基于EV-Globe的飞行器试验三维动态显示系统的设计与实现

杨薇

（91550部队大连116023）

基于EV-Globe的飞行器试验三维动态显示系统的设计与实现

杨薇

（91550部队大连116023）

在对飞行器飞行试验实时飞行数据解析传输的基础上，将EV-Globe平台的地理信息技术和三维可视化技术与飞行器试验的各种关键要素进行紧密结合，在动态重构的三维空间场景中，实现飞行器试验过程的三维态势显示。系统的设计与实现改变了以往试验任务过程的二维显示方式，在显示效果、直观性和逼真性方面有很大的提升，可以帮助指挥员快速掌握和理解试验信息并进行决策。

EV-Globe；飞行器；三维动态显示；三维建模

Class NumberTP391

1 引言

在飞行器飞行试验中，指挥显示系统至关重要，直接影响指挥员对试验信息的快速理解和判断决策。随着计算机技术的进步，三维技术得到了迅猛发展，地理信息系统和三维仿真技术的结合［1］，可以帮助指挥员快速、直观地理解飞行器飞行航迹、飞行姿态等试验信息。另外，以CG技术为基础的三维动画仿真效果越来越逼真，可以弥补飞行器飞行过程中无法进行实况拍摄的不足，展示出视频实况无法获得的关键信息。

EV-Globe是大型三维空间信息服务平台。集成了最新的地理信息系统（GIS）技术和三维软件技术，具有大范围的、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，提供全球范围的基础影像资料，能够方便快速地构建三维空间信息服务系统。

系统设计的目标是在EV-Globe平台上，利用地理信息技术和三维可视化技术，将飞行器模型嵌入到三维动态空间中，结合卫星影像地图、数字高程数据和矢量地理信息，在三维虚拟空间中对实时测控数据进行全弹道全过程显示，降低数判读和确认的难度，为试验指挥决策提供技术支持。

2 系统硬件组成

三维动态显示系统硬件设备主要由数据服务器、态势图形工作站、转发控制微机以及相应的网络设备组成。系统硬件结构如图1所示。

1）数据服务器

用于存储数字高程数据、地理信息数据、卫星影像信息、任务数据文件等，任务数据文件包括弹道数据、静态场景、动态模型、测控装备及模型等。

2）态势图形工作站

用于飞行器飞行试验全过程的三维综合态势显示，包含飞行航迹、速度高度曲线、弹道参数、特征点事件以及测控装备跟踪状态的显示。

3）转发控制工作站

用于在任务中接收实时试验数据，为态势图形工作站提供试验控制指令和数据源。

4）网络设备

网络设备包括交换机、网卡、网线等。用于完成数据服务器、转发控制工作站和态势图形工作站之间的信息交换。

3 系统运行环境

数据服务器操作系统采用Windows2000/XP/ 2003或Windows Server 2008；数据库采用SQL Server2000/2005/2008；应用服务器软件为Internet Information Server；浏览器要求IE6.0以上。

图形工作站操作系统采用WindowsXP或Windows 7；开发平台为微软Visual Studio 2010和EV-Globe SDK版本3.0以上；应用软件Office版本要求Office2003以上，浏览器：要求IE6.0以上。

转发控制工作站操作系统采用WindowsXP或Windows 7；开发平台为微软Visual Studio 2010；应用软件Office版本要求Office2003以上。

系统支持环境为EV-Globe3.1以上版本。

4 系统软件设计与实现

4.1 软件设计

系统软件由运行在图形工作站上的三维动态显示软件和运行在转发控制工作站上的转发控制软件两部分组成［2］，如图2所示。

三维动态显示软件在三维地理信息平台的支持下，通过调用卫星影像数据、数字高程数据以及地理信息矢量数据，构建任务所需的虚拟三维地理环境；在试验过程中，通过接收转发控制软件发送的实时数据及控制命令驱动飞行器模型、调用模型特效等完成相关试验信息的可视化展示；地理信息平台主要为三维动态显示软件提供数字高程数据、地理信息数据、卫星影像信息等。三维动态显示软件的模块包括：飞行器飞行轨迹显示模块、飞行参数曲线绘制模块、三维视角管理模块、地理信息管理模块、三维显示管理模块和动态模型管理模块。

转发控制软件采用实时数据驱动和人工操作相结合的方式，控制和驱动任务流程的执行，主要完成实时试验数据接收、实时试验数据处理、实时试验数据发送、实时控制命令生成等功能；通过UDP协议进行通信，控制三维动态显示软件的场景显示和切换，实现态势信息综合显示。转发控制软件对任务信息的设置采用配置文件的方式，通过使用XML格式的配置文件管理任务信息。转发控制软件主要包括：数据处理模块、轨迹控制模块、动态模型控制模块、视角控制模块、地理信息控制模块和显示控制模块。

4.2 软件实现

三维动态显示软件通过读取配置文件对系统进行初始化，并启动数据侦听线程和场景渲染线程，通过侦听线程接收转发控制软件发送的数据处理结果和命令集对弹道位置状态进行更新，对场景要素进行控制；渲染线程通过帧同步与刷新机制对飞行器、场景要素及地理信息等进行更新渲染［3］。

转发控制软件接收包括遥测挑点参数、弹道数据、姿态数据、测控设备状态在内的各种测控数据，通过数据源选取、状态控制、命令生成等处理之后，发送至三维动态显示软件。为实现任务过程自动化，减少任务执行过程中的用户操作，转发控制软件采用脚本驱动的方式对任务场景及各种显示要素进行统一控制。可根据任务需求通过Excel文件的方式设置脚本文件，脚本以命令为基本单位。转发控制软件数据处理流程示意如图3所示。

5 三维模型构建及动画制作

根据需求，系统需要提供发射舰、飞行器等模型及其关键时间的精细化动画演示功能。其中的精细三维模型构建和动画制作是十分重要的环节。三维模型构建过程是指按照任务获取的三维模型尺寸和纹理数据，利用三维模型构建工具进行三维建模［4］，并根据飞行器特征动作制作模型动画，用于满足以三维动画方式展示相关模型的重要事件动作以及模型特写的功能需求。系统中的模型和动画制作分为模型构建阶段和动画制作阶段。

飞行器三维模型构建及动画制作的流程主要包括三维建模、三维渲染和三维动画后期合成。制作工具包括SolidWorks、Rhino、KeyShot、After Effects和Edius。

第一步：三维建模

1）依据飞行器尺寸图纸，使用SolidWorks进行大部分结构建模［5］；参看照片，使用Rhino进行内部器件建模［6］；使用Maya进行部分复杂模型的修整［7］。模型完成后，将各单独模型部件全部导入Solid-Works，进行部件装配和总装配得到完整飞行器整体模型。

2）使用SolidWorks对模型材质进行划分，通过SolidWorks的材质设定功能达到划分模型上不同材质部分的目的［8］。

3）使用接口插件，将模型从SolidWorks导入KeyShot。根据在SolidWorks中为模型设定的材质划分，为模型各部分分别赋予不同的KeyShot材质，并对材质进行二次编辑［9］。获得最终材质效果的模型后，根据动画脚本使用KeyShot具备的动画编辑模块进行模型动画编辑。动画编辑根据实际情况，按装配时划分的组合级别进行分别操作。按照脚本镜头编辑好一个个动画镜头后准备进行渲染。

第二步：三维渲染

使用KeyShot进行渲染，渲染前进行一些必要的优化处理来提高渲染效率和渲染效果［10］。分镜头进行渲染后，得到各镜头中模型的动画，以图片序列帧的形式保存。同一个镜头，一般会根据需要渲染多个图层，以便后期制作加工。

第三步：后期合成

在After Effects中，将不同图层的模型动画序列帧和背景素材导入，并通过多种效果功能组合到一起［11］，同时完成调色等后期处理，再增加必要的特效、标注等，而后以镜头为划分基础输出成多个视频片段。从After Effects输出得到的视频片段采用Edius视频剪辑进行组合剪辑［12］，最终输出得到可为系统使用的三维动画视频。

系统运行三维场景图如图4所示。

6 结语

本文从军事需求出发，对飞行器试验三维动态显示系统进行了设计与实现。系统利用地理信息技术和三维可视化技术，将试验任务关键对象和要素嵌入到虚拟空间中，结合分布式海量影像地图、数字高程数据和地理信息海量数据提取管理手段，实现对试验任务综合态势信息的分层表现、空间表现和立体表现；系统以多角度、多方位、动态展示飞行器试验全过程，为试验指挥人员的决策提供有力的技术支持，对其它飞行器试验任务的显示方式和方法也具有较大的借鉴意义。

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［10］张亚先，刘勇.21世纪高等教育数字艺术类规划教材：Rhino 5.0&KeyShot产品设计实例教程［M］.北京：人民邮电出版社，2013：85-88.

［11］吉家进，樊宁宁.After Effects CS6技术大全［M］.北京：人民邮电出版社，2013：152-155.

［12］马建党.EDIUS Pro6.5视频处理实用教程［M］.西安：西北工业大学出版社，2013：221-223.

Design and Implementation of Aircraft Dynamic 3D Disply System Based on EV-Globe

YANG Wei
（No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）

Based on the real-time missile flight test data analysis，the various key elements of geographic information technology platform EV-Globe and 3D visualization technology and missile tests are combined，in the dynamic 3D scene，the 3D situation display of missile test process is realized.With the implementation of previous test process，the two-dimensional display system design is changed，the display effect，the intuitive and realistic aspects have great improvement，it can help the commanders to quickly grasp and understand the test information and make decision.

EV-Globe，missile，3D situation display，3D modeling

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.020

2017年1月9日，

2017年2月13日

杨薇，女，硕士，高级工程师，研究方向：指挥自动化。