飛行仿真系統虛擬儀表關鍵技術探究

摘" 要：該文研究基于增強現實（AR）技術和圖形渲染技術的飛行仿真虛擬儀表系統。利用實時光線追蹤技術和高精度圖像渲染算法，顯著提升虛擬儀表的視覺真實感。結合AR技術，飛行員能夠在仿真環境中實時獲取動態調整的飛行信息，并通過手勢識別和語音控制實現交互式操作。研究結果表明，AR與圖形渲染技術的結合在提高飛行仿真系統的真實感、操作便捷性和安全性方面具有顯著優勢，為飛行訓練和飛行器設計提供新的發展方向。

關鍵詞：飛行仿真；增強現實；圖形渲染；虛擬儀表；交互式操作

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0013-04

Abstract： This paper studies a flight simulation virtual instrument system based on augmented reality（AR） technology and graphics rendering technology. Use real-time ray tracing technology and high-precision image rendering algorithms to significantly improve the visual realism of virtual instruments. Using AR technology， pilots can obtain dynamically adjusted flight information in real time in the simulation environment， and realize interactive operations through gesture recognition and voice control. The research results show that the combination of AR and graphics rendering technology has significant advantages in improving the realism， operational convenience and safety of flight simulation systems， providing a new development direction for flight training and aircraft design.

Keywords： flight simulation; augmented reality （AR）; graphics rendering; virtual instrument; interactive operation

飛行仿真系統是飛行員培訓、飛行器設計和評估的重要工具，其中虛擬儀表系統作為關鍵組成部分，對提升仿真系統的真實感和效果至關重要。近年來，隨著增強現實（Augmented Reality， AR）技術和圖形渲染技術的發展，將其應用于飛行仿真虛擬儀表系統中，成為了新的研究方向[1]。AR與圖形渲染技術的結合，為飛行仿真系統帶來了新的突破。盡管已有研究證明了AR和圖形渲染技術在飛行仿真中的潛力，但仍存在一些局限性。首先，大多數研究主要集中在技術可行性和初步應用驗證上，缺乏系統性和大規模的用戶實驗數據。其次，實時光線追蹤技術的計算復雜度較高，對硬件性能要求較高，尚需進一步優化[2]。最后，現有的交互式操作方法雖然提高了操作效率，但在復雜操作場景下的穩定性和準確性仍需改進。本文旨在探討基于增強現實技術和圖形渲染技術的飛行仿真虛擬儀表系統的關鍵技術和應用前景。

1" 系統架構

基于增強現實技術和圖形渲染技術的飛行仿真虛擬儀表系統的總體架構如圖1所示。該系統主要由數據采集模塊、圖形渲染模塊、用戶界面模塊和物理模擬模塊4大部分組成。

2" 圖形渲染技術的創新應用

2.1" 圖像渲染算法應用

本文提出的圖形渲染技術的創新算法是基于實時光線追蹤的虛擬儀表渲染。在該算法中，利用實時光線追蹤技術生成逼真的虛擬儀表顯示，以提升飛行仿真系統的真實感和視覺效果。利用先進的圖形渲染技術，可以實現高度逼真的儀表顯示效果，包括細致的儀表面板紋理、逼真的光照和陰影效果等[3]。這種逼真的顯示可以增強飛行員對儀表的認知和理解，并提升訓練的真實感。

在傳統的分析仿真系統中，虛擬儀表的基礎模型圖像雖然也有一定程度的渲染，但在視覺真實感方面存在顯著不足，難以滿足高逼真度飛行仿真系統的需求。具體存在以下不足之處。

缺乏光照效果?；A模型圖像中沒有模擬任何光源，因此無法呈現出真實環境中的光照與陰影效果。這使得圖像看起來較為平坦且缺乏立體感。

材質與紋理簡單。儀表面板和指針的材質與紋理處理較為簡單，缺乏細節表現，使得整體視覺效果不夠真實。

光照效果圖像通過添加光照和材質效果顯著提升了視覺真實感。這種方法在以下幾個方面進行了優化。

模擬光源。通過在圖像中添加光源，模擬現實環境中的光照效果。光源的位置、強度和類型對最終渲染結果有顯著影響。例如，本示例中使用了局部光源，模擬了從一個特定位置照射的光線。

材質處理。通過為對象設置材質屬性（如shiny材質），使對象表面反射光線，呈現出更真實的視覺效果。Gouraud光照模型用于平滑光照效果，增強了物體的立體感和細節表現。

陰影效果。光源的引入使對象可以投射陰影，增加了圖像的深度感和真實感。這對于模擬真實的飛行儀表環境至關重要，有助于飛行員在訓練過程中獲得更逼真的視覺體驗。

得到的圖像對比效果如圖2所示。

通過引入光照和材質處理技術，優化后的虛擬儀表渲染算法顯著提升了圖像的真實感和視覺效果。通過這種對比和分析，可以清晰地看到算法優化在虛擬儀表渲染中的重要性和實際效果。這不僅有助于增強飛行仿真系統的真實感和沉浸感，還能提高飛行員對儀表的認知和理解，從而提升訓練效果。

2.2" 虛擬儀表的創新應用

2.2.1" 逼真的儀表顯示

圖形渲染技術使得虛擬儀表的顯示方案可以靈活定制，包括顯示布局、顏色主題、數據呈現方式等。飛行員可以根據個人喜好或特定訓練需求自定義儀表顯示，從而提高訓練的針對性和效果。

2.2.2" 多視角顯示支持

利用圖形渲染技術，可以實現多視角顯示支持，即同時在飛行員視角和教練員或觀察員視角顯示虛擬儀表。這種應用可以提升培訓效果，使教練員能夠實時監測飛行員的操作和儀表讀數情況，并給予及時的反饋和指導。

2.3" 算法優化點

2.3.1" 光線追蹤算法

相比于基礎模型圖像，光照效果圖像中引入了基本的光線追蹤算法，以模擬光源、反射和陰影。這是一個關鍵的算法優化點，通過計算光線在場景中的傳播和反射路徑，可以生成更真實的光照效果。

2.3.2" 材質和紋理映射

優化后的算法可以支持更復雜的材質和紋理映射，使得對象表面能夠更加逼真地表現出不同材質（如金屬、玻璃等）的特性。

2.3.3" 實時計算與渲染

在高性能計算和圖形處理器（GPU）的支持下，實時計算和渲染技術得以實現，使得光照和陰影效果可以動態更新。這對于飛行仿真系統中的實時反饋至關重要。

在未來的工作中，可以進一步探索更先進的圖形渲染技術和光線追蹤算法，以實現更加逼真和高效的虛擬儀表顯示。

3" 增強現實技術的創新應用

3.1" 增強現實技術原理

增強現實（Augmented Reality， AR）技術的原理是通過將計算機生成的虛擬信息疊加到現實世界中[4]，從而增強用戶對現實環境的感知。AR系統通常包括一個顯示設備（如AR眼鏡或頭盔）、傳感器（如攝像頭、加速度計、陀螺儀等）和處理單元。顯示設備用于將虛擬信息呈現在用戶視野中，而傳感器用于捕捉用戶的環境和動作數據，處理單元則負責將這些數據實時處理并生成相應的虛擬信息。

在本研究中，我們利用增強現實技術將經過高精度圖形渲染的虛擬儀表投影到飛行員的視野中。這種投影不僅使虛擬儀表與現實環境無縫融合，還能夠根據飛行員的頭部運動進行動態調整。具體而言，當飛行員佩戴AR設備時，設備內置的傳感器會實時捕捉飛行員的頭部姿態和位置變化。通過計算這些數據，可以確定飛行員當前的視角和注視點。處理單元將根據這些信息調整虛擬儀表的顯示位置和角度，使其始終處于飛行員的最佳視野范圍內。AR設備采用的是HTC VIVE的頭戴顯示器，如圖3所示。

這種動態調整機制使得飛行員在查看儀表數據時，無需轉移視線或改變頭部姿態，從而大大提升了飛行操作的便捷性和安全性。虛擬儀表不僅提供了與傳統儀表相同的飛行數據，如速度、高度、航向等，還可以疊加更多實時信息，如導航路徑、警告提示等。這種增強現實技術的應用，不僅改善了飛行員對飛行信息的獲取方式，還提高了飛行訓練和操作的效率和安全性。

通過這種方式，增強現實技術將復雜的飛行數據可視化，并以一種直觀、易訪問的方式呈現給飛行員，使其能夠在不分散注意力的情況下，全面掌握飛行器的狀態和周圍環境，從而做出更快速和準確的決策。

3.2" 虛擬儀表界面的改進

實際飛行系統中的儀表裝置通常包括主要飛行儀表（如高度表、空速表、姿態指示器、航向指示器和垂直速度表）、引擎儀表（如發動機轉速表、燃油表、油壓表和油溫表）、導航儀表、通信設備以及環境控制和警告系統，如圖4所示。

增強現實技術生成的虛擬儀表信息包括飛行狀態信息（如高度、速度、姿態、航向）、引擎和系統狀態信息、導航和地圖信息、警告和提示信息以及環境和氣象信息，如圖5所示。

對比實際飛行中的儀表盤和經過渲染后的虛擬儀表，實際飛行中的儀表盤是一個物理硬件面板，包含多個獨立的儀表和顯示器，各儀表通過指針、刻度盤或數字顯示提供特定的飛行數據。飛行員需要通過查看不同的儀表來獲取飛行狀態、引擎狀態、導航信息等。這種傳統儀表布局在緊急情況下可能導致飛行員需要在多個儀表之間頻繁切換，增加認知負荷和操作復雜度。經過渲染后的虛擬儀表通過增強現實技術將所有關鍵飛行信息整合到一個統一的虛擬顯示中。飛行員佩戴AR設備后，能夠在視野中實時看到經過優化處理的虛擬儀表，這些虛擬儀表能夠動態調整顯示位置，確保飛行員在任何頭部姿態下都能方便地查看重要信息。同時，虛擬儀表能夠疊加地形、導航標志等增強信息，顯著提升空間感知和導航決策能力。虛擬儀表的集成與可視化處理，使得信息更加集中和直觀，降低了飛行員的認知負荷，提升了操作效率和安全性。

通過增強現實技術優化處理后的虛擬儀表主要實現了增強的空間感知、實時動態調整、信息集成與可視化處理以及自定義和靈活性等特征[5]。利用AR技術在飛行員周圍創建增強的空間感知，例如在駕駛艙內疊加虛擬地圖、導航標志或地形特征，幫助飛行員更好地理解飛行環境，提升空中導航和飛行決策能力。虛擬儀表根據飛行員頭部運動實時調整顯示位置和角度，使飛行員無需轉移視線即可查看儀表數據，大大提高了操作效率和安全性。虛擬儀表將傳統儀表信息進行集成與可視化處理，使信息顯示更加直觀和集中，減少了飛行員在多個儀表之間切換的頻率。虛擬儀表顯示方案可以根據飛行員需求進行自定義，包括顯示布局、顏色主題、數據呈現方式等，提升用戶體驗。

通過這種對比分析，可以看出增強現實技術下的虛擬儀表在信息整合、空間感知、實時動態調整和用戶體驗等方面具有顯著優勢，從而為飛行員提供了更為高效和安全的飛行輔助系統。

3.3" 交互式操作拓展

交互式操作方面，增強現實（AR）技術結合手勢識別和語音控制技術，實現了對虛擬儀表的交互式操作。這種技術融合使飛行員能夠通過自然的手勢或語音指令與虛擬儀表進行互動，顯著提高了操作效率和便利性。具體而言，飛行員可以使用手勢來切換儀表顯示、調整設置或執行特定操作，而無需依賴傳統的物理按鈕或控制面板。同時，語音控制技術允許飛行員通過口頭指令快速訪問和操作虛擬儀表，減少了手動操作的復雜性和干擾。這些交互式操作功能的引入，不僅提升了飛行員的用戶體驗，還在一定程度上改善了飛行操作的流暢性和安全性，為復雜飛行任務提供了更加直觀和高效的解決方案。

4" 結束語

本文探討了基于增強現實（AR）技術和圖形渲染技術的飛行仿真虛擬儀表系統的關鍵技術與應用前景。通過引入實時光線追蹤和高精度圖像渲染算法，虛擬儀表的視覺真實感顯著提升，使得飛行員能夠在仿真環境中獲得更加逼真的飛行體驗。同時，AR技術的應用不僅增強了飛行員對飛行信息的獲取方式，還通過交互式操作功能提高了飛行操作的便捷性和安全性。盡管現有技術仍有優化空間，但本研究表明，AR與圖形渲染技術的結合在飛行仿真中具有廣闊的應用前景，有望進一步推動飛行訓練和飛行器設計的發展。

參考文獻：

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[5] 尹旭悅，范秀敏，王磊，等.航天產品裝配作業增強現實引導訓練系統及應用[J].航空制造技術，2018，61（Z1）：48-53.