SR20飛行訓(xùn)練器視景系統(tǒng)三維地形建模技術(shù)研究

趙 瑞

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院洛陽(yáng)分院，河南 洛陽(yáng) 471001）

0 引言

飛行訓(xùn)練器的視景系統(tǒng)是飛行員和操縱組件、座艙儀表之間的交互橋梁。通過(guò)三維建模和圖像處理技術(shù)，視景系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)生成座艙外的視野影像，利用多通道投影儀將三維地形、機(jī)場(chǎng)及天氣狀況等畫面投射到球型幕上，為飛行員訓(xùn)練過(guò)程提供實(shí)時(shí)的視覺(jué)反饋，營(yíng)造逼真的飛行環(huán)境。三維地形視景的精準(zhǔn)度和時(shí)效性會(huì)直接影響飛行訓(xùn)練人員的訓(xùn)練效果。

傳統(tǒng)飛行訓(xùn)練器廠家很少對(duì)客戶的視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，而且更新需要付費(fèi)。本文針對(duì)SR20飛行訓(xùn)練器(FTD）的視景系統(tǒng)，利用Presagis Creator等專業(yè)視景仿真工具，提出了一種精準(zhǔn)且快捷的三維地形建模技術(shù)，能夠快速升級(jí)訓(xùn)練器的最新地形數(shù)據(jù)，確保地形數(shù)據(jù)庫(kù)的精準(zhǔn)度和時(shí)效性。

1 建模工具

Presagis是加拿大CAE旗下的獨(dú)立子公司。Creator是該公司推出的專業(yè)視景建模仿真軟件。Presagis Creator的地形建模模塊可以讀取DTED格式或DEM格式的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，匹配地理經(jīng)緯度坐標(biāo)后，和遙感衛(wèi)星圖像等地形紋理數(shù)據(jù)相映射，快速生成大面積的地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)自動(dòng)化的層次細(xì)節(jié)設(shè)置和組篩選，能方便地創(chuàng)建多分辨率地表特征，并能精確控制地表多邊形數(shù)量和與原始數(shù)據(jù)間的誤差，使地形精度接近真實(shí)世界，地面紋理逼真度高。OpenFlight是Creator特有的模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件格式，其采用了樹狀層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)組織形式，應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真有利于減少系統(tǒng)開銷，提高渲染效率，且具有靈活性高、結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)。鑒于以上特點(diǎn)，本文選擇Presagis Creator作為SR20飛行訓(xùn)練器(FTD）視景系統(tǒng)地形數(shù)據(jù)庫(kù)的主要建模工具［1］。

2 地理信息數(shù)據(jù)獲取

地理信息數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)獲取、DEM處理和遙感衛(wèi)星圖像處理，都需要選擇合適的處理工具及方法。

通過(guò)國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站或者NASA官網(wǎng)，下載ASTER GDEM V2版本的高程數(shù)據(jù)，范圍設(shè)定為洛陽(yáng)機(jī)場(chǎng)進(jìn)近飛行程序覆蓋的矩形框范圍(機(jī)場(chǎng)周邊約50公里范圍）。該數(shù)據(jù)格式為GeoTiff，分辨率為1arc(30 m），基 準(zhǔn) 為WGS84，投 影 為 地 理 坐 標(biāo) 投 影(Geographic Lat/Lon）。該數(shù)據(jù)無(wú)法直接被Presagis Creator讀取，需要將其轉(zhuǎn)化為DEM格式或者DTED格式，利用GIS軟件Global Mapper可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

(1）用Global Mapper打開tif后綴的數(shù)據(jù)文件，打開過(guò)程中選擇以高程數(shù)據(jù)方式打開。

(2）菜單欄選擇“輸出/輸出海拔網(wǎng)格格式”，在彈出的對(duì)話框中選擇DEM或者DTED。

(3）在彈出的導(dǎo)出選項(xiàng)對(duì)話框里可以設(shè)置采樣間距，網(wǎng)格布局，輸出范圍等［2］。

(4）單擊確定并選擇保存目錄，即可轉(zhuǎn)換為DEM或者DTED格式。

遙感衛(wèi)星圖像可以從Google Earth網(wǎng)站下載，相比其他數(shù)據(jù)源，Google Earth具有完全免費(fèi)、精度高以及更新速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用Google Earth作為遙感影像的原始數(shù)據(jù)來(lái)源。Google Earth的衛(wèi)星圖片分辨率最高可達(dá)1 m以內(nèi)，衛(wèi)星圖片下載后可以拼接為帶地理信息的GeoTiff格式圖片，也可以是jpg格式圖片附加一個(gè)帶地理信息的世界文件。根據(jù)與洛陽(yáng)機(jī)場(chǎng)距離的不同，按區(qū)域分別下載了3種分辨率的衛(wèi)星圖片。Google Earth衛(wèi)星圖像的地圖投影方式為網(wǎng)絡(luò)墨卡托(Web Mercator），EPSG投影編碼為3785。Presagis Creator的默認(rèn)參考橢球體為WS84，為數(shù)據(jù)匹配，需將衛(wèi)星圖像的投影方式改為EPSG：4326的WGS84地理坐標(biāo)投影。

(1）用Global Mapper打開衛(wèi)星圖像。

(2）菜單欄選擇“工具/配置”，在彈出的配置對(duì)話框中選擇投影標(biāo)簽。

(3）在“從EPSG輸入”里輸入4326，確定保存。(4）重新以“光柵/圖像格式”輸出修改后的衛(wèi)星圖像。

3 地形建模

3.1 高程數(shù)據(jù)處理

DED builder是Presagis Creator內(nèi)置的地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，可以將各種格式的原始地形數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為Presagis Creator專用的DED格式。

打開Presagis Creator，選擇“Terrain/build DED”菜單命令啟動(dòng)該工具。

(1）單擊“Add”按鈕添加原始地形文件，在彈出的文件夾瀏覽器中選擇地形文件即可將它們加載到DED文件生成器中，并被顯示在窗口左邊的原始地形文件列表中。

(2）選擇好文件和文件設(shè)置后，單擊DED文件生成窗口中“Output File”旁邊的瀏覽按鈕，指定要生成的文件的文件名和存儲(chǔ)路徑［3］。

(3）單擊“Generate”按鈕，則會(huì)從選中的地形文件生成DED文件。

地理信息數(shù)據(jù)預(yù)處理后，導(dǎo)入Presagis Creator中開始建立地形模型，選擇“Terrain/New Project”，從彈出的對(duì)話框中選擇并導(dǎo)入DED地形數(shù)據(jù)文件，然后打開“Terrain Window”參數(shù)設(shè)置窗口，可以對(duì)地形數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，Terrain Window參數(shù)設(shè)置窗口如圖1所示。

圖1 Terrain Window參數(shù)設(shè)置窗口

選擇要處理的地面區(qū)域，設(shè)置Presagis Creator高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形多邊形的各種控制參數(shù)。在設(shè)置生成地形參數(shù)時(shí)必須綜合考慮需要的LOD數(shù)目、地圖投影方式、地形多邊形轉(zhuǎn)換方式以及硬件平臺(tái)的多邊形預(yù)算等因素。由于生成地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)需要反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程，而且需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算，所以有必要在進(jìn)行正式轉(zhuǎn)換之前先取一小塊目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行效果測(cè)試。

3.2 創(chuàng)建地形LOD

細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail，LOD）是模型數(shù)據(jù)庫(kù)中代表同一物體而又具有不同的細(xì)節(jié)程度的一組模型對(duì)象，不同細(xì)節(jié)程度版本模型的多邊形復(fù)雜度也不一樣，細(xì)節(jié)程度越高，模型對(duì)象所包含的多邊形數(shù)量越多。在可視化仿真運(yùn)行的過(guò)程中，實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)位置距模型對(duì)象的距離選擇其中一個(gè)LOD來(lái)顯示模型對(duì)象。因此，使用LOD技術(shù)可以有效提高模型數(shù)據(jù)庫(kù)的多邊形利用率，在有限條件下取得最佳的視覺(jué)效果。

本數(shù)據(jù)庫(kù)利用LOD技術(shù)設(shè)置了3個(gè)細(xì)節(jié)層次的地形模型，高細(xì)節(jié)層次的模型中包含了更多的多邊形以提高模型的分辨率，如圖2所示。系統(tǒng)在調(diào)用模型時(shí)，會(huì)根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出距離切換不同細(xì)節(jié)層次的模型，從而有效地提高了多邊形的利用效率。

圖2 不同層次細(xì)節(jié)的地形模型

地形LOD的設(shè)置在地形窗口的“Set Level of Detail Switch Ranges”區(qū)域中進(jìn)行，點(diǎn)擊“Insert LOD”可以對(duì)細(xì)節(jié)層進(jìn)行插入操作，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 不同細(xì)節(jié)層次的參數(shù)

3.3 設(shè)置地圖投影和地形轉(zhuǎn)換算法

由于真實(shí)地球不是一個(gè)圓球體，所以對(duì)于地球上不同位置的地形必須使用不同地圖投影方式來(lái)減少投影誤差，選擇地圖投影方式取決于目標(biāo)地形區(qū)域在地球上的具體位置、面積大小以及實(shí)際形狀等因素。Presagis Creator提供了5種不同的地圖投影方式，可在“Map Projection”下拉菜單中進(jìn)行選擇。

根據(jù)洛陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的中心地理位置及本文建模區(qū)域范圍較小的特點(diǎn)，可根據(jù)需要選擇Trapezoidal梯形投影。該投影方式在投影中心處最精確，隨著與中心點(diǎn)的距離增加，誤差變大，因此，這種投影方式適合于范圍較小的地形數(shù)據(jù)庫(kù)。

Presagis Creator提供了多種不同類型的三角形化算法來(lái)將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)。使用不同的轉(zhuǎn)換算法和參數(shù)，將會(huì)在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中獲得不同的運(yùn)行效率，所以有必要根據(jù)實(shí)際測(cè)試效果合理選擇地形轉(zhuǎn)換算法。

本數(shù)據(jù)庫(kù)采用了Delaunay轉(zhuǎn)換算法，該算法可隨地形起伏變化的緩急而動(dòng)態(tài)地生成多邊形數(shù)量。因此，與其他算法相比，這種地形算法的優(yōu)點(diǎn)在于支持LOD之間的邊界匹配，在多邊形數(shù)量較少的情況下也能很好地描述地形，且能夠避免產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)三角形，影響系統(tǒng)性能。同時(shí)Presagis Creator為該算法提供了Delaunay地形修正工具“Modify Delaunay”，利用這種工具可以對(duì)地形多邊形進(jìn)行精細(xì)化修改和調(diào)整，最大限度地提升地形的真實(shí)性。

3.4 映射地形紋理

紋理映射(Texture Mapping）是把二維的圖像位圖上的像素值映射到三維實(shí)體模型的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)，來(lái)產(chǎn)生特殊效果或真實(shí)感的技術(shù)。將包含真實(shí)地形表面信息的紋理映像到地形模型上，可以有效提高模型的逼真度，使系統(tǒng)仿真時(shí)的場(chǎng)景有更好的真實(shí)感。

地形紋理映射的方法就是針對(duì)不同的飛行高度，將紋理應(yīng)用到多邊形模型上，具體操作是在Presagis Creator等高線屬性下拉菜單中選擇“Texture”項(xiàng)，再指定需要添加貼圖的海拔段，就可以為該海拔段添加紋理。應(yīng)用地形紋理的具體方法有3種。

(1）在地形窗口的Texture面板中直接指定使用的紋理。

(2）使用紋理工具箱中的“GeoPut Texture”工具。

(3）使用“Terrain/Batch GeoPut”菜單命令。

以上3種應(yīng)用地形紋理的方式都要確保地形紋理與地形模型的地形坐標(biāo)完全匹配。本文地形紋理的原始數(shù)據(jù)來(lái)自3種分辨率的帶有地理信息的衛(wèi)星圖片，不同分辨率的地形紋理根據(jù)飛行高度的變化，應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)周邊不同的區(qū)域上，越接近機(jī)場(chǎng)的區(qū)域，飛機(jī)飛行高度越低，需要映射分辨率越高的地形紋理。

4 仿真效果

輸出地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)后，還需要對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)試，消除定位誤差造成的紋理的變形失真。調(diào)試修改完成后，該數(shù)據(jù)庫(kù)文件可直接導(dǎo)入SR20飛行訓(xùn)練器視景系統(tǒng)，進(jìn)行地形數(shù)據(jù)庫(kù)更新。最終生成的地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)如圖3所示。

圖3 地形數(shù)據(jù)模型

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)SR20飛行訓(xùn)練器視景系統(tǒng)，介紹了一種利用Presagis Creator等專業(yè)仿真工具進(jìn)行快速三維地形建模的方法，提高了地形數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)效性，實(shí)際使用效果滿足訓(xùn)練要求。后期將引入Terra Vista仿真軟件，進(jìn)行機(jī)場(chǎng)文化要素建模，進(jìn)一步豐富地形數(shù)據(jù)庫(kù)。