一種三通道球帶幕視景系統的開發

周章勇

摘要：飛行仿真試驗環境要求提供大視場角、高實時性的視景系統。在分析飛控系統要求的基礎上，提出了一種三通道球帶幕視景系統的開發方案，并對其進行了數字模擬與分析，最后對其性能指標進行了驗證，結果表明該視景系統具有視場角大和高實時性等特點，能夠滿足飛控系統試驗環境的要求。

關鍵詞：三通道;球帶幕;視景

飛行仿真環境所用的視景系統主要用于控制、顯示地景圖像和聲音信息，逼真地模擬飛行員在機場和空中看到的地理圖像信息、飛機產生的聲音和外部環境音，使飛行員有身臨其境的感覺，是飛行模擬的基礎。

20世紀末以來，國內一些研究機構和學術組織開展了許多關于視景系統算法與應用的研究工作，提出了動態地形可視化^[1]、交互式幾何校正等算法技術^[2]，并在指揮引導編隊協同對海作戰系統建模與仿真^[3]、武器模擬訓練系統^[4]、飛行可視化仿真^[5]等方面獲得了應用，這些研究工作顯著提升了我國在視景系統方面的水平。

在飛行控制系統的仿真環境建設中，需為開發人員提供飛行器各飛行階段的內部和外部信息，因此，開發一套高性能、高品質并能夠滿足試飛試驗各階段的外視景多通道視景系統，具有特殊的意義和重要性。本文在上述研究工作的基礎上，結合某飛行控制系統型號研制工作需要，開發了三通道球帶幕視景系統，具有視場角大、實時性高等特點。

1總體設計思路

該視景系統由圖像生成系統、顯示系統、音響系統三個子系統組成。圖像生成系統負責接收外部傳遞的飛行數據、聲音控制數據和試驗管理數據，并向外發送地景庫數據;根據接收到的數據信息，傳遞聲音控制數據和調用地景庫的圖像數據，將其分別發送到音響系統和顯示系統。顯示系統接收圖像數據信號，將數字信號轉換為光信號，以光的形式將圖像信息投放到球幕上，球幕負責顯示圖像信息，將圖像直觀地顯示給飛行員，球形屏幕使圖像更具有縱深感和真實感。音響系統接收聲音控制數據，進行聲音的響應。視景系統示意圖見圖1。

三通道球帶幕視景系統是模擬器的一個獨立運行分系統，與飛控模擬器的其他分系統只進行數據交換，要求具有實時性、流暢性、清晰性。為保證系統的實時性，對外通信采用共享內存方式的實時網通信協議，內部采用UDP以太網通信協議;為保證系統的流暢性，利用較優的地景數據庫管理軟件，并設計合理的系統架構;為保證系統成像的清晰性，采用高對比度、高亮投影儀，并選擇合適的地景數據庫。

2系統的組成和主要要求

2.1顯示系統

采用三通道的正投球帶幕，技術指標要求如表1所示。

1）顯示系統結構說明

球幕半徑和視場角的選取是根據系統的使用需求和安放現場的實際情況得出的;為保證視場角的大小要求，在設計時留出余量，水平設計200。的成像面范圍;為保證球幕的亮度、分辨率等要求，投影儀選用Projection Design公司高對比度的F32型投影儀，還在成像面處噴涂光學材料，增強成像效果，控制幕的增益在0.8左右;球幕表面精度的控制是影響成像的關鍵指標，球幕表面不均勻會使光路形成光程差，導致成像畫面的變形，為保證成像質量，控制球幕表面精度在5mm范圍之內。

2）球帶幕

球帶幕采取分瓣設計，然后拼接組裝在一起形成整體結構，便于加工和運輸。

為保證安裝連接后的球帶幕結構質量，所有球瓣的豎向連接縫與水平拼縫間呈丁字布局;為避免成像球幕長期使用后在拼縫處出現裂紋，在球瓣內表面四周預留寬20mm、深0.5mm的凹槽，待拼裝完成后，再以預浸玻璃布和環氧樹脂填充并打磨至與內表面齊平，成型后的球幕外形結構如圖2所示。

3）投影儀位置布局

以投影儀鏡頭中心為參照，在高于地面3.3m，球幕旋轉軸后部R=600mm的圓內均布3臺投影儀，夾角為56°且向下傾斜11°。總體布局示意也如圖2所示。

4）眼點位設計

考慮最佳的視覺效果，將眼點位放置在球心處，為滿足在眼點位的視場角要求，設計的顯示系統光路如圖3所示。在眼點處垂直視場角為上25°下20°，水平視場角向兩邊各90°。

2.2圖像生成系統

圖像生成系統采用PC計算機架構，由3臺圖形渲染計算機和一臺圖形控制計算機組成。圖形渲染計算機完成地形數據庫可視化渲染、亮度融合及邊緣變形等工作;視景控制計算機則負責與用戶應用程序的數據通信并控制渲染計算機。系統結構如圖4所示。

1）圖像生成系統中的軟件

圖像生成系統中的軟件包括圖像渲染控制軟件、融合矯正軟件和用戶接口軟件。

該系統運行的圖像渲染控制軟件是Presagis公司的視景管理軟件VegaPrime5.0（VP5）。Vega Prime提供跨平臺、可擴展的開發環境，可高效創建和配置視景仿真、城市仿真、基于仿真的訓練、通用可視化應用。

融合矯正軟件用于融合多通道顯示重疊區域的圖像及非線性面的圖像矯正的軟件。該軟件運行在數據管理系統的圖像渲染計算機中，不需要增加額外的硬件，也不需要用戶修改任何源代碼。采用了最新的GPU技術，具有高效、穩定、調試方便、兼容性強等特點，已廣泛應用于模擬仿真、虛擬現實、城市規劃、虛擬制造等領域。

在主控計算機上運行用戶接口程序，一方面基于VMIC形式通信接口，實時接收飛行程序發送給視景計算機的視點六自由度位置數據、聲音控制數據等，并實時返回當前視點的DEM數據，滿足實時性的要求;另一方面基于以太網通信接口，與試驗管理系統進行通信，實現對視景的管理控制，如可控制視景中的時間、天氣、特殊效果等狀態。用戶接口軟件還包含以下功能：

a.狀態監控、故障診斷;

b.數據記錄、回放;

c.設置自然環境里的時間變化、天氣變化、云量變化及其變化等級;

d.設置機場及其周邊的燈光效果;

e.設置由大氣條件所引起的能見度（霧）效應;

f設置云彩、云量、云的濃度和云中能見度等氣候特征，可進行云頂高、云底高、云厚等參數以及增量的設置，能模擬三維云效果;

g.設置多種動畫特殊效果，如爆炸、煙、火、尾跡等;

h.設置海洋效果、海浪效果、艦船航跡;

i.中央通道視景能接收并疊加顯示屏畫面，并能選擇關閉。

2）數據管理系統

數據管理系統是圖像生成系統的數據管理系統，負責與外界的實時通信、數據管理、地景庫數據驅動、圖像信息處理等。在計算方面，CPU主要負責系統的管理、硬盤數據的儲存及讀取、通信數據的計算傳輸等，其計算速度要求越快越好;GPU負責圖形圖像數據的處理，其三角面處理能力越高越好。在存儲方面，內存負責存儲系統運行數據及應用程序運行數據，內存使用率不應超過40%，并保持其存儲性能;硬盤負責存儲永久數據，包括地景庫數據、系統數據、應用程序數據等，其使用率不應超過80%，以保證硬盤數據的讀寫速度。

3）視景數據庫

視景數據庫建立某機型飛機三維模型和活動目標模型，加載到地景數據庫中，模仿飛機日常的訓練任務，包括地景數據庫和活動目標庫。

地景數據庫選用南京及周邊的地理圖像信息，地景庫為飛行仿真提供地理信息環境。對模擬仿真來說，地理信息環境越詳細越好，但對數據庫來說，地理信息越詳細其數據量越大，計算機計算的數據量是有限的，因此，要對地景庫進行合理的設計。針對要模擬的地理信息環境及模擬仿真完成的任務，飛行區域選用500km×500km區域空間，機場及周邊（5km×5km）應滿足飛機的起飛、降落等，設定其分辨率為0.6m/像素，機場周邊（30km×30km）設定其分辨率為5m/像素，其余區域滿足遠視要求即可，分辨率為15m/像素。在飛機到達空間邊界時，程序實現某區域空間地景庫的重復調用，始終保持視景的顯示，避免視景邊界現象的出現。

2.3音響系統的詳細設計

音響系統控制著視景中的聲音響應，可模擬飛行人員在艙內能聽到聲音的近似位置、頻率和振幅，并采用5.1聲道音響。模擬的聲音主要有飛機發動機聲音、環境噪聲、起落架警告音和操作告警音、無線電雜波、接地、滑跑等。

音響系統為視景系統的聲音模擬系統，與數據管理系統的主控計算機進行通信，響應主控計算機發出的聲音指令。

音響系統的硬件主要包括音響計算機、USB聲卡、音箱功放、音箱等，其結構關系如圖5所示。

音響系統的布局如圖6所示。音響系統計算機、USB聲卡及功放等放置在視景系統的機柜中;音箱共有6個，布局在座艙的周圍，座艙的正前端放置兩個音響，左前方、右前方、左后方、右后方分別放置其余音箱，形成對座艙的環繞。

3視景系統的對外通信接口

視景系統的對外通信包括兩個部分，一是基于共享內存形式的反射內存卡的通信，連接到飛行仿真系統;二是基于UDP協議的以太網通信，連接到試驗管理系統。

UDP通信以結構體變量的形式進行數據的傳遞，其主要代碼如下：

int receive fromIGRl_udp（ char* pData）;

//接受網絡數據，pData為接受數據的結構體指針

int send_udp（ char*pData）;

//發送本地視景數據，pData為發送數據的指針

4設計計算和使用驗證

4.1模擬計算

按照球帶幕、眼點位要求和投影儀布局方案，在3D Perception CompactDe signer軟件中進行模擬，結果如下。

圖像覆蓋范圍的模擬示意結果如圖7所示，為水平180°、垂直45°的整個球帶，各通道的圖像范圍有部分重疊，用于融合區的融合調試及圖像的無縫顯示。

顯示系統亮度分布結果如圖8所示，在球幕增益為0.8、球幕半徑4m、投影儀實際亮度6500流明的情況下，計算結果顯示亮度分布可達21英尺朗伯左右。

顯示系統分辨率分布如圖9所示，在當前的光路設計條件下，分辨率在2.5～3弧分/像素。

4.2使用驗證

該項目在2016年投入使用并完善，經實際測量，該球帶幕視景系統的技術指標達成情況如表2所示。

經使用評估，該視景系統視場角大，系統成像延遲小，實時性好。

5結束語

該視景系統滿足了飛控系統地面仿真試驗需要，使試驗人員能夠身臨其境地體驗到飛行試驗中的數據及場景，可以提前發現并及時完善系統中問題和不足，有效節省了研發的時間和成本。

參考文獻

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