最新虚拟现实技术在飞行模拟中的应用资料

虚拟现实技术在模拟飞行领域的研究和应用

将VR技术应用于模拟飞行系统是未来飞行仿真技术的发展方向。VR通过计算机图形显示技术为核心的新技术，在计算机中生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。用户可以使用必要的硬件设备（如数据衣、数据手套、数据鞋以及头盔、立体眼镜等），自然地与虚拟环境中的客体进行交互，相互影响，产生亲临现场的感受和体验。

飞行模拟器不同于飞行模拟软件，它有真实的座舱设备和飞行杆力感觉，人作为一个环节参与到飞行模拟系统中,接受仿真系统提供的各种感官信息, 经过判断和决策对系统进行操纵和控制。使用虚拟现实技术对飞机相关设备进行虚拟飞行, 即使操作失误也不会危及装备及人员的安全, 同时通过对飞机及其内部设备外观、工作原理、操作逻辑等内容的虚拟,提高了飞行训练的经济效益。

飞行视景仿真就是对眼睛所看到的景象进行仿真,是虚拟现实技术的重要的表现形式,采用计算机图形图像技术,构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境,达到非常逼真的仿真效果。

一、模拟飞行仿真特点

根据VR技术的三个特征，模拟飞行仿真应满足：

1、沉浸:在虚拟飞行中, 通过三维飞行环境图形图像库, 包括天气背景、地形环境、飞机设备等, 可为使用者创造一个立体飞行环境, 增强临场感，虚拟系统将参与者置于一种隔离的环境中, 可以听到三维仿真的声音, 参与者在虚拟飞行中, 一切感觉都是极其的逼真。

2、交互:使用者可以进行对虚拟的飞机设备等进行操作, 这些虚拟设备能够及时做出回应。而不是像观看三维动画那样, 只能被动地接受信息或仅仅作为一个旁观者。

3、构想:用户可以对飞机设备产生感性认识和理性认识。

二、飞行模拟仿真关键技术

1、飞行模拟器关键技术

主要为接受训练的飞行员提供真实的飞行操纵力感和飞行状态变化，飞行员通过操纵力感的变化，判断飞行状态并进行相应的操纵。力感模拟逼真度是评价飞行模拟水平的一个重要标准，要求操纵负荷系统对静态和动态操纵力感具有良好的模拟逼真度。飞行模拟器的操纵负荷系统分为主操纵负荷系统和辅助操纵负荷系统两部分：主操纵负荷系统用于模拟横、纵向驾驶杆力以及脚蹬力并且产生舵偏角信号，力感逼真度要求较高；辅助操纵负荷系统用来模拟油门杆、前轮转

弯、刹车等操纵系统的操纵力感，力感模拟逼真度要求低。

飞行模拟器仪表系统为飞行员提供飞机的高度、空速、升降速度、航向和姿态等信息，在感观上为飞行员创造一种与真实飞机一样的仪表环境，从而与视景仿真系统相配合模拟出飞机的飞行环境。飞行员通过仪表系统进行空地交通调度。飞行模拟器系统采用真实飞机的仪表部件，有时为了节约成本也进行仪表仿真。

2、视景仿真的关键技术

一、视景仿真系统集成。主要由视景生成系统和显示系统组成，为驾驶员生成座舱外景象，描述场景中各种实体的几何形状、相对位置和运动关系。

二、投影系统技术。视景显示有四种：头盔显示、球幕显示、板块成像和立体成像显示。头盔显示能够达到较逼真的沉浸感，但是技术复杂；球幕显示较为成熟，采用球幕、头位跟踪、注视区显示和多投影显示灯，适用于视场需求在300°以上。球面实像显示方式视场角大，适合战术科目训练，但纵深感和立体感较差，当目标物距离较近时（如飞机起降、空中加油等）视觉效果不理想；球面立体成像方式视场角大，纵深感和立体感较好，适合战术科目训练，近距目标物的视觉效果较好，但亮度低，而且对图像生成器（IG）和投影器的要求较高，成本较高；板块实像视场角大，适合战术科目训练，但纵深感和立体感较差，有接缝，近距的视觉效果较差；立体成像显示采用方幕、多投影器和立体眼镜显示方式，是在球幕显示基础上发展而来，使得视场有明显的立体感觉。目前国外的飞机模拟系统大多采用球幕显示。

三、视景仿真建模技术。对于飞行模拟器而言，大地形的建模和场景构造至关重要。仿真环境制作包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作和特效设计等。常用的三维视景仿真数据获取技术有：

1、GPS测量技术；

2、摄影测量技术；

3、激光扫描测量技术；

4、遥感技术；

5、应用地球物理技术。

通过点云配准技术、曲面重建技术、网格孔洞修复技术、网格简化技术、可见性判断算法、大区域纹理映射技术进行建模修复。

目前比较流行的实时视景的建模软件主要有MultiGen Creator、 Terra Vista 等。常用的视景仿真软件主要有 Performer、 WTK、 Vega、 OpenGVS、Vtree等，它们的底层均基于三维图形应用程序接口。

场景仿真

四、环境特效技术。在虚拟战场环境中建造气象、海浪、船只和武器发射尾迹等必不可少。通过Vega和openGL扩展实现更多的天气粒子特效。

体积云模拟效果

五、视景显示和调度。在实景驱动程序设计过程中，运用分区漫游思想，在简历分块LOD模型基础上实现场景显示调度算法。