飞行模拟器视景显示系统的设计

李森

摘要：飞行模拟器的发展较为迅速，其视景系统的存在对于整个系统起到了关键的作用，具体体现在显著影响到飞行仿真的效果。而飞行模拟机视景系统的设计，需要考虑到复杂场景以及实时性的要求，因此本文设计了一种飞行模拟器视景系统，同时对于涉及到的关键技术，例如多通道同步技术、成像球幕拼接处接缝处理技术等进行了研究。最终结果显示，此视景系统对于飞行员的日常训练能够较好的满足，受到了飞行员的一致好评。

关键词：飞行模拟器;视景系统;球幕

飞行模拟器对于飞行员的实际飞行过程具有较佳的模拟效果，不仅如此还可以忽略因为天气等原因带来的飞行限制，起到了提升安全性以及降低成本的效果。因此我国对于飞行模拟器的研发也逐渐重视起来。作为飞行模拟器的子系统之一，视景系统的存在对于飞行员的视觉信息起到了真实的模拟效果。视景系统的图形效果和显示质量，是影响飞行员飞行效果的关键因素。因此本文以视景系统为研究对象，分析飞行模拟器视景系统的设计和实现，并对其中关键技术进行介绍。

1 飞行模拟器视景系统概述

1.1 视景系统组成

视景系统属于飞行模拟器中的子系统之一，分为以下三个部分，分别是视景图像生成子系统、视景显示子系统和视景数据库三个部分[1]。

1.2 视景系统结构

视景系统的结构图如图1-1所示。

在整个的仿真过程中，第一步是主机进行控制指令的接收，然后根据相关指令进行选取数据库中的数据，进行实时的演算，进而将视景图像进行渲染。此时飞行员根据得到的图像做出相应的判断。通过座舱进行指令的发出，实现视景系统的实时场景渲染[2]。

1.3 视景系统功能

所设计的视景系统，需要满足以下要求。

此系统需要能够提供飞机驾驶舱外的场景，并能够提供多种模式，例如白天、黑夜、阴雨模式等。提供多种天气实况，具有具有雨、雪、云层等不同能见度的天气状态。对于机场的灯光能够自主的选择。机场图像中，需要包括机场跑道，滑行道和跑道灯光等元素。能提供实际情况中的通用地形以及不存在量化的痕迹。在进行起飞或者着陆时，通过视景可以分析此时高度情况。具有尾迹和火焰等多种特效[3]。

2 系统设计和实现

在进行设计飞机模拟器视景显示系统时，需要从以下四个角度进行分析，分别是显示系统、多通道网络结构、视景仿真软件以及视景数据库。

2.1 显示系统

2.1.1 球幕结构

选定实像球幕显示系统的半径为3m的大小。系统由以下几部分的机构所组成，分别是成像球幕、球幕上盖、球幕入口、投影仪平台和支架等部分。本次设计的成像幕一共有9块。同时使用法兰进行相互的连接和稳定。球幕的后仓的功能是放置投影仪，同时使用支架保证在运动过程中不会出现变形的情况。

2.1.2 光路设计

需要多个投影仪进行同时的工作，且每个投影仪之间的距离是相同的。综合考虑到视场角、投放距离、投影仪数目的要求，最终选定球幕正投的方式进行显示，投影仪的数量最终敲定为6台。系统对于亮度和分辨率也有一定的要求，因此设计了球幕增益的方式，设计了投影仪的摆放方式为上下摆放，，目的是为了符合系统的要求。

2.2 多通道网络结构

需要6個渲染通道进行投影的操作。多通道视景系统网络结构存在以下两种机制，分别是内部广播和管理节点调度两种。共具有7台计算机，其中1台作为视景控制节点使用，其他6台作为渲染节点进行使用，共组成一个广播机制。视景控制节点负责与模拟器其他分系统通信，并由其驱动和控制渲染节点，并实现渲染节点的画面同步。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功能。

2.3 视景仿真软件

仿真软件的使用具有以下功能：首先是能实现场景驱动和渲染的效果。其次是对于操作人员所发出的指令进行输入和响应。还能通过特效模拟现实情况中的碰撞效果。所使用的到的额仿真软件有Vega Prime 5.0 和亮度融合等软件。

2.4 视景数据库

在进行构建视景数据库时，第一步就是模型的构建。所需要构建的模型包括地形、场景以及特殊效果等。将建立的模型传输至扫描仪进行相应的处理。第三步就是通过计算机，对其进行纹理的处理，最终得到具有真实效果的三维模型。

模型构建后就是场景的构建。先使用图像开发软件，然后通过 VegaPrime 和OpenGL软件进行模块功能的实现。在进行视景显示系统调试时，先通过使用ACF文件，进行相关指令以及仿真程序信息的接收，进而构建所需要的场景，进行渲染图像的输出操作。这就是系统的完整功能实现。

3 关键技术

3.1 成像球幕拼接处接缝处理技术

本文所设计的成像球幕的组成方式为9块球瓣通过法兰进行连接，因此在连接处会出现缝隙，需要对于缝隙进行处理。对于每块球瓣之间的缝隙进行控制，保证每块缝隙的大小是均匀的。可以选择预留凹槽的方式，在拼装完成之后再用预浸玻璃布和环氧树脂填上并打磨至与内表面齐平，可以妥善的解决的缝隙问题，以及避免出现长时间使用所导致的裂纹。

3.2 多通道同步技术

本文选择6个计算机作为成像通道，因此需要保证画面是否同步。对于画面同步的控制需要使用软件，进而保证画面之间的帧同步。渲染节点接收到控制节点的数据包，待数据渲染完成后，发送给控制节点渲染完成信息;控制节点在接到所有渲染节点回应信息后，才进行下一步工作，从而保证了几个通道运行的同步。

3.3多通道融合软件

因为本设计使用的是多通道投影的方式，会出现通道图像重叠的情况，最终就会导致边缘图像融合问题的出现。因此需要使用到边缘融合的技术，降低相邻通道重叠部分亮度线性，保证整幅画面不会出现亮度偏差的问题。设计投影机位置时，优化了图像的相互匹配位置;同时采用软融合的方法，使得拼接区域平滑，提高图像质量。融合软件安装于渲染计算机中，利用显卡的渲染周期与屏幕刷新周期的时间间隙，进行自动几何校正和自动生成融合区的计算，减少了硬件成本，做到 0 延时。

4 结论

本文对于飞机模拟器的视景显示系统进行设计，分析了该系统中的显示系统、多通道网络结构、视景仿真软件、视景数据库。同时还分析了关键技术。此系统能充分满足该模拟器研制的指标要求，为飞行员产生身临其境的交互式仿真环境，具有较高的逼真度和可信度，有较好的应用价值。

参考文献

[1]张立民，滕建辅.飞行模拟器视景仿真系统设计与关键技术[D].天津：天津大学电子信息工程学院.

[2]吴晓君，王昌金.基于 Creator/Vega的战场飞行视景系统的实时仿真[J].系统仿真学报，2005，17（9）：2297-2300.

[3]李京伟，张利萍.基于虚拟现实技术的飞行视景仿真[J].计算机工程与设计，2005，26（7）：1935-1937.

[4]王勇亮.视景模拟技术M.长春：空军第二航空学院，2005

[5]刘生林.面向视景模拟的导弹发射仿真系统Q].计算机工程与应用，2000 36（）：171-173

[6]赵文秀.开发型汽车行驶模拟器视景模拟系统的开发J].山西建筑，2017 32 24）：9-10

[7]张剑俐.综合训练模拟器外部视景模拟技术].载人航天信息，20165）：15-17.