艦載機(jī)起飛流程視景仿真研究

夏亮 馮玉博

（中國人民解放軍92728 部隊(duì) 上海市 200436）

在武器裝備研制中引入虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，預(yù)期可以大幅消減武器裝備的研制成本，壓縮研制時間，降低研發(fā)費(fèi)用，具有重大的實(shí)際意義[1]。隨著航母的發(fā)展，艦載機(jī)作為航母搭載的主要作戰(zhàn)力量，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著威懾和打擊敵人的重要作用。不過在艦載機(jī)訓(xùn)練過程中需要大量消耗大量的人力物力，耗資太大。在此背景下，利用Vega 或者OpenVS 等軟件開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真系統(tǒng)來進(jìn)行艦載機(jī)的模擬起飛訓(xùn)練，作為艦載機(jī)起飛流程制定或者培訓(xùn)教學(xué)提供強(qiáng)有力支撐和更為可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[2]。本文主要對艦載機(jī)起飛視景仿真中的關(guān)鍵技術(shù)，包括模型建立、DOF 設(shè)定以及多視角多通道等技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 虛擬仿真事件及系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.1 仿真事件描述

本文實(shí)現(xiàn)的是對艦載機(jī)起飛執(zhí)行任務(wù)的全過程進(jìn)行視景仿真。設(shè)置仿真事件流程如圖1。

以上為仿真事件全過程，在仿真過程中一方面界面中通過多個通道進(jìn)行全面的信息展示，另一方面操作人員也可以通過人機(jī)交互來實(shí)現(xiàn)從不同的視角對艦載機(jī)進(jìn)行觀察。

要想滿足高精度、高逼真度的要求，應(yīng)建立諸如航母、艦載機(jī)等數(shù)字仿真模型，并構(gòu)建相應(yīng)的三維場景模型，便于在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)圖形仿真與數(shù)字仿真模型之間的通信。但需要注意的是，圖像仿真時，需將實(shí)時渲染技術(shù)應(yīng)用于圖形仿真的過程中。目前在建模軟件與仿真平臺中，Creator 建模工具及Vega 可視化三維視景仿真軟件更適合應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)建模，因此本次建模、仿真，選取上述兩個工具。

1.2 模型數(shù)據(jù)庫建立軟件MultiGen-Creator

MultiGen-Creator 作為實(shí)時三維建模工具，在逼真度和優(yōu)化效果方面，都具有較高優(yōu)勢，適用于對精度要求較高的實(shí)時3D建模中，同時也使用與交互式游戲、城市仿真建模等處。它擁有針對實(shí)時應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight 數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項(xiàng)及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時三維（RT3D）數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實(shí)時仿真軟件緊密結(jié)合[3]。

1.3 實(shí)時仿真程序開發(fā)環(huán)境Vega

Vega 一種高性能的開發(fā)環(huán)境，用于虛擬現(xiàn)實(shí)程序開發(fā)和實(shí)時仿真環(huán)境建立。不僅可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的虛擬場景管理與驅(qū)動控制，對于復(fù)雜的視覺仿真、交互式三維環(huán)境構(gòu)建等功能也能實(shí)現(xiàn)。Vega包括完整的C 語言應(yīng)用程序接口API、交互性好的圖形環(huán)境界面Lynx、大量的相關(guān)實(shí)用庫函數(shù)和一批有選擇的功能模塊[4]。Vega 優(yōu)化了源代碼編程，更便于軟件后期維護(hù)與管理，有利于優(yōu)化軟件的實(shí)用性能，可有效提高軟件工作效率。

圖1：仿真事件流程圖

圖2：三維模型

2 視景仿真生成中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維仿真模型的建立

首先創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用實(shí)時可視化三維建模軟件系統(tǒng)，對涉及的航空母艦、艦載戰(zhàn)斗機(jī)等模型數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染和計算，力求在虛擬場景中如實(shí)反映所有的實(shí)物，并與外部輸入輸出信息進(jìn)行及時交互，為獲得較為滿意的仿真運(yùn)行效率，就必須提高模型數(shù)據(jù)庫在實(shí)時仿真系統(tǒng)中的流暢性和運(yùn)行速度，調(diào)整和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫[5]。由于涉及多個復(fù)雜的模型，使得仿真應(yīng)用中的模型多邊形數(shù)量急劇增加，因此三維仿真建模的關(guān)鍵就是優(yōu)化模型數(shù)據(jù)，盡可能提高優(yōu)化程度。

2.1.1 模型優(yōu)化的原則

在三維仿真模型中，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的多邊形數(shù)量與用戶視覺能力息息相關(guān)，可以簡單的理解為多邊形數(shù)量越多越能滿足用戶的視覺需求，同時也會給系統(tǒng)運(yùn)行帶來負(fù)荷。相反的，多邊形數(shù)量越少，系統(tǒng)的運(yùn)行壓力越小，但是不能滿足用戶的視覺要求。在仿真建模過程中，就是要在滿足視覺要求前提下盡量減少多邊形數(shù)量，這是模型優(yōu)化的原則和要求[4]。

2.1.2 模型優(yōu)化的方法

對模型進(jìn)行優(yōu)化，不能僅依靠單一的方法進(jìn)行，通過調(diào)整模型數(shù)據(jù)庫的層次結(jié)構(gòu)、運(yùn)用LOD 技術(shù)，并將模型對象實(shí)例化，將模型細(xì)節(jié)部分采用紋理的方式修飾，刪減掉多余的多邊形。

2.1.3 建立的優(yōu)化模型

根據(jù)上述優(yōu)化原則和方法建立了艦載直升機(jī)、艦載機(jī)和航母等模型。部分模型如圖2所示。

2.2 多通道多視角交互性技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

為了使操作人員盡可能全面的觀察艦載機(jī)起飛時的姿態(tài)，為提高展示效果，以多通道、多視角的方式加以展示，以不同的通道對應(yīng)指定的視角。在顯示器上同時顯示3 個不同通道作為主畫面，也可以通過鍵盤方便的控制和切換觀察的方位，利用更多的通道進(jìn)行觀察，主通道是以艦橋指揮臺為視角進(jìn)行觀察的通道，左上角是駕駛艙內(nèi)視角通道，右上角是俯視航母的全景視角通道，具體操作：

（1）在Vega 提供的Lynx 面板下，選擇“Channels”，建立8個通道，根據(jù)運(yùn)行要求選擇“channels position”，將通道設(shè)置在系統(tǒng)窗口的初始位置上。

（2）選擇“Observers”，建立7 個觀察者，并分別與7 個通道相對應(yīng)，為每個觀察者選擇觀察目標(biāo)，7 個視點(diǎn)分別為：高空視角對航母全局進(jìn)行俯視觀察、遠(yuǎn)處對航母進(jìn)行全景觀察、艦艏視角對艦載直升機(jī)進(jìn)行跟蹤觀察、機(jī)庫視角對艦載機(jī)牽引出庫進(jìn)行跟蹤觀察、艦橋后部視角對艦載機(jī)在暖機(jī)位待命進(jìn)行觀察、艦橋前部視角對艦載機(jī)起飛進(jìn)行觀察，以及座艙內(nèi)視角通過平顯對艦載機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行觀察[5]。

（3）通過對Vega API 編程利用vgChannel*tank_chan 函數(shù)定義通道，再調(diào)用vgFindChan 函數(shù)獲取實(shí)例中的通道，通過switch(key)函數(shù)獲取鍵盤信息，最后用vgChanViewport 函數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的消息處理，設(shè)置指定通道全屏顯示。

2.3 DOF技術(shù)

在視景仿真時，為了實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)機(jī)翼折疊和展開及飛行甲板檔流板的升起，在三維建模時需要利用DOF 技術(shù)對相關(guān)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使得模型對象具有活動能力DOF 節(jié)點(diǎn)來控制它的所有子節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)置的自由度范圍，進(jìn)行位移或者旋轉(zhuǎn)。

DOF 技術(shù)就是Degree of Free 自由度，模型活動能力在MultiGen-Creator 軟件中是通過DOF 節(jié)點(diǎn)來定義實(shí)現(xiàn)的，具體方法如下：

（1）創(chuàng)建模型各個關(guān)鍵部位的DOF 節(jié)點(diǎn)；

（2）將艦載機(jī)的可折疊機(jī)翼部分節(jié)點(diǎn)和檔流板節(jié)點(diǎn)設(shè)置為DOF 節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)；

（3）使用“Local-DOF/Position DOF”命令分別在艦載機(jī)機(jī)翼折疊處和檔流板旋轉(zhuǎn)處創(chuàng)建子坐標(biāo)系；

（4）通過“Local-DOF/Set DOF Limits”命令來設(shè)置各個部位的DOF 節(jié)點(diǎn)自由度范圍，各節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置為Rotate 屬性，并設(shè)置相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度；

（5）使用“Local-DOF/DOF Viewer”菜單命令，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫中所有DOF 的應(yīng)用效果。

2.4 動態(tài)平顯的實(shí)時仿真

操作人員的操作情況是通過飛行動態(tài)平顯頁面來實(shí)現(xiàn)飛行視景信息的交互傳遞，操作人員以平顯數(shù)據(jù)為參照，調(diào)整操作精度，實(shí)現(xiàn)觀察視點(diǎn)的有效控制，便于全面觀察場景。

在座艙平顯的模型層次數(shù)據(jù)庫中引入自由度節(jié)點(diǎn)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)、動態(tài)文本節(jié)點(diǎn)以及剪切面等相關(guān)的動態(tài)元素，通過在Vega 環(huán)境中調(diào)用相關(guān)動態(tài)元素的驅(qū)動函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)座艙平顯模型數(shù)據(jù)的動態(tài)變化與實(shí)時仿真。

3 結(jié)論

本文利用Creator 和Vega 軟件直觀的展示艦載機(jī)起飛過程，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)起飛視景仿真。通過視景驅(qū)動可以看出，仿真是成功地。建立的航母、艦載機(jī)等模型逼真準(zhǔn)確；DOF 技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)的機(jī)翼折疊和檔流板的收放；利用Vega 軟件建立的海洋環(huán)境通過虛擬場景的渲染可以很好的達(dá)到沉浸效果；多通道、多視角技術(shù)和飛機(jī)屏顯模擬技術(shù)也讓用戶可以從不同角度、全方位的觀察艦載機(jī)起飛的全過程和飛行的數(shù)據(jù)參數(shù)。該仿真人機(jī)交互功能正常。所做研究對艦載機(jī)起飛訓(xùn)練和教學(xué)提供很好的平臺，并對其他可視化仿真也具有一定的參考價值。