飛行模擬器視景顯示系統的設計

李森

摘要：飛行模擬器的發展較為迅速，其視景系統的存在對于整個系統起到了關鍵的作用，具體體現在顯著影響到飛行仿真的效果。而飛行模擬機視景系統的設計，需要考慮到復雜場景以及實時性的要求，因此本文設計了一種飛行模擬器視景系統，同時對于涉及到的關鍵技術，例如多通道同步技術、成像球幕拼接處接縫處理技術等進行了研究。最終結果顯示，此視景系統對于飛行員的日常訓練能夠較好的滿足，受到了飛行員的一致好評。

關鍵詞：飛行模擬器;視景系統;球幕

飛行模擬器對于飛行員的實際飛行過程具有較佳的模擬效果，不僅如此還可以忽略因為天氣等原因帶來的飛行限制，起到了提升安全性以及降低成本的效果。因此我國對于飛行模擬器的研發也逐漸重視起來。作為飛行模擬器的子系統之一，視景系統的存在對于飛行員的視覺信息起到了真實的模擬效果。視景系統的圖形效果和顯示質量，是影響飛行員飛行效果的關鍵因素。因此本文以視景系統為研究對象，分析飛行模擬器視景系統的設計和實現，并對其中關鍵技術進行介紹。

1 飛行模擬器視景系統概述

1.1 視景系統組成

視景系統屬于飛行模擬器中的子系統之一，分為以下三個部分，分別是視景圖像生成子系統、視景顯示子系統和視景數據庫三個部分[1]。

1.2 視景系統結構

視景系統的結構圖如圖1-1所示。

在整個的仿真過程中，第一步是主機進行控制指令的接收，然后根據相關指令進行選取數據庫中的數據，進行實時的演算，進而將視景圖像進行渲染。此時飛行員根據得到的圖像做出相應的判斷。通過座艙進行指令的發出，實現視景系統的實時場景渲染[2]。

1.3 視景系統功能

所設計的視景系統，需要滿足以下要求。

此系統需要能夠提供飛機駕駛艙外的場景，并能夠提供多種模式，例如白天、黑夜、陰雨模式等。提供多種天氣實況，具有具有雨、雪、云層等不同能見度的天氣狀態。對于機場的燈光能夠自主的選擇。機場圖像中，需要包括機場跑道，滑行道和跑道燈光等元素。能提供實際情況中的通用地形以及不存在量化的痕跡。在進行起飛或者著陸時，通過視景可以分析此時高度情況。具有尾跡和火焰等多種特效[3]。

2 系統設計和實現

在進行設計飛機模擬器視景顯示系統時，需要從以下四個角度進行分析，分別是顯示系統、多通道網絡結構、視景仿真軟件以及視景數據庫。

2.1 顯示系統

2.1.1 球幕結構

選定實像球幕顯示系統的半徑為3m的大小。系統由以下幾部分的機構所組成，分別是成像球幕、球幕上蓋、球幕入口、投影儀平臺和支架等部分。本次設計的成像幕一共有9塊。同時使用法蘭進行相互的連接和穩定。球幕的后倉的功能是放置投影儀，同時使用支架保證在運動過程中不會出現變形的情況。

2.1.2 光路設計

需要多個投影儀進行同時的工作，且每個投影儀之間的距離是相同的。綜合考慮到視場角、投放距離、投影儀數目的要求，最終選定球幕正投的方式進行顯示，投影儀的數量最終敲定為6臺。系統對于亮度和分辨率也有一定的要求，因此設計了球幕增益的方式，設計了投影儀的擺放方式為上下擺放，，目的是為了符合系統的要求。

2.2 多通道網絡結構

需要6個渲染通道進行投影的操作。多通道視景系統網絡結構存在以下兩種機制，分別是內部廣播和管理節點調度兩種。共具有7臺計算機，其中1臺作為視景控制節點使用，其他6臺作為渲染節點進行使用，共組成一個廣播機制。視景控制節點負責與模擬器其他分系統通信，并由其驅動和控制渲染節點，并實現渲染節點的畫面同步。圖形渲染計算機完成地形數據庫可視化渲染，亮度融合及邊緣變形等功能。

2.3 視景仿真軟件

仿真軟件的使用具有以下功能：首先是能實現場景驅動和渲染的效果。其次是對于操作人員所發出的指令進行輸入和響應。還能通過特效模擬現實情況中的碰撞效果。所使用的到的額仿真軟件有Vega Prime 5.0 和亮度融合等軟件。

2.4 視景數據庫

在進行構建視景數據庫時，第一步就是模型的構建。所需要構建的模型包括地形、場景以及特殊效果等。將建立的模型傳輸至掃描儀進行相應的處理。第三步就是通過計算機，對其進行紋理的處理，最終得到具有真實效果的三維模型。

模型構建后就是場景的構建。先使用圖像開發軟件，然后通過 VegaPrime 和OpenGL軟件進行模塊功能的實現。在進行視景顯示系統調試時，先通過使用ACF文件，進行相關指令以及仿真程序信息的接收，進而構建所需要的場景，進行渲染圖像的輸出操作。這就是系統的完整功能實現。

3 關鍵技術

3.1 成像球幕拼接處接縫處理技術

本文所設計的成像球幕的組成方式為9塊球瓣通過法蘭進行連接，因此在連接處會出現縫隙，需要對于縫隙進行處理。對于每塊球瓣之間的縫隙進行控制，保證每塊縫隙的大小是均勻的?？梢赃x擇預留凹槽的方式，在拼裝完成之后再用預浸玻璃布和環氧樹脂填上并打磨至與內表面齊平，可以妥善的解決的縫隙問題，以及避免出現長時間使用所導致的裂紋。

3.2 多通道同步技術

本文選擇6個計算機作為成像通道，因此需要保證畫面是否同步。對于畫面同步的控制需要使用軟件，進而保證畫面之間的幀同步。渲染節點接收到控制節點的數據包，待數據渲染完成后，發送給控制節點渲染完成信息;控制節點在接到所有渲染節點回應信息后，才進行下一步工作，從而保證了幾個通道運行的同步。

3.3多通道融合軟件

因為本設計使用的是多通道投影的方式，會出現通道圖像重疊的情況，最終就會導致邊緣圖像融合問題的出現。因此需要使用到邊緣融合的技術，降低相鄰通道重疊部分亮度線性，保證整幅畫面不會出現亮度偏差的問題。設計投影機位置時，優化了圖像的相互匹配位置;同時采用軟融合的方法，使得拼接區域平滑，提高圖像質量。融合軟件安裝于渲染計算機中，利用顯卡的渲染周期與屏幕刷新周期的時間間隙，進行自動幾何校正和自動生成融合區的計算，減少了硬件成本，做到 0 延時。

4 結論

本文對于飛機模擬器的視景顯示系統進行設計，分析了該系統中的顯示系統、多通道網絡結構、視景仿真軟件、視景數據庫。同時還分析了關鍵技術。此系統能充分滿足該模擬器研制的指標要求，為飛行員產生身臨其境的交互式仿真環境，具有較高的逼真度和可信度，有較好的應用價值。

參考文獻

[1]張立民，滕建輔.飛行模擬器視景仿真系統設計與關鍵技術[D].天津：天津大學電子信息工程學院.

[2]吳曉君，王昌金.基于 Creator/Vega的戰場飛行視景系統的實時仿真[J].系統仿真學報，2005，17（9）：2297-2300.

[3]李京偉，張利萍.基于虛擬現實技術的飛行視景仿真[J].計算機工程與設計，2005，26（7）：1935-1937.

[4]王勇亮.視景模擬技術M.長春：空軍第二航空學院，2005

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