飛機(jī)駕駛艙幾何建模方法的研究

摘 要：針對(duì)飛機(jī)座艙系統(tǒng)復(fù)雜，利用單一的系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行模擬往往顧此失比。通過(guò)闡述利用3DSMAX 和MultiGen Creator相結(jié)合的模型構(gòu)建方法，并以殲?zāi)硻C(jī)駕駛艙的幾何模型制作過(guò)程為例，探討了兩者相結(jié)合的建模方法。

關(guān)鍵詞：3DSMAX ； MultiGen Creator；虛擬現(xiàn)實(shí)；駕駛艙的建模

中圖分類號(hào)：V2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）04-0253-02

1 引言

幾何建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最重要的技術(shù)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)之一。計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域的一著名學(xué)者伊萬(wàn)·薩瑟蘭說(shuō)到:“計(jì)算機(jī)屏幕只是一個(gè)窗口，但通過(guò)這個(gè)窗口，我們可以看見一個(gè)虛擬的世界。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何使這個(gè)世界看起來(lái)真實(shí)、動(dòng)起來(lái)真實(shí)、聽起來(lái)真實(shí)、摸起來(lái)真實(shí)”，而所有這些“真實(shí)”的實(shí)現(xiàn)，主要依靠建模技術(shù)。

2 殲?zāi)硻C(jī)駕駛艙的幾何建模

2.1 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是建模的關(guān)鍵，它的好壞直接關(guān)系到模型的質(zhì)量，它涉及兩個(gè)軟件相結(jié)合的接口處理，飛機(jī)駕駛室的三視圖以及實(shí)際拍攝的數(shù)碼照片。

2.2 對(duì)殲?zāi)硻C(jī)的駕駛艙幾何建模

3DSMAX建模的一般原則就是由整體到局部，由粗到精，具體包括以下幾個(gè)步驟：

(1)在3DMAX中導(dǎo)入飛機(jī)機(jī)艙的三視圖，勾畫出最能體現(xiàn)機(jī)艙的輪廓線，使用Extrude命令拉伸一定的高度，完成機(jī)艙的主體建模。

(2)三維模型映射紋理。在建模過(guò)程中貼紋理是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響到模型的質(zhì)量。

(3)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，在3DS MAX 中將格式為max的文件導(dǎo)出為3ds格式，導(dǎo)出時(shí)選擇保留紋理坐標(biāo)選項(xiàng)，然后導(dǎo)入到Creator中，并保存為flt 格式。

(4)修改紋理路徑和關(guān)聯(lián)了透明紋理的面屬性，將3ds文件導(dǎo)入到Creator中后紋理丟失了，需要重新指定紋理路徑。

(5)導(dǎo)入的3ds文件的數(shù)據(jù)庫(kù)沒有層次結(jié)構(gòu)，所有的對(duì)象都存放在是同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)下，應(yīng)該按照模型各部分的主、次重新組織數(shù)據(jù)庫(kù)。由于場(chǎng)景渲染時(shí)是從左往右繪制，因此較重要的對(duì)象放在樹狀結(jié)構(gòu)中兄弟節(jié)點(diǎn)的左邊，次要的放在右邊。為了防止渲染時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，必須刪除空的組和對(duì)象節(jié)點(diǎn)，而且關(guān)聯(lián)了透明紋理的面需放在數(shù)據(jù)庫(kù)尾部。三維駕駛艙模型如圖1所示。

2.3 殲?zāi)硻C(jī)座艙的主要儀表的建模

Creator的儀表面板模塊提供了盤式量表、矩形量表、柱狀量表等在內(nèi)的各種常見量表儀器的模塊，并且提供優(yōu)化儀表面板顯示的剪裁特性。同時(shí)，該模塊還特別提供了用于創(chuàng)建和編輯多邊形字體的編輯器，不僅可以應(yīng)用到儀表面板上還可以應(yīng)用到模型數(shù)據(jù)庫(kù)的任意位置。用Creator的儀表面板模塊創(chuàng)建機(jī)載設(shè)備儀表模型可以使儀表在Vega軟件中得到動(dòng)態(tài)仿真模擬，增加飛行仿真的真實(shí)性。

殲?zāi)硻C(jī)座艙的主要儀表包括：高度表、速度表、燃料表、油壓表、溫度表、飛機(jī)姿態(tài)表、雷達(dá)掃描屏、飛機(jī)方位表、指南針等。在Creator的儀表面板模塊中所提供的儀表種類不能滿足機(jī)艙內(nèi)儀表的需要。也就是說(shuō)，有些儀表必須自己創(chuàng)建出來(lái)，比如飛機(jī)姿態(tài)表和相應(yīng)的盤式儀表。 飛機(jī)姿態(tài)表是各種飛行器座艙最重要的量表儀器，它通常用于顯示飛機(jī)的側(cè)偏和俯仰角度。在飛行過(guò)程當(dāng)中，垂直標(biāo)尺會(huì)隨著視點(diǎn)向上下左右做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變化，以模擬飛行器的俯仰和側(cè)偏等飛行姿態(tài)。創(chuàng)建飛機(jī)姿態(tài)儀表的主要步驟如下：

（1）定義量表尺寸、背景和標(biāo)尺刻度布局；

（2）將垂直標(biāo)尺數(shù)字及其他標(biāo)志添加到量表中；

（3）將設(shè)計(jì)好的機(jī)載量表放置到模型數(shù)據(jù)庫(kù)的指定位置上。

Creator中創(chuàng)建這個(gè)儀表相當(dāng)麻煩，為了彌補(bǔ)這個(gè)儀表，采用液晶顯示在一個(gè)外部顯示器上。通過(guò)Vega的調(diào)用隨時(shí)可以觀察到飛機(jī)的飛行狀態(tài)和姿態(tài)。最終創(chuàng)建出的飛機(jī)姿態(tài)儀表如圖2所示。

圖2 飛機(jī)姿態(tài)儀表

在殲?zāi)硻C(jī)的機(jī)艙中有大量的盤式儀表，所謂的盤式儀表是指扁平的帶有細(xì)分刻度和數(shù)字標(biāo)記的圓盤狀計(jì)量?jī)x表，創(chuàng)建一個(gè)盤式量表的主要步驟如下：

（1）定義量表的尺寸、背景、刻度區(qū)域以及數(shù)字標(biāo)志布局；

（2）將數(shù)字及其他標(biāo)志添加到量表面板中；

（3）添加表盤弧度以突出量表面板上的特定區(qū)域；

（4）將設(shè)計(jì)好的盤式量表放置到模型數(shù)據(jù)庫(kù)的指定位置。

利用Creator的儀表面板模塊創(chuàng)建的盤式儀表時(shí)，達(dá)不到逼真的效果，這就需要為其映射相應(yīng)的紋理和添加相應(yīng)的指針，為了使在飛機(jī)在飛行的過(guò)程當(dāng)中，使相應(yīng)的儀表的指針做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要為儀表模型設(shè)置好DOF節(jié)點(diǎn)和添加合理的自由度，在儀表面板中只是修改儀表的外部參數(shù)，如大小、指針顏色、字體等。通過(guò)使用Local-DOF/DOF Viewer菜單命令，檢驗(yàn)其動(dòng)態(tài)效果，如果不符合實(shí)際的要求則可以使用Local-DOF/Set DOF Limits菜單命令，重新設(shè)置，使達(dá)到最佳的動(dòng)態(tài)效果。某盤式儀表的動(dòng)態(tài)模擬效果如圖3所示。

2.4 對(duì)機(jī)艙模型紋理的映射

紋理映射是一種將二維圖像映射到一個(gè)幾何形狀上來(lái)產(chǎn)生特殊效果或真實(shí)感的一種技術(shù)，并不是實(shí)際的幾何模型。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，不定形物體的模擬是一種十分活躍、難度很大的研究領(lǐng)域，常用的方法是通過(guò)分形、粒子、布爾等算法構(gòu)造大量三維體組合而成。而該種建模方法在逼真度提高的同時(shí)是以大量系統(tǒng)資源的耗費(fèi)為條件的。在殲?zāi)硻C(jī)的機(jī)艙模擬中，采用紋理映射技術(shù)可以較好地模擬機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜的儀器和儀表，同時(shí)實(shí)現(xiàn)逼真度和運(yùn)行速度的平衡。另一方面，對(duì)于復(fù)雜實(shí)體模型，采用紋理映射技術(shù)可以模擬出豐富的細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化模型的構(gòu)造過(guò)程，降低實(shí)體模型的復(fù)雜度，同時(shí)還可以賦予模型鮮明的色彩，映射圖特征等。

3 殲?zāi)硻C(jī)機(jī)艙整體模型的簡(jiǎn)化

對(duì)于飛機(jī)駕駛艙個(gè)體模型來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)不算大，但相對(duì)與整個(gè)項(xiàng)目而言確是可觀的。為了使調(diào)用整個(gè)模型不影響機(jī)器的運(yùn)行速度，需要在Creator中將模型簡(jiǎn)化。因此在簡(jiǎn)化過(guò)程中不涉及子面的處理，方法主要有3個(gè)。

(1)三角面片合并。模型導(dǎo)人時(shí)，Creator會(huì)經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，在處理過(guò)程中所有的非三角形將被轉(zhuǎn)化成三角形(例如一個(gè)矩形會(huì)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)三角形)。也就是說(shuō)，它會(huì)增加多邊形的數(shù)量，這就涉及到三角面片的合并問(wèn)題。Creator中的Vsimplify插件可利用三角化 算法來(lái)優(yōu)化模型，使被處理的模型比原始模型包含更少的多邊形，從而加快圖像的呈現(xiàn)和傳輸速度。合并面的方法很簡(jiǎn)單，在face模式下，選中所有的面，使用ModFace下的Combine Faces命令，Creator會(huì)自動(dòng)將處在同一平面上的相鄰三角面片合并。

(2)刪除多余面。在Creator中，根據(jù)數(shù)據(jù)量大小由面片數(shù)決定原理，通過(guò)刪除不可見面片來(lái)達(dá)到減小數(shù)據(jù)量的目的。例如，艙體均是用box構(gòu)建的，因此，除了艙體底部，其余box上下兩個(gè)面均被儀表遮擋，不可見，據(jù)此判斷，逐步找出所有不可見面片并刪除。

(3)面的修改。 模型制作過(guò)程中，圓柱體或球體往往是導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大的重要原因之一。以圓柱體為例，一個(gè)圓柱體一般有8～ 12個(gè)面即可滿足精度要求，刪除多余的面，把保留面連接完整即可。

通過(guò)以上的方法對(duì)某殲擊機(jī)的模型簡(jiǎn)化后得到最后的模型如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用本文介紹的某殲擊機(jī)的駕駛艙的建模方法已經(jīng)應(yīng)用在本實(shí)驗(yàn)室的三維虛擬仿真中，它滿足了系統(tǒng)所要求的精確度和細(xì)節(jié)層次水平的要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。