基于虚拟现实的无人机三维可视化技术与实现

【摘要】三维虚拟技术应用在无人机的三维可视化上具有着巨大的开发前景，同时也能够满足无人机市场中的需求，促进无人机摄影、监测等的更好发展。本研究以虚拟现实技术为基础，进行无人机三维可视化系统的设计与开发，本系统设计的主要目的在于对无人机的视景环境和飞行信息显示进行优化。本论文中主要对设计的核心内容进行阐述，包括研究的需求分析、系统结构与界面设计、系统模型的实现、无人机三维可视化系统的实现四个方面。

【关键词】虚拟现实技术;无人机;三维可视化技术;设计与实现

进入二十一世纪以来，无人机的应用逐渐突破了军事应用的领域，在航拍、模型建立等方面发挥出了自身独特的优势。与其他摄像和检测技术相比，无人机具有着成本低、成像分辨率高、控制方便等优点，同时，在时代的不断发展中，也为无人机的优化提供的科技支撑。同时，在电子信息技术发展的过程中，无人机也逐渐被赋予了三维可视化的能力，促进了其应用的广泛性。但是，就当前来看，无人机在有关视景环境和飞行信息显示方面还有着明显的不足，本研究再此背景下进行设计，旨在对无人机应用过程中的不足进行优化，以下对本研究中的核心部分进行展示。

1. 系统需求分析

在本系统的需求分析上，主要从系统总体需求分析、视景环境需求分析和飞行信息显示的系统分析三个方面进行。

首先，随着无人机三维虚拟技术的发展，使用者在无人机的三维场景的还原能力、控制的便捷性、飞行信息显示的准确性、视景显示的分辨率等提出了较高的要求，尤其是在通过无人机三维可视化进行相关建模的时候，更是要求无人机能够准确高效的运行。本系统在开发完成以后，能够通过进入仿真系统，能够准确的还原三维场景，通过键盘或者手机进行便捷式操作和控制、通过手机显示来展示出准确的飞行数值、通过快捷键操作来进行快速视景调整，从而能够充分满足使用者的需求。

其次，在视景环境上，主要是在无人机飞行的过程中，通过三维可视化建模，将无人机观测到的环境进行仿真呈现，并配合相应的文字信息进行呈现出来，同时结合外部远程控制系统，如控制键盘、手机界面等进行视景的灵活性切换，从而提高视景环境还原的准确性、切换的便捷性，充分契合使用者的需求。

最后，在飞行信息显示上，主要包括两个方面，即关键参数的显示以及图形模块的显示，关键参数显示的准确性与图形模块显示的实时性，主要体现在导航信息显示和飞行状态信息的显示两个方面，这也是当前使用者的主要需求。本研究在系统设计过程中，通过对飞行路径、飞行视角、仪表盘、三维地图呈现等诸多变量进行分类控制与优化，提高导航信息显示和飞行状态信息显示的准确性与实时性。

2. 系统结构和界面设计

2.1 系统结构

在本研究的系统结构设计上，主要包括两个方面，即视景环境和飞行信息显示环境两个方面。细化来说，系统中的视景环境有包括视景模型和仿真环境两个部分，飞行信息显示环境包括导航信息显示和飞行状态信息显示两个部分，统合之下，构成了本系统的全部内容，详见表1-1。

2.2 界面设计

在本研究的系统界面设计上，主要包括两部分的界面展示，即视景界面展示和飞行信息界面展示。为了保证视景观察的便捷性，本系统中将视景展示界面放置在突出的部位上，将飞行信息展示界面放置在总界面的右侧部分，便于飞行信息中的导航信息和飞行状态信息的对比。为了保证信息的同步以及观察的便利性，两部分界面进行同步的实时信息显示，这也能够便于使用者的及时操作与管理。以下对各国界面进行详细阐述：

首先，视景界面是本系统界面中的主界面，本设计中将其占据总页面的三分之二，便于飞行过程中的仿真场景和三维模型的清晰观测。

其次，在飞行信息界面上主要包括两个部分，即飞行导航信息界面和飞行状态信息界面，本系统中将这两个界面共同放置在总界面的右侧，占据总界面的三分之一，其中导航信息界面位于界面的右上角，界面中主要包括三维地图、飞行模式、控制盘等;飞行状态信息界面位于界面的右下角，界面中主要包括仪表系统、传感器等，便于对飞行实况和相关数据进行检测，以及飞行命令的下达。

同时，为了提高使用者观测与操作的便利性，在系统界面的设计上，本系统开发了两种模式，即单一窗口模式和多窗口模式，并且结合相关应用，提高一键转换的速度。

首先，在单一窗口模式上，使用者只需点击某一个窗口界面，就可以起到单一窗口的全屏展示效果，再通过返回键，来进行多窗口的返回。

其次，在多窗口模式上，窗口界面按照上述內容进行固定展示，但是可以对各个窗口进行放大或者缩小，弥补多窗口中界面固定的弊端，给使用者提供操作与控制中的灵活性。

3. 系统模型的实现

3.1 三维虚拟场景模型的实现

在本系统中，三维虚拟场景模型的实现主要是为了提高虚拟场景的逼真性和流畅性，为了保证这种效果，必须提高虚拟环境与现实环境的相符合程度，这其中的关键在于满足使用者的视觉需要，即通过提高本系统中视景生成中虚拟画面的真实感和流畅感来保证。

在三维虚拟场景模型的建立过程中，本系统中综合使用了OpenGL 图形库、3DSMAX等技术，保证在三维虚拟场景生成的过程中，在绘制、颜色、效果渲染等方面能够逼真与流畅。在三维虚拟模型上，主要包括两个大类，即自然环境类别和地形地貌类别，结合无人机拍摄的具体内容进行分析与案类运行。在自然环境类别上，主要包括天空、月亮等相对较高处的内容;在地形地貌类别上包括自身地形地貌和人造地形地貌，自然地形地貌主要包括山地、平原、河流等，人造地形地貌上主要包括公路、建筑物等。

在建模的具体过程中，主要是在相关数据获取的基础上，进行快速参数的分析，然后进行3DSMAX建模，之后向OpenGL进行转化，在交互的基础上呈现出三维场景，这样也能够降低内存消耗，提高渲染的实时性以及最终结果的流畅性。

3.2 无人机建模的实现

无人机建模主要是为了实现无人机拍摄过程中动态物体的准确快速的呈现，由于无人机在飞行过程中动态物体呈现的复杂性以及特殊性，因此在建模过程中不能仅仅使用OpenGL这一技术，还用结合当前的一些建模技术，为了降低相关视景呈现过程中的系统消耗，本部分的建模技术与三维虚拟场景中建模技术保持一致，即采用3DSMAX这一技术与OpenGL进行配合。

在无人机建模的具体路径上，首先通过相关参数的导入与分析，在3DSMAX系统中进行模型的搭建，然后再通過对文件的读取以及OpenGL的配合，最终在显示系统中显示出来。

此外，为了满足相关使用者的需求，本研究中还对无人机的尾焰进行建模，这也能够提高视景环境呈现的真实性，从而提高使用者的感官效果。在尾焰建模的实现上，要充分考虑尾焰本身的特殊性，如量大、不规则等，因此，传统的建模方式难以保证呈现出仿真的效果。本系统中对尾焰的建模，主要采用微小粒子来进行尾焰的描述，从而保证其呈现的仿真性和视觉感。同时，对微小粒子进行描述的过程中，结合相关的渲染和特效技术，如对尾焰进行纹理设置，对粒子图形进行优化，以此来在视景环境中达到真实性的效果。

4. 无人机三维可视化系统实现

4.1 登录界面实现

在登录界面上，主要包括两个部分，即登录过程中的界面设置，以及登录以后的界面设置。

首先，在登录前的界面设置上，主要包括无人机与界面显示系统的连接、连接以后的账号密码输入和相关连接权限的获取几大部分。在系统的连接上，主要是通过本系统所研发的APP来进行，其中包括无线连接技术，在连接以后，要通过与选择的无人机进行再次匹配来进行其它的操作。

其次，在有关系统运行中的界面上，主要是以菜单界面和核心来进行相关界面的实现。在菜单栏的设置上，主要包括模式选择、场景选择、飞机模型选择、地图模式选择、开始和取消几个子菜单，同时使用者可以自主对子菜单的排序进行调试。在运行模式的设置上，根据使用者不同的需求，分为三大模式，即数据回放模式、仿真模式和漫游模式三种;在场景的选择上，主要是使用者对虚拟场景的自主选择;在飞机模型的选择上，本系统设置了两种飞机模型，供使用者进行自主选择;在地图模式的选择上，主要是二维地图和三维地图两种模式，使用者可以在运行过程中结合自身需求进行自主切换。同时，在系统开始运行以后，相关界面主要是上述第二部分界面设计中的内容，使用者也可以根据相关控制键进行切换。

4.2 系统运行实现

在系统运行实现上，使用者在原有界面的基础上，可以进行自主的模式切换，以及主要显示界面的控制。既可以通过界面的触屏进行操作，也可以通过外部的连接系统，如鼠标等进行点击控制。在系统运行中，界面主要是包括两种模式，即上述的单一窗口模式和多窗口模式，使用者可以对窗口的显示进行操作与控制。此外，对于一些运行过程中的指令盘的位置是使用者也可以根据自身需求进行转换，在初始化的背景下，指令盘位于显示界面正中间，以便于使用者在结合视景显示、导航信息显示等基础上对无人机飞行进行相关指令的下达。

5.结束语

随着三维虚拟技术以及三维可视化等技术的不断发展，为无人机三维可视化的呈现提供了充足的技术支撑，推动着无人机应用与发展，从另外一个方面说明，无人机三维可视化的发展，不仅需要航空领域的参与，也需要充分融合其他领域，共同促进无人机三维可视化的优化性发展。本系统的研发主要立足于虚拟现实技术，对原有的无人机三维可视化中的不足进行修补，从而提高视景效果的仿真程度。

参考文献：

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作者简介：吴永慧，（1981.12-）， 女，壮族，广西柳州，硕士，讲师，研究方向：二维动画、三维动画、微电影。