舰载机起飞流程视景仿真研究

夏亮 冯玉博

（中国人民解放军92728 部队 上海市 200436）

在武器装备研制中引入虚拟现实仿真技术，预期可以大幅消减武器装备的研制成本，压缩研制时间，降低研发费用，具有重大的实际意义[1]。随着航母的发展，舰载机作为航母搭载的主要作战力量，在现代战争中发挥着威慑和打击敌人的重要作用。不过在舰载机训练过程中需要大量消耗大量的人力物力，耗资太大。在此背景下，利用Vega 或者OpenVS 等软件开发虚拟现实视景仿真系统来进行舰载机的模拟起飞训练，作为舰载机起飞流程制定或者培训教学提供强有力支撑和更为可靠的实验依据[2]。本文主要对舰载机起飞视景仿真中的关键技术，包括模型建立、DOF 设定以及多视角多通道等技术进行介绍。

1 虚拟仿真事件及系统开发环境

1.1 仿真事件描述

本文实现的是对舰载机起飞执行任务的全过程进行视景仿真。设置仿真事件流程如图1。

以上为仿真事件全过程，在仿真过程中一方面界面中通过多个通道进行全面的信息展示，另一方面操作人员也可以通过人机交互来实现从不同的视角对舰载机进行观察。

要想满足高精度、高逼真度的要求，应建立诸如航母、舰载机等数字仿真模型，并构建相应的三维场景模型，便于在系统内部实现图形仿真与数字仿真模型之间的通信。但需要注意的是，图像仿真时，需将实时渲染技术应用于图形仿真的过程中。目前在建模软件与仿真平台中，Creator 建模工具及Vega 可视化三维视景仿真软件更适合应用于虚拟现实建模，因此本次建模、仿真，选取上述两个工具。

1.2 模型数据库建立软件MultiGen-Creator

MultiGen-Creator 作为实时三维建模工具，在逼真度和优化效果方面，都具有较高优势，适用于对精度要求较高的实时3D建模中，同时也使用与交互式游戏、城市仿真建模等处。它拥有针对实时应用优化的OpenFlight 数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合[3]。

1.3 实时仿真程序开发环境Vega

Vega 一种高性能的开发环境，用于虚拟现实程序开发和实时仿真环境建立。不仅可以实现基础的虚拟场景管理与驱动控制，对于复杂的视觉仿真、交互式三维环境构建等功能也能实现。Vega包括完整的C 语言应用程序接口API、交互性好的图形环境界面Lynx、大量的相关实用库函数和一批有选择的功能模块[4]。Vega 优化了源代码编程，更便于软件后期维护与管理，有利于优化软件的实用性能，可有效提高软件工作效率。

图1：仿真事件流程图

图2：三维模型

2 视景仿真生成中的关键技术

2.1 三维仿真模型的建立

首先创建模型数据库，运用实时可视化三维建模软件系统，对涉及的航空母舰、舰载战斗机等模型数据进行渲染和计算，力求在虚拟场景中如实反映所有的实物，并与外部输入输出信息进行及时交互，为获得较为满意的仿真运行效率，就必须提高模型数据库在实时仿真系统中的流畅性和运行速度，调整和优化模型数据库[5]。由于涉及多个复杂的模型，使得仿真应用中的模型多边形数量急剧增加，因此三维仿真建模的关键就是优化模型数据，尽可能提高优化程度。

2.1.1 模型优化的原则

在三维仿真模型中，数据库内的多边形数量与用户视觉能力息息相关，可以简单的理解为多边形数量越多越能满足用户的视觉需求，同时也会给系统运行带来负荷。相反的，多边形数量越少，系统的运行压力越小，但是不能满足用户的视觉要求。在仿真建模过程中，就是要在满足视觉要求前提下尽量减少多边形数量，这是模型优化的原则和要求[4]。

2.1.2 模型优化的方法

对模型进行优化，不能仅依靠单一的方法进行，通过调整模型数据库的层次结构、运用LOD 技术，并将模型对象实例化，将模型细节部分采用纹理的方式修饰，删减掉多余的多边形。

2.1.3 建立的优化模型

根据上述优化原则和方法建立了舰载直升机、舰载机和航母等模型。部分模型如图2所示。

2.2 多通道多视角交互性技术的实现

为了使操作人员尽可能全面的观察舰载机起飞时的姿态，为提高展示效果，以多通道、多视角的方式加以展示，以不同的通道对应指定的视角。在显示器上同时显示3 个不同通道作为主画面，也可以通过键盘方便的控制和切换观察的方位，利用更多的通道进行观察，主通道是以舰桥指挥台为视角进行观察的通道，左上角是驾驶舱内视角通道，右上角是俯视航母的全景视角通道，具体操作：

（1）在Vega 提供的Lynx 面板下，选择“Channels”，建立8个通道，根据运行要求选择“channels position”，将通道设置在系统窗口的初始位置上。

（2）选择“Observers”，建立7 个观察者，并分别与7 个通道相对应，为每个观察者选择观察目标，7 个视点分别为：高空视角对航母全局进行俯视观察、远处对航母进行全景观察、舰艏视角对舰载直升机进行跟踪观察、机库视角对舰载机牵引出库进行跟踪观察、舰桥后部视角对舰载机在暖机位待命进行观察、舰桥前部视角对舰载机起飞进行观察，以及座舱内视角通过平显对舰载机飞行状态进行观察[5]。

（3）通过对Vega API 编程利用vgChannel*tank_chan 函数定义通道，再调用vgFindChan 函数获取实例中的通道，通过switch(key)函数获取键盘信息，最后用vgChanViewport 函数来进行相应的消息处理，设置指定通道全屏显示。

2.3 DOF技术

在视景仿真时，为了实现舰载机机翼折叠和展开及飞行甲板档流板的升起，在三维建模时需要利用DOF 技术对相关机体结构进行设计，使得模型对象具有活动能力DOF 节点来控制它的所有子节点按照预先设置的自由度范围，进行位移或者旋转。

DOF 技术就是Degree of Free 自由度，模型活动能力在MultiGen-Creator 软件中是通过DOF 节点来定义实现的，具体方法如下：

（1）创建模型各个关键部位的DOF 节点；

（2）将舰载机的可折叠机翼部分节点和档流板节点设置为DOF 节点的子节点；

（3）使用“Local-DOF/Position DOF”命令分别在舰载机机翼折叠处和档流板旋转处创建子坐标系；

（4）通过“Local-DOF/Set DOF Limits”命令来设置各个部位的DOF 节点自由度范围，各节点分别设置为Rotate 属性，并设置相应的旋转角度；

（5）使用“Local-DOF/DOF Viewer”菜单命令，检验模型数据库中所有DOF 的应用效果。

2.4 动态平显的实时仿真

操作人员的操作情况是通过飞行动态平显页面来实现飞行视景信息的交互传递，操作人员以平显数据为参照，调整操作精度，实现观察视点的有效控制，便于全面观察场景。

在座舱平显的模型层次数据库中引入自由度节点、开关节点、动态文本节点以及剪切面等相关的动态元素，通过在Vega 环境中调用相关动态元素的驱动函数，从而实现座舱平显模型数据的动态变化与实时仿真。

3 结论

本文利用Creator 和Vega 软件直观的展示舰载机起飞过程，实现舰载机起飞视景仿真。通过视景驱动可以看出，仿真是成功地。建立的航母、舰载机等模型逼真准确；DOF 技术很好的实现了舰载机的机翼折叠和档流板的收放；利用Vega 软件建立的海洋环境通过虚拟场景的渲染可以很好的达到沉浸效果；多通道、多视角技术和飞机屏显模拟技术也让用户可以从不同角度、全方位的观察舰载机起飞的全过程和飞行的数据参数。该仿真人机交互功能正常。所做研究对舰载机起飞训练和教学提供很好的平台，并对其他可视化仿真也具有一定的参考价值。