飞行视景仿真中若干关键技术的研究及实现

刘全庆 朱康

沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110034

摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，飞行视景仿真技术的构建是为了有效地适应当前的飞行训练任务，对飞行器的后期操作进行合理的设计规划，帮助训练人员熟悉各种操作方式，全面满足飞行训练的实际需求。也是为了增进全方位视图场景的需求规划，是当前的飞行仿真体系之中的一个重要的环节。要想有效的模拟飞行器在空中飞行过程中的形态，就应当充分观察周边环境特点，构建大规模三维动态云的真实模拟，以此有效地提升飞行训练的真实感。而要想实现三维动态云的构建，就要对三维云模型的构建、动态呈现、光照效果和实时绘制等多方面内容进行综合分析，这也是现阶段飞行实景构建过程中一项难点问题。也只有充分的利用计算机的图形构建能力，加快飞行视景仿真技术的应用创新，才能发挥训练效果，提升训练质量。

关键词：飞行视景仿真技术；关键技术；实时

引言

飞行视景仿真技术作为真实飞行器训练与操作的替代技术，其技术核心是飞行动力学、计算机图像学和控制理论，通过计算机和专用物理构筑设备，实现虚拟飞行视景的真实呈现，随着计算机技术和图像处理技术的迅猛发展，飞行视景仿真技术应用广泛性得以大大增强，许多军事领域和民用航空对飞行视景仿真越来越重视，其核心技术也日趋成熟。

1飞行模拟器组成

教员系统：教员系统在飞行模拟器中主要完成飞行教员与飞行模拟器的人机交互任务。具体包括教员系统作为解算系统的输入端，给解算系统提供飞机初始状态信息；教员系统作为解算系统的输出端，向教员显示飞机的飞行状态信息；教员系统作为视景系统的输入端，向视景系统发布训练机场、天气状况等信息。操纵系统：操纵系统在飞行模拟器中主要完成向飞行员提供操纵飞机的力感任务。操纵系统作为解算系统的输入端，给解算系统提供飞机驾驶杆、脚蹬、升降舵等行程信息。解算系统：解算系统在飞行模拟器中主要完成飞行解算任务[22]。具体包括作为教员系统的输出端，接收教员系统发送来的飞机初始状态等信息；作为操纵系统的输出端，接收操纵系统发来的操纵装置行程等信息；作为仪表系统的输出端，接收仪表系统发来的开关量等信息；作为仪表系统的输入端，给仪表系统提供速度、海拔、油量等信息；作为视景系统的输入端，给视景系统提供飞机的位置、姿态等信息；作为音效系统的输入端，给音效系统提供发动机音效、环境音效等信息。

2飞行视景仿真中若干关键技术的研究及实现

2.1系统整体环节的设计规划

在当前我们所设计的结构模型之中，设计的原型系统主要以OGRE图形加密性为基础进行渲染，这种软件系统是面向对象的开源图形引擎，可以通过底层的渲染环境构建，实现跨平台的数据支持。配合一些规范性的开发软件就能完成新的程序环境运作。不同的引擎环境对于飞行器的工作都会产生不同的影响，只有满足既定的工作优势，开发最终的效果将会比不使用引擎的效果更好。直线系统本身是基于传统飞行视景仿真技术的功能性和性能方面进行构造的，因此在实现研究的三维动态云模仿的案例之中使用各种关键点技术手段，以此完成云模仿工作的质量，从而实现场景的构建、动态的模拟以及不同光照环境的展示。正确地实现不可见飞行要素的三维可视化方案，能够按照展示的实际特点，将飞行器在飞行过程中的实际形态功能进行充分的展示，同时有效地利用试验过程中的飞行运作轨迹对当前的数据信息进行评估和计算。为了有效地保证最终工作的质量，所有的工作程序都应当在既定的设想之内进行操作，否则最终的工作质量不能满足实际的工作需求，有效性也会相对较低，最终很多操作方式都不能在关键技术的支持下实现。

2.2云的绘制方式

云的绘制方式，通常是通过光线投射（raycasting）和两步法来完成。光线投射技术中，最常见的是光线跟踪方式，其原理是从视空间出发，对每个像素，采用回溯的方式，依次计算光传播的路径上各点的光照强度的变化，最后得到该像素的光照强度，所有像素一起组成绘制结果[21,23,39]。在跟踪的深度多，光照模型足够精细时，该类方法可以生成真实感非常强的效果，然而由于其计算开销大，并不适合飞行视景仿真系统。

2.3地形数据处理

图像纠偏：地形高程图和地形纹理图下载时有一定的偏移，使用前需要对其纠偏。主要通过两种方式纠偏，如果下载器支持纠偏，则可以通过下载器纠偏，如果下载器不支持纠偏，则可以通过ArcGis软件附带的纠偏工具纠偏。本文采用ArcGis软件附带的纠偏工具纠偏。等比放缩：下载下来地形高程图和地形纹理图案的精度通常都比较高，使用前需要将其等比放缩至实际需要的精度。下载下来的一张图通常有几十G容量，常用的PS软件无法对其操作，本文使用GisMap中的缩放工具缩放。格式转换：渲染API或渲染引擎只能加载特定某些格式的图像，而下载下来的地形高程图和地形纹理图案的格式都是厂商私有格式或专用格式，使用前需要对其进行格式转换。常用的图像格式转换软件无法对大容量图像进行操作，本文使用GisMap中的格式转换工具转换格式。规整裁分：格式转换后的图像尺寸远大于渲染API或渲染引擎所能加载的图像尺寸，使用前需要对其进行规整裁分。由于图像容量太大，常用的PS软件无法对其裁分，本文使用GisMap中的阵列裁分工具裁分。平滑处理：下载下来的高程图有一定的毛刺误差，使用前需要对其进行平滑处理。常用的PS软件无法对其批处理操作，本文使用Matlab中的高斯滤波函数对高程图进行平滑处理，通过Matlab编程实现批处理操作。

2.4纹理技术

纹理，是指被映射到三维模型表面的二维图像。由于一个模型数据库的多边形最大数量是一定的，在实际建模过程中，需要为模型对象的不同部位贴上不同的纹理，这样就能在不增加多边形数量的前提下，极大地提高模型对象的真实视觉效果，并且很大程度上提高了建模效率。纹理可以通过各种图片获取原始素材，然后经过适当的编辑及格式转化获得。二维纹理图像在纹理空间的最小单位称为纹素。纹理空间是一个分别以u,v作为水平和垂直轴的坐标空间。将二维纹理图像映射到三维模型对象的表面的过程叫做纹理映射，该过程实际上就是将纹理图像的纹素映射到屏幕像素的过程。当出现一个纹素映射到几个屏幕像素中或者多个纹素映射到同一个屏幕像素中的情况时，需要对纹理图像进行放大过滤或者压缩过滤，这样就能够在仿真过程中随着视点的变化得到更好的渲染效果。

结语

虽然针对飞行视景对仿真技术进行了全面的参数分析，但是仍旧观察出其中所面临的多种问题，因此就应当加快对于动态模型的加速升级，分析加速过程中如何提升网格分辨率的方法。天空中的自然环境变化状态较快，虽然现在部分的技术可以通过粒子系统技术将天空环境进行模拟，但是如何有效地整合空气中的气象数据，在实施飞行视景仿真之中构建起一个较为完整的物理系统，仍旧是未来我们应当深入思考的问题。在未来的市场发展下，飞行视景仿真技术也会随着经济发展速度的不断加快而提升，能够让飞行器训练的真实性增加，提升飞行质量，满足飞行要求。

参考文献

[1]邱航,杨珂,陈瑜等.云的真实感模拟技术综述[J].计算机科学,2011,(6).

[2]郝斌,方学东,唐羽.数字航图在航线设计中的应用[J].中国民航飞行学院学报,2010,(1).