在飛行控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境建設(shè)中，需為開發(fā)人員提供飛行器各飛行階段的內(nèi)部和外部信息，因此，開發(fā)一套高性能、高品質(zhì)并能夠滿足試飛試驗各階段的外視景多通道視景系統(tǒng)，具有特殊的意義和重要性。本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合某飛行控制系統(tǒng)型號研制工作需要，開發(fā)了三通道球帶幕視景系統(tǒng)，具有視場角大、實時性高等特點。

1總體設(shè)計思路

該視景系統(tǒng)由圖像生成系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、音響系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。圖像生成系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收外部傳遞的飛行數(shù)據(jù)、聲音控制數(shù)據(jù)和試驗管理數(shù)據(jù)，并向外發(fā)送地景庫數(shù)據(jù);根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，傳遞聲音控制數(shù)據(jù)和調(diào)用地景庫的圖像數(shù)據(jù)，將其分別發(fā)送到音響系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)接收圖像數(shù)據(jù)信號，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號，以光的形式將圖像信息投放到球幕上，球幕負(fù)責(zé)顯示圖像信息，將圖像直觀地顯示給飛行員，球形屏幕使圖像更具有縱深感和真實感。音響系統(tǒng)接收聲音控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行聲音的響應(yīng)。視景系統(tǒng)示意圖見圖1。

三通道球帶幕視景系統(tǒng)是模擬器的一個獨立運行分系統(tǒng)，與飛控模擬器的其他分系統(tǒng)只進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要求具有實時性、流暢性、清晰性。為保證系統(tǒng)的實時性，對外通信采用共享內(nèi)存方式的實時網(wǎng)通信協(xié)議，內(nèi)部采用UDP以太網(wǎng)通信協(xié)議;為保證系統(tǒng)的流暢性，利用較優(yōu)的地景數(shù)據(jù)庫管理軟件，并設(shè)計合理的系統(tǒng)架構(gòu);為保證系統(tǒng)成像的清晰性，采用高對比度、高亮投影儀，并選擇合適的地景數(shù)據(jù)庫。

2系統(tǒng)的組成和主要要求

2.1顯示系統(tǒng)

采用三通道的正投球帶幕，技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

1）顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

球幕半徑和視場角的選取是根據(jù)系統(tǒng)的使用需求和安放現(xiàn)場的實際情況得出的;為保證視場角的大小要求，在設(shè)計時留出余量，水平設(shè)計200。的成像面范圍;為保證球幕的亮度、分辨率等要求，投影儀選用Projection Design公司高對比度的F32型投影儀，還在成像面處噴涂光學(xué)材料，增強(qiáng)成像效果，控制幕的增益在0.8左右;球幕表面精度的控制是影響成像的關(guān)鍵指標(biāo)，球幕表面不均勻會使光路形成光程差，導(dǎo)致成像畫面的變形，為保證成像質(zhì)量，控制球幕表面精度在5mm范圍之內(nèi)。

2）球帶幕

球帶幕采取分瓣設(shè)計，然后拼接組裝在一起形成整體結(jié)構(gòu)，便于加工和運輸。

為保證安裝連接后的球帶幕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，所有球瓣的豎向連接縫與水平拼縫間呈丁字布局;為避免成像球幕長期使用后在拼縫處出現(xiàn)裂紋，在球瓣內(nèi)表面四周預(yù)留寬20mm、深0.5mm的凹槽，待拼裝完成后，再以預(yù)浸玻璃布和環(huán)氧樹脂填充并打磨至與內(nèi)表面齊平，成型后的球幕外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3）投影儀位置布局

以投影儀鏡頭中心為參照，在高于地面3.3m，球幕旋轉(zhuǎn)軸后部R=600mm的圓內(nèi)均布3臺投影儀，夾角為56°且向下傾斜11°?？傮w布局示意也如圖2所示。

4）眼點位設(shè)計

考慮最佳的視覺效果，將眼點位放置在球心處，為滿足在眼點位的視場角要求，設(shè)計的顯示系統(tǒng)光路如圖3所示。在眼點處垂直視場角為上25°下20°，水平視場角向兩邊各90°。

2.2圖像生成系統(tǒng)

圖像生成系統(tǒng)采用PC計算機(jī)架構(gòu)，由3臺圖形渲染計算機(jī)和一臺圖形控制計算機(jī)組成。圖形渲染計算機(jī)完成地形數(shù)據(jù)庫可視化渲染、亮度融合及邊緣變形等工作;視景控制計算機(jī)則負(fù)責(zé)與用戶應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通信并控制渲染計算機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）圖像生成系統(tǒng)中的軟件

圖像生成系統(tǒng)中的軟件包括圖像渲染控制軟件、融合矯正軟件和用戶接口軟件。

該系統(tǒng)運行的圖像渲染控制軟件是Presagis公司的視景管理軟件VegaPrime5.0（VP5）。Vega Prime提供跨平臺、可擴(kuò)展的開發(fā)環(huán)境，可高效創(chuàng)建和配置視景仿真、城市仿真、基于仿真的訓(xùn)練、通用可視化應(yīng)用。

融合矯正軟件用于融合多通道顯示重疊區(qū)域的圖像及非線性面的圖像矯正的軟件。該軟件運行在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的圖像渲染計算機(jī)中，不需要增加額外的硬件，也不需要用戶修改任何源代碼。采用了最新的GPU技術(shù)，具有高效、穩(wěn)定、調(diào)試方便、兼容性強(qiáng)等特點，已廣泛應(yīng)用于模擬仿真、虛擬現(xiàn)實、城市規(guī)劃、虛擬制造等領(lǐng)域。

在主控計算機(jī)上運行用戶接口程序，一方面基于VMIC形式通信接口，實時接收飛行程序發(fā)送給視景計算機(jī)的視點六自由度位置數(shù)據(jù)、聲音控制數(shù)據(jù)等，并實時返回當(dāng)前視點的DEM數(shù)據(jù)，滿足實時性的要求;另一方面基于以太網(wǎng)通信接口，與試驗管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)對視景的管理控制，如可控制視景中的時間、天氣、特殊效果等狀態(tài)。用戶接口軟件還包含以下功能：

a.狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷;

b.數(shù)據(jù)記錄、回放;

c.設(shè)置自然環(huán)境里的時間變化、天氣變化、云量變化及其變化等級;

d.設(shè)置機(jī)場及其周邊的燈光效果;

e.設(shè)置由大氣條件所引起的能見度（霧）效應(yīng);

f設(shè)置云彩、云量、云的濃度和云中能見度等氣候特征，可進(jìn)行云頂高、云底高、云厚等參數(shù)以及增量的設(shè)置，能模擬三維云效果;

g.設(shè)置多種動畫特殊效果，如爆炸、煙、火、尾跡等;

h.設(shè)置海洋效果、海浪效果、艦船航跡;

i.中央通道視景能接收并疊加顯示屏畫面，并能選擇關(guān)閉。

2）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是圖像生成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與外界的實時通信、數(shù)據(jù)管理、地景庫數(shù)據(jù)驅(qū)動、圖像信息處理等。在計算方面，CPU主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、硬盤數(shù)據(jù)的儲存及讀取、通信數(shù)據(jù)的計算傳輸?shù)?，其計算速度要求越快越?GPU負(fù)責(zé)圖形圖像數(shù)據(jù)的處理，其三角面處理能力越高越好。在存儲方面，內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及應(yīng)用程序運行數(shù)據(jù)，內(nèi)存使用率不應(yīng)超過40%，并保持其存儲性能;硬盤負(fù)責(zé)存儲永久數(shù)據(jù)，包括地景庫數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序數(shù)據(jù)等，其使用率不應(yīng)超過80%，以保證硬盤數(shù)據(jù)的讀寫速度。

3）視景數(shù)據(jù)庫

視景數(shù)據(jù)庫建立某機(jī)型飛機(jī)三維模型和活動目標(biāo)模型，加載到地景數(shù)據(jù)庫中，模仿飛機(jī)日常的訓(xùn)練任務(wù)，包括地景數(shù)據(jù)庫和活動目標(biāo)庫。

地景數(shù)據(jù)庫選用南京及周邊的地理圖像信息，地景庫為飛行仿真提供地理信息環(huán)境。對模擬仿真來說，地理信息環(huán)境越詳細(xì)越好，但對數(shù)據(jù)庫來說，地理信息越詳細(xì)其數(shù)據(jù)量越大，計算機(jī)計算的數(shù)據(jù)量是有限的，因此，要對地景庫進(jìn)行合理的設(shè)計。針對要模擬的地理信息環(huán)境及模擬仿真完成的任務(wù)，飛行區(qū)域選用500km×500km區(qū)域空間，機(jī)場及周邊（5km×5km）應(yīng)滿足飛機(jī)的起飛、降落等，設(shè)定其分辨率為0.6m/像素，機(jī)場周邊（30km×30km）設(shè)定其分辨率為5m/像素，其余區(qū)域滿足遠(yuǎn)視要求即可，分辨率為15m/像素。在飛機(jī)到達(dá)空間邊界時，程序?qū)崿F(xiàn)某區(qū)域空間地景庫的重復(fù)調(diào)用，始終保持視景的顯示，避免視景邊界現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.3音響系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

音響系統(tǒng)控制著視景中的聲音響應(yīng)，可模擬飛行人員在艙內(nèi)能聽到聲音的近似位置、頻率和振幅，并采用5.1聲道音響。模擬的聲音主要有飛機(jī)發(fā)動機(jī)聲音、環(huán)境噪聲、起落架警告音和操作告警音、無線電雜波、接地、滑跑等。

音響系統(tǒng)為視景系統(tǒng)的聲音模擬系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主控計算機(jī)進(jìn)行通信，響應(yīng)主控計算機(jī)發(fā)出的聲音指令。

音響系統(tǒng)的硬件主要包括音響計算機(jī)、USB聲卡、音箱功放、音箱等，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示。

音響系統(tǒng)的布局如圖6所示。音響系統(tǒng)計算機(jī)、USB聲卡及功放等放置在視景系統(tǒng)的機(jī)柜中;音箱共有6個，布局在座艙的周圍，座艙的正前端放置兩個音響，左前方、右前方、左后方、右后方分別放置其余音箱，形成對座艙的環(huán)繞。

3視景系統(tǒng)的對外通信接口

視景系統(tǒng)的對外通信包括兩個部分，一是基于共享內(nèi)存形式的反射內(nèi)存卡的通信，連接到飛行仿真系統(tǒng);二是基于UDP協(xié)議的以太網(wǎng)通信，連接到試驗管理系統(tǒng)。

UDP通信以結(jié)構(gòu)體變量的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，其主要代碼如下：

int receive fromIGRl_udp（ char* pData）;

//接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，pData為接受數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體指針

int send_udp（ char*pData）;

//發(fā)送本地視景數(shù)據(jù)，pData為發(fā)送數(shù)據(jù)的指針

4設(shè)計計算和使用驗證

4.1模擬計算

按照球帶幕、眼點位要求和投影儀布局方案，在3D Perception CompactDe signer軟件中進(jìn)行模擬，結(jié)果如下。

圖像覆蓋范圍的模擬示意結(jié)果如圖7所示，為水平180°、垂直45°的整個球帶，各通道的圖像范圍有部分重疊，用于融合區(qū)的融合調(diào)試及圖像的無縫顯示。

顯示系統(tǒng)亮度分布結(jié)果如圖8所示，在球幕增益為0.8、球幕半徑4m、投影儀實際亮度6500流明的情況下，計算結(jié)果顯示亮度分布可達(dá)21英尺朗伯左右。

顯示系統(tǒng)分辨率分布如圖9所示，在當(dāng)前的光路設(shè)計條件下，分辨率在2.5～3弧分/像素。

4.2使用驗證

該項目在2016年投入使用并完善，經(jīng)實際測量，該球帶幕視景系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)成情況如表2所示。

經(jīng)使用評估，該視景系統(tǒng)視場角大，系統(tǒng)成像延遲小，實時性好。

5結(jié)束語

該視景系統(tǒng)滿足了飛控系統(tǒng)地面仿真試驗需要，使試驗人員能夠身臨其境地體驗到飛行試驗中的數(shù)據(jù)及場景，可以提前發(fā)現(xiàn)并及時完善系統(tǒng)中問題和不足，有效節(jié)省了研發(fā)的時間和成本。

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