基于Mantis的某型直升机视景系统设计与实现

周秀芝, 田 涛, 胡文婷

(海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041)

基于Mantis的某型直升机视景系统设计与实现

周秀芝, 田 涛, 胡文婷

(海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041)

对直升机视景仿真系统的构建进行了分析，针对其对场景细节要求高，需多种特效库支持的特点，首次提出了一种基于Mantis的直升机视景系统的解决方案;该方案利用TerraVista制作精细的地形数据库，经转换后可采用大地形调度技术进行渲染；利用Creator制作三维模型库；采用内容定制文件配置场景中的实体和特效；采用MantisClient和MantisServer实现视景的渲染，最后通过基于通用图像生产协议的网络通信控制场景中的目标与特效;实际仿真结果显示，该直升机视景系统的仿真效果形象逼真，满足了实时性需求。

视景仿真；直升机；模拟器

0 引言

现代直升机以其独特的环境适应性在军事和民用领域中得到了广泛应用，我国目前正在大力发展直升机，直升机的数量在迅速增加，需要培养大量的直升机飞行员。采用模拟训练的手段可以提高效率、节省经费、保证安全。视景仿真系统在飞行模拟训练中为飞行员提供逼真的视觉感官体验，提高模拟训练的逼真度，是飞行训练模拟器的重要组成部分。与固定翼飞机不同，直升机的起飞降落可以在机场、平地、楼顶平台、舰面等众多地点实现，不局限于机场跑道，因此对视景中的细节要求更高，同时直升机在近地或近海飞行时会引起强烈的涡流，因此需要有逼真的特效支持。目前国内的大部分直升机视景仿真采用的是MultiGen—Paradigm(后与Engenuity和TerreX公司合并成Presagis公司)的VegaPrime(以下简称VP)作为视景驱动软件[1-6]，还有一部分采用FlightGear[7]。Quantum3D公司的Mantis作为一款优秀的视景驱动软件，其在渲染效率、灯光显示、细节体现等方面都有非常优秀的表现，在工程上的应用非常广泛，而目前国内利用这款软件作为视景驱动的报道并不多[8-9]。

本文设计和实现了基于Mantis的某型直升机视景系统，针对直升机视景仿真的特点，从视景数据库制作、场景设置和视景驱动、控制软件的设计、实验结果等4个方面进行介绍。

1 视景数据库制作

能够满足直升机训练需求的视景数据库中不仅需要包含模型的几何信息，而且应该包含纹理、材质信息、灯光、LOD、模板、运动等高级特征。直升机视景数据库的主要内容有地形数据库、机场模型库、活动目标库和特殊效果库四部分。

1.1 地形数据库

直升机训练的地形区域应该至少包含一个飞机驻屯的机场，最好包含陆地和典型海域，陆上部分应有海岸线、树林、草地、山脉、河流、桥梁、公路、铁路、地面建筑物等典型自然和人文特征。本文利用地形制作软件TerraVista将高程图和卫片合成为大地形，为了能够包含足够的飞行区域同时又能展现机场区域的细节特征，在制作地形时，本文采用了不同区域对应不同LOD的方法，将机场附近的LOD设置为5级，这样可充分利用机场附近卫片的最高分辨率；远离机场的区域根据远近分别设置为3级和2级。地形中的自然和人文特征利用TerraVista中的矢量工具来实现。Mantis支持的地形文件格式为*.vt和*.mnp，利用Mantis提供的插件可将TerraVista中生成的地形转换成MNP格式，供Mantis加载调用。

1.2 机场模型库

机场模型库需提供机场、机场邻近区域及半径为20～40 km范围内的地形的高逼真度描述，主要包括跑道、直升机停机坪、滑行道和坡道的表面特征和标志、机场建筑物、塔台、机库、树木和植被以及机场灯光。机场模型采用在TerraVista中得到机场模型的雏形后再在Creator中进行修改的方式制作，最终得到的是OpenFlight的工业标准模型。

1.3 活动目标库

主要指能够满足模拟训练任务需要的各种活动目标模型，包括空中、海上的直升机、舰船、潜艇、导弹等的模型。还包括某型直升机三维模型。需要注意的是，直升机的旋翼和尾浆在飞行过程中都是转动的，因此需要将这两个部位的结点用DOF结点描述，DOF技术可以控制它的所有子结点按照设置的自由度范围进行移动和旋转[1]，这样可以实现旋翼和尾浆转动的效果。活动目标库在3DMax中制作，然后利用三维模型软件Creator转换成OpenFlight的工业标准模型。

1.4 特殊效果库

采取有效措施，控制部分临河地段、山坡地段工程扫线和管沟开挖等施工作业带的宽度，以减轻后续水土流失治理任务，节约工程建设成本。

特殊效果库用来模拟视景中出现的爆炸、火光、烟雾、尾迹等特殊效果模型。尤其需要提供直升机旋翼和尾迹转动所引起的旋翼洗流(rotorwash)效果。特殊效果库采用Mantis提供的特效库来实现。

2 场景设置和驱动

完成视景数据库的制作后，可以利用Mantis提供的Audition工具预览所建立的模型、地形文件，为了驱动场景中的模型，需要经过配置场景内容定制文件(scd，scene content definition)、配置Mantis Server和Mantis Client三个主要步骤。

2.1 设置场景内容定制文件。

Mantis提供了Detailer工具，利用该工具完成对模型、地形的编辑，配置模型的初始状态，包括模型大小，是否进行碰撞检测等，映射仿真程序控制信号到模型和模型中的DOF、Switch、Light结点，创建系统中所需要的特效库等。

2.2 配置Mantis Server

在Mantis中，视景驱动的环境包括对Server和Client两部分的配置。Server专门用来产生显示通道的图形内容，提供三维仿真效果。每一个通道可以根据仿真需要的内容，利用最小代价赢得最大性能的配置。

2.3 配置Mantis Client

Mantis Client负责为Server提供图形控制信息和接收用户的仿真控制信息两部分内容。Client的设置比较复杂，包括指定与Server通信的网址信息、显示通道的名称和视场参数、自然环境的设置、模型和地形的载入文件信息、场景载入管理信息、需要提前载入的插件信息以及插件的预置信息等。同时在Client中需要指定用户的仿真控制程序与Client进行交互的网络通道信息，包括通信模式、频率、网址和端口等。

图1 视景的软硬件关系图

3 控制软件的设计与实现

3.1 控制软件的设计

视景控制部分主要负责收集其他系统与视景系统进行交互的各种信息，并把这些信息转换成相应的协议发送到视景驱动模块，将视景驱动模块反馈回来的信息进行协议转换后发送给其他系统；视景驱动模块主要负责对地形、场景中的模型和特效等进行统一的控制和管理，接收视景控制发送过来的控制指令，把控制指令发送到视景渲染模块，同时接收视景渲染反馈的信息发送给视景控制模块；视景渲染模块主要负责接收视景驱动发送过来的信息，并在场景中作出相应的渲染和改变，同时将需要回应的信息发送给视景驱动模块。视景系统与其他系统的交互关系比较复杂，在某型直升机训练系统中，视景与教控台模块、虚拟兵力模块、飞控解算模块、座舱服务器模块都有交互。图2给出了视景软件中各模块之间、视景软件与其他模块之间的交互关系，从教控台获得时间、天气等环境信息和系统控制信息；从虚拟兵力处获得场景中虚拟目标的位置姿态等信息；从飞控解算中活动某型直升机的位置姿态信息；从座舱服务器获得武器发射等信息。

图2 视景控制程序与其他模块之间的关系示意图

3.2 控制软件的实现

主机与Mantis的Client端，Mantis的Client和Server端之间的通讯都是采用CIGI协议， CIGI于2000年被提出，2001年3月官方发布了其1.0版本，现在已发展到3.2版本。CIGI是一种不关联于任何特定硬件的接口协议，它为两个子系统提供实时通信的数据包定义的接口，目前已经得到了广泛的应用。在实现过程中，直接使用CIGI的SDK进行开发时受限于SDK依赖的编程环境和编程语言，并且必须完全了解了其机理和API函数后，才能编程，这种编程方法需要的相关知识多，编程效率低下，不利于规模化开发，也不利于统一过程管理和系统体系构架的设计。基于上述原因，某型直升机视景系统将CIGI协议的使用完全封装到了COM组件中，通过提供相应的控制接口来实现Host和Client之间的操作和交互。

4 实验结果与分析

以某型直升机的驻地机场为例，对机场周边10公里×10公里的范围采用0.6米分辨率的卫片、5级LOD的方式进行地形建模，机场周边100公里×100公里的范围采用15米分辨率，3级LOD的方式进行建模，以机场跑道为中心，1公里×1公里的范围采用Creator完成精模建设。最终完成的场景在Mantis Client端配置完毕，机场附近在Mantis Server端的显示效果如图3所示，上下两副图分别展示了跑道周边在傍晚和白天的效果。从空中俯视的效果如图4所示。

从图3上图中可以看出跑道周边的场景地物非常逼真，而且利用Mantis提供的动态草和动态树特效，使其很好的满足了直升机视景所要求的细节感；从图3下图中可以看出，机场的进场灯光、接地区灯光、中心线和危险道灯光、跑道端头的标识灯等灯光效果与实际基本一致，为直升机的夜航训练提供了有利支持。从图4上图可以看出，大地形能够反映出机场周边的建筑道路等文化特征，而图4下图能够反映出道路建筑灯光等在夜晚的逼真效果，更贴近直升机视景的效果需求。

图3 跑道周边渲染效果图

图4 空中俯视效果图

5 结论

本文描述以Mantis作为视景驱动软件，完成了某型直升机视景系统的设计与实现的全过程，重点描述了视景数据库的制作、场景的设置与驱动，控制软件的设计与实现。实验结果表明该视景系统有良好的沉浸性和细节感，满足了直升机模拟器的飞行需求。

[1] 申海荣,王新民,赵凯瑞. 基于Vega_MFC的直升机视景仿真设计[J].计算机测量与控制,2010,18(10):2385-2390.

[2] 程海涛. 基于虚拟现实的直升机驾驶模拟器开发[D]. 长春: 吉林大学,2014.

[3] 赵永强. 直升机飞行模拟器视景仿真系统的设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2010.

[4] 魏靖彪,郭广利,黄 海,等. 直升机布雷视景仿真的建模与实现[J]. 航空计算机技术, 2009,39(1):78-83.

[5] 李石磊,梁加红,刘欣添,等. 直升机飞控系统集成仿真平台开发[J]. 计算机仿真, 2010, 27(3): 64-68.

[6] 潘婷婷. 舰载机进近着舰航线设计及控制系统仿真[D].南京: 南京航空航天大学,2014.

[7] 潘浩曼. FlightGear与FPGA的直升机飞行仿真系统研究[D]. 南昌: 南昌航空大学2014.

[8] 高 煊,郑康平. 飞行模拟系统中分布交互式视景的设计与实现[J]. 指挥控制与仿真 2013,35(5):84-87.

[9] 丁继伟. 某型通用航空飞机地面飞行仿真技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

Design and Implementation of Visual Simulation System for Helicopter Based on Mantis

Zhou Xiuzhi, Tian Tao, Hu Wenting

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao University, Qingdao 266041,China)

Abstratct：A scheme to develop scene simulation system of helicopter is presented based on Mantis for high requirements of detail and special effects. Large terrain are built by using software Terra Vista and rendered by large area scheduling technique. Models are built by using software Creator. Entities and special effects are configured by scene content file. Scene is rendered by Mantis Client and Mantis Server. Moving objects and special effects is controlled by network communication based on common image generation interface. It is shown that the simulation results are realistic and real-time.

visual simulation; helicopter; simulator

2016-07-11；

2016-07-29。

国家自然科学基金重大研究计划资助(91538201)。

周秀芝(1977-)，女，山东青岛人，博士，讲师，主要从事图形图像处理，虚拟仿真方向的研究。

1671-4598(2017)01-0135-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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