飛行仿真系統(tǒng)虛擬儀表關(guān)鍵技術(shù)探究

摘" 要：該文研究基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)和圖形渲染技術(shù)的飛行仿真虛擬儀表系統(tǒng)。利用實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)和高精度圖像渲染算法，顯著提升虛擬儀表的視覺真實(shí)感。結(jié)合AR技術(shù)，飛行員能夠在仿真環(huán)境中實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)調(diào)整的飛行信息，并通過手勢(shì)識(shí)別和語音控制實(shí)現(xiàn)交互式操作。研究結(jié)果表明，AR與圖形渲染技術(shù)的結(jié)合在提高飛行仿真系統(tǒng)的真實(shí)感、操作便捷性和安全性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為飛行訓(xùn)練和飛行器設(shè)計(jì)提供新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：飛行仿真；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；圖形渲染；虛擬儀表；交互式操作

中圖分類號(hào)：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0013-04

Abstract： This paper studies a flight simulation virtual instrument system based on augmented reality（AR） technology and graphics rendering technology. Use real-time ray tracing technology and high-precision image rendering algorithms to significantly improve the visual realism of virtual instruments. Using AR technology， pilots can obtain dynamically adjusted flight information in real time in the simulation environment， and realize interactive operations through gesture recognition and voice control. The research results show that the combination of AR and graphics rendering technology has significant advantages in improving the realism， operational convenience and safety of flight simulation systems， providing a new development direction for flight training and aircraft design.

Keywords： flight simulation; augmented reality （AR）; graphics rendering; virtual instrument; interactive operation

飛行仿真系統(tǒng)是飛行員培訓(xùn)、飛行器設(shè)計(jì)和評(píng)估的重要工具，其中虛擬儀表系統(tǒng)作為關(guān)鍵組成部分，對(duì)提升仿真系統(tǒng)的真實(shí)感和效果至關(guān)重要。近年來，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）技術(shù)和圖形渲染技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于飛行仿真虛擬儀表系統(tǒng)中，成為了新的研究方向[1]。AR與圖形渲染技術(shù)的結(jié)合，為飛行仿真系統(tǒng)帶來了新的突破。盡管已有研究證明了AR和圖形渲染技術(shù)在飛行仿真中的潛力，但仍存在一些局限性。首先，大多數(shù)研究主要集中在技術(shù)可行性和初步應(yīng)用驗(yàn)證上，缺乏系統(tǒng)性和大規(guī)模的用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其次，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)硬件性能要求較高，尚需進(jìn)一步優(yōu)化[2]。最后，現(xiàn)有的交互式操作方法雖然提高了操作效率，但在復(fù)雜操作場(chǎng)景下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性仍需改進(jìn)。本文旨在探討基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和圖形渲染技術(shù)的飛行仿真虛擬儀表系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景。

1" 系統(tǒng)架構(gòu)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和圖形渲染技術(shù)的飛行仿真虛擬儀表系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、圖形渲染模塊、用戶界面模塊和物理模擬模塊4大部分組成。

2" 圖形渲染技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1" 圖像渲染算法應(yīng)用

本文提出的圖形渲染技術(shù)的創(chuàng)新算法是基于實(shí)時(shí)光線追蹤的虛擬儀表渲染。在該算法中，利用實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)生成逼真的虛擬儀表顯示，以提升飛行仿真系統(tǒng)的真實(shí)感和視覺效果。利用先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高度逼真的儀表顯示效果，包括細(xì)致的儀表面板紋理、逼真的光照和陰影效果等[3]。這種逼真的顯示可以增強(qiáng)飛行員對(duì)儀表的認(rèn)知和理解，并提升訓(xùn)練的真實(shí)感。

在傳統(tǒng)的分析仿真系統(tǒng)中，虛擬儀表的基礎(chǔ)模型圖像雖然也有一定程度的渲染，但在視覺真實(shí)感方面存在顯著不足，難以滿足高逼真度飛行仿真系統(tǒng)的需求。具體存在以下不足之處。

缺乏光照效果。基礎(chǔ)模型圖像中沒有模擬任何光源，因此無法呈現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境中的光照與陰影效果。這使得圖像看起來較為平坦且缺乏立體感。

材質(zhì)與紋理簡(jiǎn)單。儀表面板和指針的材質(zhì)與紋理處理較為簡(jiǎn)單，缺乏細(xì)節(jié)表現(xiàn)，使得整體視覺效果不夠真實(shí)。

光照效果圖像通過添加光照和材質(zhì)效果顯著提升了視覺真實(shí)感。這種方法在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化。

模擬光源。通過在圖像中添加光源，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的光照效果。光源的位置、強(qiáng)度和類型對(duì)最終渲染結(jié)果有顯著影響。例如，本示例中使用了局部光源，模擬了從一個(gè)特定位置照射的光線。

材質(zhì)處理。通過為對(duì)象設(shè)置材質(zhì)屬性（如shiny材質(zhì)），使對(duì)象表面反射光線，呈現(xiàn)出更真實(shí)的視覺效果。Gouraud光照模型用于平滑光照效果，增強(qiáng)了物體的立體感和細(xì)節(jié)表現(xiàn)。

陰影效果。光源的引入使對(duì)象可以投射陰影，增加了圖像的深度感和真實(shí)感。這對(duì)于模擬真實(shí)的飛行儀表環(huán)境至關(guān)重要，有助于飛行員在訓(xùn)練過程中獲得更逼真的視覺體驗(yàn)。

得到的圖像對(duì)比效果如圖2所示。

通過引入光照和材質(zhì)處理技術(shù)，優(yōu)化后的虛擬儀表渲染算法顯著提升了圖像的真實(shí)感和視覺效果。通過這種對(duì)比和分析，可以清晰地看到算法優(yōu)化在虛擬儀表渲染中的重要性和實(shí)際效果。這不僅有助于增強(qiáng)飛行仿真系統(tǒng)的真實(shí)感和沉浸感，還能提高飛行員對(duì)儀表的認(rèn)知和理解，從而提升訓(xùn)練效果。

2.2" 虛擬儀表的創(chuàng)新應(yīng)用

2.2.1" 逼真的儀表顯示

圖形渲染技術(shù)使得虛擬儀表的顯示方案可以靈活定制，包括顯示布局、顏色主題、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式等。飛行員可以根據(jù)個(gè)人喜好或特定訓(xùn)練需求自定義儀表顯示，從而提高訓(xùn)練的針對(duì)性和效果。

2.2.2" 多視角顯示支持

利用圖形渲染技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多視角顯示支持，即同時(shí)在飛行員視角和教練員或觀察員視角顯示虛擬儀表。這種應(yīng)用可以提升培訓(xùn)效果，使教練員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛行員的操作和儀表讀數(shù)情況，并給予及時(shí)的反饋和指導(dǎo)。

2.3" 算法優(yōu)化點(diǎn)

2.3.1" 光線追蹤算法

相比于基礎(chǔ)模型圖像，光照效果圖像中引入了基本的光線追蹤算法，以模擬光源、反射和陰影。這是一個(gè)關(guān)鍵的算法優(yōu)化點(diǎn)，通過計(jì)算光線在場(chǎng)景中的傳播和反射路徑，可以生成更真實(shí)的光照效果。

2.3.2" 材質(zhì)和紋理映射

優(yōu)化后的算法可以支持更復(fù)雜的材質(zhì)和紋理映射，使得對(duì)象表面能夠更加逼真地表現(xiàn)出不同材質(zhì)（如金屬、玻璃等）的特性。

2.3.3" 實(shí)時(shí)計(jì)算與渲染

在高性能計(jì)算和圖形處理器（GPU）的支持下，實(shí)時(shí)計(jì)算和渲染技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，使得光照和陰影效果可以動(dòng)態(tài)更新。這對(duì)于飛行仿真系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)反饋至關(guān)重要。

在未來的工作中，可以進(jìn)一步探索更先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)和光線追蹤算法，以實(shí)現(xiàn)更加逼真和高效的虛擬儀表顯示。

3" 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1" 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）技術(shù)的原理是通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中[4]，從而增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感知。AR系統(tǒng)通常包括一個(gè)顯示設(shè)備（如AR眼鏡或頭盔）、傳感器（如攝像頭、加速度計(jì)、陀螺儀等）和處理單元。顯示設(shè)備用于將虛擬信息呈現(xiàn)在用戶視野中，而傳感器用于捕捉用戶的環(huán)境和動(dòng)作數(shù)據(jù)，處理單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并生成相應(yīng)的虛擬信息。

在本研究中，我們利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將經(jīng)過高精度圖形渲染的虛擬儀表投影到飛行員的視野中。這種投影不僅使虛擬儀表與現(xiàn)實(shí)環(huán)境無縫融合，還能夠根據(jù)飛行員的頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體而言，當(dāng)飛行員佩戴AR設(shè)備時(shí)，設(shè)備內(nèi)置的傳感器會(huì)實(shí)時(shí)捕捉飛行員的頭部姿態(tài)和位置變化。通過計(jì)算這些數(shù)據(jù)，可以確定飛行員當(dāng)前的視角和注視點(diǎn)。處理單元將根據(jù)這些信息調(diào)整虛擬儀表的顯示位置和角度，使其始終處于飛行員的最佳視野范圍內(nèi)。AR設(shè)備采用的是HTC VIVE的頭戴顯示器，如圖3所示。

這種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制使得飛行員在查看儀表數(shù)據(jù)時(shí)，無需轉(zhuǎn)移視線或改變頭部姿態(tài)，從而大大提升了飛行操作的便捷性和安全性。虛擬儀表不僅提供了與傳統(tǒng)儀表相同的飛行數(shù)據(jù)，如速度、高度、航向等，還可以疊加更多實(shí)時(shí)信息，如導(dǎo)航路徑、警告提示等。這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，不僅改善了飛行員對(duì)飛行信息的獲取方式，還提高了飛行訓(xùn)練和操作的效率和安全性。

通過這種方式，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將復(fù)雜的飛行數(shù)據(jù)可視化，并以一種直觀、易訪問的方式呈現(xiàn)給飛行員，使其能夠在不分散注意力的情況下，全面掌握飛行器的狀態(tài)和周圍環(huán)境，從而做出更快速和準(zhǔn)確的決策。

3.2" 虛擬儀表界面的改進(jìn)

實(shí)際飛行系統(tǒng)中的儀表裝置通常包括主要飛行儀表（如高度表、空速表、姿態(tài)指示器、航向指示器和垂直速度表）、引擎儀表（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、燃油表、油壓表和油溫表）、導(dǎo)航儀表、通信設(shè)備以及環(huán)境控制和警告系統(tǒng)，如圖4所示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的虛擬儀表信息包括飛行狀態(tài)信息（如高度、速度、姿態(tài)、航向）、引擎和系統(tǒng)狀態(tài)信息、導(dǎo)航和地圖信息、警告和提示信息以及環(huán)境和氣象信息，如圖5所示。

對(duì)比實(shí)際飛行中的儀表盤和經(jīng)過渲染后的虛擬儀表，實(shí)際飛行中的儀表盤是一個(gè)物理硬件面板，包含多個(gè)獨(dú)立的儀表和顯示器，各儀表通過指針、刻度盤或數(shù)字顯示提供特定的飛行數(shù)據(jù)。飛行員需要通過查看不同的儀表來獲取飛行狀態(tài)、引擎狀態(tài)、導(dǎo)航信息等。這種傳統(tǒng)儀表布局在緊急情況下可能導(dǎo)致飛行員需要在多個(gè)儀表之間頻繁切換，增加認(rèn)知負(fù)荷和操作復(fù)雜度。經(jīng)過渲染后的虛擬儀表通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將所有關(guān)鍵飛行信息整合到一個(gè)統(tǒng)一的虛擬顯示中。飛行員佩戴AR設(shè)備后，能夠在視野中實(shí)時(shí)看到經(jīng)過優(yōu)化處理的虛擬儀表，這些虛擬儀表能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整顯示位置，確保飛行員在任何頭部姿態(tài)下都能方便地查看重要信息。同時(shí)，虛擬儀表能夠疊加地形、導(dǎo)航標(biāo)志等增強(qiáng)信息，顯著提升空間感知和導(dǎo)航?jīng)Q策能力。虛擬儀表的集成與可視化處理，使得信息更加集中和直觀，降低了飛行員的認(rèn)知負(fù)荷，提升了操作效率和安全性。

通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化處理后的虛擬儀表主要實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的空間感知、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整、信息集成與可視化處理以及自定義和靈活性等特征[5]。利用AR技術(shù)在飛行員周圍創(chuàng)建增強(qiáng)的空間感知，例如在駕駛艙內(nèi)疊加虛擬地圖、導(dǎo)航標(biāo)志或地形特征，幫助飛行員更好地理解飛行環(huán)境，提升空中導(dǎo)航和飛行決策能力。虛擬儀表根據(jù)飛行員頭部運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整顯示位置和角度，使飛行員無需轉(zhuǎn)移視線即可查看儀表數(shù)據(jù)，大大提高了操作效率和安全性。虛擬儀表將傳統(tǒng)儀表信息進(jìn)行集成與可視化處理，使信息顯示更加直觀和集中，減少了飛行員在多個(gè)儀表之間切換的頻率。虛擬儀表顯示方案可以根據(jù)飛行員需求進(jìn)行自定義，包括顯示布局、顏色主題、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式等，提升用戶體驗(yàn)。

通過這種對(duì)比分析，可以看出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的虛擬儀表在信息整合、空間感知、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整和用戶體驗(yàn)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，從而為飛行員提供了更為高效和安全的飛行輔助系統(tǒng)。

3.3" 交互式操作拓展

交互式操作方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)結(jié)合手勢(shì)識(shí)別和語音控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬儀表的交互式操作。這種技術(shù)融合使飛行員能夠通過自然的手勢(shì)或語音指令與虛擬儀表進(jìn)行互動(dòng)，顯著提高了操作效率和便利性。具體而言，飛行員可以使用手勢(shì)來切換儀表顯示、調(diào)整設(shè)置或執(zhí)行特定操作，而無需依賴傳統(tǒng)的物理按鈕或控制面板。同時(shí)，語音控制技術(shù)允許飛行員通過口頭指令快速訪問和操作虛擬儀表，減少了手動(dòng)操作的復(fù)雜性和干擾。這些交互式操作功能的引入，不僅提升了飛行員的用戶體驗(yàn)，還在一定程度上改善了飛行操作的流暢性和安全性，為復(fù)雜飛行任務(wù)提供了更加直觀和高效的解決方案。

4" 結(jié)束語

本文探討了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)和圖形渲染技術(shù)的飛行仿真虛擬儀表系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景。通過引入實(shí)時(shí)光線追蹤和高精度圖像渲染算法，虛擬儀表的視覺真實(shí)感顯著提升，使得飛行員能夠在仿真環(huán)境中獲得更加逼真的飛行體驗(yàn)。同時(shí)，AR技術(shù)的應(yīng)用不僅增強(qiáng)了飛行員對(duì)飛行信息的獲取方式，還通過交互式操作功能提高了飛行操作的便捷性和安全性。盡管現(xiàn)有技術(shù)仍有優(yōu)化空間，但本研究表明，AR與圖形渲染技術(shù)的結(jié)合在飛行仿真中具有廣闊的應(yīng)用前景，有望進(jìn)一步推動(dòng)飛行訓(xùn)練和飛行器設(shè)計(jì)的發(fā)展。

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