基于實(shí)景三維建模的直升機(jī)飛行模擬器視景數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：V271;E917 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn. 1673-3819.2025.05.019

Abstract：Aimingattheproblemthatthe visualsystemofhelicopterflightsimulatorrequires highfidelityandresolutionof ground object models，basedontheanalysisof theconceptandadvantagesof3Dreal scene modeling，this paperstudies the developmentandapplication processof the visual terraindatabaseof tilt photographyreal scene model，analyzes the key technologies suchas tiltphotography3Dmodeling，large scene3Dmodelorganizationandscheduling，andverifiestheapplication with actualcases.Theapplicationresultsshowthatthereal-time 3Dmodeling can efectivelysolvethe problemof rapiddevelopmentofhigh-resolutionandhighfidelitydatabaseforhelicopterflightsimulatorvisualsimulation，andbettrmeet the application requirements.

Key words：helicopter simulator；visual system；realistic 3D modeling；oblique photography；terrain database

直升機(jī)飛行模擬器能夠以高效費(fèi)比提升飛行操縱、戰(zhàn)場(chǎng)感知和險(xiǎn)情處置等能力[]，其中，視景仿真系統(tǒng)是直升機(jī)飛行模擬器的重要模塊。相較于其他飛行器，直升機(jī)飛行速度慢、高度低，且特殊的戰(zhàn)術(shù)性能，使其具備貼地飛行、低空突防和懸停等功能，導(dǎo)致直升機(jī)駕駛員視角范圍小，因此，直升機(jī)視景仿真系統(tǒng)對(duì)地形的細(xì)節(jié)表達(dá)和實(shí)時(shí)渲染要求更高、對(duì)紋理的分辨率和逼真度要求更高。基于傳統(tǒng)高分辨率衛(wèi)星影像的2.5維地形仿真技術(shù)已不能滿足直升機(jī)模擬器視景仿真對(duì)高逼真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需求[2]

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和圖像三維重建技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的實(shí)景三維建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用于游戲電影制作、智慧城市構(gòu)建、應(yīng)急救援測(cè)繪和軍事模擬訓(xùn)練領(lǐng)域[3-4]。本文采用實(shí)景三維建模技術(shù)構(gòu)建直升機(jī)飛行模擬器地形數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)分頁(yè)調(diào)度和實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，解決直升機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)對(duì)模型逼真度和紋理分辨率要求高等問(wèn)題。

1實(shí)景三維建模概念及優(yōu)點(diǎn)

實(shí)景三維建模是一項(xiàng)實(shí)景還原技術(shù)，通過(guò)相機(jī)、無(wú)人機(jī)或激光雷達(dá)等設(shè)備從多個(gè)角度采集物體影像或表面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等算法快速構(gòu)建地物的逼真實(shí)景三維模型。當(dāng)前，實(shí)景三維建模技術(shù)主要有傾斜攝影測(cè)量、激光掃描和單體建模等3種。隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法的發(fā)展，使得大場(chǎng)景、高逼真和高幀率的三維模型自動(dòng)構(gòu)建和渲染成為可能，本文研究的實(shí)景三維建模技術(shù)主要以傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為主。

相較于傳統(tǒng)三維建模技術(shù)，實(shí)景三維建模有以下3個(gè)特點(diǎn)：一是沉浸體驗(yàn)更強(qiáng)。該技術(shù)通過(guò)圖形學(xué)算法或激光掃描技術(shù)獲取物體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)景圖像紋理映射，最大限度渲染還原真實(shí)物體景況，較傳統(tǒng)2.5維的模型逼真度更高；二是構(gòu)建速度更快。該技術(shù)在圖像或激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取后，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)特征提取、自動(dòng)匹配、網(wǎng)格構(gòu)建、紋理映射等算法，全自動(dòng)一站式解決大場(chǎng)景城市三維模型自動(dòng)生成問(wèn)題，較傳統(tǒng)手工單體建模速度更快；三是項(xiàng)目開(kāi)支更小。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)影像獲取成本低廉，傳統(tǒng)建模需花費(fèi)較多人力進(jìn)行外業(yè)拍攝并進(jìn)行手動(dòng)建模和紋理映射。

2視景數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用流程

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建直升機(jī)模擬器視景地形數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用系統(tǒng)主要有4個(gè)步驟，即項(xiàng)目準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、實(shí)景建模和渲染調(diào)度，如圖1所示。

圖1基于傾斜攝影實(shí)景模型的視景地形數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用流程圖

ig.1Developmentandapplication flow chart of visual terraindatabase based onoblique photographic realistic model

2.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

項(xiàng)目準(zhǔn)備主要有3個(gè)步驟。一是資料研究。針對(duì)直升機(jī)飛行訓(xùn)練目的和特點(diǎn)，通過(guò)圖上作業(yè)方式，確定城區(qū)、丘陵、平原等場(chǎng)景的無(wú)人機(jī)傾斜攝影區(qū)域及模型分辨率。二是現(xiàn)地勘察。收集任務(wù)區(qū)域周圍地形、主要設(shè)施和地上物體分布等信息，用于確定無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)、飛行高度和航線方式等。三是制定攝影飛行計(jì)劃。在上述兩步的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確無(wú)人機(jī)機(jī)型、任務(wù)和目標(biāo)、任務(wù)區(qū)域幅員邊界、無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)、航向和旁向重疊度、飛行速度、高度和拍攝間隔等信息。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要有4個(gè)步驟。一是無(wú)人機(jī)組裝及試飛。飛手按照規(guī)范組裝好事先選定的無(wú)人機(jī)，檢查傾斜相機(jī)模組、圖傳數(shù)據(jù)鏈路、飛行控制參數(shù)等，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的飛行性能測(cè)試；二是無(wú)人機(jī)航線設(shè)置。根據(jù)項(xiàng)目準(zhǔn)備階段確定的建模區(qū)域和航線方式，通過(guò)無(wú)人機(jī)自帶的飛控軟件或商業(yè)軟件進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，重點(diǎn)確定飛行高度、飛行速度、航向重疊度、旁向重疊度、拍攝間隔時(shí)間等參數(shù)。三是飛行任務(wù)執(zhí)行。飛手按照設(shè)定的飛行參數(shù)起飛無(wú)人機(jī)，獲取圖像信息和對(duì)應(yīng)的POS姿態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)圖傳界面查看無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)等信息；四是數(shù)據(jù)檢查。飛行結(jié)束后，檢查拍攝圖像是否覆蓋整個(gè)區(qū)域且圖像是否清晰，否則視情況進(jìn)行補(bǔ)拍。

2.3 實(shí)景建模

實(shí)景建模主要有5個(gè)步驟。

一是數(shù)據(jù)預(yù)處理。將無(wú)人機(jī)記錄的GNSS位置與IMU姿態(tài)角作為每張影像的外方位元素，并對(duì)傾斜攝影鏡頭的徑向和切向畸變進(jìn)行參數(shù)化校正，以提升后續(xù)特征匹配精度。

二是特征提取與匹配。采用SIFT和SURF等算法提取影像角點(diǎn)與紋理特征，采用歐氏距離度量特征描述子；通過(guò)RANSAC算法剔除誤匹配，得到相鄰相片的同名像點(diǎn)。

三是空中三角加密。通過(guò)光束法區(qū)域網(wǎng)平差與高精度POS數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)。基于共線條件方程建立影像像點(diǎn)與物方點(diǎn)的幾何關(guān)系，將每張相片的外方位元素與加密的物方坐標(biāo) （X，Y，Z） 作為未知數(shù)聯(lián)合計(jì)算，公式如下：

其中， （X_s，Y_s，Z_s） 為攝點(diǎn)坐標(biāo) ，a_i，b_i，c_i 為外方位元素旋轉(zhuǎn)矩陣， （x，y） 為同名點(diǎn)像方坐標(biāo) ， 為焦距。采用最小二乘法構(gòu)建誤差方程，迭代優(yōu)化外方位元素與加密點(diǎn)坐標(biāo)，直至殘差收斂，求得稠密點(diǎn)云物方坐標(biāo)。

四是網(wǎng)格自動(dòng)構(gòu)建。采用Poisson泊松算法或三維Delaunay算法等對(duì)物體表面密集三維點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格剖分，構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，生成物體表面白模

五是紋理自動(dòng)映射。在上述對(duì)影像進(jìn)行畸變校正的基礎(chǔ)上，通過(guò)物方點(diǎn)、投影中心與像點(diǎn)三點(diǎn)共線關(guān)系，計(jì)算白模三角面片與對(duì)應(yīng)影像的紋理映射區(qū)域，對(duì)同一三角面片匹配的多張影像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，優(yōu)選分辨率高、遮擋少的影像作為主紋理源，生成二維紋理空間和三維紋理空間的映射關(guān)系。

2.4 渲染調(diào)度

渲染調(diào)度主要有3個(gè)步驟。一是全球地理數(shù)據(jù)構(gòu)建。本文使用開(kāi)源三維數(shù)字地球引擎庫(kù)osgEarth搭建全球地理信息底座，實(shí)現(xiàn)全球地理信息數(shù)據(jù)漫游檢索。二是實(shí)景三維模型組織。綜合考慮建模區(qū)域大小和模型分辨率，對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行分塊點(diǎn)云重建，利用四叉樹(shù)算法對(duì)分塊模型進(jìn)行分頁(yè)LOD數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)。三是視景仿真實(shí)時(shí)調(diào)度。將傾斜攝影實(shí)景模型加人數(shù)字地球葉節(jié)點(diǎn)，并將視點(diǎn)重置為直升機(jī)駕駛員視角，結(jié)合飛行操縱實(shí)現(xiàn)直升機(jī)模擬器視景系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1傾斜攝影三維建模技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)通過(guò)下視、前視、后視、左視和右視5個(gè)鏡頭獲取地物具有一定重疊度的傾斜影像，經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量、點(diǎn)云網(wǎng)格生成和紋理自動(dòng)映射等步驟，生成地物逼真的三維模型，流程圖如圖2所示。

圖2傾斜攝影三維建模流程

Fig.2Oblique photography 3d modeling process

3.1.1 空三加密

該步驟是傾斜攝影模型重建的核心步驟，將重建出物體表面的稠密點(diǎn)云[5]。首先，對(duì)原始圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，利用ASIFT等算法對(duì)特征描述子進(jìn)行同名像點(diǎn)匹配[；其次，結(jié)合相片的POS信息使用光束法區(qū)域平差算法恢復(fù)出相片的外方位元素；最后，根據(jù)同名像點(diǎn)反算出物體表面稠密點(diǎn)云位置信息。

3.1.2 稠密點(diǎn)云網(wǎng)格重建

上述方法生成的稠密點(diǎn)云常帶有各種噪聲數(shù)據(jù)，基于城市建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文使用一種基于平面結(jié)構(gòu)特征的點(diǎn)云網(wǎng)格生成方法[7]。首先利用隨機(jī)采樣一致性（RANSAC）算法提取場(chǎng)景中的平面結(jié)構(gòu)，將原始稠密點(diǎn)云結(jié)構(gòu)化為屬于一個(gè)平面的平面點(diǎn)、兩個(gè)平面相交的折點(diǎn)、三個(gè)平面以上相交的角點(diǎn)和散亂點(diǎn)共4類；然后利用三維Delaunay對(duì)結(jié)構(gòu)化后的點(diǎn)云進(jìn)行空間四面體剖分；最后使用最小割優(yōu)化算法，對(duì)剖分結(jié)果進(jìn)行表面提取，重建出稠密點(diǎn)云的TIN三角網(wǎng)模型。

3. 1.3 模型紋理自動(dòng)映射

網(wǎng)格模型三角面片在多張初始圖像中都有紋理與之相對(duì)應(yīng)，可利用馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)等優(yōu)化算法，根據(jù)面片與初始圖片角度關(guān)系、圖片質(zhì)量等約束條件求解每個(gè)三角面片對(duì)應(yīng)的最優(yōu)紋理塊并生成紋理映射集[8]，最后對(duì)相鄰紋理塊因光照等原因造成的“拼接感”問(wèn)題，利用泊松編輯算法進(jìn)行勻色處理。

3.2大場(chǎng)景實(shí)景三維模型組織與調(diào)度技術(shù)

實(shí)景三維模型網(wǎng)格數(shù)量大、紋理細(xì)節(jié)高，海量圖形圖像數(shù)據(jù)同時(shí)加載進(jìn)內(nèi)存并在顯卡中渲染對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出極高要求，需要對(duì)大場(chǎng)景實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)組織和實(shí)時(shí)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。基于四叉樹(shù)的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)組織如圖3所示。

圖3基于四叉樹(shù)的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)組織Fig.3Data organization of realistic modelbasedon quadtrees

3.2.1稠密點(diǎn)云分塊生成

分塊的目的是將大范圍的點(diǎn)云重建分割成面積相等或點(diǎn)云數(shù)量相等的若干塊，對(duì)每塊使用PMVS[9算法進(jìn)行稠密點(diǎn)云生成。首先，根據(jù)計(jì)算機(jī)性能和重建區(qū)域地幅大小對(duì)重建區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)量相等大小劃分，為避免最終重建的網(wǎng)格模型每個(gè)塊之間出現(xiàn)裂縫，采取每塊網(wǎng)格向外擴(kuò)展一定比例的裙邊；其次，根據(jù)相機(jī)POS數(shù)據(jù)和圖片外方位元素求解聚類出每塊網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的圖片；最后，利用PMVS算法生成每個(gè)分塊網(wǎng)格的稠密點(diǎn)云。

3.2.2 網(wǎng)格模型剖分與接邊處理

本文對(duì)每塊稠密點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射后，需要對(duì)三維模型進(jìn)行多分辨率的LOD構(gòu)建，以滿足仿真模型的實(shí)時(shí)調(diào)度與渲染。首先，利用四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)每塊網(wǎng)格模型進(jìn)行縱向遞歸剖分；其次，為解決相鄰層級(jí)模型在接邊處因頂點(diǎn)數(shù)量不同導(dǎo)致裂縫問(wèn)題，在四叉樹(shù)剖分時(shí)，邊界處向兩邊各擴(kuò)展等距離寬度形成窄帶邊約束，從而改進(jìn)QEM邊塌陷的網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法[10]，使相鄰分辨率網(wǎng)格模型在邊界處頂點(diǎn)位置和高程相同，完美解決接邊裂縫問(wèn)題;最后，使用OpenSceneGraph開(kāi)源渲染引擎定義的 osgb 模型格式組織多分辨率LOD三維模型。

3.2.3 視點(diǎn)相關(guān)的模型LOD動(dòng)態(tài)調(diào)度

在LOD模型中，算法可以根據(jù)視線在景物表面停留的時(shí)間、視線的方向、目標(biāo)距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近以及觀察目標(biāo)在畫面上投影區(qū)域的大小等因素決定物體所要選擇的細(xì)節(jié)層次。本文使用OpenSceneGraph渲染引擎將重建的每塊網(wǎng)格紋理模型掛載在根節(jié)點(diǎn)下，每塊網(wǎng)格模型作為PageLOD分頁(yè)葉節(jié)點(diǎn)，渲染時(shí)，根據(jù)視點(diǎn)與模型的距離關(guān)系，通過(guò)I/O自動(dòng)從外界存儲(chǔ)設(shè)備中加載相應(yīng)層級(jí)分辨率的網(wǎng)格模型進(jìn)行繪制，或者從內(nèi)存中卸載模型。

4 應(yīng)用案例

4.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用大疆精靈4，掛載1個(gè)FC6310R相機(jī)，利用Rainbow商業(yè)飛控軟件控制相機(jī)云臺(tái)從左、右、前、后、垂直五個(gè)方向?qū)Τ菂^(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省慈溪市福源村，面積約1.3km² ，包括房屋、稻田、植被、水系、高架橋等地物。無(wú)人機(jī)采用交叉“Z字形”條帶狀航線，飛行高度約120米，航向重疊度為 70% ，旁向重疊度為 65% ，共獲取相片2250張，大小共計(jì)約3.5G，如圖4所示。

圖4無(wú)人機(jī)影像采集航線規(guī)劃情況 Fig.4UAV image acquisition route planning situation

4.2 仿真效果

對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的傾斜攝影相片進(jìn)行空中三角測(cè)量，恢復(fù)出相機(jī)外方位元素并得到稀疏點(diǎn)云，如圖5（a）所示。根據(jù)地物模型三角網(wǎng)格精細(xì)程度，按照點(diǎn)云數(shù)量等大小劃分瓦片進(jìn)行分塊稠密點(diǎn)云生成，共劃分280塊瓦片，如圖5（b）所示。對(duì)稠密點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格重建生成TIN三角網(wǎng)，并利用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分頁(yè)LOD組織和調(diào)度，網(wǎng)格模型如圖5（c）所示。對(duì)模型進(jìn)行紋理映射后整體模型如圖5（d）所示。

圖5傾斜攝影實(shí)景建模效果圖 Fig.5Oblique photography modeling rendering

本文使用osgEarth數(shù)字地球開(kāi)源引擎搭設(shè)全球地理信息基礎(chǔ)環(huán)境，將第一人稱視角置于某型直升機(jī)模型駕駛艙內(nèi)，借助三屏顯示系統(tǒng)展示效果如6（a）圖所示。

（a）基于實(shí)景三維建模的視景仿真效果

圖6直升機(jī)模擬器視景仿真效果

Fig.6Visual simulationeffectof helicopter simulator

圖6（b）為傳統(tǒng)模板建模的直升機(jī)視景仿真效果。可以看到，基于實(shí)景三維建模的仿真場(chǎng)景能夠逼真還原建筑原貌、光照陰影等，較傳統(tǒng)建模方法效果更好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)飛行模擬器視景仿真地形數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，研究了視景地形數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用流程，重點(diǎn)分析傾斜攝影三維自動(dòng)建模和模型分頁(yè)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，并以某郊區(qū)為例，完成某型直升機(jī)模擬器視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。應(yīng)用效果表明：該系統(tǒng)能夠逼真展示城市大場(chǎng)景中直升機(jī)訓(xùn)練飛行環(huán)境，滿足直升機(jī)駕駛?cè)藛T訓(xùn)練需求。

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（責(zé)任編輯：胡前進(jìn)）