中国指挥与控制学会会刊 
飞机模拟器能够模拟飞机执行飞行任务时的飞行状态、飞行环境和飞行条件,为飞行员提供近似真实的操纵负荷、视觉、听觉以及运动感觉,是提高飞行人员飞行训练水平的重要装备。而通过各飞行模拟器间的联网建设,能够实现多台飞机模拟器分别扮演红蓝方进行联网模拟实时空战训练的功能[1]。在飞行模拟器联网建设过程中,视景数据库的建立是非常重要的一个方面,因为不同型号的模拟器一般是由不同厂家生产的,并且每个模拟器单机训练时使用的视景数据库一般是机场周边范围,当进行联网对抗时必须使用统一的包含作战区域的视景数据库来保证模拟对象在空间上的一致性。只有视景数据库中地景和目标模型的坐标系、数据格式等方面的标准统一,才能确保联网训练中仿真数据的有效性。
联网视景数据库能够满足飞行训练所需的窗外视景,为受训人员提供典型地区战场环境场景的空战对抗和对海突击等显示效果,在起降模拟训练时能满足受训人员正确判断滑跑距离、离地高度、下降速度、与跑道相对运动及距离变化等视觉效果的要求。联网视景数据库中不仅包含模型的几何信息,而且还包含纹理、材质信息和灯光、LOD、模板、运动等高级特征。
本文结合具体的工程项目要求,以VegaPrime、Mantis、TerraVista pro、Multigen Creator等视景数据库仿真建模软件为平台,设计了一种联网飞行模拟器的视景数据库实现方法。
1 联网视景数据库设计要求
飞行模拟器在单机训练时使用的地景数据库一般是机场周围400km×400km的场景,满足日常起降等训练的要求,不同机种根据机场位置的不同场景也千差万别,如有的在海南,有的在山东半岛,这些模拟器联网也飞不到一起。因此进行联网对抗训练时必须使用统一配发的包含主要作战区域大地景数据的地景数据库,如南海地区、台海地区等,以保证模拟对象在空间上的一致性满足转场和战术对抗等课目对大地景的需要。
飞行模拟器的联网训练时,首先由总导调台根据训练科目,设置联网作战想定并将其发送给联网系统中参与训练的各个模拟器,同时发送联网训练的控制命令。各个模拟器在收到总导调台发送来的控制命令和作战想定后,能够产生一个统一的三维和二维战场环境。这就要求联网视景数据库的格式必须严格遵守相关的国军标和规范要求,使用通用化、标准化制作方法,并采用成熟的开发工具,减少技术风险。
目前我军使用的飞行模拟器,由于视景系统的软硬件都是采用集中采购的方式实现了标准化和通用化,因此采用统一的地景数据库进行联网训练不存在技术问题。
2 联网视景数据库内容
2.1 地形数据库
地形数据库应包含以下自然和人文特征:树林、草地、山脉、河流、桥梁、公路、铁路、地面特征建筑等,部分特征物应提供三维模型。
为满足不同机种起降、对抗等各种训练任务需要,要求地形数据库应具有多种细节层次(LOD),能够满足不同作战场景下视景分辨率变化的需求,LOD应不少于3级。
为尽可能提高战场逼真度,提高训练效果,地形纹理应采用实地的真彩色遥感影像(航片或卫片)。经研究多家模拟器的数据库后,设置纹理配置:机场跑道中心附近5km×5km区域,纹理分辨率不低于1m/像素;机场跑道中心附近20km×20km区域,纹理分辨率不低于5m/像素;其他区域纹理分辨率不低于15m/像素。该像素条件下能够满足飞行人员的正确判断滑跑距离、离地高度、下降速度、与跑道相对运动及距离变化等视觉效果的要求,过高的像素虽能小幅提高视景效果,但会大幅增加数据量,严重影响仿真进程。
由于联网数据库属于大范围地形数据库,对数据库的数据应采用动态分页调度格式,来保证大地景显示的连续性。
2.2 三维目标模型库
三维目标模型数据库主要包括各类运动目标、军事设施、地面建筑、桥梁、港口、大型发电厂及输配电设施等三维模型等,可分为三大类别:静态模型、动态模型和损毁模型。静态模型应具有不同层次的细节描述,最细一级应保证目标模型的外观、尺寸同真实目标一致,且应具有相应的特征细节,包括纹理描述,能体现目标材质和光照;动态模型能够正确模拟活动目标的运动特征及目标局部的运动特征;损毁模型能正确模拟目标的损毁特征。
2.3 机场模型库
机场模型库是指机场、机场邻近区域及半径为20km~40km范围内高逼真度的地形描述,满足昼/夜间的目视起飞、着陆训练需要,并具备包括某一季节(如冬季)的季节效应模型。在联网训练中飞行模拟器既包括固定翼飞机也包括直升机,因此联网数据库的机场也应包括固定翼机场和直升机机场,本文以固定翼机场为例,简要分析建立机场模型库应包括的内容:机场模型包括机场跑道、滑行道、停机坪的细节描述,其中包含有纹理和地面标记(包括滑行联络道口(等待线)、中心线、着陆区和接地区的标志、跑道上常驻的标记等);机场建筑物包括塔台、机库、候机楼和飞行保障设施等三维模型;机场邻近区域中应包括适当的地形、建筑物和树木等三维模型,以及城镇、公路、桥梁、植被、湖泊、河流等地物特征,且应具有真实地面纹理描述;机场灯光包括有特殊作用的旋转信号灯、目视进场斜率指示灯(简称VASI灯)和进场频闪灯,为跑道保留标志提供照明效果;在机场滑联络道口、进场、接地区、机场边界、滑行道和停机坪等处应具有跑道指示灯,所有灯光的分布和色彩都应参照机场灯光分布图。
机场模型是飞行模拟器使用最多的模型库,机场模型库的精细程度很大程度上会影响飞行员的起降训练效果,因此机场模型在建立前,必须到实地进行拍照记录,找准跑道、塔台、灯光、标志物等的位置关系,力求模型库能最大程度还原机场实际特征,提高飞行人员训练效果。
3 联网视景数据库设计流程
整个联网飞机模拟器的视景数据库采用国际通用的WGS84地球参考模型,以经纬度和高程数据为地理数据交换坐标,其设计开发流程如图1 所示。
3.1 原始资料数据收集
通过采购、调研和实地拍摄等方式,收集以下数据[5]:
不同精度的数字高程数据(覆盖作战区域、机场区域);
不同精度的影像数据(覆盖作战区域、机场区域);
设计图和资料:机场和灯光系统、地面建筑(塔台、机库、候机楼、飞行保障设施、直升机起降平台等);
实拍纹理照片:机场跑道和灯光系统(同上)、地面建筑(同上)、舰船(同上)。
3.2 影像数据处理
利用专业影像处理软件GlobalMapper、ERDAS IMAGINE、Photoshop等工具,针对第一步收集到的影像数据进行去除云雾、投影变换、几何纠正、信息增强、拼接处理、色彩校正、影像信息融合等,处理方式如表1 所示。
表1 影像数字图像处理 |
| 数据源 | 工具软件 | 处理内容 |
|---|---|---|
| 数字高程数据 | GlobalMapper | 投影变换、畸变纠正 |
| 卫星影像 数据 | ERDAS IMAGINE | 投影变换、几何纠正、信息增强、影像信息融合 |
| Photoshop | 去除云雾、拼接处理、色彩校正 | |
| 实拍纹理 照片 | Photoshop | 几何纠正、色彩校正、文件转换 |
3.3 三维地形和地面文化特征生成
基于数字高程数据和高精度卫星照片,通过TerraVista大地景建模软件生成机场区域及半径为5km~10km范围内高逼真度的三维地形模型,同时初步生成并定位机场跑道、建筑物和灯光以及周边区域的建筑物、道路和树木等三维模型[6]。生成流程如图2 所示。
3.4 建立视景三维模型
在TerraVista生成的三维模型基础上,利用Multigen Creator视景仿真建模软件进一步精细建模与场景渲染,生产机场及周边区域的视景三维模型,并带有细节层次(LOD)功能,以固定翼机场为例,应包括的三维模型如表2 所示。
表2 固定翼机场三维模型层次 |
| 总模型 | 分模型 | 子模型 (含LOD) | 面数 (个/子模型) |
|---|---|---|---|
| 固定 翼机 场三 维模 型 | 跑道系统 | 跑道 | 10~50 |
| 滑行道 | 50~150 | ||
| 停机坪 | 10~50 | ||
| 地面标志 | 50~300 | ||
| 拦阻网 | 10~100 | ||
| 建筑物 | 塔台 | 50~500 | |
| 机库 | 20~300 | ||
| 飞行保障中心 | 50~500 | ||
| 地面辅助设施 | 10~200 | ||
| 一般建筑物 | 5~150 | ||
| 运动目标 | 车辆 | 25~500 | |
| 飞机 | 50~1000 | ||
| 灯光系统 | 跑道指示灯 | 10~50 | |
| 滑行道指示灯 | 10~50 | ||
| 中心线指示灯 | 10~50 | ||
| 进场引导灯 | 10~50 | ||
| 植被 | 树木 | 4×N | |
| 三维地形 | 三维地形 | 500~6000 |
3.5 三维地形数据库生成
通过TerraVista软件,调入机场模型,设置文化特征参数和坐标系统,根据不同的需求生成三维地形数据库(txp、flt);通过模型转换软件Celerity将三维地形转换成mnp、vt数据格式。生成流程如图3 所示。
3.6 纹理配置
3.7 模型检验
采用演示的方法进行模型检验,即通过设置相应参数,加载机场模型、舰船模型、三维地形数据库和各类特殊效果模型,运行视景驱动软件,观察显示的模型是否满足有关要求。Mantis软件检验mnp和vt数据格式模型,VegaPrime软件检验txp和flt数据格式模型。
除建模所需的MultiGen Creator、Terra Vista pro等开发软件工具外,为了解决飞机低空飞行及起降时速度和高度感的模拟逼真度问题,结合目前流行的视景仿真建模技术,采用了如下高级建模技术方法:
1)地面细节纹理。为提高飞机地面滑行、起降时的视景仿真逼真度,利用图面可印贴多层纹理的特性,可在跑道、滑行道、停机坪及其周围地区的图像上,在原有最高精度纹理的基础上加一层局部细节纹理,增加地面(水泥面、草地、沙石地等)局部细节的描述。图像文件会根据距离属性,在不同的图像分辨率下显示不同的纹理精度而不用添加任何多余的多边形,如距离30m时显示精度较高的纹理,距离50m时显示精度一般的纹理。
2)动态树。在模拟器空中飞行场景仿真中,对树木的模拟可以采用十字交叉面和树的透明纹理来实现,但在机场附近进行掠地飞行时对场景仿真的要求较高,可以采用动态树的建模技术更逼真地模拟。对树木等模型使用多细节层次建模,是根据视点远近来显示图层的精细程度,逐步增加树木的细节描述,从而很好地解决了树木模拟的逼真度与实时性的平衡问题。
3)不同高度的动态水面。在一般的视景仿真中,动态水面都是在同一高度实现的,这对只单一模拟海面或湖面时没有问题。当需要同时模拟海洋和内陆湖时,或者模拟水坝时,就无法实现了。可以通过在动态水面建模时对水面根据区域特点设置不同的高度属性参数,使视景仿真软件建模时能够读取出水面的高度信息,实现了不同高度的动态水面模拟,从而解决了上述存在的问题。
4)跑道积雨或积雪。为了在视景仿真中更逼真地模拟下雨和下雪的效果,除了模拟天空中飘舞的雨水和雪花外,还应模拟地面的积雨和积雪效果。可以通过在地面建模时设置不同的地面特效属性参数,对面的积雨或积雪属性进行标记,实现跑道及其他区域的积雨或积雪的仿真效果,从而为飞机复杂气象飞行模拟奠定基础。
4 结束语
本文介绍了一种联网飞机模拟器视景数据库设计实现方法。根据联网视景数据库的功能要求,按资料数据收集、影响数据处理、三维地形和地面文化特征生成、建立机场三维模型、地形数据库生成、纹理配置、模型检验的流程对联网视景数据库进行了设计,并对其中关键的建模技术进行了研究。按此方法设计的联网视景数据库经过工程项目试验,满足飞机模拟器的联网对抗训练的特定功能和性能的要求,具有较高的逼真度和可信度,可为更高技术精度要求的视景数据库开发作为支撑。