飞行模拟器视景仿真毕设论文

飞行模拟器视景仿真毕设论文内容摘要：

件结构清晰，不仅容易设计，而且容易阅读和理解。 模型构造模块设计 虚拟场景中的模型构造是一个直接关系场景逼真度的至关重要的环节，是直接展示给用户观察的，整个场景中的模 型构造主要有飞机模型、地形模型和机场模型。 1) 飞机模型 飞机模型是模型中的核心部分，整个系统都是围绕着该模型，为了增加场景的真实感 除了飞机本体的建模外，还需从本体中划分出舵面和座舱模块，在仿真时用户能实实在在的看见飞机舵面的转动。 座舱模块主要在视点切换到座舱时使用，为了模拟真实的座舱效果，座舱内应包含飞机一些主要的标准仪表并能驱动其正确的指示飞 行数据。 2) 地形模型 飞机飞行的环境是多种多样的，本系统为了模拟各种地形条件下的飞行效果，建立了包含平原、山地、海洋等典型特征的地形模型地形中包含了一 块平地供飞机起飞和着陆。 3) 机场模型 机场模型主要包括跑道和机场附属物，跑道是系统中一个很重要的环节，对飞机来说起飞着陆是最需要关注的阶段，也是最容易出问题的阶段。 在这阶段中，飞机都需要与跑道打交道。 本系统中，机场的附属物主要是增强真实感的作用，包括房子、树等一些模型。 上述的所有模型在本文中都采用了 Creator 的建模工具创建而成，或者采用 Creator 建模工具转换其它三维软件创建的模型的格式而成。 界面设计 一个有良好风格和美观大方的界面对软件是必不可少的，界面能为用户提供良好的交互方法。 根据系统软 件结构，本文的界面可分为系统的启动界面和用于提供与用户交互的交互界面。 启动界面是展示系统运行前所进行的一些加载动作，系统在运行前会首先启动 Vega Prime 并加载 ACF 文件其中在加载 ACF 文件后会的配置过程中会 自动将 ACF 文件转换成 C++代码并加载系统运行过程中所需要的三维模型，所以这部分过程相对而言会很慢，尤其在遇到电脑配置不算好的电脑时，用户会错误的判断程序导致了死机，这样就需要一个启动界面的展示这个过程，界面上会将整个系统加载资源的过程展示给用户。 这样不仅避免了用户的错误判断，而且还能起到美化 的作用。 交互界面是系统与用户交互的载体。 交互界面上存在着大量的用来控制系统运行的按钮控件，交互界面是时时的展现在用户的面前，这就要求交互界面要美观而且还易于用户操作。 飞行仿真场景模块设计 飞行仿真场景主要是指飞行仿真时观察到的景象以及相应的仿真环境。 仿真环境主要包括虚拟场景中辅助显示以及场景控制，这部分是整个系统的核心，这部分的好坏直接关系的视景仿真的效果。 根据视景仿真过程中的设计要求可将飞行仿真场景的需求分成视点模块，交互控制模块，仿真效果模块和飞机飞行信息显示模块。 1) 视点模块 视点指在仿 真过程中观察飞机飞行状态的方式。 为了对飞行状态有更深的了解，比如飞行姿态和舵面偏转做实时的观察，用户需要能从不同时刻对飞机各个角度或者在同一时刻对飞机各个角度进行观察，为此可在系统中设计了两种观察方法例如多视点和多通道，多视点是指对同一个通道的观察位置进行改变，而多通道是指对飞机同时通过多个通道进行观察，每个通道的视点位置不同。 当用户对系统定义的典型视点不满意时可以通过键盘进行调节以期达到最佳的观察位置，在多视点中设置了座舱内的视点，以满足真实的驾驶仿真需要。 这时视点处在座舱中，通过座舱模型中的玻璃模型往外 看座舱模型中仪表如平显、高度表、速度表等应按照飞机飞行的实际数据显示。 2) 交互控制模块 交互控制功能是任何虚拟现实系统中所具备的一个最基本的功能。 它是操纵者与系统之间打交道的唯一通道，它包括了人与计算机之间的交互控制，用户可以通过输入设备以执行者的身份控制虚拟场景。 在本系统中为了让用户更好的与虚拟场景实现交互 可利用已有的输入设备键盘和鼠标等对场景控制，将来也可以利用外接设备如摇杆等控制场景中的飞机的飞行。 在本虚拟系统中，交互控制可以让用户通过界面中的按钮等控件控制和选择所需要的虚拟场景运行方式， 也可以直接通过键盘对虚拟场景进行控制，如视点的移动。 3) 仿真效果模块 仿真效果是视景仿真系统逼真度的体现，系统中的仿真效果主要有航迹云效果，飞机起飞和着陆时与跑道之间的碰撞检测以及在飞行过程中与地形之间的碰撞检测和仿真时天气的选择等。 航迹云的效果是指飞机飞过后在空中所留下的云雾效果，系统中利用粒子系统生成了航迹云的效果。 航迹显示是飞行模拟仿真中必不可少的一个部分，通过航迹可以看出飞机飞行的具体位置，也可以看出飞机是否按照所设计的飞行路径在飞行。 为了真实反映飞机在飞行中的过程，碰撞检测是一个很 重要的方面，系统在飞机飞行过程中和飞机起飞着陆时都使用了碰撞检测。 在飞行过程中，是为了检测飞机是 否撞到了虚拟场景中的物体，而在起飞着陆时则显得复杂些，在起飞时需要考虑的是飞机是否冲出了跑道，着陆时飞机与跑道之间肯定要发生碰撞，这时需要判断是否是正常的碰撞，在碰撞时需要粒子系统来模拟碰撞效果。 飞机可以在各种天气条件下飞行，同样系统也支持天气系统的选择以模拟各种天气状况下的飞行仿真。 4) 飞机飞行信息显示模块 在仿真过程中，实时的显示一些重要的飞行数据或者对仿真过程中对飞行过程或对多窗口的显示进行一些说 明是必要的。 系统设计了两种显示飞行状态的方式直接在仿真画面上通过数据显示和通过平显的方式显示。 系统结合实际的需要，定义了飞机的六自由度和速度这七个参数被显示出来，这七个数据也是飞机中最为被关心的部分，将这七个数据显示在视景图像的左上端 这样观察者就可以通过图像和数据一起观察飞机的状态更具直观性。 平显是将飞行参数以图形化方式显示能让用户更直接的观察飞行参数以及时刻掌握飞机的动态信息以便做出各种有利于飞机飞行的决策，所以平显是飞行仿真系统不可缺少的部分根据实际的需要平显显示了俯仰角、滚转角、偏航角、速度、高度 、升降舵、方向舵、副翼舵等七个重要的信息，这里的平显与仪表中的平显有所不同，这里的平显是通过 OpenGL 直接在仿真的，通道上直接绘制而成，而仪表中的平显是通过平显仪表的方式表示出来，由于时间和技术的原因，这一部分并未在系统中实现，为后续能力提高之作。 四个模块就能很好的将飞机的视景仿真图像展示在用户眼前，能使用户有身临其境的感觉，且有很高的逼真度。 3 视景仿真建模技术 飞行模拟器视景仿真系统模块结构的分析，确定了本系统中需要建模的视景模型。 本章首先介绍了飞机模型的构造过程和模型格式转换过程，并讲述了利用 Creator对飞机仪表和大面积地形的可视化建模。 在大面积地形建模中应用了 LOD 技术，利用 DOF 技术实现了仪表指针的动态交互，利用包围盒技术和 vsb 格式提高了模型控制的实时反应速度 并使用上述技术实现了飞机飞行数据和地形仿真可视化。 OpenFlight(*.flt)数据库格式 OpenFlight 数据格式是 Multigen 公司将所要仿真的环境与对象通过数学方法表达成存储在计算机内三维图形对象的描述数据库集合，用来通知图像生成器何时以及如何渲染实时三维景观，非常的精确可靠。 它是为简单的或相对复杂的实时仿真 应用设而计的。 OpenFlight 数据格式是 Creator 的根基，是可视化的数据库标准，也是视景仿真领域的行业执行标准。 OpenFlight 树状结构层次来组织管理场景数据的。 这个树状结构由许多节点组成，每一个节点可以有子节点或兄弟节点。 它的顶端是树的根，它包含了它所管辖的所有子节点，因此称它为数据库（ db）。 db 下面管辖了许多个群节点 (group)，如图 的层次结构视图。 g g3 为群节点。 群节点下面管辖了许多个对象节点 (object)，如图 中的 o o2。 对象节点下面管辖了许多面节点 (face)，如图 中的 p pp p4。 在 Creator 建模软件中所有的模型都是由一个个的面组成。 因此，面是组成各种模型的基本，单位面底下还管辖许多条线，线又管辖了许多个点，但在层次结构视图中并不显示出线和点。 各个节点都有各自的属性，可以在属性表里面对属性进行修改。 图 层次结构视图 层次结构要体现在它直观地表达了数据库各个组成部分。 同时，选中了层次结构中的任何节点（对象或面）之后，它的图形视图就会自动选中了相应的多边形。 同样的，在图形视图中选中了多边形后，在层次数据库里也能显示出被选中的各个面片。 层次结构了很多的方便。 第一，可以把组成一个小模型的多个面集中在一个对象节点 (object)中，同样，可以把相关的对象集中到一个群节点 (group)中，这样不但优化了数据结构，而且便于查找修改，更重要的是，它与图形视图互相配合给建模带来了极大的方便。 第二，对于层次里面的所有数据（包括群节点，对象节点，面节点），都可以被复制到其它文件中，这一点对制造大规模场景来说是至关重要的，因为它允许多个人同时建造场景里的各个模型，最后可以很方便的把各个区域小模型集成在一个总的文件里面，同时，如果需要修改场景里的某个模型 ，也可以先分离出要修改的模型，修改完后再集成进去就可以了。 第三，层次结构还为应用可见性与消隐技术，实例技术、 LOD 技术、纹理映射等策略带来了方便，能有效地降低场景中面的片数。 建模过程中用到的若干技术 LOD 技术 LOD 技术称作多层次细节技术。 为了解决可视化仿真过程中系统的实时性和模型的逼真度之间的矛盾，按照当前视点到模型对象距离的不同细节层次，距离近时调用复杂的模型，显示更多的细节，距离远时调用简单的模型，不必显示细节，以便减少计算量，保证系统的交互速度。 早在 1987 年， Clark 就提出，当物体仅覆盖较小 的区域时，可以用该物体描述较粗的模型绘制，以便实现快速、有效的复杂场景绘制，这就是 LOD 技术的雏形。 目前 LOD 技术主要可以分为与视点相关和与实现无关两大类。 前者主要根据不同的误差标准尽，可能保持模型外形的条件下预先自动生成不同 精细程度的简化网格模型，在系统绘制过程中根据视点的位置选择相应的网格模型进行绘制，后者则是根据视点动态生成简化的网格模型。 如果数据库中设置了较多的 LOD 层次，则可以用嵌套式的 LOD 层次结构，来表示图 为一典型的 LOD 嵌套层次结构图，利用 LOD 嵌套式层次结构可以使同一对象模型的不同 LOD 层次结构的转入转出距离相互嵌套，这样系统可以避免不必要的LOD 选择，以便更有效地进行剔除操作，提高实时系统运行效率。 图 嵌套式 LOD 层次结构 利用 LOD 技术可以使同一模型对象表现出不同的细节程度，但是在不同的 LOD层次之间进行细节转换的过程中会出现画面不连贯的现象。 Creator 采用了 Morphing方法来平滑相邻 LOD 的转换，即在相邻的 LOD 间分配一个过渡区，使不同 LOD 之间能够平滑过渡。 在本文中的大面积地形设计中利用了 LOD 技术，使飞机在不同的地面高度显示的地形精确度不同，减少系 统内存占用。 DOF 技术 DOF(Degrees Of Freedom)技术也叫自由度设置技术，即在模型对象的 DOF 节点上设置局部坐标系和自由度的限度。 使用 DOF 技术可以使模型对象具有活动的能力。 DOF 节点可控制它的所有子节点按照设置的自由度范围进行移动或者旋转运动。 在模型数据库中进行 DOF 设置的步骤如下： 1) 以组节点或者同级别的节点作为父节点，创建 DOF 节点。 2) 把需要设置自由度的模型对象的对应节点作为 DOF 节点的子节点。 DOF 节点可以控制其子节点的运动，包括其子 DOF 节点，即 DOF 节点 可以嵌套，并且 DOF 节点具有继承性，用来保证子节点能够符合逻辑的运动，最后模型的运动状态是所有起作用的 DOF 节点共同作用的结果。 3) 利用 Local— DOF/Position DOF 命令设计局部坐标系。 4) 在 DOF 节点属性中设置节点自由度范围。 5) 在 DOF Viewer 中检验 DOF 的设置效果。 包围盒技术 包围盒 (Bounding Volumes)是指一个包围着模型对象的不可见的几何形状，如长方体形、球形、圆柱形等等。 包围盒是该模型对象的一个保守估计，可以近似地代替模型进行一些粗略的计算。 根据包围盒方式不同可分为几种类型：沿坐标轴的包围盒AABB、有向包围盒 OBB 以及多层树级包围盒。 包围盒技术主要用于实时系统交互过程中不同过程中不同模型间的碰撞检测，实时系统只需判断模型的包围盒是否相交即可判断是否发生了碰撞，非常有效。 如果不使用包围盒技术，则需要遍历所有的多边形来判断是否和其余的多边形相交叉，实时速度降下降很多。 本文中的碰撞检测就是采用包围盒技术。 飞机本体建模 建模的两种方式 飞机本体建模有两种方法：直接利用 Creator 建模和用其它三维建模工具建好模型后转换模型格式得到 .flt 模型 文件。 两种方法各有千秋，利用 Creator 直接建模能根据自己的需要建立所需要的三维模型，在建立完成后能直接为系统所用。 通过模型转换的方式则能省略掉建模的过程，因为目前网络上有许多建好的三维模型，通过转换后就能为自己所用，但在转换后为了满足系统对实时性的要求，需要对模型的面片数进行修改。 在利用 Creator 建模工具建立飞机本体建模前首先要确定飞机的结构和制作飞机纹理的图片。