基于Mantis的某型直升機視景系統設計與實現

周秀芝, 田 濤, 胡文婷

(海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041)

基于Mantis的某型直升機視景系統設計與實現

周秀芝, 田 濤, 胡文婷

(海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041)

對直升機視景仿真系統的構建進行了分析，針對其對場景細節要求高，需多種特效庫支持的特點，首次提出了一種基于Mantis的直升機視景系統的解決方案;該方案利用TerraVista制作精細的地形數據庫，經轉換后可采用大地形調度技術進行渲染；利用Creator制作三維模型庫；采用內容定制文件配置場景中的實體和特效；采用MantisClient和MantisServer實現視景的渲染，最后通過基于通用圖像生產協議的網絡通信控制場景中的目標與特效;實際仿真結果顯示，該直升機視景系統的仿真效果形象逼真，滿足了實時性需求。

視景仿真；直升機；模擬器

0 引言

現代直升機以其獨特的環境適應性在軍事和民用領域中得到了廣泛應用，我國目前正在大力發展直升機，直升機的數量在迅速增加，需要培養大量的直升機飛行員。采用模擬訓練的手段可以提高效率、節省經費、保證安全。視景仿真系統在飛行模擬訓練中為飛行員提供逼真的視覺感官體驗，提高模擬訓練的逼真度，是飛行訓練模擬器的重要組成部分。與固定翼飛機不同，直升機的起飛降落可以在機場、平地、樓頂平臺、艦面等眾多地點實現，不局限于機場跑道，因此對視景中的細節要求更高，同時直升機在近地或近海飛行時會引起強烈的渦流，因此需要有逼真的特效支持。目前國內的大部分直升機視景仿真采用的是MultiGen—Paradigm(后與Engenuity和TerreX公司合并成Presagis公司)的VegaPrime(以下簡稱VP)作為視景驅動軟件[1-6]，還有一部分采用FlightGear[7]。Quantum3D公司的Mantis作為一款優秀的視景驅動軟件，其在渲染效率、燈光顯示、細節體現等方面都有非常優秀的表現，在工程上的應用非常廣泛，而目前國內利用這款軟件作為視景驅動的報道并不多[8-9]。

本文設計和實現了基于Mantis的某型直升機視景系統，針對直升機視景仿真的特點，從視景數據庫制作、場景設置和視景驅動、控制軟件的設計、實驗結果等4個方面進行介紹。

1 視景數據庫制作

能夠滿足直升機訓練需求的視景數據庫中不僅需要包含模型的幾何信息，而且應該包含紋理、材質信息、燈光、LOD、模板、運動等高級特征。直升機視景數據庫的主要內容有地形數據庫、機場模型庫、活動目標庫和特殊效果庫四部分。

1.1 地形數據庫

直升機訓練的地形區域應該至少包含一個飛機駐屯的機場，最好包含陸地和典型海域，陸上部分應有海岸線、樹林、草地、山脈、河流、橋梁、公路、鐵路、地面建筑物等典型自然和人文特征。本文利用地形制作軟件TerraVista將高程圖和衛片合成為大地形，為了能夠包含足夠的飛行區域同時又能展現機場區域的細節特征，在制作地形時，本文采用了不同區域對應不同LOD的方法，將機場附近的LOD設置為5級，這樣可充分利用機場附近衛片的最高分辨率；遠離機場的區域根據遠近分別設置為3級和2級。地形中的自然和人文特征利用TerraVista中的矢量工具來實現。Mantis支持的地形文件格式為*.vt和*.mnp，利用Mantis提供的插件可將TerraVista中生成的地形轉換成MNP格式，供Mantis加載調用。

1.2 機場模型庫

機場模型庫需提供機場、機場鄰近區域及半徑為20～40 km范圍內的地形的高逼真度描述，主要包括跑道、直升機停機坪、滑行道和坡道的表面特征和標志、機場建筑物、塔臺、機庫、樹木和植被以及機場燈光。機場模型采用在TerraVista中得到機場模型的雛形后再在Creator中進行修改的方式制作，最終得到的是OpenFlight的工業標準模型。

1.3 活動目標庫

主要指能夠滿足模擬訓練任務需要的各種活動目標模型，包括空中、海上的直升機、艦船、潛艇、導彈等的模型。還包括某型直升機三維模型。需要注意的是，直升機的旋翼和尾漿在飛行過程中都是轉動的，因此需要將這兩個部位的結點用DOF結點描述，DOF技術可以控制它的所有子結點按照設置的自由度范圍進行移動和旋轉[1]，這樣可以實現旋翼和尾漿轉動的效果。活動目標庫在3DMax中制作，然后利用三維模型軟件Creator轉換成OpenFlight的工業標準模型。

1.4 特殊效果庫

采取有效措施，控制部分臨河地段、山坡地段工程掃線和管溝開挖等施工作業帶的寬度，以減輕后續水土流失治理任務，節約工程建設成本。

特殊效果庫用來模擬視景中出現的爆炸、火光、煙霧、尾跡等特殊效果模型。尤其需要提供直升機旋翼和尾跡轉動所引起的旋翼洗流(rotorwash)效果。特殊效果庫采用Mantis提供的特效庫來實現。

2 場景設置和驅動

完成視景數據庫的制作后，可以利用Mantis提供的Audition工具預覽所建立的模型、地形文件，為了驅動場景中的模型，需要經過配置場景內容定制文件(scd，scene content definition)、配置Mantis Server和Mantis Client三個主要步驟。

2.1 設置場景內容定制文件。

Mantis提供了Detailer工具，利用該工具完成對模型、地形的編輯，配置模型的初始狀態，包括模型大小，是否進行碰撞檢測等，映射仿真程序控制信號到模型和模型中的DOF、Switch、Light結點，創建系統中所需要的特效庫等。

2.2 配置Mantis Server

在Mantis中，視景驅動的環境包括對Server和Client兩部分的配置。Server專門用來產生顯示通道的圖形內容，提供三維仿真效果。每一個通道可以根據仿真需要的內容，利用最小代價贏得最大性能的配置。

2.3 配置Mantis Client

Mantis Client負責為Server提供圖形控制信息和接收用戶的仿真控制信息兩部分內容。Client的設置比較復雜，包括指定與Server通信的網址信息、顯示通道的名稱和視場參數、自然環境的設置、模型和地形的載入文件信息、場景載入管理信息、需要提前載入的插件信息以及插件的預置信息等。同時在Client中需要指定用戶的仿真控制程序與Client進行交互的網絡通道信息，包括通信模式、頻率、網址和端口等。

圖1 視景的軟硬件關系圖

3 控制軟件的設計與實現

3.1 控制軟件的設計

視景控制部分主要負責收集其他系統與視景系統進行交互的各種信息，并把這些信息轉換成相應的協議發送到視景驅動模塊，將視景驅動模塊反饋回來的信息進行協議轉換后發送給其他系統；視景驅動模塊主要負責對地形、場景中的模型和特效等進行統一的控制和管理，接收視景控制發送過來的控制指令，把控制指令發送到視景渲染模塊，同時接收視景渲染反饋的信息發送給視景控制模塊；視景渲染模塊主要負責接收視景驅動發送過來的信息，并在場景中作出相應的渲染和改變，同時將需要回應的信息發送給視景驅動模塊。視景系統與其他系統的交互關系比較復雜，在某型直升機訓練系統中，視景與教控臺模塊、虛擬兵力模塊、飛控解算模塊、座艙服務器模塊都有交互。圖2給出了視景軟件中各模塊之間、視景軟件與其他模塊之間的交互關系，從教控臺獲得時間、天氣等環境信息和系統控制信息；從虛擬兵力處獲得場景中虛擬目標的位置姿態等信息；從飛控解算中活動某型直升機的位置姿態信息；從座艙服務器獲得武器發射等信息。

圖2 視景控制程序與其他模塊之間的關系示意圖

3.2 控制軟件的實現

主機與Mantis的Client端，Mantis的Client和Server端之間的通訊都是采用CIGI協議， CIGI于2000年被提出，2001年3月官方發布了其1.0版本，現在已發展到3.2版本。CIGI是一種不關聯于任何特定硬件的接口協議，它為兩個子系統提供實時通信的數據包定義的接口，目前已經得到了廣泛的應用。在實現過程中，直接使用CIGI的SDK進行開發時受限于SDK依賴的編程環境和編程語言，并且必須完全了解了其機理和API函數后，才能編程，這種編程方法需要的相關知識多，編程效率低下，不利于規模化開發，也不利于統一過程管理和系統體系構架的設計。基于上述原因，某型直升機視景系統將CIGI協議的使用完全封裝到了COM組件中，通過提供相應的控制接口來實現Host和Client之間的操作和交互。

4 實驗結果與分析

以某型直升機的駐地機場為例，對機場周邊10公里×10公里的范圍采用0.6米分辨率的衛片、5級LOD的方式進行地形建模，機場周邊100公里×100公里的范圍采用15米分辨率，3級LOD的方式進行建模，以機場跑道為中心，1公里×1公里的范圍采用Creator完成精模建設。最終完成的場景在Mantis Client端配置完畢，機場附近在Mantis Server端的顯示效果如圖3所示，上下兩副圖分別展示了跑道周邊在傍晚和白天的效果。從空中俯視的效果如圖4所示。

從圖3上圖中可以看出跑道周邊的場景地物非常逼真，而且利用Mantis提供的動態草和動態樹特效，使其很好的滿足了直升機視景所要求的細節感；從圖3下圖中可以看出，機場的進場燈光、接地區燈光、中心線和危險道燈光、跑道端頭的標識燈等燈光效果與實際基本一致，為直升機的夜航訓練提供了有利支持。從圖4上圖可以看出，大地形能夠反映出機場周邊的建筑道路等文化特征，而圖4下圖能夠反映出道路建筑燈光等在夜晚的逼真效果，更貼近直升機視景的效果需求。

圖3 跑道周邊渲染效果圖

圖4 空中俯視效果圖

5 結論

本文描述以Mantis作為視景驅動軟件，完成了某型直升機視景系統的設計與實現的全過程，重點描述了視景數據庫的制作、場景的設置與驅動，控制軟件的設計與實現。實驗結果表明該視景系統有良好的沉浸性和細節感，滿足了直升機模擬器的飛行需求。

[1] 申海榮,王新民,趙凱瑞. 基于Vega_MFC的直升機視景仿真設計[J].計算機測量與控制,2010,18(10):2385-2390.

[2] 程海濤. 基于虛擬現實的直升機駕駛模擬器開發[D]. 長春: 吉林大學,2014.

[3] 趙永強. 直升機飛行模擬器視景仿真系統的設計與實現[D]. 北京: 北京郵電大學, 2010.

[4] 魏靖彪,郭廣利,黃 海,等. 直升機布雷視景仿真的建模與實現[J]. 航空計算機技術, 2009,39(1):78-83.

[5] 李石磊,梁加紅,劉欣添,等. 直升機飛控系統集成仿真平臺開發[J]. 計算機仿真, 2010, 27(3): 64-68.

[6] 潘婷婷. 艦載機進近著艦航線設計及控制系統仿真[D].南京: 南京航空航天大學,2014.

[7] 潘浩曼. FlightGear與FPGA的直升機飛行仿真系統研究[D]. 南昌: 南昌航空大學2014.

[8] 高 煊,鄭康平. 飛行模擬系統中分布交互式視景的設計與實現[J]. 指揮控制與仿真 2013,35(5):84-87.

[9] 丁繼偉. 某型通用航空飛機地面飛行仿真技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2012.

Design and Implementation of Visual Simulation System for Helicopter Based on Mantis

Zhou Xiuzhi, Tian Tao, Hu Wenting

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao University, Qingdao 266041,China)

Abstratct：A scheme to develop scene simulation system of helicopter is presented based on Mantis for high requirements of detail and special effects. Large terrain are built by using software Terra Vista and rendered by large area scheduling technique. Models are built by using software Creator. Entities and special effects are configured by scene content file. Scene is rendered by Mantis Client and Mantis Server. Moving objects and special effects is controlled by network communication based on common image generation interface. It is shown that the simulation results are realistic and real-time.

visual simulation; helicopter; simulator

2016-07-11；

2016-07-29。

國家自然科學基金重大研究計劃資助(91538201)。

周秀芝(1977-)，女，山東青島人，博士，講師，主要從事圖形圖像處理，虛擬仿真方向的研究。

1671-4598(2017)01-0135-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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