基于Vega Prime和GL Studio的某型飛機虛擬座艙系統研究與實現

黃 旭 何傳易 楊德輝

（中國人民解放軍93199部隊司令部信息管理中心，黑龍江 哈爾濱150006）

隨著虛擬仿真技術的不斷發展和創新，使得將飛機座艙搬進教室成為可能。筆者結合某型飛機座艙儀表多、參數交聯復雜的特點，選擇了開發周期短、組件復用性好的GL Studio軟件來實現虛擬儀表仿真開發，并采用Vega Prime進行3D場景驅動，實現了GL Studio組件與Vega Prime間的結合和交互控制。

1 GL Studio虛擬儀表開發

1.1 GL Studio簡介

GL Studio是由美國DiSTI公司開發，使用OpenGL圖形庫建立實時、照片級、交互式圖形的虛擬儀表仿真程序的軟件。它獨立于平臺，可以運行于Windows NT、IRIX和Linux操作系統上。GL Studio提供了友好的設計界面，其代碼生成器能把美工人員設計繪制好圖形文件一鍵生成c++和OpenGL的源代碼，生成的可以源代碼單獨運行，也可以嵌入其他應用程序中。此外GL Studio組件的復用性極好，由GL Studio設計器創建的對象能容易地轉變成一個組件對象，當一個組件對象創建之后，就可以輕松地重復使用該對象[1]。

GL Studio是基于對象的虛擬儀表開發工具，將對象的開發過程分成建立圖形對象和建立行為代碼兩部分，前者由美工人員完成，后者則由編程人員完成。

其基本的開發流程如圖1所示。

圖1 GL Studio基本開發流程

美工人員收集真實儀表圖片素材，經過紋理提取和修飾以后，使用GL Studio的設計器進行界面布局，并對創建的對象有效地命名（符合C++命名規則及要求）；編程人員除需掌握基本的C++語言編程技術外，還需熟悉儀表知識，并根據儀表功用，在界面設計基礎上創建對象的動作代碼，經過測試集成后發布最終仿真程序。

1.2 虛擬儀表動作屬性創建

飛機座艙儀表仿真要求虛擬儀表能及時影響用戶操作，并能實時動態地顯示仿真數據，實現輸入設備與顯示部件之間的數據交互功能。常用到的輸入設備包括開關、按鈕、旋鈕等，GL Studio對大多數類型的輸入設備提供了封裝插件，大大減輕了開發人員的工作量。對于一些不常用的操作部件，則可以利用InputDevice控件通過編程響應鼠標事件來實現。

儀表設備基本顯示部件包括指針、指示燈、數字滾輪刻度盤、LED數碼管等。對于指針和指示燈類的顯示部件，GL Studio提供了大量函數進行指示控制，常用的函數有：

●動態旋轉：DynamicRotate(float,int)；

●動態平移：DynamicTranslate(float,float,float,bool)；●動態縮放：DynamicScale(const Vector&)；●閃爍：Blinking(bool)；

●顯示/隱藏： Visibility(bool)；

對于數字滾輪刻度盤，GL Studio提供了GlsOdometer對象，用戶僅需設置好參數即可復雜的數字滾輪刻度盤功能；對于LED數碼管則可以使用GlsTextGrid字符類對象來實現。

GL Studio提供的大量的封裝插件和指示控件函數，實現了儀表數據的實時交互和動態顯示，逼真地還原了儀表的工作狀態。此外，用戶還可以使用PLAY_SOUND(o,index)宏播放指定編號的聲音，來響應用戶的鼠標操作，從而進一步增強操作的真實感。

2 Vega Prime仿真驅動程序

2.1 Vega Prime仿真程序開發流程

Vega Prime是由MultiGen-Paradigm公司推出的最新VR開發平臺，具有面向對象、功能強大、界面友好、平臺兼容性好等特點[2]。其基本開發流程包括建立模型、場景設置和編寫驅動控制程序三部分：建立模型主要是完成各種仿真對象和地形等的3D建模工作，通常用第三方工具如 GL Studio（儀表）、3DMAX、Creator、Terravista（地形）等完成；場景設置指利用LynX Prime對應用程序及場景進行基本的配置，包括應用參數配置（如窗口、通道等參數）、環境設置、對象初始位置姿態設置以及某些特效設置等，設置完成后生成*.acf配置文件供程序加載使用；編寫驅動控制程序則是利用Vega Prime的應用程序編程接口（API），在VC++環境下實現VR仿真驅動控制程序的編寫、調試和發布，本文采用的是VS．NET2005（對應VC8.0版本）編程環境。

2.2 基于MFC對話框的Vega Prime程序框架

VC++工程類型可以分為：控制臺(Console)應用程序、Windows應用程序和基于MFC的應用程序。MFC是比較流行的基于文檔／視圖結構的應用程序框架，封裝了大量的Windows API函數，已成為開發Windows應用程序的主流框架結構，而標準的Vega Prime視景仿真程序為控制臺應用程序。為此我們將標準的Vega Prime仿真驅動程序改造成基于MFC對話框的驅動程序。

改造后的驅動控制程序在MFC對話框進程完成對話框初始化，啟動Vega Prime渲染進程完成系統初始化、定義、配置、仿真循環等工作。初始化用來VP系統初始化，創建內存等；定義、配置是通過讀取和解析LynX Prime應用程序生成的*．acf場景設置文件，創建三維模型，建立仿真對象與C++類之間的關系，完成場景加載工作；仿真循環則是根據仿真數據，完成場景渲染、漫游控制、數據交互等工作，在MFC下我們使用定時器對幀循環進行頻率控制，從而保證數據同步。

3 飛機虛擬座艙系統的實現

3.1 GL Studio組件與Vega Prime的交互控制

在GL Studio中完成飛機座艙儀表面板的制作后，可以利用VC將 GL Studio 模型文件（*．gls）制作成動態鏈接庫文件(*．dll文件)。 虛擬場景創建完畢之后，需將做好的飛機座艙虛擬面板的動態連接庫文件導入虛擬場景中，但Vega Prime本身并不支持GL Studio模型的直接加載，因此需要安裝配套的vpGLStudioPlugin插件,該插件使Lynx Prime場景編輯器可以直接加載GL Studio生成的動態鏈接庫文件，并將其生成為一個vpGLStudioComponent類，方便地實現了GL Studio組件與Vega Prime的交互控制功能，大大降低了系統的開發難度和成本。

使用vpGLStudioComponent類中的setAtrib函數可以將仿真數據傳遞給GL Studio虛擬儀表面板，從而控制儀表的狀態、動作和顯示數據，該函數傳遞的數據類型為字符型，因此在傳遞前需進行數據類型轉換。

不同儀表面板之間，儀表面板與仿真驅動程序間的數據交換則可以使用網絡通信、消息傳遞等方式進行傳遞。

當虛擬儀表面板上的元件發生動作時，向仿真驅動程序窗口發送消息：

3.2 系統運行實現

飛機虛擬座艙系統對飛機、機場和地形等各種仿真對象進行了3D建模工作，采用GL Studio制作虛擬儀表仿真程序，利用Vega Prime進行系統的場景仿真驅動，飛機的仿真數據由飛行解算程序仿真計算得出，通過網絡通信采用無連接的UDP協議方式與系統進行數據交換。完成后的飛機虛擬座艙系統運行界面及效果如圖2所示。

圖2 飛機虛擬座艙系統運行效果

4 結束語

虛擬現實技術在飛行領域有廣泛的應用前景，特別在航空理論教學中，虛擬現實技術的應用不僅能激發學員的學習興趣，提高教學效率，而且安全可控、易于復制，降低了教學成本。本文通過某型飛機虛擬座艙系統的研究與實現，為航理教、學人員提供了逼真的飛機虛擬座艙仿真環境，同時也建立了基于Vega Prime的虛擬仿真程序的基本開發流程和程序框架，為開發其它虛擬現實仿真程序提供了參考和基礎。

［1］于輝,趙經成,等.GL Studio虛擬儀表技術應用與系統開發[M].國防工業出版社,2010.

［2］王孝平,董秀成,等.Vega Prime實時三維虛擬現實開發技術[M].西南交通大學出版社,2012.

［3］李萬,王學軍,崔小鵬.GL Studio與Vega Prime在某艦炮虛擬訓練仿真系統中的應用[J].火炮發射與控制學報,2010,6.

［4］陳懷民,吳錦雯,黃曉波.基于GL Studio的飛行仿真虛擬儀表軟件設計與實現[J].測控技術,2013.

［5］楊建國,王乘．基于Multigen和Vega的虛擬現實技術[J]．計算機仿真,2003．