飛機駕駛艙幾何建模方法的研究

摘 要：針對飛機座艙系統復雜，利用單一的系統仿真軟件開發平臺進行模擬往往顧此失比。通過闡述利用3DSMAX 和MultiGen Creator相結合的模型構建方法，并以殲某機駕駛艙的幾何模型制作過程為例，探討了兩者相結合的建模方法。

關鍵詞：3DSMAX ； MultiGen Creator；虛擬現實；駕駛艙的建模

中圖分類號：V2文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0253-02

1 引言

幾何建模技術是虛擬現實技術中最重要的技術領域和關鍵技術之一。計算機圖形領域的一著名學者伊萬·薩瑟蘭說到:“計算機屏幕只是一個窗口，但通過這個窗口，我們可以看見一個虛擬的世界。我們面臨的挑戰是如何使這個世界看起來真實、動起來真實、聽起來真實、摸起來真實”，而所有這些“真實”的實現，主要依靠建模技術。

2 殲某機駕駛艙的幾何建模

2.1 數據的準備

數據準備是建模的關鍵，它的好壞直接關系到模型的質量，它涉及兩個軟件相結合的接口處理，飛機駕駛室的三視圖以及實際拍攝的數碼照片。

2.2 對殲某機的駕駛艙幾何建模

3DSMAX建模的一般原則就是由整體到局部，由粗到精，具體包括以下幾個步驟：

(1)在3DMAX中導入飛機機艙的三視圖，勾畫出最能體現機艙的輪廓線，使用Extrude命令拉伸一定的高度，完成機艙的主體建模。

(2)三維模型映射紋理。在建模過程中貼紋理是很重要的一個環節，直接影響到模型的質量。

(3)數據格式的轉換，在3DS MAX 中將格式為max的文件導出為3ds格式，導出時選擇保留紋理坐標選項，然后導入到Creator中，并保存為flt 格式。

(4)修改紋理路徑和關聯了透明紋理的面屬性，將3ds文件導入到Creator中后紋理丟失了，需要重新指定紋理路徑。

(5)導入的3ds文件的數據庫沒有層次結構，所有的對象都存放在是同一個父節點下，應該按照模型各部分的主、次重新組織數據庫。由于場景渲染時是從左往右繪制，因此較重要的對象放在樹狀結構中兄弟節點的左邊，次要的放在右邊。為了防止渲染時發生錯誤，必須刪除空的組和對象節點，而且關聯了透明紋理的面需放在數據庫尾部。三維駕駛艙模型如圖1所示。

2.3 殲某機座艙的主要儀表的建模

Creator的儀表面板模塊提供了盤式量表、矩形量表、柱狀量表等在內的各種常見量表儀器的模塊，并且提供優化儀表面板顯示的剪裁特性。同時，該模塊還特別提供了用于創建和編輯多邊形字體的編輯器，不僅可以應用到儀表面板上還可以應用到模型數據庫的任意位置。用Creator的儀表面板模塊創建機載設備儀表模型可以使儀表在Vega軟件中得到動態仿真模擬，增加飛行仿真的真實性。

殲某機座艙的主要儀表包括：高度表、速度表、燃料表、油壓表、溫度表、飛機姿態表、雷達掃描屏、飛機方位表、指南針等。在Creator的儀表面板模塊中所提供的儀表種類不能滿足機艙內儀表的需要。也就是說，有些儀表必須自己創建出來，比如飛機姿態表和相應的盤式儀表。 飛機姿態表是各種飛行器座艙最重要的量表儀器，它通常用于顯示飛機的側偏和俯仰角度。在飛行過程當中，垂直標尺會隨著視點向上下左右做相應的旋轉變化，以模擬飛行器的俯仰和側偏等飛行姿態。創建飛機姿態儀表的主要步驟如下：

（1）定義量表尺寸、背景和標尺刻度布局；

（2）將垂直標尺數字及其他標志添加到量表中；

（3）將設計好的機載量表放置到模型數據庫的指定位置上。

Creator中創建這個儀表相當麻煩，為了彌補這個儀表，采用液晶顯示在一個外部顯示器上。通過Vega的調用隨時可以觀察到飛機的飛行狀態和姿態。最終創建出的飛機姿態儀表如圖2所示。

圖2 飛機姿態儀表

在殲某機的機艙中有大量的盤式儀表，所謂的盤式儀表是指扁平的帶有細分刻度和數字標記的圓盤狀計量儀表，創建一個盤式量表的主要步驟如下：

（1）定義量表的尺寸、背景、刻度區域以及數字標志布局；

（2）將數字及其他標志添加到量表面板中；

（3）添加表盤弧度以突出量表面板上的特定區域；

（4）將設計好的盤式量表放置到模型數據庫的指定位置。

利用Creator的儀表面板模塊創建的盤式儀表時，達不到逼真的效果，這就需要為其映射相應的紋理和添加相應的指針，為了使在飛機在飛行的過程當中，使相應的儀表的指針做相應的轉動，這就要為儀表模型設置好DOF節點和添加合理的自由度，在儀表面板中只是修改儀表的外部參數，如大小、指針顏色、字體等。通過使用Local-DOF/DOF Viewer菜單命令，檢驗其動態效果，如果不符合實際的要求則可以使用Local-DOF/Set DOF Limits菜單命令，重新設置，使達到最佳的動態效果。某盤式儀表的動態模擬效果如圖3所示。

2.4 對機艙模型紋理的映射

紋理映射是一種將二維圖像映射到一個幾何形狀上來產生特殊效果或真實感的一種技術，并不是實際的幾何模型。在計算機圖形學中，不定形物體的模擬是一種十分活躍、難度很大的研究領域，常用的方法是通過分形、粒子、布爾等算法構造大量三維體組合而成。而該種建模方法在逼真度提高的同時是以大量系統資源的耗費為條件的。在殲某機的機艙模擬中，采用紋理映射技術可以較好地模擬機艙內復雜的儀器和儀表，同時實現逼真度和運行速度的平衡。另一方面，對于復雜實體模型，采用紋理映射技術可以模擬出豐富的細節，簡化模型的構造過程，降低實體模型的復雜度，同時還可以賦予模型鮮明的色彩，映射圖特征等。

3 殲某機機艙整體模型的簡化

對于飛機駕駛艙個體模型來說數據不算大，但相對與整個項目而言確是可觀的。為了使調用整個模型不影響機器的運行速度，需要在Creator中將模型簡化。因此在簡化過程中不涉及子面的處理，方法主要有3個。

(1)三角面片合并。模型導人時，Creator會經過重新計算，在處理過程中所有的非三角形將被轉化成三角形(例如一個矩形會轉化成兩個三角形)。也就是說，它會增加多邊形的數量，這就涉及到三角面片的合并問題。Creator中的Vsimplify插件可利用三角化 算法來優化模型，使被處理的模型比原始模型包含更少的多邊形，從而加快圖像的呈現和傳輸速度。合并面的方法很簡單，在face模式下，選中所有的面，使用ModFace下的Combine Faces命令，Creator會自動將處在同一平面上的相鄰三角面片合并。

(2)刪除多余面。在Creator中，根據數據量大小由面片數決定原理，通過刪除不可見面片來達到減小數據量的目的。例如，艙體均是用box構建的，因此，除了艙體底部，其余box上下兩個面均被儀表遮擋，不可見，據此判斷，逐步找出所有不可見面片并刪除。

(3)面的修改。 模型制作過程中，圓柱體或球體往往是導致數據量大的重要原因之一。以圓柱體為例，一個圓柱體一般有8～ 12個面即可滿足精度要求，刪除多余的面，把保留面連接完整即可。

通過以上的方法對某殲擊機的模型簡化后得到最后的模型如圖5所示。

4 結束語

利用本文介紹的某殲擊機的駕駛艙的建模方法已經應用在本實驗室的三維虛擬仿真中，它滿足了系統所要求的精確度和細節層次水平的要求，具有一定的應用價值。

參考文獻

［1］黃艷芳，祝國瑞，龐前聰.3DS MAX和ＭultiGen Creator相結合的虛擬城市建模方法［J］ 測繪信息與工程，2005，30(5):37-39.

［2］洪光，李洪儒，牟建國．基于Creator的三維模型的簡化研究［J］．計算機仿真，2004，21(1)：57-115.［3］王裕儉．基于MultiGen Creator和Vega的虛擬現實探討［J］．測繪信息與工程，2003，28(4)：14-16.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。