基于EV-Globe的飛行器試驗三維動態(tài)顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊薇

（91550部隊大連116023）

基于EV-Globe的飛行器試驗三維動態(tài)顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊薇

（91550部隊大連116023）

在對飛行器飛行試驗實時飛行數(shù)據(jù)解析傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將EV-Globe平臺的地理信息技術(shù)和三維可視化技術(shù)與飛行器試驗的各種關(guān)鍵要素進(jìn)行緊密結(jié)合，在動態(tài)重構(gòu)的三維空間場景中，實現(xiàn)飛行器試驗過程的三維態(tài)勢顯示。系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)改變了以往試驗任務(wù)過程的二維顯示方式，在顯示效果、直觀性和逼真性方面有很大的提升，可以幫助指揮員快速掌握和理解試驗信息并進(jìn)行決策。

EV-Globe；飛行器；三維動態(tài)顯示；三維建模

Class NumberTP391

1 引言

在飛行器飛行試驗中，指揮顯示系統(tǒng)至關(guān)重要，直接影響指揮員對試驗信息的快速理解和判斷決策。隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，三維技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，地理信息系統(tǒng)和三維仿真技術(shù)的結(jié)合［1］，可以幫助指揮員快速、直觀地理解飛行器飛行航跡、飛行姿態(tài)等試驗信息。另外，以CG技術(shù)為基礎(chǔ)的三維動畫仿真效果越來越逼真，可以彌補飛行器飛行過程中無法進(jìn)行實況拍攝的不足，展示出視頻實況無法獲得的關(guān)鍵信息。

EV-Globe是大型三維空間信息服務(wù)平臺。集成了最新的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和三維軟件技術(shù)，具有大范圍的、海量的、多源的數(shù)據(jù)一體化管理和快速三維實時漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運算，提供全球范圍的基礎(chǔ)影像資料，能夠方便快速地構(gòu)建三維空間信息服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是在EV-Globe平臺上，利用地理信息技術(shù)和三維可視化技術(shù)，將飛行器模型嵌入到三維動態(tài)空間中，結(jié)合衛(wèi)星影像地圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和矢量地理信息，在三維虛擬空間中對實時測控數(shù)據(jù)進(jìn)行全彈道全過程顯示，降低數(shù)判讀和確認(rèn)的難度，為試驗指揮決策提供技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)硬件組成

三維動態(tài)顯示系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、態(tài)勢圖形工作站、轉(zhuǎn)發(fā)控制微機以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)服務(wù)器

用于存儲數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像信息、任務(wù)數(shù)據(jù)文件等，任務(wù)數(shù)據(jù)文件包括彈道數(shù)據(jù)、靜態(tài)場景、動態(tài)模型、測控裝備及模型等。

2）態(tài)勢圖形工作站

用于飛行器飛行試驗全過程的三維綜合態(tài)勢顯示，包含飛行航跡、速度高度曲線、彈道參數(shù)、特征點事件以及測控裝備跟蹤狀態(tài)的顯示。

3）轉(zhuǎn)發(fā)控制工作站

用于在任務(wù)中接收實時試驗數(shù)據(jù)，為態(tài)勢圖形工作站提供試驗控制指令和數(shù)據(jù)源。

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括交換機、網(wǎng)卡、網(wǎng)線等。用于完成數(shù)據(jù)服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)控制工作站和態(tài)勢圖形工作站之間的信息交換。

3 系統(tǒng)運行環(huán)境

數(shù)據(jù)服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows2000/XP/ 2003或Windows Server 2008；數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000/2005/2008；應(yīng)用服務(wù)器軟件為Internet Information Server；瀏覽器要求IE6.0以上。

圖形工作站操作系統(tǒng)采用WindowsXP或Windows 7；開發(fā)平臺為微軟Visual Studio 2010和EV-Globe SDK版本3.0以上；應(yīng)用軟件Office版本要求Office2003以上，瀏覽器：要求IE6.0以上。

轉(zhuǎn)發(fā)控制工作站操作系統(tǒng)采用WindowsXP或Windows 7；開發(fā)平臺為微軟Visual Studio 2010；應(yīng)用軟件Office版本要求Office2003以上。

系統(tǒng)支持環(huán)境為EV-Globe3.1以上版本。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由運行在圖形工作站上的三維動態(tài)顯示軟件和運行在轉(zhuǎn)發(fā)控制工作站上的轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件兩部分組成［2］，如圖2所示。

三維動態(tài)顯示軟件在三維地理信息平臺的支持下，通過調(diào)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及地理信息矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)建任務(wù)所需的虛擬三維地理環(huán)境；在試驗過程中，通過接收轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件發(fā)送的實時數(shù)據(jù)及控制命令驅(qū)動飛行器模型、調(diào)用模型特效等完成相關(guān)試驗信息的可視化展示；地理信息平臺主要為三維動態(tài)顯示軟件提供數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像信息等。三維動態(tài)顯示軟件的模塊包括：飛行器飛行軌跡顯示模塊、飛行參數(shù)曲線繪制模塊、三維視角管理模塊、地理信息管理模塊、三維顯示管理模塊和動態(tài)模型管理模塊。

轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件采用實時數(shù)據(jù)驅(qū)動和人工操作相結(jié)合的方式，控制和驅(qū)動任務(wù)流程的執(zhí)行，主要完成實時試驗數(shù)據(jù)接收、實時試驗數(shù)據(jù)處理、實時試驗數(shù)據(jù)發(fā)送、實時控制命令生成等功能；通過UDP協(xié)議進(jìn)行通信，控制三維動態(tài)顯示軟件的場景顯示和切換，實現(xiàn)態(tài)勢信息綜合顯示。轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件對任務(wù)信息的設(shè)置采用配置文件的方式，通過使用XML格式的配置文件管理任務(wù)信息。轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件主要包括：數(shù)據(jù)處理模塊、軌跡控制模塊、動態(tài)模型控制模塊、視角控制模塊、地理信息控制模塊和顯示控制模塊。

4.2 軟件實現(xiàn)

三維動態(tài)顯示軟件通過讀取配置文件對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并啟動數(shù)據(jù)偵聽線程和場景渲染線程，通過偵聽線程接收轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和命令集對彈道位置狀態(tài)進(jìn)行更新，對場景要素進(jìn)行控制；渲染線程通過幀同步與刷新機制對飛行器、場景要素及地理信息等進(jìn)行更新渲染［3］。

轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件接收包括遙測挑點參數(shù)、彈道數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、測控設(shè)備狀態(tài)在內(nèi)的各種測控數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)源選取、狀態(tài)控制、命令生成等處理之后，發(fā)送至三維動態(tài)顯示軟件。為實現(xiàn)任務(wù)過程自動化，減少任務(wù)執(zhí)行過程中的用戶操作，轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件采用腳本驅(qū)動的方式對任務(wù)場景及各種顯示要素進(jìn)行統(tǒng)一控制?？筛鶕?jù)任務(wù)需求通過Excel文件的方式設(shè)置腳本文件，腳本以命令為基本單位。轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件數(shù)據(jù)處理流程示意如圖3所示。

5 三維模型構(gòu)建及動畫制作

根據(jù)需求，系統(tǒng)需要提供發(fā)射艦、飛行器等模型及其關(guān)鍵時間的精細(xì)化動畫演示功能。其中的精細(xì)三維模型構(gòu)建和動畫制作是十分重要的環(huán)節(jié)。三維模型構(gòu)建過程是指按照任務(wù)獲取的三維模型尺寸和紋理數(shù)據(jù)，利用三維模型構(gòu)建工具進(jìn)行三維建模［4］，并根據(jù)飛行器特征動作制作模型動畫，用于滿足以三維動畫方式展示相關(guān)模型的重要事件動作以及模型特寫的功能需求。系統(tǒng)中的模型和動畫制作分為模型構(gòu)建階段和動畫制作階段。

飛行器三維模型構(gòu)建及動畫制作的流程主要包括三維建模、三維渲染和三維動畫后期合成。制作工具包括SolidWorks、Rhino、KeyShot、After Effects和Edius。

第一步：三維建模

1）依據(jù)飛行器尺寸圖紙，使用SolidWorks進(jìn)行大部分結(jié)構(gòu)建模［5］；參看照片，使用Rhino進(jìn)行內(nèi)部器件建模［6］；使用Maya進(jìn)行部分復(fù)雜模型的修整［7］。模型完成后，將各單獨模型部件全部導(dǎo)入Solid-Works，進(jìn)行部件裝配和總裝配得到完整飛行器整體模型。

2）使用SolidWorks對模型材質(zhì)進(jìn)行劃分，通過SolidWorks的材質(zhì)設(shè)定功能達(dá)到劃分模型上不同材質(zhì)部分的目的［8］。

3）使用接口插件，將模型從SolidWorks導(dǎo)入KeyShot。根據(jù)在SolidWorks中為模型設(shè)定的材質(zhì)劃分，為模型各部分分別賦予不同的KeyShot材質(zhì)，并對材質(zhì)進(jìn)行二次編輯［9］。獲得最終材質(zhì)效果的模型后，根據(jù)動畫腳本使用KeyShot具備的動畫編輯模塊進(jìn)行模型動畫編輯。動畫編輯根據(jù)實際情況，按裝配時劃分的組合級別進(jìn)行分別操作。按照腳本鏡頭編輯好一個個動畫鏡頭后準(zhǔn)備進(jìn)行渲染。

第二步：三維渲染

使用KeyShot進(jìn)行渲染，渲染前進(jìn)行一些必要的優(yōu)化處理來提高渲染效率和渲染效果［10］。分鏡頭進(jìn)行渲染后，得到各鏡頭中模型的動畫，以圖片序列幀的形式保存。同一個鏡頭，一般會根據(jù)需要渲染多個圖層，以便后期制作加工。

第三步：后期合成

在After Effects中，將不同圖層的模型動畫序列幀和背景素材導(dǎo)入，并通過多種效果功能組合到一起［11］，同時完成調(diào)色等后期處理，再增加必要的特效、標(biāo)注等，而后以鏡頭為劃分基礎(chǔ)輸出成多個視頻片段。從After Effects輸出得到的視頻片段采用Edius視頻剪輯進(jìn)行組合剪輯［12］，最終輸出得到可為系統(tǒng)使用的三維動畫視頻。

系統(tǒng)運行三維場景圖如圖4所示。

6 結(jié)語

本文從軍事需求出發(fā)，對飛行器試驗三維動態(tài)顯示系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)利用地理信息技術(shù)和三維可視化技術(shù)，將試驗任務(wù)關(guān)鍵對象和要素嵌入到虛擬空間中，結(jié)合分布式海量影像地圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和地理信息海量數(shù)據(jù)提取管理手段，實現(xiàn)對試驗任務(wù)綜合態(tài)勢信息的分層表現(xiàn)、空間表現(xiàn)和立體表現(xiàn)；系統(tǒng)以多角度、多方位、動態(tài)展示飛行器試驗全過程，為試驗指揮人員的決策提供有力的技術(shù)支持，對其它飛行器試驗任務(wù)的顯示方式和方法也具有較大的借鑒意義。

［1］張文詩.數(shù)字地圖及其應(yīng)用［J］.解放軍測繪學(xué)院學(xué)報，2008，11（1）：58-61.

［2］趙松濤.SQL Server 2000應(yīng)用及實例集錦［M］.北京：人民郵電出版社，2002：97-99.

［3］孟劍萍.高可用性軟件架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2011，17：9-10.

［4］程朋根，文紅.三維空間數(shù)據(jù)建模及算法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011：56-58.

［5］北京兆迪科技有限公司.SolidWorks產(chǎn)品設(shè)計實例精解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：85-92.

［6］葉德輝，劉偉元.造型設(shè)計完美風(fēng)暴：Rhino 4.0完全實例教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：58-62.

［7］高盈，劉雯方，張悅.Maya完全自學(xué)教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2012：23-25.

［8］趙罘，楊曉晉，劉玥.SolidWorks2014中文版機械設(shè)計從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2014：135-146.

［10］張亞先，劉勇.21世紀(jì)高等教育數(shù)字藝術(shù)類規(guī)劃教材：Rhino 5.0&KeyShot產(chǎn)品設(shè)計實例教程［M］.北京：人民郵電出版社，2013：85-88.

［11］吉家進(jìn)，樊寧寧.After Effects CS6技術(shù)大全［M］.北京：人民郵電出版社，2013：152-155.

［12］馬建黨.EDIUS Pro6.5視頻處理實用教程［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013：221-223.

Design and Implementation of Aircraft Dynamic 3D Disply System Based on EV-Globe

YANG Wei
（No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）

Based on the real-time missile flight test data analysis，the various key elements of geographic information technology platform EV-Globe and 3D visualization technology and missile tests are combined，in the dynamic 3D scene，the 3D situation display of missile test process is realized.With the implementation of previous test process，the two-dimensional display system design is changed，the display effect，the intuitive and realistic aspects have great improvement，it can help the commanders to quickly grasp and understand the test information and make decision.

EV-Globe，missile，3D situation display，3D modeling

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.020

2017年1月9日，

2017年2月13日

楊薇，女，碩士，高級工程師，研究方向：指揮自動化。