基于虛擬現(xiàn)實的無人機(jī)三維可視化技術(shù)與實現(xiàn)

【摘要】三維虛擬技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)的三維可視化上具有著巨大的開發(fā)前景，同時也能夠滿足無人機(jī)市場中的需求，促進(jìn)無人機(jī)攝影、監(jiān)測等的更好發(fā)展。本研究以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行無人機(jī)三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，本系統(tǒng)設(shè)計的主要目的在于對無人機(jī)的視景環(huán)境和飛行信息顯示進(jìn)行優(yōu)化。本論文中主要對設(shè)計的核心內(nèi)容進(jìn)行闡述，包括研究的需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與界面設(shè)計、系統(tǒng)模型的實現(xiàn)、無人機(jī)三維可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)四個方面。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù);無人機(jī);三維可視化技術(shù);設(shè)計與實現(xiàn)

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，無人機(jī)的應(yīng)用逐漸突破了軍事應(yīng)用的領(lǐng)域，在航拍、模型建立等方面發(fā)揮出了自身獨特的優(yōu)勢。與其他攝像和檢測技術(shù)相比，無人機(jī)具有著成本低、成像分辨率高、控制方便等優(yōu)點，同時，在時代的不斷發(fā)展中，也為無人機(jī)的優(yōu)化提供的科技支撐。同時，在電子信息技術(shù)發(fā)展的過程中，無人機(jī)也逐漸被賦予了三維可視化的能力，促進(jìn)了其應(yīng)用的廣泛性。但是，就當(dāng)前來看，無人機(jī)在有關(guān)視景環(huán)境和飛行信息顯示方面還有著明顯的不足，本研究再此背景下進(jìn)行設(shè)計，旨在對無人機(jī)應(yīng)用過程中的不足進(jìn)行優(yōu)化，以下對本研究中的核心部分進(jìn)行展示。

1. 系統(tǒng)需求分析

在本系統(tǒng)的需求分析上，主要從系統(tǒng)總體需求分析、視景環(huán)境需求分析和飛行信息顯示的系統(tǒng)分析三個方面進(jìn)行。

首先，隨著無人機(jī)三維虛擬技術(shù)的發(fā)展，使用者在無人機(jī)的三維場景的還原能力、控制的便捷性、飛行信息顯示的準(zhǔn)確性、視景顯示的分辨率等提出了較高的要求，尤其是在通過無人機(jī)三維可視化進(jìn)行相關(guān)建模的時候，更是要求無人機(jī)能夠準(zhǔn)確高效的運行。本系統(tǒng)在開發(fā)完成以后，能夠通過進(jìn)入仿真系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確的還原三維場景，通過鍵盤或者手機(jī)進(jìn)行便捷式操作和控制、通過手機(jī)顯示來展示出準(zhǔn)確的飛行數(shù)值、通過快捷鍵操作來進(jìn)行快速視景調(diào)整，從而能夠充分滿足使用者的需求。

其次，在視景環(huán)境上，主要是在無人機(jī)飛行的過程中，通過三維可視化建模，將無人機(jī)觀測到的環(huán)境進(jìn)行仿真呈現(xiàn)，并配合相應(yīng)的文字信息進(jìn)行呈現(xiàn)出來，同時結(jié)合外部遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，如控制鍵盤、手機(jī)界面等進(jìn)行視景的靈活性切換，從而提高視景環(huán)境還原的準(zhǔn)確性、切換的便捷性，充分契合使用者的需求。

最后，在飛行信息顯示上，主要包括兩個方面，即關(guān)鍵參數(shù)的顯示以及圖形模塊的顯示，關(guān)鍵參數(shù)顯示的準(zhǔn)確性與圖形模塊顯示的實時性，主要體現(xiàn)在導(dǎo)航信息顯示和飛行狀態(tài)信息的顯示兩個方面，這也是當(dāng)前使用者的主要需求。本研究在系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過對飛行路徑、飛行視角、儀表盤、三維地圖呈現(xiàn)等諸多變量進(jìn)行分類控制與優(yōu)化，提高導(dǎo)航信息顯示和飛行狀態(tài)信息顯示的準(zhǔn)確性與實時性。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要包括兩個方面，即視景環(huán)境和飛行信息顯示環(huán)境兩個方面。細(xì)化來說，系統(tǒng)中的視景環(huán)境有包括視景模型和仿真環(huán)境兩個部分，飛行信息顯示環(huán)境包括導(dǎo)航信息顯示和飛行狀態(tài)信息顯示兩個部分，統(tǒng)合之下，構(gòu)成了本系統(tǒng)的全部內(nèi)容，詳見表1-1。

2.2 界面設(shè)計

在本研究的系統(tǒng)界面設(shè)計上，主要包括兩部分的界面展示，即視景界面展示和飛行信息界面展示。為了保證視景觀察的便捷性，本系統(tǒng)中將視景展示界面放置在突出的部位上，將飛行信息展示界面放置在總界面的右側(cè)部分，便于飛行信息中的導(dǎo)航信息和飛行狀態(tài)信息的對比。為了保證信息的同步以及觀察的便利性，兩部分界面進(jìn)行同步的實時信息顯示，這也能夠便于使用者的及時操作與管理。以下對各國界面進(jìn)行詳細(xì)闡述：

首先，視景界面是本系統(tǒng)界面中的主界面，本設(shè)計中將其占據(jù)總頁面的三分之二，便于飛行過程中的仿真場景和三維模型的清晰觀測。

其次，在飛行信息界面上主要包括兩個部分，即飛行導(dǎo)航信息界面和飛行狀態(tài)信息界面，本系統(tǒng)中將這兩個界面共同放置在總界面的右側(cè)，占據(jù)總界面的三分之一，其中導(dǎo)航信息界面位于界面的右上角，界面中主要包括三維地圖、飛行模式、控制盤等;飛行狀態(tài)信息界面位于界面的右下角，界面中主要包括儀表系統(tǒng)、傳感器等，便于對飛行實況和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，以及飛行命令的下達(dá)。

同時，為了提高使用者觀測與操作的便利性，在系統(tǒng)界面的設(shè)計上，本系統(tǒng)開發(fā)了兩種模式，即單一窗口模式和多窗口模式，并且結(jié)合相關(guān)應(yīng)用，提高一鍵轉(zhuǎn)換的速度。

首先，在單一窗口模式上，使用者只需點擊某一個窗口界面，就可以起到單一窗口的全屏展示效果，再通過返回鍵，來進(jìn)行多窗口的返回。

其次，在多窗口模式上，窗口界面按照上述內(nèi)容進(jìn)行固定展示，但是可以對各個窗口進(jìn)行放大或者縮小，彌補多窗口中界面固定的弊端，給使用者提供操作與控制中的靈活性。

3. 系統(tǒng)模型的實現(xiàn)

3.1 三維虛擬場景模型的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，三維虛擬場景模型的實現(xiàn)主要是為了提高虛擬場景的逼真性和流暢性，為了保證這種效果，必須提高虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的相符合程度，這其中的關(guān)鍵在于滿足使用者的視覺需要，即通過提高本系統(tǒng)中視景生成中虛擬畫面的真實感和流暢感來保證。

在三維虛擬場景模型的建立過程中，本系統(tǒng)中綜合使用了OpenGL 圖形庫、3DSMAX等技術(shù)，保證在三維虛擬場景生成的過程中，在繪制、顏色、效果渲染等方面能夠逼真與流暢。在三維虛擬模型上，主要包括兩個大類，即自然環(huán)境類別和地形地貌類別，結(jié)合無人機(jī)拍攝的具體內(nèi)容進(jìn)行分析與案類運行。在自然環(huán)境類別上，主要包括天空、月亮等相對較高處的內(nèi)容;在地形地貌類別上包括自身地形地貌和人造地形地貌，自然地形地貌主要包括山地、平原、河流等，人造地形地貌上主要包括公路、建筑物等。

在建模的具體過程中，主要是在相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上，進(jìn)行快速參數(shù)的分析，然后進(jìn)行3DSMAX建模，之后向OpenGL進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在交互的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出三維場景，這樣也能夠降低內(nèi)存消耗，提高渲染的實時性以及最終結(jié)果的流暢性。

3.2 無人機(jī)建模的實現(xiàn)

無人機(jī)建模主要是為了實現(xiàn)無人機(jī)拍攝過程中動態(tài)物體的準(zhǔn)確快速的呈現(xiàn)，由于無人機(jī)在飛行過程中動態(tài)物體呈現(xiàn)的復(fù)雜性以及特殊性，因此在建模過程中不能僅僅使用OpenGL這一技術(shù)，還用結(jié)合當(dāng)前的一些建模技術(shù)，為了降低相關(guān)視景呈現(xiàn)過程中的系統(tǒng)消耗，本部分的建模技術(shù)與三維虛擬場景中建模技術(shù)保持一致，即采用3DSMAX這一技術(shù)與OpenGL進(jìn)行配合。

在無人機(jī)建模的具體路徑上，首先通過相關(guān)參數(shù)的導(dǎo)入與分析，在3DSMAX系統(tǒng)中進(jìn)行模型的搭建，然后再通過對文件的讀取以及OpenGL的配合，最終在顯示系統(tǒng)中顯示出來。

此外，為了滿足相關(guān)使用者的需求，本研究中還對無人機(jī)的尾焰進(jìn)行建模，這也能夠提高視景環(huán)境呈現(xiàn)的真實性，從而提高使用者的感官效果。在尾焰建模的實現(xiàn)上，要充分考慮尾焰本身的特殊性，如量大、不規(guī)則等，因此，傳統(tǒng)的建模方式難以保證呈現(xiàn)出仿真的效果。本系統(tǒng)中對尾焰的建模，主要采用微小粒子來進(jìn)行尾焰的描述，從而保證其呈現(xiàn)的仿真性和視覺感。同時，對微小粒子進(jìn)行描述的過程中，結(jié)合相關(guān)的渲染和特效技術(shù)，如對尾焰進(jìn)行紋理設(shè)置，對粒子圖形進(jìn)行優(yōu)化，以此來在視景環(huán)境中達(dá)到真實性的效果。

4. 無人機(jī)三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 登錄界面實現(xiàn)

在登錄界面上，主要包括兩個部分，即登錄過程中的界面設(shè)置，以及登錄以后的界面設(shè)置。

首先，在登錄前的界面設(shè)置上，主要包括無人機(jī)與界面顯示系統(tǒng)的連接、連接以后的賬號密碼輸入和相關(guān)連接權(quán)限的獲取幾大部分。在系統(tǒng)的連接上，主要是通過本系統(tǒng)所研發(fā)的APP來進(jìn)行，其中包括無線連接技術(shù)，在連接以后，要通過與選擇的無人機(jī)進(jìn)行再次匹配來進(jìn)行其它的操作。

其次，在有關(guān)系統(tǒng)運行中的界面上，主要是以菜單界面和核心來進(jìn)行相關(guān)界面的實現(xiàn)。在菜單欄的設(shè)置上，主要包括模式選擇、場景選擇、飛機(jī)模型選擇、地圖模式選擇、開始和取消幾個子菜單，同時使用者可以自主對子菜單的排序進(jìn)行調(diào)試。在運行模式的設(shè)置上，根據(jù)使用者不同的需求，分為三大模式，即數(shù)據(jù)回放模式、仿真模式和漫游模式三種;在場景的選擇上，主要是使用者對虛擬場景的自主選擇;在飛機(jī)模型的選擇上，本系統(tǒng)設(shè)置了兩種飛機(jī)模型，供使用者進(jìn)行自主選擇;在地圖模式的選擇上，主要是二維地圖和三維地圖兩種模式，使用者可以在運行過程中結(jié)合自身需求進(jìn)行自主切換。同時，在系統(tǒng)開始運行以后，相關(guān)界面主要是上述第二部分界面設(shè)計中的內(nèi)容，使用者也可以根據(jù)相關(guān)控制鍵進(jìn)行切換。

4.2 系統(tǒng)運行實現(xiàn)

在系統(tǒng)運行實現(xiàn)上，使用者在原有界面的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行自主的模式切換，以及主要顯示界面的控制。既可以通過界面的觸屏進(jìn)行操作，也可以通過外部的連接系統(tǒng)，如鼠標(biāo)等進(jìn)行點擊控制。在系統(tǒng)運行中，界面主要是包括兩種模式，即上述的單一窗口模式和多窗口模式，使用者可以對窗口的顯示進(jìn)行操作與控制。此外，對于一些運行過程中的指令盤的位置是使用者也可以根據(jù)自身需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在初始化的背景下，指令盤位于顯示界面正中間，以便于使用者在結(jié)合視景顯示、導(dǎo)航信息顯示等基礎(chǔ)上對無人機(jī)飛行進(jìn)行相關(guān)指令的下達(dá)。

5.結(jié)束語

隨著三維虛擬技術(shù)以及三維可視化等技術(shù)的不斷發(fā)展，為無人機(jī)三維可視化的呈現(xiàn)提供了充足的技術(shù)支撐，推動著無人機(jī)應(yīng)用與發(fā)展，從另外一個方面說明，無人機(jī)三維可視化的發(fā)展，不僅需要航空領(lǐng)域的參與，也需要充分融合其他領(lǐng)域，共同促進(jìn)無人機(jī)三維可視化的優(yōu)化性發(fā)展。本系統(tǒng)的研發(fā)主要立足于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對原有的無人機(jī)三維可視化中的不足進(jìn)行修補，從而提高視景效果的仿真程度。

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作者簡介：吳永慧，（1981.12-）， 女，壯族，廣西柳州，碩士，講師，研究方向：二維動畫、三維動畫、微電影。