光電經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李欣陽(yáng)，呂耀文，徐熙平，胡悅

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

光電經(jīng)緯儀作為一種重要的光電跟蹤測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄目標(biāo)的方位、俯仰角、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息。在衛(wèi)星發(fā)射、武器試驗(yàn)等各種軍事及科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光電經(jīng)緯儀測(cè)量任務(wù)的順利完成，需要操作手的熟練配合，但由于外場(chǎng)試驗(yàn)中高昂的時(shí)間和資源成本，對(duì)光電經(jīng)緯儀操作手的訓(xùn)練成了一個(gè)棘手的問(wèn)題，因此通過(guò)視景仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)光電經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)緯儀的操作訓(xùn)練進(jìn)行模擬和效果評(píng)估具有重要意義[1-3]。主要的三維仿真軟件包括：Vega Prime、Matlab和3DMax等軟件。Vega Prime三維仿真軟件結(jié)合VC++開(kāi)發(fā)，相比于傳統(tǒng)的基于Matlab的數(shù)學(xué)模型仿真具有更強(qiáng)的直觀性，方便操作手進(jìn)行模擬訓(xùn)練；相比于3DMax等三維動(dòng)畫(huà)軟件實(shí)現(xiàn)仿真具有更強(qiáng)的交互性，多種仿真模塊也增加了開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易性；相比于只具備C編程接口開(kāi)發(fā)的Vega軟件，具有更強(qiáng)的程序擴(kuò)展性，也可以整體提高系統(tǒng)運(yùn)行速度[4-6]。

本系統(tǒng)采用了MFC多線程框架，應(yīng)用Vega Prime API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整體多線程場(chǎng)景搭建，開(kāi)發(fā)了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬、攝像機(jī)參數(shù)模擬、特效模擬和操作桿模擬經(jīng)緯儀視軸跟隨目標(biāo)等功能，并以統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)跟蹤訓(xùn)練結(jié)果給出客觀的評(píng)價(jià)。

1 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先使用Creator軟件分別建立場(chǎng)景模型和場(chǎng)景中應(yīng)用的實(shí)體模型，然后將場(chǎng)景模型和實(shí)體模型導(dǎo)入lnyx Prime圖形配置面板，通過(guò)面板對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行初始化配置并生成相應(yīng)的acf文件，在VC平臺(tái)上將acf文件加載到基本程序框架。出于實(shí)時(shí)性和交互性的考慮，選用基于MFC的多線程框架，最后通過(guò)Vega Prime API函數(shù)編寫(xiě)和驅(qū)動(dòng)仿真程序并輸出虛擬渲染場(chǎng)景[7-8]。綜上，基于Vega Prime的光電經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真框架如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)框架

光電經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和環(huán)境參數(shù)配置的功能，滿足武器試驗(yàn)場(chǎng)景的模擬和基于真實(shí)外場(chǎng)試驗(yàn)彈道數(shù)據(jù)的飛機(jī)投彈仿真要求，對(duì)場(chǎng)景和模型計(jì)算量很大，因此系統(tǒng)采用基于MFC的多線程框架，提高程序資源利用率，使程序響應(yīng)更快[7]。應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和訓(xùn)練搖桿響應(yīng)，但同時(shí)會(huì)存在按鈕、編輯框等對(duì)象與VP運(yùn)行窗口爭(zhēng)奪焦點(diǎn)的問(wèn)題，所以應(yīng)用程序類(lèi)型使用單文檔類(lèi)型，以提高程序可靠性。

系統(tǒng)線程包括VP線程和圖形界面線程。VP線程使用兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，首先創(chuàng)建最底層類(lèi)繼承于vpApp類(lèi)，主要提供VP運(yùn)行線程框架，線程驅(qū)動(dòng)和其它底層操作；然后創(chuàng)建VP線程上層類(lèi)繼承于底層類(lèi)，用于使用底層類(lèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功能，包括重寫(xiě)配置函數(shù)，鍵盤(pán)鼠標(biāo)響應(yīng)函數(shù)等其它功能函數(shù)，所有VP功能實(shí)現(xiàn)都在上層類(lèi)中編寫(xiě)，其實(shí)現(xiàn)的函數(shù)供用戶層直接使用。然后基于圖形界面線程創(chuàng)建用戶層，它是單文檔視圖的控制類(lèi)，在此類(lèi)中調(diào)用VP線程上層類(lèi)的方法進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)建系統(tǒng)消息機(jī)制，在圖形界面上通過(guò)消息傳遞控制程序響應(yīng)。程序關(guān)閉時(shí)圖形界面線程接收VP線程關(guān)閉消息，控制應(yīng)用程序關(guān)閉。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線程框圖如圖2所示，設(shè)計(jì)完成后的圖形交互界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)線程設(shè)計(jì)框圖

圖3 圖形交互界面

2 關(guān)鍵技術(shù)

為保證模擬訓(xùn)練的真實(shí)性和實(shí)際感，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)需要構(gòu)建仿真目標(biāo)的三維模型，并根據(jù)真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)控制目標(biāo)在場(chǎng)景中做三維運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了增強(qiáng)操作手適應(yīng)不同環(huán)境的能力，在模擬訓(xùn)練中增加了雨雪環(huán)境和攝相機(jī)參數(shù)調(diào)整的模擬。最后，為了對(duì)模擬訓(xùn)練給出客觀的評(píng)價(jià)，還需要實(shí)時(shí)得到目標(biāo)在每幀圖像中的位置姿態(tài)和經(jīng)緯儀的視軸指向，進(jìn)而給出訓(xùn)練成績(jī)。因此模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包含四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：三維模型創(chuàng)建、運(yùn)動(dòng)軌跡仿真、環(huán)境模擬和攝像機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)、跟蹤目標(biāo)脫靶量計(jì)算及成績(jī)判定。下面以光電經(jīng)緯儀跟蹤飛機(jī)和導(dǎo)彈的模擬訓(xùn)練為例，對(duì)這四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 三維模型創(chuàng)建

本系統(tǒng)使用Multigen Creator三維建模軟件對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈進(jìn)行建模。

使用該軟件建模是出于對(duì)多邊形建模、多細(xì)節(jié)層次以及紋理等技術(shù)需求的考慮，以及其與后續(xù)的Vega Prime仿真軟件的緊密結(jié)合。首先依據(jù)已知的外形尺寸運(yùn)用多邊形建模技術(shù)對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈進(jìn)行三維構(gòu)建，構(gòu)建過(guò)程中還需運(yùn)用多細(xì)節(jié)層次技術(shù)將模型細(xì)分多個(gè)級(jí)別以提高仿真效率，然后依據(jù)真實(shí)飛機(jī)和導(dǎo)彈的圖片運(yùn)用紋理貼圖技術(shù)制作紋理并映射到構(gòu)建的幾何模型上，最后得到構(gòu)建完成的三維模型，生成flt格式文件并導(dǎo)入Vega Prime視景仿真軟件，構(gòu)建的飛機(jī)和導(dǎo)彈的三維仿真模型如圖4所示。

圖4 Multigen Creator構(gòu)建的三維仿真模型

2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

光電經(jīng)緯儀訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真包含兩個(gè)部分：飛機(jī)軌跡仿真和導(dǎo)彈軌跡仿真。

傳統(tǒng)光電模擬系統(tǒng)將目標(biāo)飛機(jī)等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，無(wú)法得到細(xì)節(jié)姿態(tài)信息和外形信息，對(duì)模擬過(guò)程的還原度較低，通過(guò)立體建模仿真，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深度的模擬，更為充分還原訓(xùn)練過(guò)程。飛機(jī)的運(yùn)行軌跡通過(guò)Vega Prime中的vpPath模塊設(shè)置固定飛行路徑點(diǎn)，再結(jié)合其子類(lèi)提供的插值算法即可完成相對(duì)平滑的飛行模擬結(jié)果，該過(guò)程在Lynx Prime面板進(jìn)行配置。設(shè)置過(guò)程需要處理飛機(jī)的空間位置信息、運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向角度等動(dòng)態(tài)變化信息。

彈道模擬通常情況下也可通過(guò)vpPath模塊完成。但是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)由于可輸入的彈道數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，不能滿足于大量的外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且不能滿足目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射臺(tái)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)需求。為了解決上述問(wèn)題，本系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，關(guān)聯(lián)彈道的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和3D姿態(tài)參數(shù)對(duì)彈道點(diǎn)進(jìn)行插值處理。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）獲取當(dāng)前時(shí)間計(jì)數(shù)器值并得到當(dāng)前時(shí)刻在理論彈道中的前后兩個(gè)點(diǎn)。

（2）判斷當(dāng)前時(shí)刻是否大于已得到的理論彈道后點(diǎn)的時(shí)刻，如果小于則根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于前后彈道點(diǎn)時(shí)刻的比例，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)做三次樣條插值，計(jì)算得到當(dāng)前幀目標(biāo)的坐標(biāo)，如果大于則繼續(xù)得到理論彈道中的下兩個(gè)彈道點(diǎn)。

（3）判斷當(dāng)前時(shí)刻是否大于理論彈道最后一個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻，如果大于則表示彈道已結(jié)束。

導(dǎo)彈的運(yùn)行軌跡采用真實(shí)外場(chǎng)彈道數(shù)據(jù)的方法，這樣使得仿真過(guò)程更趨近于外場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程。首先要考慮坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問(wèn)題，本系統(tǒng)涉及到兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，第一次將基于發(fā)射坐標(biāo)系的外場(chǎng)彈道坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為Vega Prime場(chǎng)景內(nèi)的本地坐標(biāo)，第二次要將跟蹤目標(biāo)的本地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對(duì)于飛機(jī)投擲點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，這樣可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈可以在飛機(jī)飛行過(guò)程中任意時(shí)刻進(jìn)行投擲，以增加模擬訓(xùn)練的隨機(jī)性。

2.3 環(huán)境模擬和攝像機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)

在實(shí)際的經(jīng)緯儀操作過(guò)程中，操作手會(huì)根據(jù)目標(biāo)大小和距離，對(duì)攝像機(jī)焦距和光圈進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)由于使用環(huán)境的不同，視頻圖像的效果會(huì)發(fā)生較大的變大，因此，本系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行仿真，以逼近真實(shí)的經(jīng)緯儀訓(xùn)練效果。

環(huán)境模擬包括模擬雨天和雪天，實(shí)際上雨雪也是一種粒子系統(tǒng)，Vega Prime提供的EnvRain類(lèi)和EncSnow類(lèi)將雨和雪粒子系統(tǒng)封裝完成，并可以直接在Lynx Prime面板對(duì)粒子數(shù)、粒子大小、顏色紋理等參數(shù)進(jìn)行配置。

相機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)包括調(diào)光模擬和調(diào)焦模擬，調(diào)光模擬首先在Configure（）配置函數(shù)中實(shí)例化vp-Cam-eraCompositeEffect類(lèi)，然后通過(guò)類(lèi)中set-GainLevel-Manua（l）函數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)值，達(dá)到相機(jī)調(diào)光增加或減少的效果。

調(diào)焦模擬本系統(tǒng)采用連續(xù)變焦方式。首先在Configure（）配置函數(shù)中設(shè)定最短焦距fmin和最長(zhǎng)焦距fmax、短焦方位視場(chǎng)角α0以及變焦速度v，然后通過(guò)視場(chǎng)角和焦距關(guān)系理論可知其成反比例關(guān)系，即焦距變大，視場(chǎng)角變小，物像變大；焦距變小，視場(chǎng)角變大，物像變小。當(dāng)前幀方位視場(chǎng)角αh計(jì)算表達(dá)式為：

其中，f為當(dāng)前幀焦距，其基于上一幀焦距和變焦速度計(jì)算得到。然后將方位視場(chǎng)角和俯仰視場(chǎng)角參數(shù)傳到vpChannel類(lèi)中setFOVSymmetric（）函數(shù)中即可實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)通道的調(diào)焦模擬。

2.4 跟蹤目標(biāo)脫靶量計(jì)算及成績(jī)判定

光電經(jīng)緯儀視軸中心即仿真跟蹤十字絲線中心，光電經(jīng)緯儀是模擬系統(tǒng)中的觀察者，可根據(jù)Vega Prime API函數(shù)vpObserver：：getRotate（）得到每幀圖像視軸中心方位角A0和俯仰角E0。設(shè)觀測(cè)點(diǎn)在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)為（x0，y0，z0），跟蹤目標(biāo)即導(dǎo)彈在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)為（x1，y1，z1），每幀圖像跟蹤目標(biāo)方位角A1和俯仰角E1表達(dá)式為：

則每幀圖像中跟蹤目標(biāo)的方位角A1和俯仰角E1相對(duì)于視軸方位角A0和俯仰角E0的偏差ΔA和ΔE為：

考慮到訓(xùn)練初始應(yīng)給予操作手反應(yīng)時(shí)間，本系統(tǒng)將前100幀作為操作手的反應(yīng)時(shí)間，該時(shí)間可根據(jù)操作手模擬訓(xùn)練需求的反應(yīng)時(shí)間做相應(yīng)調(diào)整，統(tǒng)計(jì)計(jì)算方位角和俯仰角偏差的平均值A(chǔ)vgA、AvgE和標(biāo)準(zhǔn)差StdA和StdE為：

其中，n表示從訓(xùn)練開(kāi)始到目標(biāo)停止輸出n幀圖像。平均值反應(yīng)了操作手的總體跟蹤效果，標(biāo)準(zhǔn)差則反應(yīng)了操作手的操作穩(wěn)定性，因此，可采用這兩個(gè)值作為操作手單次訓(xùn)練成績(jī)的評(píng)定。

3 仿真實(shí)現(xiàn)

本仿真系統(tǒng)硬件環(huán)境如下：（1）操作系統(tǒng)：Windows7（1）處理器：Intel Core i5-3210M（2）顯卡配置：NYIDA GT 650M（3）內(nèi)存：4G（4）硬盤(pán)：1T。

首先，通過(guò)配置文件進(jìn)行仿真控制模式、光學(xué)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及相機(jī)參數(shù)的配置，然后通過(guò)MFC控制面板進(jìn)行環(huán)境參數(shù)配置、視點(diǎn)切換、數(shù)據(jù)傳送和保存等其它操作。訓(xùn)練開(kāi)始操作手觀察視頻信號(hào)，操控虛擬計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)仿真目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。跟蹤過(guò)程中，支持鍵盤(pán)快捷鍵調(diào)光、變焦等操作。單次訓(xùn)練完成后進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)，得到訓(xùn)練成績(jī)[9]。圖5展示了經(jīng)緯儀仿真模擬訓(xùn)練過(guò)程，圖6展示了單次訓(xùn)練完成后的成績(jī)?cè)u(píng)定，圖中文字分別表示經(jīng)緯儀基站三維坐標(biāo)，跟蹤目標(biāo)引導(dǎo)角度和經(jīng)緯儀引導(dǎo)角度。

圖5 經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練過(guò)程

圖6 成績(jī)判定

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套可應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀操作手模擬訓(xùn)練的三維仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)以MFC的多線程和Vega Prime三維仿真渲染為框架，構(gòu)建了飛機(jī)和導(dǎo)彈的三維仿真模型，分別采用虛擬的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和基于真實(shí)飛行數(shù)據(jù)控制下的導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡，并在仿真環(huán)境中運(yùn)用Vega Prime粒子系統(tǒng)添加了雨雪天氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了仿真過(guò)程中攝像機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，具有訓(xùn)練逼真度高、訓(xùn)練靈活性強(qiáng)和訓(xùn)練成本低等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，操作手還可以根據(jù)每次訓(xùn)練的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)自己做出有針對(duì)性的調(diào)整，可有效提高操作手的水平。

本系統(tǒng)為純粹的軟件仿真，與實(shí)際的經(jīng)緯儀操作具有區(qū)別，存在較大的局限性。如不同大小的經(jīng)緯儀視軸對(duì)搖桿的反應(yīng)存在較大的差別。本系統(tǒng)下一步準(zhǔn)備將真實(shí)光電經(jīng)緯儀的視軸數(shù)據(jù)接入到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀控制數(shù)據(jù)的真實(shí)化。另外，光電經(jīng)緯儀跟蹤自動(dòng)化是當(dāng)前發(fā)展的主要方向，測(cè)試和評(píng)價(jià)光電經(jīng)緯儀的自動(dòng)跟蹤效果也是需要考慮的重要問(wèn)題，將仿真圖像轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的視頻輸出給自動(dòng)跟蹤光電經(jīng)緯儀，也是本系統(tǒng)下一步要解決的技術(shù)。