基于Vega Prime和GL Studio的某型飞机虚拟座舱系统研究与实现

黄 旭 何传易 杨德辉

（中国人民解放军93199部队司令部信息管理中心，黑龙江 哈尔滨150006）

随着虚拟仿真技术的不断发展和创新，使得将飞机座舱搬进教室成为可能。笔者结合某型飞机座舱仪表多、参数交联复杂的特点，选择了开发周期短、组件复用性好的GL Studio软件来实现虚拟仪表仿真开发，并采用Vega Prime进行3D场景驱动，实现了GL Studio组件与Vega Prime间的结合和交互控制。

1 GL Studio虚拟仪表开发

1.1 GL Studio简介

GL Studio是由美国DiSTI公司开发，使用OpenGL图形库建立实时、照片级、交互式图形的虚拟仪表仿真程序的软件。它独立于平台，可以运行于Windows NT、IRIX和Linux操作系统上。GL Studio提供了友好的设计界面，其代码生成器能把美工人员设计绘制好图形文件一键生成c++和OpenGL的源代码，生成的可以源代码单独运行，也可以嵌入其他应用程序中。此外GL Studio组件的复用性极好，由GL Studio设计器创建的对象能容易地转变成一个组件对象，当一个组件对象创建之后，就可以轻松地重复使用该对象[1]。

GL Studio是基于对象的虚拟仪表开发工具，将对象的开发过程分成建立图形对象和建立行为代码两部分，前者由美工人员完成，后者则由编程人员完成。

其基本的开发流程如图1所示。

图1 GL Studio基本开发流程

美工人员收集真实仪表图片素材，经过纹理提取和修饰以后，使用GL Studio的设计器进行界面布局，并对创建的对象有效地命名（符合C++命名规则及要求）；编程人员除需掌握基本的C++语言编程技术外，还需熟悉仪表知识，并根据仪表功用，在界面设计基础上创建对象的动作代码，经过测试集成后发布最终仿真程序。

1.2 虚拟仪表动作属性创建

飞机座舱仪表仿真要求虚拟仪表能及时影响用户操作，并能实时动态地显示仿真数据，实现输入设备与显示部件之间的数据交互功能。常用到的输入设备包括开关、按钮、旋钮等，GL Studio对大多数类型的输入设备提供了封装插件，大大减轻了开发人员的工作量。对于一些不常用的操作部件，则可以利用InputDevice控件通过编程响应鼠标事件来实现。

仪表设备基本显示部件包括指针、指示灯、数字滚轮刻度盘、LED数码管等。对于指针和指示灯类的显示部件，GL Studio提供了大量函数进行指示控制，常用的函数有：

●动态旋转：DynamicRotate(float,int)；

●动态平移：DynamicTranslate(float,float,float,bool)；●动态缩放：DynamicScale(const Vector&)；●闪烁：Blinking(bool)；

●显示/隐藏： Visibility(bool)；

对于数字滚轮刻度盘，GL Studio提供了GlsOdometer对象，用户仅需设置好参数即可复杂的数字滚轮刻度盘功能；对于LED数码管则可以使用GlsTextGrid字符类对象来实现。

GL Studio提供的大量的封装插件和指示控件函数，实现了仪表数据的实时交互和动态显示，逼真地还原了仪表的工作状态。此外，用户还可以使用PLAY_SOUND(o,index)宏播放指定编号的声音，来响应用户的鼠标操作，从而进一步增强操作的真实感。

2 Vega Prime仿真驱动程序

2.1 Vega Prime仿真程序开发流程

Vega Prime是由MultiGen-Paradigm公司推出的最新VR开发平台，具有面向对象、功能强大、界面友好、平台兼容性好等特点[2]。其基本开发流程包括建立模型、场景设置和编写驱动控制程序三部分：建立模型主要是完成各种仿真对象和地形等的3D建模工作，通常用第三方工具如 GL Studio（仪表）、3DMAX、Creator、Terravista（地形）等完成；场景设置指利用LynX Prime对应用程序及场景进行基本的配置，包括应用参数配置（如窗口、通道等参数）、环境设置、对象初始位置姿态设置以及某些特效设置等，设置完成后生成*.acf配置文件供程序加载使用；编写驱动控制程序则是利用Vega Prime的应用程序编程接口（API），在VC++环境下实现VR仿真驱动控制程序的编写、调试和发布，本文采用的是VS．NET2005（对应VC8.0版本）编程环境。

2.2 基于MFC对话框的Vega Prime程序框架

VC++工程类型可以分为：控制台(Console)应用程序、Windows应用程序和基于MFC的应用程序。MFC是比较流行的基于文档／视图结构的应用程序框架，封装了大量的Windows API函数，已成为开发Windows应用程序的主流框架结构，而标准的Vega Prime视景仿真程序为控制台应用程序。为此我们将标准的Vega Prime仿真驱动程序改造成基于MFC对话框的驱动程序。

改造后的驱动控制程序在MFC对话框进程完成对话框初始化，启动Vega Prime渲染进程完成系统初始化、定义、配置、仿真循环等工作。初始化用来VP系统初始化，创建内存等；定义、配置是通过读取和解析LynX Prime应用程序生成的*．acf场景设置文件，创建三维模型，建立仿真对象与C++类之间的关系，完成场景加载工作；仿真循环则是根据仿真数据，完成场景渲染、漫游控制、数据交互等工作，在MFC下我们使用定时器对帧循环进行频率控制，从而保证数据同步。

3 飞机虚拟座舱系统的实现

3.1 GL Studio组件与Vega Prime的交互控制

在GL Studio中完成飞机座舱仪表面板的制作后，可以利用VC将 GL Studio 模型文件（*．gls）制作成动态链接库文件(*．dll文件)。 虚拟场景创建完毕之后，需将做好的飞机座舱虚拟面板的动态连接库文件导入虚拟场景中，但Vega Prime本身并不支持GL Studio模型的直接加载，因此需要安装配套的vpGLStudioPlugin插件,该插件使Lynx Prime场景编辑器可以直接加载GL Studio生成的动态链接库文件，并将其生成为一个vpGLStudioComponent类，方便地实现了GL Studio组件与Vega Prime的交互控制功能，大大降低了系统的开发难度和成本。

使用vpGLStudioComponent类中的setAtrib函数可以将仿真数据传递给GL Studio虚拟仪表面板，从而控制仪表的状态、动作和显示数据，该函数传递的数据类型为字符型，因此在传递前需进行数据类型转换。

不同仪表面板之间，仪表面板与仿真驱动程序间的数据交换则可以使用网络通信、消息传递等方式进行传递。

当虚拟仪表面板上的元件发生动作时，向仿真驱动程序窗口发送消息：

3.2 系统运行实现

飞机虚拟座舱系统对飞机、机场和地形等各种仿真对象进行了3D建模工作，采用GL Studio制作虚拟仪表仿真程序，利用Vega Prime进行系统的场景仿真驱动，飞机的仿真数据由飞行解算程序仿真计算得出，通过网络通信采用无连接的UDP协议方式与系统进行数据交换。完成后的飞机虚拟座舱系统运行界面及效果如图2所示。

图2 飞机虚拟座舱系统运行效果

4 结束语

虚拟现实技术在飞行领域有广泛的应用前景，特别在航空理论教学中，虚拟现实技术的应用不仅能激发学员的学习兴趣，提高教学效率，而且安全可控、易于复制，降低了教学成本。本文通过某型飞机虚拟座舱系统的研究与实现，为航理教、学人员提供了逼真的飞机虚拟座舱仿真环境，同时也建立了基于Vega Prime的虚拟仿真程序的基本开发流程和程序框架，为开发其它虚拟现实仿真程序提供了参考和基础。

［1］于辉,赵经成,等.GL Studio虚拟仪表技术应用与系统开发[M].国防工业出版社,2010.

［2］王孝平,董秀成,等.Vega Prime实时三维虚拟现实开发技术[M].西南交通大学出版社,2012.

［3］李万,王学军,崔小鹏.GL Studio与Vega Prime在某舰炮虚拟训练仿真系统中的应用[J].火炮发射与控制学报,2010,6.

［4］陈怀民,吴锦雯,黄晓波.基于GL Studio的飞行仿真虚拟仪表软件设计与实现[J].测控技术,2013.

［5］杨建国,王乘．基于Multigen和Vega的虚拟现实技术[J]．计算机仿真,2003．