飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

河南工程學(xué)院 陶斌

許昌市魏都區(qū)人力資源和社會(huì)保障局 梁

飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

河南工程學(xué)院 陶斌

許昌市魏都區(qū)人力資源和社會(huì)保障局 梁

飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在飛機(jī)飛行參數(shù)的分析和處理上。目前，大部分飛機(jī)的三維仿真回放系統(tǒng)主要是簡(jiǎn)單的二維模擬，不能逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行過(guò)程。本文，筆者設(shè)計(jì)的飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)，新系統(tǒng)不但可以下載、處理和分析飛行的參數(shù)和數(shù)據(jù)，還可以使用3DMAX和OpenGL軟件實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的飛行姿態(tài)和儀表的三維真實(shí)回放。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)的功能主要包括譯碼、數(shù)據(jù)分析、三維回放和系統(tǒng)文件管理4個(gè)部分，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示。

1.譯碼。將飛機(jī)飛行的數(shù)據(jù)記錄文件中保存的各種飛行參數(shù)值按照規(guī)定的文件格式讀出，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式把記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為飛機(jī)的工程數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的譯碼過(guò)程中，首先會(huì)修改錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)參數(shù)工程值計(jì)算出飛機(jī)的航跡曲線和高度曲線，并判斷是否有事故發(fā)生。

2.數(shù)據(jù)分析。將參數(shù)的工程數(shù)據(jù)以曲線、報(bào)表、極值和異常數(shù)據(jù)的形式提供給用戶來(lái)進(jìn)行分析和研究。

3.三維回放。對(duì)飛機(jī)外部的飛行姿態(tài)和飛機(jī)內(nèi)部的駕駛艙和各種儀表進(jìn)行三維回放。在回放過(guò)程中用戶可以進(jìn)行大量的交互操作，如內(nèi)外部的切換、縮放、移動(dòng)、選擇以及場(chǎng)景的漫游等。此外，由于采用了浮動(dòng)窗口和輔助窗口使得用戶不但可以在不同的回放方式之間切換移動(dòng)，還可以在分析系統(tǒng)和回放系統(tǒng)之間任意切換移動(dòng)。整個(gè)飛行過(guò)程可以按照時(shí)間的順序來(lái)播放，用戶可以任意地進(jìn)行前進(jìn)、后退和暫停等操作。

4.系統(tǒng)文件的管理。主要包括基于數(shù)據(jù)庫(kù)模型文件的修改、轉(zhuǎn)移、刪除和查找等操作。根據(jù)用戶對(duì)使用權(quán)限的設(shè)置，該管理模塊可以有效地管理系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的安全性和有效性。

二、模型的建立、讀取與繪制

1.模型的建立。飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)中的模型主要分為3種：第1種是形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在回放過(guò)程中不發(fā)生變化的模型。如飛機(jī)、儀表、儀表板等模型。由于這些模型要求具有較強(qiáng)的真實(shí)感，所以根據(jù)真實(shí)飛機(jī)的儀表板模型或照片，利用目前市場(chǎng)上成熟的三維制作軟件3DMAX來(lái)制作，并保存為3ds文件格式。第2種三維物體形狀結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是可以直接利用OpenGL的圖元生成函數(shù)和紋理映射函數(shù)來(lái)建模的模型。第3種是根據(jù)機(jī)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景和飛機(jī)飛行過(guò)程中周圍不斷變化的景物進(jìn)行建模的模型。

2.模型的讀取。對(duì)于機(jī)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景，可以利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)獲取的圖像素材進(jìn)行圖像處理并快速生成機(jī)場(chǎng)的全景圖，在飛機(jī)的起降過(guò)程中，可以根據(jù)飛機(jī)的飛行速度實(shí)時(shí)地進(jìn)行同步播放，并且支持多個(gè)視角的切換。對(duì)于飛行過(guò)程中周圍的景物，可根據(jù)清晨、正午、黃昏和夜晚這4個(gè)時(shí)間段，采集圖像素材并生成全景圖，這樣可以在進(jìn)行場(chǎng)景漫游時(shí)，不至于過(guò)于單調(diào)，從而失去回放的真實(shí)感。

3.模型的繪制。根據(jù)要求制作的3ds文件需要定義一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存放這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)組，然后讀取文件將數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最后將這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組合后形成輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們將在繪制程序中被使用。在系統(tǒng)中根據(jù)3ds文件格式生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有攝像機(jī)、光源、幾何實(shí)體、實(shí)體紋理和坐標(biāo)變換。3D對(duì)象的繪制主要是由C3Dobject中的Draw3dsObject（）函數(shù)來(lái)完成的，對(duì)象的外部性質(zhì)是則是采用三角形來(lái)近似。由于全景圖的播放需要與飛行速度相同步。所以，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)同步，本文，筆者采用圖像分塊和算法壓縮全景圖的策略來(lái)完成，即將圖像劃分成相同尺寸的子圖，并分別壓縮，依次存放在不同的文件中，在生成視圖時(shí)根據(jù)時(shí)間順序讀取一定數(shù)量的連續(xù)子圖，然后對(duì)子圖解壓縮并進(jìn)行投影，最終生成全景圖。子圖劃分的尺寸和讀取的數(shù)量與飛行速度的關(guān)系由相應(yīng)的算法進(jìn)行處理。

三、系統(tǒng)生成

1.模型動(dòng)畫生成。在經(jīng)過(guò)模型建立和讀取以后，接下來(lái)的步驟就是生成動(dòng)畫了。該系統(tǒng)主要是利用時(shí)間來(lái)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)。具體采用了VC中的定時(shí)器函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用SetTimer（）函數(shù)來(lái)建立一個(gè)定時(shí)器，在OnTimer（）函數(shù)中定義模型的運(yùn)動(dòng)。利用飛行參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模型以及控制模型和場(chǎng)景的變化，即由定時(shí)器定時(shí)的驅(qū)動(dòng)程序讀取當(dāng)前時(shí)間的飛行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)和場(chǎng)景相結(jié)合動(dòng)態(tài)地繪制出來(lái)，從而達(dá)到動(dòng)畫的效果。在該系統(tǒng)中生成的動(dòng)畫主要有飛行姿態(tài)、儀表板、各種儀表、二維軌跡、三維軌跡和全景圖等。

2.使用OpenGL構(gòu)建系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的回放，首先需要獲得當(dāng)前時(shí)間飛機(jī)的飛行參數(shù)值，主要有飛機(jī)飛行的俯仰角、航向角和傾斜角等和機(jī)身震動(dòng)的法向過(guò)載、側(cè)向過(guò)載和縱向過(guò)載。然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用OpenGL中的glRotatef（）旋轉(zhuǎn)函數(shù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)身來(lái)體現(xiàn)當(dāng)前飛行中的角度變化。同理，利用OpenGL中的glTranslatef（）平移函數(shù)和glScalef（）縮放函數(shù)，通過(guò)在X、Y、Z軸移動(dòng)或是縮放飛機(jī)位置來(lái)體現(xiàn)當(dāng)前飛機(jī)的飛行模擬。具體代碼如下所示：

if（m_nState ＜ 0）

3.播放速度匹配。在飛機(jī)的起降和飛行回放過(guò)程時(shí)，利用算法對(duì)讀取到的飛機(jī)飛行速度與全景圖的播放速度進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)與背景播放速度的同步。同時(shí)，為避免跳躍現(xiàn)象的產(chǎn)生，還應(yīng)在相鄰幀之間進(jìn)行線性插值，使仿真效果更為平滑，具體代碼如下所示：

4.增加音響效果。在模擬飛機(jī)內(nèi)部?jī)x表的回放時(shí)，由于儀表指針和其他部分元件是分開建模的，所以在進(jìn)行儀表回放時(shí)，只有儀表針隨著數(shù)據(jù)變化而運(yùn)動(dòng)，而儀表的其他部分不進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)還給飛機(jī)駕駛艙中的儀表配上各種真實(shí)的音響效果，這樣就進(jìn)一步地增加了使用者身臨其境的真實(shí)感。

5.增加三維效果的其他手段。在該三維回放系統(tǒng)中，還可利用其他手段進(jìn)一步來(lái)體現(xiàn)三維效果，使回放更加生動(dòng)。例如，使用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)尾焰的模擬，使用陰影技術(shù)生成各種物體的陰影，使用BMP圖像作為紋理文件以突出真實(shí)的紋理效果等等。為了使用戶能夠更好地使用該系統(tǒng)，系統(tǒng)還提供了一些交互的功能。主要包括對(duì)象的選取、反饋、選取后的縮放、平移操作以及飛機(jī)內(nèi)部和外部的場(chǎng)景漫游等。這些功能主要是基于OpenGL軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，對(duì)象選取主要是利用了OpenGL中的名字堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用OpenGL中的gluLookAt（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游。

本文，筆者設(shè)計(jì)了1種飛機(jī)三維仿真回放系統(tǒng)，利用3DMAX和OpenGL軟件及計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有回放系統(tǒng)作出了較大的改進(jìn)，進(jìn)一步提高了回放系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互性和三維效果。系統(tǒng)可以有效地回放在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)和不同環(huán)境下飛機(jī)的飛行狀況，基于多窗口顯示的設(shè)計(jì)也有效地滿足了不同情況下的需要。因此，該系統(tǒng)在飛行安全問(wèn)題和培訓(xùn)等方面，都有著十分廣泛的應(yīng)用前景。