[科普中国]-视景模拟器

简介

飞行（仿真）模拟器不但对飞行员的训练至关重要，而且也是研究飞行器理论和飞行器制造技术的重要工具。在飞行模拟器系统中，视景系统是一个主要的子系统。视景系统为飞行员提供飞行训练时真实世界的座舱外景象，其图形生成和显示质量直接影响飞行训练的效果。视景系统硬件部分主要包括图形生成器和投影显示系统，软件部分主要包括数据库建模软件、实时场景管理启动驱动软件及实时通讯程序。

技术概况世界上第一台飞行模拟训练装置出现于1929年，当时并没有视景系统，仅用于训练依靠仪表飞行的能力。20世纪60年代初期，随着载人航天计划的飞速发展，飞行训练装置中开始应用视景系统。早期的训练模拟器常采用闭路电视(CCTV)视景系统，如美国‘·水星号”、‘·双子星”号飞船训练模拟器均采用这种视景系统。其图像源是按一定比例用沙盘制成的地景模型，通过显示器将摄像头拍摄的地景模型图像呈现给训练员。我国20世纪r0年代研制的歼六飞机飞行训练模拟器视景系统也采用CCTV形式，图像源为长15m，高5m的地景模型，用摄像机和多套随动系统按飞行轨迹、航向和姿态角的不同而拍摄相应地景模型的不同区域。前苏联“东方”号载人飞船第一台训练模拟器上的视景系统采用的是电影设备，用连成环状的胶片复现飞船在地球轨道上所能观察到的图像。受训人员通过潜望镜观察该视景图像，而不是直接通过舷窗直接观察。

这种形式的视景系统同样存在难以更换场景图像这一重大弱点。目前的视景模拟器已经全面采用了计算机图像生成与显示最新技术。

视景仿真是虚拟现实技术的重要的表现形式，它使用户产生身临其境的感觉的交互仿真环境，实现用户与该环境直接进行自然交互。视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的，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。视景仿真就是对眼睛所看到的景象进行仿真，用计算机产生的图形图像再现真实世界的景物。它采用计算机图形图像技术，生成一个逼真的三维视觉、听觉的感官世界，使用户利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互。

视景仿真技术在许多领域得到了广泛的应用，如城市规划仿真、大型工程漫游等，特别是视景仿真十分适于应用在军事领域的作战训练和武器研制方面。尤其是高层仿真框架HLA体系结构的广泛使用，基于HLA的分布式虚拟视景环境系统已经进入实际研究阶段。我们研究的重点就是将场景模拟技术运用于飞机的训练模拟器中，建立一个虚拟的、非常逼真的战场环境，使受训人员沉浸在由计算机产生的作战环境中。可为战术演练和训练提供非常有效、经济的手段和途径，具有十分明显的经济效益并成为军事领域里重要的高科技手段。

飞行模拟视景关键技术视景模拟技术有三个非常显著的特征:它是实时的，计算机呈现给人们的图形图像所表现的场景运动是与人们在真实世界所见的一样，不仅运动是平滑的，而且速度是一样的;它是三维的，能够允许观察者从不同的角度来看;它是可交互的，允许通过键盘、鼠标或其它计算机输入设备对它进行实时控制。

视景模拟关键是表现为仿真结果的可视性和生动性，并且具有投入感、沉浸感和多维人机交互特性，其目的是建立一个具有身临其境的沉浸感、完善交互作用能力、能帮助启发构思的仿真环境。其关键技术主要有：

（1）视景仿真系统集成技术

视景系统主要由视景生成系统和视景显示系统组成。其中图形生成器是视景系统的核心，它用来为飞机的受训人员生成相应的座舱外景象，它决定图形生成的更新率、图形分辨率、图形复杂程度和图形质量。实时生成逼真的视景图像需要正确描述视景中各种实体的几何形状、相对位置和运动关系，必须基于实体的材质、纹理、环境气象和光照以及实体间的行为交互等进行大量的计算。

（2）投影系统技术

对于飞机模拟训练系统而言，视景显示有以下三种:头盔显示、球幕显示和立体成像显示。其中头盔显示能够使得视景的逼真度达到最好，但是技术复杂，还没有达到实用化的程度。球幕显示则较为成熟，其显示系统的结构主要采用球幕、头位(眼位)跟踪、注视区显示和多投影器显示等方式。当模拟系统的视场需求大于300度时，大多采用球幕+头位跟踪+注视区显示，它基于人眼的生理特点，较好地解决了视场、分辨率、亮度等指标的矛盾。立体成像显示采用方幕+多投影器+立体眼镜显示方式，它是在球幕显示机理的基础上发展起来的，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，国内现有的飞行模拟器根据系统的具体要求，大部分采用实像、虚像或者虚实像结合的显示方式，个别模拟系统采用了立体成像技术。

（3）视景仿真建模技术

视景仿真分为仿真环境制作和仿真驱动。其中仿真环境制作主要包括:模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效，对于飞行模拟器而言，如何构造一个逼真的虚拟战场环境，大地形的建模技术起到了至关重要的作用。

（4）环境特效技术

在虚拟战场环境中，为使操作者产生身临其境的感觉，必须对环境的效果，进行逼真的模拟。包括气象、爆炸效果、海浪、船只或武器发射的尾迹等，都是虚拟战场场景中必不可少的重要组成部分，在计算机图形学领域，如何建立相关的模型，生成具有真实感的特效，一直是关键技术之一。

（5）视景的显示和调度

视景仿真另一个重要的组成为仿真驱动，主要包括:场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形管理等，它要求高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作等。系统的响应速度既和硬件设备有关，同时也和相关算法有关。1

空间目标视景模拟器意义空间目标视景模拟器需求原因及意义:

1、电视摄像机的调光能力试验在地面上难于实现，需要寻找一种简便，低成本的模拟方式。

地面上的光照环境与外太空的光照环境有很大区别。电视摄像机在外太空成像的图像中，由于进入摄像机视场的空间目标周围没有大气散射，在显示图像中为纯黑背景，灰度值可认为零，而地面上的物体都会因为发光或反光参与到调光运算中，从而影响到调光能力的验证。

如果采用全物理仿真技术，需要建造飞船及目标实体，并且要模拟出飞船在阳照区的光照环境，需要建造一台口径等于飞船口径(2m-3m)辐照面积的大型太阳模拟器，太阳模拟器的功率需要达到30万瓦，成本要几千万元，成本巨大。还有空间目标周围的黑色背景亦难于仿真。这种仿真方式所需要的空间也非常大，电视摄像机工作距离为150m到2m，则至少需要建造一个150mX3mX4m的实验室，对于单机产品来说，这种成本是巨大的。

投影技术是视景仿真技术中，普遍采用并且低成本的技术。将视景图像投影到巨幕上，将敏感器对准巨幕成像。但对于电视摄像机的成像试验来说，投影仪投影的图像亮度要满足太阳直射目标时的高亮度值，需要110万流明的投影仪，国内外均没有如此高亮度的投影仪。

2、为航天员人控交会对接模拟训练提供闭环模拟试验。

在外太空，航天员的任何一次操作都是至关重要的，一次错误的操作都有可能导致严重的后果。所以航天员在地面上的训练也至关重要，需要预测各种情况且训练各种环境下的操作。人控交会对接中航天员的作用很重要，根据电视摄像机传回来的目标飞船和合作目标的图像来判断追踪飞船与目标飞船的相对姿态，进而调整追踪飞船的姿态。所以航天员必须熟悉各种姿态的调节。视景模拟器将与摄像机形成半实物仿真的闭环试验，航天员通过电子屏幕观察姿态，调整追踪飞船姿态，大型计算机模拟姿态变化后的摄像机视景图传输到视景模拟器，视景模拟器将通过光学系统传输给摄像机，摄像机将图像传输会电子屏幕，航天员再次通过电子屏幕观察姿态的变化。如此反复，能够有效地训练航天员顺利地完成人控交会对接任务。通过计算机模拟，也可以模拟各种意外情况的发生，训练航天员的预判能力以及处理问题的能力。

3、随着我国外太空探测及活动任务的增多，交会对接任务越来越繁重，而国内还没有针对空间目标大视场成像的模拟环境及设备，并且还没有针对目标大范围亮度变化的模拟。

技术现状虽然国内空间目标成像技术在各种航天活动中已处于应用阶段，但是却还没有针对目标大视场成像及大亮度变化范围模拟的相关试验环境和模拟装置。最近十几年来，针对空间目标模拟器的研究主要是星模拟器的研究，星模拟器是星敏感器在地面的检测及试验设备，用于模拟星敏感器在某一姿态或任何姿态下所观测的星图。星模拟器根据性能要求及作用可以分为动态星模拟器和静态星模拟器两种。动态星模拟器的作用为模拟实时动态星图，对星敏感器动态功能进行测试。主要是由液晶光阀和平行光管组成光学系统。静态模拟器的作用为标定或测试星敏感器对不同恒星的星等、光谱·色温的敏感性，主要是由一系列点光源和滤光片构成。国内外在星模拟器的技术上已经非常成熟，且已经广泛地应用。

对空间目标进行可见光成像的设备还有是空间目标监视系统，空间目标监视系统的主要任务是精确的探测和跟踪空间重要目标，对其尺寸、形状、轨道参数等重要特性进行实时探测，并且进行分发和归类，进而判断其危险性及任务。空间监视系统与星敏感器有较相似之处，即目标离成像系统很远，目标在成像系统的探测器上也仅是占几个像元的位置。国外在上世纪九十年代就开始了空间目标监视系统的研究并且已处于应用阶段，而国内针对空间目标监视系统的研究也已经起步。空间目标监视系统的模拟器未见相关报道。

对电视摄像机的目标视景模拟器而言，其与星敏感器以及空间目标监视系统的模拟器及相关技术方面有一些相同却又有较大不同方面，电视摄像机的模拟器即空间目标视景模拟器关键在于实时模拟目标的图像以及其光学特性，并且实现目标周围的黑色背景。在这些方面，电视摄像机的目标视景模拟器与星敏感器的星模拟器以及空间目标监视系统的模拟器有相似之处，原理也接近并且模拟黑背景要求上也是一样的。只是目标视景模拟器要求实现的亮度变化范围大以及目标大视场成像，这与其他两种对空间目标成像的模拟器有较大不同之处。由于交会对接技术的应用在国内才刚刚起步，电视摄像机在交会对接中的应用也才初步实施，因此国内针对空间目标视景模拟器相关技术方面也是才刚刚起步，尤其在大亮度变化范围的模拟以及目标大视场模拟未见相关报道。2