基于Vega Prime和GL Studio的某型飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

黃 旭 何傳易 楊德輝

（中國人民解放軍93199部隊(duì)司令部信息管理中心，黑龍江 哈爾濱150006）

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，使得將飛機(jī)座艙搬進(jìn)教室成為可能。筆者結(jié)合某型飛機(jī)座艙儀表多、參數(shù)交聯(lián)復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇了開發(fā)周期短、組件復(fù)用性好的GL Studio軟件來實(shí)現(xiàn)虛擬儀表仿真開發(fā)，并采用Vega Prime進(jìn)行3D場景驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了GL Studio組件與Vega Prime間的結(jié)合和交互控制。

1 GL Studio虛擬儀表開發(fā)

1.1 GL Studio簡介

GL Studio是由美國DiSTI公司開發(fā)，使用OpenGL圖形庫建立實(shí)時(shí)、照片級、交互式圖形的虛擬儀表仿真程序的軟件。它獨(dú)立于平臺(tái)，可以運(yùn)行于Windows NT、IRIX和Linux操作系統(tǒng)上。GL Studio提供了友好的設(shè)計(jì)界面，其代碼生成器能把美工人員設(shè)計(jì)繪制好圖形文件一鍵生成c++和OpenGL的源代碼，生成的可以源代碼單獨(dú)運(yùn)行，也可以嵌入其他應(yīng)用程序中。此外GL Studio組件的復(fù)用性極好，由GL Studio設(shè)計(jì)器創(chuàng)建的對象能容易地轉(zhuǎn)變成一個(gè)組件對象，當(dāng)一個(gè)組件對象創(chuàng)建之后，就可以輕松地重復(fù)使用該對象[1]。

GL Studio是基于對象的虛擬儀表開發(fā)工具，將對象的開發(fā)過程分成建立圖形對象和建立行為代碼兩部分，前者由美工人員完成，后者則由編程人員完成。

其基本的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 GL Studio基本開發(fā)流程

美工人員收集真實(shí)儀表圖片素材，經(jīng)過紋理提取和修飾以后，使用GL Studio的設(shè)計(jì)器進(jìn)行界面布局，并對創(chuàng)建的對象有效地命名（符合C++命名規(guī)則及要求）；編程人員除需掌握基本的C++語言編程技術(shù)外，還需熟悉儀表知識(shí)，并根據(jù)儀表功用，在界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上創(chuàng)建對象的動(dòng)作代碼，經(jīng)過測試集成后發(fā)布最終仿真程序。

1.2 虛擬儀表動(dòng)作屬性創(chuàng)建

飛機(jī)座艙儀表仿真要求虛擬儀表能及時(shí)影響用戶操作，并能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸入設(shè)備與顯示部件之間的數(shù)據(jù)交互功能。常用到的輸入設(shè)備包括開關(guān)、按鈕、旋鈕等，GL Studio對大多數(shù)類型的輸入設(shè)備提供了封裝插件，大大減輕了開發(fā)人員的工作量。對于一些不常用的操作部件，則可以利用InputDevice控件通過編程響應(yīng)鼠標(biāo)事件來實(shí)現(xiàn)。

儀表設(shè)備基本顯示部件包括指針、指示燈、數(shù)字滾輪刻度盤、LED數(shù)碼管等。對于指針和指示燈類的顯示部件，GL Studio提供了大量函數(shù)進(jìn)行指示控制，常用的函數(shù)有：

●動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)：DynamicRotate(float,int)；

●動(dòng)態(tài)平移：DynamicTranslate(float,float,float,bool)；●動(dòng)態(tài)縮放：DynamicScale(const Vector&)；●閃爍：Blinking(bool)；

●顯示/隱藏： Visibility(bool)；

對于數(shù)字滾輪刻度盤，GL Studio提供了GlsOdometer對象，用戶僅需設(shè)置好參數(shù)即可復(fù)雜的數(shù)字滾輪刻度盤功能；對于LED數(shù)碼管則可以使用GlsTextGrid字符類對象來實(shí)現(xiàn)。

GL Studio提供的大量的封裝插件和指示控件函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互和動(dòng)態(tài)顯示，逼真地還原了儀表的工作狀態(tài)。此外，用戶還可以使用PLAY_SOUND(o,index)宏播放指定編號的聲音，來響應(yīng)用戶的鼠標(biāo)操作，從而進(jìn)一步增強(qiáng)操作的真實(shí)感。

2 Vega Prime仿真驅(qū)動(dòng)程序

2.1 Vega Prime仿真程序開發(fā)流程

Vega Prime是由MultiGen-Paradigm公司推出的最新VR開發(fā)平臺(tái)，具有面向?qū)ο蟆⒐δ軓?qiáng)大、界面友好、平臺(tái)兼容性好等特點(diǎn)[2]。其基本開發(fā)流程包括建立模型、場景設(shè)置和編寫驅(qū)動(dòng)控制程序三部分：建立模型主要是完成各種仿真對象和地形等的3D建模工作，通常用第三方工具如 GL Studio（儀表）、3DMAX、Creator、Terravista（地形）等完成；場景設(shè)置指利用LynX Prime對應(yīng)用程序及場景進(jìn)行基本的配置，包括應(yīng)用參數(shù)配置（如窗口、通道等參數(shù)）、環(huán)境設(shè)置、對象初始位置姿態(tài)設(shè)置以及某些特效設(shè)置等，設(shè)置完成后生成*.acf配置文件供程序加載使用；編寫驅(qū)動(dòng)控制程序則是利用Vega Prime的應(yīng)用程序編程接口（API），在VC++環(huán)境下實(shí)現(xiàn)VR仿真驅(qū)動(dòng)控制程序的編寫、調(diào)試和發(fā)布，本文采用的是VS．NET2005（對應(yīng)VC8.0版本）編程環(huán)境。

2.2 基于MFC對話框的Vega Prime程序框架

VC++工程類型可以分為：控制臺(tái)(Console)應(yīng)用程序、Windows應(yīng)用程序和基于MFC的應(yīng)用程序。MFC是比較流行的基于文檔／視圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序框架，封裝了大量的Windows API函數(shù)，已成為開發(fā)Windows應(yīng)用程序的主流框架結(jié)構(gòu)，而標(biāo)準(zhǔn)的Vega Prime視景仿真程序?yàn)榭刂婆_(tái)應(yīng)用程序。為此我們將標(biāo)準(zhǔn)的Vega Prime仿真驅(qū)動(dòng)程序改造成基于MFC對話框的驅(qū)動(dòng)程序。

改造后的驅(qū)動(dòng)控制程序在MFC對話框進(jìn)程完成對話框初始化，啟動(dòng)Vega Prime渲染進(jìn)程完成系統(tǒng)初始化、定義、配置、仿真循環(huán)等工作。初始化用來VP系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建內(nèi)存等；定義、配置是通過讀取和解析LynX Prime應(yīng)用程序生成的*．a(chǎn)cf場景設(shè)置文件，創(chuàng)建三維模型，建立仿真對象與C++類之間的關(guān)系，完成場景加載工作；仿真循環(huán)則是根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，完成場景渲染、漫游控制、數(shù)據(jù)交互等工作，在MFC下我們使用定時(shí)器對幀循環(huán)進(jìn)行頻率控制，從而保證數(shù)據(jù)同步。

3 飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 GL Studio組件與Vega Prime的交互控制

在GL Studio中完成飛機(jī)座艙儀表面板的制作后，可以利用VC將 GL Studio 模型文件（*．gls）制作成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件(*．dll文件)。 虛擬場景創(chuàng)建完畢之后，需將做好的飛機(jī)座艙虛擬面板的動(dòng)態(tài)連接庫文件導(dǎo)入虛擬場景中，但Vega Prime本身并不支持GL Studio模型的直接加載，因此需要安裝配套的vpGLStudioPlugin插件,該插件使Lynx Prime場景編輯器可以直接加載GL Studio生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，并將其生成為一個(gè)vpGLStudioComponent類，方便地實(shí)現(xiàn)了GL Studio組件與Vega Prime的交互控制功能，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本。

使用vpGLStudioComponent類中的setAtrib函數(shù)可以將仿真數(shù)據(jù)傳遞給GL Studio虛擬儀表面板，從而控制儀表的狀態(tài)、動(dòng)作和顯示數(shù)據(jù)，該函數(shù)傳遞的數(shù)據(jù)類型為字符型，因此在傳遞前需進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

不同儀表面板之間，儀表面板與仿真驅(qū)動(dòng)程序間的數(shù)據(jù)交換則可以使用網(wǎng)絡(luò)通信、消息傳遞等方式進(jìn)行傳遞。

當(dāng)虛擬儀表面板上的元件發(fā)生動(dòng)作時(shí)，向仿真驅(qū)動(dòng)程序窗口發(fā)送消息：

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)對飛機(jī)、機(jī)場和地形等各種仿真對象進(jìn)行了3D建模工作，采用GL Studio制作虛擬儀表仿真程序，利用Vega Prime進(jìn)行系統(tǒng)的場景仿真驅(qū)動(dòng)，飛機(jī)的仿真數(shù)據(jù)由飛行解算程序仿真計(jì)算得出，通過網(wǎng)絡(luò)通信采用無連接的UDP協(xié)議方式與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。完成后的飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)運(yùn)行界面及效果如圖2所示。

圖2 飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)運(yùn)行效果

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛行領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，特別在航空理論教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用不僅能激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率，而且安全可控、易于復(fù)制，降低了教學(xué)成本。本文通過某型飛機(jī)虛擬座艙系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，為航理教、學(xué)人員提供了逼真的飛機(jī)虛擬座艙仿真環(huán)境，同時(shí)也建立了基于Vega Prime的虛擬仿真程序的基本開發(fā)流程和程序框架，為開發(fā)其它虛擬現(xiàn)實(shí)仿真程序提供了參考和基礎(chǔ)。

［1］于輝,趙經(jīng)成,等.GL Studio虛擬儀表技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)[M].國防工業(yè)出版社,2010.

［2］王孝平,董秀成,等.Vega Prime實(shí)時(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)[M].西南交通大學(xué)出版社,2012.

［3］李萬,王學(xué)軍,崔小鵬.GL Studio與Vega Prime在某艦炮虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2010,6.

［4］陳懷民,吳錦雯,黃曉波.基于GL Studio的飛行仿真虛擬儀表軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù),2013.

［5］楊建國,王乘．基于Multigen和Vega的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J]．計(jì)算機(jī)仿真,2003．