1.3　飞行仿真虚拟可视化技术研究背景及研究内容

1.3.1　研究背景

国外的虚拟现实及飞行仿真技术起步较早，在军事及民用领域应用均较为广泛。在20世纪30年代至60年代，仿真仅仅作为研究设计控制系统的一种试验手段，至70年代末，美、英、法等国已建立较完善的飞行仿真试验中心，如美国波音公司777大型客机的无纸化设计与虚拟组装就为波音公司节省了大量的经费与时间。

运用飞行仿真系统进行模拟训练，是世界各空军强国普遍采用的提高战斗力的一种手段，它可以模拟许多难度很大的技术动作，既保证了飞行员的训练质量，同时避免训练中的危险和不必要的损失，还可以节约经费开支，具有极高的经济效益。美国国防部下属的STRICOM主持开发研制了基于TOPIT（Touched Objects Positioned In Time）技术的虚拟座舱系统，其中TOPIT技术是美国计算机图形系统公司研制，该系统于1998年获专利^[13]。美国空军早在1969年就开始利用仿真系统代替部分实际飞行训练飞行员，使用仿真系统后的飞行费用下降幅度为66%～95%^[14]。JR R R S^[15]、MOHENSKI^[16]、CORBIN M J^[17]和LESLIE R^[18]等人对大型飞行器仿真框架进行研究，这些研究工作体现了面向对象技术在复杂飞行器系统仿真中的应用价值。KOLB M^[19]开发了一个面向对象的多学科设计优化软件集成框架，其最大的特点是具有良好适应性，成功地应用到航空器发动机的概念设计中。美国洛克希德-马丁公司2003年利用新式PC驱动图像生成器和主机系统完成了海军陆战队航空模拟器主计划中F/A-18D模拟器的首次“飞行”，能够提供对飞机及飞行员无风险的实际进攻和防御武器的模拟。

我国进行飞行仿真研究和飞行模拟器的设计起步较晚^[20，21]，清华大学、西北工业大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、山东大学、南京航空航天大学等已经开展了这一领域的工作，并且取得了一些成绩。

清华大学精密仪器系与自动控制系最早对飞行模拟试验台的控制系统展开研究，在国内的飞行试验台的控制研究方面处于领先地位。

西北工业大学对飞行仿真中的地形生成技术进行了研究，提出了根据等高线地图生成地形的“沿截面法线放样法”和生成随机地形的分形曲面法^[22，23]。

北京航空航天大学对现代军机飞行仿真系统进行了研究，对系统的总体结构组成进行了介绍。

南京航空航天大学研究了无人机的飞行仿真^[24]，主要运用了基本运动方程线化分析与评估无尾式无人机的飞行动力学特性。

中航一集团北京蓝天航空科技有限责任公司最新研制的新舟-60涡桨支线客机全任务飞行模拟器是一台我国具有完全自主知识产权的全任务飞行模拟器。飞行模拟器强调较真实地还原飞机驾驶舱环境和逼真的飞行环境，具有身临其境感强、场景多变，经济性强、训练针对性强、可控制性强等特点。它们对于飞行员进行新机改装、技术提高、特情处置、战术训练提供了高效、安全和经济实用的地面模拟训练设备，具有较高的军事经济效益。

1.3.2　研究内容

本书以基于高层体系结构（HLA）的飞行仿真系统中的飞机为研究对象^[25]，对飞行仿真虚拟可视化的实现技术进行了研究，通过采用Multigen Creator Pro/Vega Prime来开发用于实现飞行仿真结果的三维、实时、可视化模型和可视化运行场景的配置与驱动^[26]；采用Micro Soft Visual C++6.0作为开发平台来实现可视化模型与用户运行界面的开发。

本书主要研究飞行仿真的可视化实现问题，在处理飞机动力学特性时，应用Vega Prime中的相关函数库，定义了飞机的基本飞行动作。

本书主要在以下几个方面进行研究。

①可视化建模　其中包括飞机、导弹等模型可视化建模及大面积地形可视化建模。

实时三维建模工具Multigen Creator Pro开发的可视化模型包括三维造型模块和地形模型模块。在三维造型模块中，利用Multigen Creator开发工具构造了三维动／静态模型，以及参加仿真训练的双方主要飞机模型、导弹模型。其中飞机的起落架可以收放，导弹可以通过键盘控制发射。

大面积地形仿真可视化的实现技术是飞行仿真系统中一个重要的研究方向，它实现的优劣直接决定着飞行仿真系统的逼真度^[27，28]。在地形模型模块中，本书主要研究基于Creator的大面积地形及其地形特征的精确生成技术，同时分析了各种地形生成算法的优、缺点，地形生成的主要步骤以及批处理地形转换和大面积地形数据库管理。

②飞机座舱仪表可视化建模及实时动态交互　利用Multigen Creator开发工具构造了飞机座舱的主要仪表，包括盘式量表、矩形量表、柱形量表、地平仪等，结合后续的视景驱动软件工具Vega Prime，利用Vega Prime中的仪表控制系统模块Symbology及其控制程序，实现仪表的实时交互、动态显示，使飞机的各种重要的飞行数据如：速度、高度、侧偏角度、俯仰角度等都能够从仪表的指针或数字中清楚地显示出来，增强飞行仿真系统的沉浸感。

③虚拟环境设计　其中包括场景漫游、飞机操控及碰撞检测、声音加入、视景抖动问题的解决。

在场景漫游中可以通过快捷键或菜单切换飞机座舱、飞机前后、飞机上下、飞机一侧及飞机静态视景，并可以通过改变输入数据调节观察的距离。利用Multigen Vega Prime开发的飞机操控系统中^[29-31]，通过键盘能够控制飞机的前进、后退、拐弯、俯仰等。

Vega Prime软件中提供了满足实时性碰撞检测的相交矢量方法，系统将其应用到飞机、导弹等对象在虚拟场景中的碰撞检测。在本书中主要利用Z方法研究飞机与地形之间的碰撞检测，并产生碰撞后的爆炸特效，从而增强了系统的逼真程度。

在音响模块中，模拟了飞机发动机、导弹飞行和爆炸等情况下的声音，并能根据距离声音的远近动态控制音量。

根据在飞行训练仿真中发生视景抖动的现象，从网络传输、视点坐标变换、系统硬件配置，大地形数据库管理等多个方面分析抖动可能产生的原因，并提出相应的问题解决方法。