數(shù)據(jù)回放可視化系統(tǒng)設(shè)計

黃志軍

摘 要：為提高訓(xùn)練的技戰(zhàn)術(shù)水平，飛行操作人員迫切需要對己飛過的科目進(jìn)行生動逼真的可視化回放，進(jìn)而復(fù)盤推演當(dāng)時的態(tài)勢及諸多技戰(zhàn)術(shù)要素。為實現(xiàn)生動逼真的可視化推演，本系統(tǒng)以先進(jìn)的仿真技術(shù)和計算機(jī)圖形處理技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放的可視化仿真。為飛行操作人員總結(jié)經(jīng)驗、提高技術(shù)水平提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)回放 可視化 設(shè)計 仿真

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0119-02

為提高訓(xùn)練的技戰(zhàn)術(shù)水平，飛行操作人員迫切需要對已飛過的科目進(jìn)行生動逼真的可視化回放，進(jìn)而復(fù)盤推演雙方態(tài)勢，為評估自己操作及站位等諸多技戰(zhàn)要素，提高實戰(zhàn)能力，驗證和創(chuàng)新戰(zhàn)法，提升訓(xùn)練質(zhì)量提供依據(jù)。隨著仿真和計算機(jī)圖形處理技術(shù)的快速發(fā)展，以動畫、圖形來表達(dá)仿真過程和結(jié)果的可視化仿真技術(shù)已經(jīng)非常成熟，特別是具有真實感的三維實時動畫及場景渲染顯示技術(shù)，使仿真結(jié)果更加直觀逼真。本文以面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行建模，利用OpenGL圖形庫和圖形處理技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)可視化仿真系統(tǒng)。通過讀取飛參記錄數(shù)據(jù)，模擬仿真環(huán)境下的實時飛行軌跡，以具有真實感的三維動畫的形式將仿真過程、真實飛參數(shù)據(jù)等實時顯示出來，供飛行操作人員判讀使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

為了滿足復(fù)盤推演訓(xùn)練科目的可視化需求，系統(tǒng)必須實現(xiàn)原始各主要飛參數(shù)據(jù)，航行及自由搏擊過程、眼點可控等二維、三維可視化顯示效果。同時，系統(tǒng)具備可靠、可擴(kuò)展和可移植性等特點，具體需求如下：

（1）要實現(xiàn)飛參數(shù)據(jù)實時驅(qū)動的仿真模型三維動畫顯示。

（2）當(dāng)模型運動時，實現(xiàn)任意視角的切換，使操作人員能根據(jù)需求隨時能觀察各狀態(tài)點的三維視圖及相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的實時二維顯示，包括飛發(fā)信息、姿態(tài)信息、位置、速度及過載等飛行人員需要的主要參數(shù)信息。

（4）要使系統(tǒng)具有能在單對單對抗的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展至一對多或多對多對抗模式的擴(kuò)展性并能移植到任何計算機(jī)上使用。

1.2 系統(tǒng)功能

綜合系統(tǒng)需求，該仿真系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

（1）實時數(shù)據(jù)的仿真功能，通過仿真，實時顯示飛行器的速度、高度、載荷等數(shù)據(jù)，可鍵控顯示飛行器狀態(tài)點的相對方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)和模型的三維視圖。

（2）建立飛行器拖煙三維模型和天地景模型，利用OpenGL圖形處理技術(shù)以動畫的方式顯示出米。

（3）可視化仿真系統(tǒng)的交互功能，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)間交互的功能，根據(jù)研制需求還的實現(xiàn)便捷的人機(jī)交互功能，可對系統(tǒng)運行通過預(yù)前設(shè)置、中途鍵控等方式進(jìn)行調(diào)控，可實時控制仿真過程，使整個仿真過程具有可控性、交互性，實現(xiàn)復(fù)盤推演的研制目的。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.1 系統(tǒng)從功能上來劃分，可以劃分為以下幾個功能模塊：

界面功能和視景顯示控制功能模塊。

系統(tǒng)初始化模塊：完成所有模型的建立和載入，場景的搭建，環(huán)境的渲染等。

數(shù)據(jù)可視化仿真模塊：生成和解析仿真數(shù)據(jù)、驅(qū)動三維模型運動，數(shù)據(jù)管理、控制三維視景和二維數(shù)據(jù)顯示。

人機(jī)交互模塊：鍵盤控制、文字信息、人機(jī)交互界面等。

1.3.2 系統(tǒng)的搭建

因為是對兩個主體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性，系統(tǒng)采用了分布式仿式進(jìn)行搭建，如圖1所示。

圖1中仿真體1、仿真體2分別為雙方飛行器的仿真模型，負(fù)責(zé)飛參數(shù)據(jù)接收、模型構(gòu)建和仿真數(shù)據(jù)生成解析。視景與導(dǎo)調(diào)控制，負(fù)責(zé)圖形數(shù)據(jù)處理及動畫生成，形成二維態(tài)勢和三維態(tài)勢畫面并負(fù)責(zé)視景控制與設(shè)置。

1.4 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)以Visual C++為開發(fā)平臺，以O(shè)penGL繪圖工具進(jìn)行場景和三維視圖創(chuàng)建和渲染，3D StudioMax為建模工具進(jìn)行軟件設(shè)計。

1.4.1 初始化模塊

利用vc軟件中的MFC AppWizard生成應(yīng)用程序框架并進(jìn)行初始化模塊設(shè)計，其中加入OpenGL的連接庫（ OpenGL32.lib、glu32.lib、glaux.lib）并將其頭文件加入到stdafx.h中，利于場景初始化渲染。飛行器模型的初始化是難點，初始化模塊中引入了包含了MS3D模型的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MilkshapeModel類，方便飛行器模型初始化。

1.4.2 數(shù)據(jù)可視化建模與仿真

Open GL是以SGI公司牽頭開發(fā)設(shè)計的跨平臺、共享通用、性能開放穩(wěn)定的三維顯示硬件的軟什接口。Open GL不僅具有功能函數(shù)強(qiáng)大，代碼行少，結(jié)構(gòu)邏輯明晰的特點，而且還封裝了顯示硬件信息，使編程人員不必專門進(jìn)行針對硬件的設(shè)計，節(jié)約了時間和成本、增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本設(shè)計中利用專門的三維模型設(shè)計軟件進(jìn)行飛機(jī)模型設(shè)計，然后利用其軟件集成環(huán)境中的轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成Open GL可以直接使用的Open GL的顯示列表數(shù)據(jù)供仿真系統(tǒng)使用。當(dāng)仿真系統(tǒng)運行時，Open GL的庫函數(shù)調(diào)用顯示列表中數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)飛機(jī)模型的可視化。為了增強(qiáng)實時性，減少圖形繪制帶來的時間延遲，在模型構(gòu)建時只選具有代表性的幾個圖元組合，構(gòu)建出飛機(jī)的三維態(tài)勢模型，減少模型頂點數(shù)和三角形數(shù)，提高繪制速度。

1.4.3 仿真模型的二維和三維動畫的形成

在仿真中，利用Open GL的顯示列表技術(shù)和緩存技術(shù)生成模型的三維動畫和二維數(shù)據(jù)顯示。主要是利用Open GL的平移函數(shù)，生成平移矩陣，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)中位置數(shù)據(jù)的實時輸入仿真模型產(chǎn)生軸向移動；利用Open GL的旋轉(zhuǎn)函數(shù)生成旋轉(zhuǎn)矩陣，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)中的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航角來設(shè)置矩陣中的角度數(shù)據(jù)，飛機(jī)模型產(chǎn)生相應(yīng)方位上的旋轉(zhuǎn)。同樣，仿真體的縮放也是利用Open GL的縮放函數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)矩陣，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模型的放大和縮小的。同時，在仿真過程中，數(shù)值可視化仿真模塊生成飛行器運動數(shù)據(jù)，其中包括飛機(jī)方位、速度、過載、空間位置等數(shù)據(jù)實時在二維態(tài)勢中或隨人機(jī)交互的鍵控點顯示出來。

2 結(jié)語

該系統(tǒng)利用先進(jìn)的仿真技術(shù)和計算機(jī)圖形處理技術(shù)，實現(xiàn)了飛參記錄數(shù)據(jù)的可視化仿真。通過逼真的三維動畫，逼真地展示了空中自由搏擊的場景并通過良好的人機(jī)交互功能實時提供任意觀察點的原始參數(shù)，為飛行操作人員總結(jié)經(jīng)驗，創(chuàng)新戰(zhàn)法，提升戰(zhàn)技水平提供了可靠依據(jù)。

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