一种三通道球带幕视景系统的开发

周章勇

摘要：飞行仿真试验环境要求提供大视场角、高实时性的视景系统。在分析飞控系统要求的基础上，提出了一种三通道球带幕视景系统的开发方案，并对其进行了数字模拟與分析，最后对其性能指标进行了验证，结果表明该视景系统具有视场角大和高实时性等特点，能够满足飞控系统试验环境的要求。

关键词：三通道;球带幕;视景

飞行仿真环境所用的视景系统主要用于控制、显示地景图像和声音信息，逼真地模拟飞行员在机场和空中看到的地理图像信息、飞机产生的声音和外部环境音，使飞行员有身临其境的感觉，是飞行模拟的基础。

20世纪末以来，国内一些研究机构和学术组织开展了许多关于视景系统算法与应用的研究工作，提出了动态地形可视化^[1]、交互式几何校正等算法技术^[2]，并在指挥引导编队协同对海作战系统建模与仿真^[3]、武器模拟训练系统^[4]、飞行可视化仿真^[5]等方面获得了应用，这些研究工作显著提升了我国在视景系统方面的水平。

在飞行控制系统的仿真环境建设中，需为开发人员提供飞行器各飞行阶段的内部和外部信息，因此，开发一套高性能、高品质并能够满足试飞试验各阶段的外视景多通道视景系统，具有特殊的意义和重要性。本文在上述研究工作的基础上，结合某飞行控制系统型号研制工作需要，开发了三通道球带幕视景系统，具有视场角大、实时性高等特点。

1总体设计思路

该视景系统由图像生成系统、显示系统、音响系统三个子系统组成。图像生成系统负责接收外部传递的飞行数据、声音控制数据和试验管理数据，并向外发送地景库数据;根据接收到的数据信息，传递声音控制数据和调用地景库的图像数据，将其分别发送到音响系统和显示系统。显示系统接收图像数据信号，将数字信号转换为光信号，以光的形式将图像信息投放到球幕上，球幕负责显示图像信息，将图像直观地显示给飞行员，球形屏幕使图像更具有纵深感和真实感。音响系统接收声音控制数据，进行声音的响应。视景系统示意图见图1。

三通道球带幕视景系统是模拟器的一个独立运行分系统，与飞控模拟器的其他分系统只进行数据交换，要求具有实时性、流畅性、清晰性。为保证系统的实时性，对外通信采用共享内存方式的实时网通信协议，内部采用UDP以太网通信协议;为保证系统的流畅性，利用较优的地景数据库管理软件，并设计合理的系统架构;为保证系统成像的清晰性，采用高对比度、高亮投影仪，并选择合适的地景数据库。

2系统的组成和主要要求

2.1显示系统

采用三通道的正投球带幕，技术指标要求如表1所示。

1）显示系统结构说明

球幕半径和视场角的选取是根据系统的使用需求和安放现场的实际情况得出的;为保证视场角的大小要求，在设计时留出余量，水平设计200。的成像面范围;为保证球幕的亮度、分辨率等要求，投影仪选用Projection Design公司高对比度的F32型投影仪，还在成像面处喷涂光学材料，增强成像效果，控制幕的增益在0.8左右;球幕表面精度的控制是影响成像的关键指标，球幕表面不均匀会使光路形成光程差，导致成像画面的变形，为保证成像质量，控制球幕表面精度在5mm范围之内。

2）球带幕

球带幕采取分瓣设计，然后拼接组装在一起形成整体结构，便于加工和运输。

为保证安装连接后的球带幕结构质量，所有球瓣的竖向连接缝与水平拼缝间呈丁字布局;为避免成像球幕长期使用后在拼缝处出现裂纹，在球瓣内表面四周预留宽20mm、深0.5mm的凹槽，待拼装完成后，再以预浸玻璃布和环氧树脂填充并打磨至与内表面齐平，成型后的球幕外形结构如图2所示。

3）投影仪位置布局

以投影仪镜头中心为参照，在高于地面3.3m，球幕旋转轴后部R=600mm的圆内均布3台投影仪，夹角为56°且向下倾斜11°。总体布局示意也如图2所示。

4）眼点位设计

考虑最佳的视觉效果，将眼点位放置在球心处，为满足在眼点位的视场角要求，设计的显示系统光路如图3所示。在眼点处垂直视场角为上25°下20°，水平视场角向两边各90°。

2.2图像生成系统

图像生成系统采用PC计算机架构，由3台图形渲染计算机和一台图形控制计算机组成。图形渲染计算机完成地形数据库可视化渲染、亮度融合及边缘变形等工作;视景控制计算机则负责与用户应用程序的数据通信并控制渲染计算机。系统结构如图4所示。

1）图像生成系统中的软件

图像生成系统中的软件包括图像渲染控制软件、融合矫正软件和用户接口软件。

该系统运行的图像渲染控制软件是Presagis公司的视景管理软件VegaPrime5.0（VP5）。Vega Prime提供跨平台、可扩展的开发环境，可高效创建和配置视景仿真、城市仿真、基于仿真的训练、通用可视化应用。

融合矫正软件用于融合多通道显示重叠区域的图像及非线性面的图像矫正的软件。该软件运行在数据管理系统的图像渲染计算机中，不需要增加额外的硬件，也不需要用户修改任何源代码。采用了最新的GPU技术，具有高效、稳定、调试方便、兼容性强等特点，已广泛应用于模拟仿真、虚拟现实、城市规划、虚拟制造等领域。

在主控计算机上运行用户接口程序，一方面基于VMIC形式通信接口，实时接收飞行程序发送给视景计算机的视点六自由度位置数据、声音控制数据等，并实时返回当前视点的DEM数据，满足实时性的要求;另一方面基于以太网通信接口，与试验管理系统进行通信，实现对视景的管理控制，如可控制视景中的时间、天气、特殊效果等状态。用户接口软件还包含以下功能：

a.状态监控、故障诊断;

b.数据记录、回放;

c.设置自然环境里的时间变化、天气变化、云量变化及其变化等级;

d.设置机场及其周边的灯光效果;

e.设置由大气条件所引起的能见度（雾）效应;

f设置云彩、云量、云的浓度和云中能见度等气候特征，可进行云顶高、云底高、云厚等参数以及增量的设置，能模拟三维云效果;

g.设置多种动画特殊效果，如爆炸、烟、火、尾迹等;

h.设置海洋效果、海浪效果、舰船航迹;

i.中央通道视景能接收并叠加显示屏画面，并能选择关闭。

2）数据管理系统

数据管理系统是图像生成系统的数据管理系统，负责与外界的实时通信、数据管理、地景库数据驱动、图像信息处理等。在计算方面，CPU主要负责系统的管理、硬盘数据的储存及读取、通信数据的计算传输等，其计算速度要求越快越好;GPU负责图形图像数据的处理，其三角面处理能力越高越好。在存储方面，内存负责存储系统运行数据及应用程序运行数据，内存使用率不应超过40%，并保持其存储性能;硬盘负责存储永久数据，包括地景库数据、系统数据、应用程序数据等，其使用率不应超过80%，以保证硬盘数据的读写速度。

3）视景数据库

视景数据库建立某机型飞机三维模型和活动目标模型，加载到地景数据库中，模仿飞机日常的训练任务，包括地景数据库和活动目标库。

地景数据库选用南京及周边的地理图像信息，地景库为飞行仿真提供地理信息环境。对模拟仿真来说，地理信息环境越详细越好，但对数据库来说，地理信息越详细其数据量越大，计算机计算的数据量是有限的，因此，要对地景库进行合理的设计。针对要模拟的地理信息环境及模拟仿真完成的任务，飞行区域选用500km×500km区域空间，机场及周边（5km×5km）应满足飞机的起飞、降落等，设定其分辨率为0.6m/像素，机场周边（30km×30km）设定其分辨率为5m/像素，其余区域满足远视要求即可，分辨率为15m/像素。在飞机到达空间边界时，程序实现某区域空间地景库的重复调用，始终保持视景的显示，避免视景边界现象的出现。

2.3音响系统的详细设计

音响系统控制着视景中的声音响应，可模拟飞行人员在舱内能听到声音的近似位置、频率和振幅，并采用5.1声道音响。模拟的声音主要有飞机发动机声音、环境噪声、起落架警告音和操作告警音、无线电杂波、接地、滑跑等。

音响系统为视景系统的声音模拟系统，与数据管理系统的主控计算机进行通信，响应主控计算机发出的声音指令。

音响系统的硬件主要包括音响计算机、USB声卡、音箱功放、音箱等，其结构关系如图5所示。

音响系统的布局如图6所示。音响系统计算机、USB声卡及功放等放置在视景系统的机柜中;音箱共有6个，布局在座舱的周围，座舱的正前端放置两个音响，左前方、右前方、左后方、右后方分别放置其余音箱，形成对座舱的环绕。

3视景系统的对外通信接口

视景系统的对外通信包括两个部分，一是基于共享内存形式的反射内存卡的通信，连接到飞行仿真系统;二是基于UDP协议的以太网通信，连接到试验管理系统。

UDP通信以结构体变量的形式进行数据的传递，其主要代码如下：

int receive fromIGRl_udp（ char* pData）;

//接受网络数据，pData为接受数据的结构体指针

int send_udp（ char*pData）;

//发送本地视景数据，pData为发送数据的指针

4设计计算和使用验证

4.1模拟计算

按照球带幕、眼点位要求和投影仪布局方案，在3D Perception CompactDe signer软件中进行模拟，结果如下。

图像覆盖范围的模拟示意结果如图7所示，为水平180°、垂直45°的整個球带，各通道的图像范围有部分重叠，用于融合区的融合调试及图像的无缝显示。

显示系统亮度分布结果如图8所示，在球幕增益为0.8、球幕半径4m、投影仪实际亮度6500流明的情况下，计算结果显示亮度分布可达21英尺朗伯左右。

显示系统分辨率分布如图9所示，在当前的光路设计条件下，分辨率在2.5～3弧分/像素。

4.2使用验证

该项目在2016年投入使用并完善，经实际测量，该球带幕视景系统的技术指标达成情况如表2所示。

经使用评估，该视景系统视场角大，系统成像延迟小，实时性好。

5结束语

该视景系统满足了飞控系统地面仿真试验需要，使试验人员能够身临其境地体验到飞行试验中的数据及场景，可以提前发现并及时完善系统中问题和不足，有效节省了研发的时间和成本。

参考文献

[1]于萍，张彩明.基于约束误差判据的动态地形可视化算法[J].工程图学学报，2013，34（2）：7-12

[2]孙芳.多通道视景仿真投影系统交互式几何校正技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，25（9）：1318-1324

[3]张艳霞，张安，孙海洋.预警机指挥引导编队协同对海作战系统建模与仿真[J].系统工程与电子技术，2016，38（1）：90-95.

[4]何川，邸斐，陈丹强，刘成亮.基于视景仿真的某型飞机武器模拟训练系统的设计[J].测控技术，2013，32（9）：140-143.

[5]王刚，梅卫，刘恒，肖颖.飞行可视化仿真系统设计与实现[J].电光与控制，2013，（12）：68-72.