飛行模擬器視景顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李森

摘要：飛行模擬器的發(fā)展較為迅速，其視景系統(tǒng)的存在對于整個(gè)系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用，具體體現(xiàn)在顯著影響到飛行仿真的效果。而飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮到復(fù)雜場景以及實(shí)時(shí)性的要求，因此本文設(shè)計(jì)了一種飛行模擬器視景系統(tǒng)，同時(shí)對于涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，例如多通道同步技術(shù)、成像球幕拼接處接縫處理技術(shù)等進(jìn)行了研究。最終結(jié)果顯示，此視景系統(tǒng)對于飛行員的日常訓(xùn)練能夠較好的滿足，受到了飛行員的一致好評(píng)。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器;視景系統(tǒng);球幕

飛行模擬器對于飛行員的實(shí)際飛行過程具有較佳的模擬效果，不僅如此還可以忽略因?yàn)樘鞖獾仍驇淼娘w行限制，起到了提升安全性以及降低成本的效果。因此我國對于飛行模擬器的研發(fā)也逐漸重視起來。作為飛行模擬器的子系統(tǒng)之一，視景系統(tǒng)的存在對于飛行員的視覺信息起到了真實(shí)的模擬效果。視景系統(tǒng)的圖形效果和顯示質(zhì)量，是影響飛行員飛行效果的關(guān)鍵因素。因此本文以視景系統(tǒng)為研究對象，分析飛行模擬器視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 飛行模擬器視景系統(tǒng)概述

1.1 視景系統(tǒng)組成

視景系統(tǒng)屬于飛行模擬器中的子系統(tǒng)之一，分為以下三個(gè)部分，分別是視景圖像生成子系統(tǒng)、視景顯示子系統(tǒng)和視景數(shù)據(jù)庫三個(gè)部分[1]。

1.2 視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。

在整個(gè)的仿真過程中，第一步是主機(jī)進(jìn)行控制指令的接收，然后根據(jù)相關(guān)指令進(jìn)行選取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的演算，進(jìn)而將視景圖像進(jìn)行渲染。此時(shí)飛行員根據(jù)得到的圖像做出相應(yīng)的判斷。通過座艙進(jìn)行指令的發(fā)出，實(shí)現(xiàn)視景系統(tǒng)的實(shí)時(shí)場景渲染[2]。

1.3 視景系統(tǒng)功能

所設(shè)計(jì)的視景系統(tǒng)，需要滿足以下要求。

此系統(tǒng)需要能夠提供飛機(jī)駕駛艙外的場景，并能夠提供多種模式，例如白天、黑夜、陰雨模式等。提供多種天氣實(shí)況，具有具有雨、雪、云層等不同能見度的天氣狀態(tài)。對于機(jī)場的燈光能夠自主的選擇。機(jī)場圖像中，需要包括機(jī)場跑道，滑行道和跑道燈光等元素。能提供實(shí)際情況中的通用地形以及不存在量化的痕跡。在進(jìn)行起飛或者著陸時(shí)，通過視景可以分析此時(shí)高度情況。具有尾跡和火焰等多種特效[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)飛機(jī)模擬器視景顯示系統(tǒng)時(shí)，需要從以下四個(gè)角度進(jìn)行分析，分別是顯示系統(tǒng)、多通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、視景仿真軟件以及視景數(shù)據(jù)庫。

2.1 顯示系統(tǒng)

2.1.1 球幕結(jié)構(gòu)

選定實(shí)像球幕顯示系統(tǒng)的半徑為3m的大小。系統(tǒng)由以下幾部分的機(jī)構(gòu)所組成，分別是成像球幕、球幕上蓋、球幕入口、投影儀平臺(tái)和支架等部分。本次設(shè)計(jì)的成像幕一共有9塊。同時(shí)使用法蘭進(jìn)行相互的連接和穩(wěn)定。球幕的后倉的功能是放置投影儀，同時(shí)使用支架保證在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)變形的情況。

2.1.2 光路設(shè)計(jì)

需要多個(gè)投影儀進(jìn)行同時(shí)的工作，且每個(gè)投影儀之間的距離是相同的。綜合考慮到視場角、投放距離、投影儀數(shù)目的要求，最終選定球幕正投的方式進(jìn)行顯示，投影儀的數(shù)量最終敲定為6臺(tái)。系統(tǒng)對于亮度和分辨率也有一定的要求，因此設(shè)計(jì)了球幕增益的方式，設(shè)計(jì)了投影儀的擺放方式為上下擺放，，目的是為了符合系統(tǒng)的要求。

2.2 多通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

需要6個(gè)渲染通道進(jìn)行投影的操作。多通道視景系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在以下兩種機(jī)制，分別是內(nèi)部廣播和管理節(jié)點(diǎn)調(diào)度兩種。共具有7臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中1臺(tái)作為視景控制節(jié)點(diǎn)使用，其他6臺(tái)作為渲染節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用，共組成一個(gè)廣播機(jī)制。視景控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與模擬器其他分系統(tǒng)通信，并由其驅(qū)動(dòng)和控制渲染節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)渲染節(jié)點(diǎn)的畫面同步。圖形渲染計(jì)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功能。

2.3 視景仿真軟件

仿真軟件的使用具有以下功能：首先是能實(shí)現(xiàn)場景驅(qū)動(dòng)和渲染的效果。其次是對于操作人員所發(fā)出的指令進(jìn)行輸入和響應(yīng)。還能通過特效模擬現(xiàn)實(shí)情況中的碰撞效果。所使用的到的額仿真軟件有Vega Prime 5.0 和亮度融合等軟件。

2.4 視景數(shù)據(jù)庫

在進(jìn)行構(gòu)建視景數(shù)據(jù)庫時(shí)，第一步就是模型的構(gòu)建。所需要構(gòu)建的模型包括地形、場景以及特殊效果等。將建立的模型傳輸至掃描儀進(jìn)行相應(yīng)的處理。第三步就是通過計(jì)算機(jī)，對其進(jìn)行紋理的處理，最終得到具有真實(shí)效果的三維模型。

模型構(gòu)建后就是場景的構(gòu)建。先使用圖像開發(fā)軟件，然后通過 VegaPrime 和OpenGL軟件進(jìn)行模塊功能的實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行視景顯示系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，先通過使用ACF文件，進(jìn)行相關(guān)指令以及仿真程序信息的接收，進(jìn)而構(gòu)建所需要的場景，進(jìn)行渲染圖像的輸出操作。這就是系統(tǒng)的完整功能實(shí)現(xiàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 成像球幕拼接處接縫處理技術(shù)

本文所設(shè)計(jì)的成像球幕的組成方式為9塊球瓣通過法蘭進(jìn)行連接，因此在連接處會(huì)出現(xiàn)縫隙，需要對于縫隙進(jìn)行處理。對于每塊球瓣之間的縫隙進(jìn)行控制，保證每塊縫隙的大小是均勻的。可以選擇預(yù)留凹槽的方式，在拼裝完成之后再用預(yù)浸玻璃布和環(huán)氧樹脂填上并打磨至與內(nèi)表面齊平，可以妥善的解決的縫隙問題，以及避免出現(xiàn)長時(shí)間使用所導(dǎo)致的裂紋。

3.2 多通道同步技術(shù)

本文選擇6個(gè)計(jì)算機(jī)作為成像通道，因此需要保證畫面是否同步。對于畫面同步的控制需要使用軟件，進(jìn)而保證畫面之間的幀同步。渲染節(jié)點(diǎn)接收到控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，待數(shù)據(jù)渲染完成后，發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)渲染完成信息;控制節(jié)點(diǎn)在接到所有渲染節(jié)點(diǎn)回應(yīng)信息后，才進(jìn)行下一步工作，從而保證了幾個(gè)通道運(yùn)行的同步。

3.3多通道融合軟件

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)使用的是多通道投影的方式，會(huì)出現(xiàn)通道圖像重疊的情況，最終就會(huì)導(dǎo)致邊緣圖像融合問題的出現(xiàn)。因此需要使用到邊緣融合的技術(shù)，降低相鄰?fù)ǖ乐丿B部分亮度線性，保證整幅畫面不會(huì)出現(xiàn)亮度偏差的問題。設(shè)計(jì)投影機(jī)位置時(shí)，優(yōu)化了圖像的相互匹配位置;同時(shí)采用軟融合的方法，使得拼接區(qū)域平滑，提高圖像質(zhì)量。融合軟件安裝于渲染計(jì)算機(jī)中，利用顯卡的渲染周期與屏幕刷新周期的時(shí)間間隙，進(jìn)行自動(dòng)幾何校正和自動(dòng)生成融合區(qū)的計(jì)算，減少了硬件成本，做到 0 延時(shí)。

4 結(jié)論

本文對于飛機(jī)模擬器的視景顯示系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了該系統(tǒng)中的顯示系統(tǒng)、多通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、視景仿真軟件、視景數(shù)據(jù)庫。同時(shí)還分析了關(guān)鍵技術(shù)。此系統(tǒng)能充分滿足該模擬器研制的指標(biāo)要求，為飛行員產(chǎn)生身臨其境的交互式仿真環(huán)境，具有較高的逼真度和可信度，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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