基于EV-Globe的飛行器試驗三維動態顯示系統的設計與實現

楊薇

（91550部隊大連116023）

基于EV-Globe的飛行器試驗三維動態顯示系統的設計與實現

楊薇

（91550部隊大連116023）

在對飛行器飛行試驗實時飛行數據解析傳輸的基礎上，將EV-Globe平臺的地理信息技術和三維可視化技術與飛行器試驗的各種關鍵要素進行緊密結合，在動態重構的三維空間場景中，實現飛行器試驗過程的三維態勢顯示。系統的設計與實現改變了以往試驗任務過程的二維顯示方式，在顯示效果、直觀性和逼真性方面有很大的提升，可以幫助指揮員快速掌握和理解試驗信息并進行決策。

EV-Globe；飛行器；三維動態顯示；三維建模

Class NumberTP391

1 引言

在飛行器飛行試驗中，指揮顯示系統至關重要，直接影響指揮員對試驗信息的快速理解和判斷決策。隨著計算機技術的進步，三維技術得到了迅猛發展，地理信息系統和三維仿真技術的結合［1］，可以幫助指揮員快速、直觀地理解飛行器飛行航跡、飛行姿態等試驗信息。另外，以CG技術為基礎的三維動畫仿真效果越來越逼真，可以彌補飛行器飛行過程中無法進行實況拍攝的不足，展示出視頻實況無法獲得的關鍵信息。

EV-Globe是大型三維空間信息服務平臺。集成了最新的地理信息系統（GIS）技術和三維軟件技術，具有大范圍的、海量的、多源的數據一體化管理和快速三維實時漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運算，提供全球范圍的基礎影像資料，能夠方便快速地構建三維空間信息服務系統。

系統設計的目標是在EV-Globe平臺上，利用地理信息技術和三維可視化技術，將飛行器模型嵌入到三維動態空間中，結合衛星影像地圖、數字高程數據和矢量地理信息，在三維虛擬空間中對實時測控數據進行全彈道全過程顯示，降低數判讀和確認的難度，為試驗指揮決策提供技術支持。

2 系統硬件組成

三維動態顯示系統硬件設備主要由數據服務器、態勢圖形工作站、轉發控制微機以及相應的網絡設備組成。系統硬件結構如圖1所示。

1）數據服務器

用于存儲數字高程數據、地理信息數據、衛星影像信息、任務數據文件等，任務數據文件包括彈道數據、靜態場景、動態模型、測控裝備及模型等。

2）態勢圖形工作站

用于飛行器飛行試驗全過程的三維綜合態勢顯示，包含飛行航跡、速度高度曲線、彈道參數、特征點事件以及測控裝備跟蹤狀態的顯示。

3）轉發控制工作站

用于在任務中接收實時試驗數據，為態勢圖形工作站提供試驗控制指令和數據源。

4）網絡設備

網絡設備包括交換機、網卡、網線等。用于完成數據服務器、轉發控制工作站和態勢圖形工作站之間的信息交換。

3 系統運行環境

數據服務器操作系統采用Windows2000/XP/ 2003或Windows Server 2008；數據庫采用SQL Server2000/2005/2008；應用服務器軟件為Internet Information Server；瀏覽器要求IE6.0以上。

圖形工作站操作系統采用WindowsXP或Windows 7；開發平臺為微軟Visual Studio 2010和EV-Globe SDK版本3.0以上；應用軟件Office版本要求Office2003以上，瀏覽器：要求IE6.0以上。

轉發控制工作站操作系統采用WindowsXP或Windows 7；開發平臺為微軟Visual Studio 2010；應用軟件Office版本要求Office2003以上。

系統支持環境為EV-Globe3.1以上版本。

4 系統軟件設計與實現

4.1 軟件設計

系統軟件由運行在圖形工作站上的三維動態顯示軟件和運行在轉發控制工作站上的轉發控制軟件兩部分組成［2］，如圖2所示。

三維動態顯示軟件在三維地理信息平臺的支持下，通過調用衛星影像數據、數字高程數據以及地理信息矢量數據，構建任務所需的虛擬三維地理環境；在試驗過程中，通過接收轉發控制軟件發送的實時數據及控制命令驅動飛行器模型、調用模型特效等完成相關試驗信息的可視化展示；地理信息平臺主要為三維動態顯示軟件提供數字高程數據、地理信息數據、衛星影像信息等。三維動態顯示軟件的模塊包括：飛行器飛行軌跡顯示模塊、飛行參數曲線繪制模塊、三維視角管理模塊、地理信息管理模塊、三維顯示管理模塊和動態模型管理模塊。

轉發控制軟件采用實時數據驅動和人工操作相結合的方式，控制和驅動任務流程的執行，主要完成實時試驗數據接收、實時試驗數據處理、實時試驗數據發送、實時控制命令生成等功能；通過UDP協議進行通信，控制三維動態顯示軟件的場景顯示和切換，實現態勢信息綜合顯示。轉發控制軟件對任務信息的設置采用配置文件的方式，通過使用XML格式的配置文件管理任務信息。轉發控制軟件主要包括：數據處理模塊、軌跡控制模塊、動態模型控制模塊、視角控制模塊、地理信息控制模塊和顯示控制模塊。

4.2 軟件實現

三維動態顯示軟件通過讀取配置文件對系統進行初始化，并啟動數據偵聽線程和場景渲染線程，通過偵聽線程接收轉發控制軟件發送的數據處理結果和命令集對彈道位置狀態進行更新，對場景要素進行控制；渲染線程通過幀同步與刷新機制對飛行器、場景要素及地理信息等進行更新渲染［3］。

轉發控制軟件接收包括遙測挑點參數、彈道數據、姿態數據、測控設備狀態在內的各種測控數據，通過數據源選取、狀態控制、命令生成等處理之后，發送至三維動態顯示軟件。為實現任務過程自動化，減少任務執行過程中的用戶操作，轉發控制軟件采用腳本驅動的方式對任務場景及各種顯示要素進行統一控制。可根據任務需求通過Excel文件的方式設置腳本文件，腳本以命令為基本單位。轉發控制軟件數據處理流程示意如圖3所示。

5 三維模型構建及動畫制作

根據需求，系統需要提供發射艦、飛行器等模型及其關鍵時間的精細化動畫演示功能。其中的精細三維模型構建和動畫制作是十分重要的環節。三維模型構建過程是指按照任務獲取的三維模型尺寸和紋理數據，利用三維模型構建工具進行三維建模［4］，并根據飛行器特征動作制作模型動畫，用于滿足以三維動畫方式展示相關模型的重要事件動作以及模型特寫的功能需求。系統中的模型和動畫制作分為模型構建階段和動畫制作階段。

飛行器三維模型構建及動畫制作的流程主要包括三維建模、三維渲染和三維動畫后期合成。制作工具包括SolidWorks、Rhino、KeyShot、After Effects和Edius。

第一步：三維建模

1）依據飛行器尺寸圖紙，使用SolidWorks進行大部分結構建模［5］；參看照片，使用Rhino進行內部器件建模［6］；使用Maya進行部分復雜模型的修整［7］。模型完成后，將各單獨模型部件全部導入Solid-Works，進行部件裝配和總裝配得到完整飛行器整體模型。

2）使用SolidWorks對模型材質進行劃分，通過SolidWorks的材質設定功能達到劃分模型上不同材質部分的目的［8］。

3）使用接口插件，將模型從SolidWorks導入KeyShot。根據在SolidWorks中為模型設定的材質劃分，為模型各部分分別賦予不同的KeyShot材質，并對材質進行二次編輯［9］。獲得最終材質效果的模型后，根據動畫腳本使用KeyShot具備的動畫編輯模塊進行模型動畫編輯。動畫編輯根據實際情況，按裝配時劃分的組合級別進行分別操作。按照腳本鏡頭編輯好一個個動畫鏡頭后準備進行渲染。

第二步：三維渲染

使用KeyShot進行渲染，渲染前進行一些必要的優化處理來提高渲染效率和渲染效果［10］。分鏡頭進行渲染后，得到各鏡頭中模型的動畫，以圖片序列幀的形式保存。同一個鏡頭，一般會根據需要渲染多個圖層，以便后期制作加工。

第三步：后期合成

在After Effects中，將不同圖層的模型動畫序列幀和背景素材導入，并通過多種效果功能組合到一起［11］，同時完成調色等后期處理，再增加必要的特效、標注等，而后以鏡頭為劃分基礎輸出成多個視頻片段。從After Effects輸出得到的視頻片段采用Edius視頻剪輯進行組合剪輯［12］，最終輸出得到可為系統使用的三維動畫視頻。

系統運行三維場景圖如圖4所示。

6 結語

本文從軍事需求出發，對飛行器試驗三維動態顯示系統進行了設計與實現。系統利用地理信息技術和三維可視化技術，將試驗任務關鍵對象和要素嵌入到虛擬空間中，結合分布式海量影像地圖、數字高程數據和地理信息海量數據提取管理手段，實現對試驗任務綜合態勢信息的分層表現、空間表現和立體表現；系統以多角度、多方位、動態展示飛行器試驗全過程，為試驗指揮人員的決策提供有力的技術支持，對其它飛行器試驗任務的顯示方式和方法也具有較大的借鑒意義。

［1］張文詩.數字地圖及其應用［J］.解放軍測繪學院學報，2008，11（1）：58-61.

［2］趙松濤.SQL Server 2000應用及實例集錦［M］.北京：人民郵電出版社，2002：97-99.

［3］孟劍萍.高可用性軟件架構設計和實現［J］.微型機與應用，2011，17：9-10.

［4］程朋根，文紅.三維空間數據建模及算法［M］.北京：國防工業出版社，2011：56-58.

［5］北京兆迪科技有限公司.SolidWorks產品設計實例精解［M］.北京：機械工業出版社，2013：85-92.

［6］葉德輝，劉偉元.造型設計完美風暴：Rhino 4.0完全實例教程［M］.北京：科學出版社，2010：58-62.

［7］高盈，劉雯方，張悅.Maya完全自學教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2012：23-25.

［8］趙罘，楊曉晉，劉玥.SolidWorks2014中文版機械設計從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2014：135-146.

［10］張亞先，劉勇.21世紀高等教育數字藝術類規劃教材：Rhino 5.0&KeyShot產品設計實例教程［M］.北京：人民郵電出版社，2013：85-88.

［11］吉家進，樊寧寧.After Effects CS6技術大全［M］.北京：人民郵電出版社，2013：152-155.

［12］馬建黨.EDIUS Pro6.5視頻處理實用教程［M］.西安：西北工業大學出版社，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

楊薇，女，碩士，高級工程師，研究方向：指揮自動化。