空空導彈遙測數據三維實時顯示系統設計與實現

摘 要:根據空空導彈遙測數據處理的發展要求，在此設計一種空空導彈遙測數據三維實時顯示系統。該系統主要由三維幾何建模與空間坐標系和三維實時顯示系統軟件組成，在實際應用中成功接收遙測數據，并實時渲染高度逼真的三維虛擬場景，在模擬的三維環境中實時生動地顯示載機、導彈和靶機的飛行軌跡、姿態等特征。

關鍵詞:飛行軌跡;空空導彈遙測;三維實時顯示;虛擬場景

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-064-03

Design and Implementation of Display System in Real-time Three-dimensional for

Air-to-Air Missile Telemetry Data

CHANG Shulong

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:Based on air-to-air missile telemetry data processing requirements of the development，a set of display system in real-time three-dimensional for air-to-air missile is designed.This system is mainly composed of the three dimensional geometry modelling and the three-dimensional coordinate system and the display software in real-time three-dimensional，it receives telemetry data in the practical application successful，and renders highly realistic three-dimensional virtual scene，and vividly demonstrates characteristics of main plane，missile，target plane′s flight track，posture and so on in real-time.

Keywords:flight track;air-to-air missile telemetry;real-time three-dimensional display;virtual scene

0 引 言

目前空空導彈遙測數據顯示方式還處于二維顯示模式，為了適應空空導彈遙測數據處理的發展要求，細致逼真地顯示導彈的空中運動特征，迫切需要設計空空導彈遙測數據三維實時顯示系統。三維實時顯示系統從網絡接收遙測數據，根據數據實時渲染高度逼真的三維虛擬場景，在模擬的三維環境中實時生動地顯示載機、導彈和靶機的飛行軌跡、姿態、彈目交匯等特征。

1 設計要求

該系統中包含一系列三維仿真顯示模塊，可實現導彈姿態、舵面偏角、彈目距離等測試信息的三維實時顯示，并具有實時模擬導彈、靶機等三維軌跡的功能。設計功能如下所述。

1.1 遙測數據接收

實時接收以太網絡端口傳送的遙測數據，獲得三維數據并按照幀格式進行編排，作為實時顯示模塊的數據依據。

1.2 場景創建與配置

構建三維場景及景物目標的三維模型，創建VP的場景配置文件，運行時載入場景配置文件，實時繪制渲染相應三維場景[1]。

1.3 三維實時顯示

三維實時顯示系統由三維實時軌跡顯示模塊和三維實時姿態顯示模塊組成。實時軌跡顯示模塊實現三維導彈實驗場虛擬場景和飛行器目標運行軌跡實時顯示;實時姿態顯示模塊近距離顯示飛行器目標整體以及詳細的飛行器各個活動部位的動作響應，并通過一定特效設計，如煙火、爆炸、閃光等，提供給用戶逼真生動的視覺效果。

1.4 用戶交互操作

用戶通過人機界面，對三維顯示系統進行實時交互控制，包括:視窗顯示內容選擇，如場景位置及飛行器目標選擇、視點參數設置、軌跡顯示參數設置、彈目交匯顯示設置等。

2 系統運行環境

2.1 硬件環境

三維實時顯示系統的硬件平臺選用專用可視化圖形工作站，主要性能參數如下:

主機型號:DELL Precision 690MT;雙CPU處理器:雙核英特爾R 至強R 處理器5080 3.73 GHz/4 MB L2緩存;內存容量:4 GB(2×2 GB雙通道DDR2);圖形卡:NVIDA Quadro FX4500(512 MB)。

2.2 軟件環境

軟件環境為:Windows XP操作系統;三維可視化視景仿真開發系統軟件環境:Vega Development Environment;VSG(Vega Scene Graph)高級跨平臺場景渲染API。

3 系統設計

系統設計主要由三維幾何建模與空間坐標系建立、三維實時顯示系統軟件兩部分組成。

3.1 三維幾何建模與空間坐標系建立

運用外部建模工具建立導彈和靶機等景物幾何模型，生成相應的真實感貼圖紋理圖像，并根據模擬飛行三維空間場坐標建立地球空間直角坐標系，在此基礎上利用導彈飛行彈道、載機與靶機的飛行軌跡等的實時遙測數據或模擬數據，將飛行器的飛行數據以三維可視化立體形式顯示，解決以往導彈飛行軌跡仿真中以地圖平面投影形式進行二維顯示的局限性，具有很強的三維直觀性和交互性[2]。

3.2 三維實時顯示軟件設計

三維實時顯示系統軟件主要由可視化系統用戶主界面、三維場景模塊、系統自己監控模塊、驅動數據管理模塊組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 三維實時顯示系統軟件功能模塊組成圖

3.2.1 可視化系統用戶主界面設計

可視化系統用戶主界面設計是系統的核心所在，其它模塊主要提供后臺支持，主要由控制菜單、用戶控制面板、三維視窗區三部分組成。三維實時顯示系統的運行主界面如圖2所示。

(1) 控制菜單。

可以實現用戶對三維顯示實時數據、視窗顯示內容、視點視域參數、飛行器及場景顯示設置等交互的參數設置控制功能，具體控制菜單內容根據三維實時姿態顯示、三維軌跡顯示而有所不同;運行時，用戶通過菜單調出相應參數設置對話框，實時交互地對相關參數進行設定。

(2) 用戶控制面板。

可以實現用戶進行參數設置控制功能的快捷方式，控制面板上主要布置三維顯示系統運行時最主要的實時控制參數集合，用戶通過控制面板上的相應控件對三維顯示視窗顯示內容與屬性進行實時調整設置，并能從三維視窗顯示區實時觀察到參數設置后的結果。用戶控制面板的主要數據控制內容包括:顯示目標設置、視窗設置、視點控制、軌跡參數設置、軌跡顯示選擇、彈目交匯切換控制等的設定、視景縮放控制、與姿態相關用戶定制的數字信息顯示、與軌跡相關用戶定制的數字信息顯示等。

圖2 三維實時顯示系統的運行主界面

(3) 三維視窗區。

能夠實現實時三維場景顯示，場景顯示內容由實時三維數據驅動。對于三維實時姿態顯示模塊，采用單視口全屏或多視口分屏顯示方式，根據實時三維數據，近距離顯示飛行器目標整體空中姿態以及詳細的飛行器各個活動部位的動作響應;對于三維實時軌跡顯示模塊，根據實時三維數據，實時顯示三維導彈實驗場虛擬場景和飛行器目標運行軌跡等。

3.2.2 三維場景模塊設計

三維場景模塊是三維實時顯示系統的核心模塊，根據獲得的導彈和靶機等數據信息與相關控制信息，實時逼真繪制出導彈與靶機飛行與交匯等的三維真實感虛擬場景，并使用戶能對虛擬的模擬場景進行交互操作。三維場景模塊主要有三維實時姿態顯示模塊和三維實時軌跡顯示模塊。

(1) 三維實時姿態顯示模塊。

根據實時接收的三維數據與狀態數據，包括導彈相關參數、用戶控制操作等，逼真顯示出飛行器目標(導彈、載機、靶機)的整體空中姿態以及詳細的飛行器各個活動部位的實時動作響應，以及相應的煙火特效等視覺效果;動態展示彈目交匯過程，通過爆炸、燃燒、煙火、閃光等特效，增強導彈攻擊目標時場景的視覺逼真感[3，4]。圖3為多視口實時姿態顯示場景。

姿態場景顯示的主要功能包括:

① 動態顯示導彈飛行姿態、活動部件的實時動作響應，實時繪制出導彈的各種姿態，如導彈的俯仰、偏航、滾轉、發動機噴(熄)火、舵面/擾流舵/折疊翼姿態、模擬尾焰特效等;

② 動態展示彈目交匯過程及特效顯示，模擬導彈擊中靶機時的損傷特效，使用閃光、煙火、爆炸碎片及聲音的表現形式，使參試者獲得強烈的視覺效果。

③ 用戶觀察點管理，提供三種預設觀察點方式:視點固定在導彈附近、視點固定在目標(靶機)附近和視點固定在導彈和目標之外的某個位置。

④ 實時動態交互地改變觀察角度及觀察者視角等參數[5]。

圖3 多視口實時姿態顯示場景

(2) 三維實時軌跡顯示模塊。

實時軌跡跟蹤顯示系統實時接收各種輸入數據，如導彈、靶機相關參數、用戶控制操作等，實時繪出真實感強的虛擬場景下的目標運動軌跡[6，7]。載機、靶機、導彈的運動狀態、運動位置要與真實情況符合。該系統將構建一個虛擬的三維導彈實驗場示意主場景，運行時，在三維視窗內，支持對4發導彈和靶機、載機的實時軌跡顯示，用不同顏色相區別，顏色可編輯，能夠調整顯示區域，使多飛行器目標模型的軌跡實時顯示在當前可視區域內[8]。使用戶獲得非常形象、直觀的多目標空間運動位置關系。圖4為實時軌跡顯示場景。

3.2.3 驅動數據管理模塊設計

驅動數據管理模塊主要負責三維場景動態目標(導彈、靶機等)的驅動數據的管理，它對實時接收到的遙測數據進行存儲、分配和調度等管理。數據接收采用UDP通信協議，保證了網絡通信的實時性和高速要求。

圖4 實時軌跡顯示場景

3.2.4 系統自檢監控模塊

系統自檢監控模塊控制管理可視化系統運行，并對系統進行狀態檢查，運行監控，錯誤診斷與報警等處理。

4 結 語

經過某導彈數據測試，對于4個飛行器目標的情況(如:兩路靶機、兩路導彈)，成功實現了三維VP場景中飛行器目標的軌跡和姿態模型的實時更新與繪制，速率可達100 f/s，滿足系統設計要求。

參考文獻

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