視景模擬器

飛行（仿真）模擬器不但對飛行員的訓練至關重要，而且也是研究飛行器理論和飛行器製造技術的重要工具。在飛行模擬器系統中，視景系統是一個主要的子系統。視景模擬器為飛行員提供飛行訓練時真實世界的座艙外景象，其圖形生成和顯示質量直接影響飛行訓練的效果。視景模擬器硬體部分主要包括圖形生成器和投影顯示系統，軟體部分主要包括資料庫建模軟體、實時場景管理啟動驅動軟體及實時通訊程式。

此外，由於需要在陽照區及陰影區都能夠實現交會對接，電視攝像機需要很強的調光能力，以應對飛船在陽照區和在陰影區的大範圍照度變化。為了驗證電視攝像機的調光能力以及實現交會對接模擬試驗，空間目標視景模擬器則應運而生。

基本介紹

• 中文名：視景模擬器
• 外文名：visual simulator
• 作用：提供艙外景象
• 硬體部分：圖形生成器和投影顯示系統
• 軟體部分：建模軟體、驅動軟體、通訊程式
• 在空間的套用：空間目標視景模擬器

簡介

飛行（仿真）模擬器不但對飛行員的訓練至關重要，而且也是研究飛行器理論和飛行器製造技術的重要工具。在飛行模擬器系統中，視景系統是一個主要的子系統。視景系統為飛行員提供飛行訓練時真實世界的座艙外景象，其圖形生成和顯示質量直接影響飛行訓練的效果。視景系統硬體部分主要包括圖形生成器和投影顯示系統，軟體部分主要包括資料庫建模軟體、實時場景管理啟動驅動軟體及實時通訊程式。

技術概況

世界上第一台飛行模擬訓練裝置出現於1929年，當時並沒有視景系統，僅用於訓練依靠儀表飛行的能力。20世紀60年代初期，隨著載人航天計畫的飛速發展，飛行訓練裝置中開始套用視景系統。早期的訓練模擬器常採用閉路電視(CCTV)視景系統，如美國‘·水星號”、‘·雙子星”號飛船訓練模擬器均採用這種視景系統。其圖像源是按一定比例用沙盤製成的地景模型，通過顯示器將攝像頭拍攝的地景模型圖像呈現給訓練員。我國20世紀r0年代研製的殲六飛機飛行訓練模擬器視景系統也採用CCTV形式，圖像源為長15m，高5m的地景模型，用攝像機和多套隨動系統按飛行軌跡、航向和姿態角的不同而拍攝相應地景模型的不同區域。前蘇聯“東方”號載人飛船第一台訓練模擬器上的視景系統採用的是電影設備，用連成環狀的膠片復現飛船在地球軌道上所能觀察到的圖像。受訓人員通過潛望鏡觀察該視景圖像，而不是直接通過舷窗直接觀察。

這種形式的視景系統同樣存在難以更換場景圖像這一重大弱點。目前的視景模擬器已經全面採用了計算機圖像生成與顯示最新技術。

視景仿真是虛擬現實技術的重要的表現形式，它使用戶產生身臨其境的感覺的互動仿真環境，實現用戶與該環境直接進行自然互動。視景仿真採用計算機圖形圖像技術，根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型或再現真實的環境，達到非常逼真的仿真效果。視景仿真就是對眼睛所看到的景象進行仿真，用計算機產生的圖形圖像再現真實世界的景物。它採用計算機圖形圖像技術，生成一個逼真的三維視覺、聽覺的感官世界，使用戶利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和互動。

視景仿真技術在許多領域得到了廣泛的套用，如城市規劃仿真、大型工程漫遊等，特別是視景仿真十分適於套用在軍事領域的作戰訓練和武器研製方面。尤其是高層仿真框架HLA體系結構的廣泛使用，基於HLA的分散式虛擬視景環境系統已經進入實際研究階段。我們研究的重點就是將場景模擬技術運用於飛機的訓練模擬器中，建立一個虛擬的、非常逼真的戰場環境，使受訓人員沉浸在由計算機產生的作戰環境中。可為戰術演練和訓練提供非常有效、經濟的手段和途徑，具有十分明顯的經濟效益並成為軍事領域裡重要的高科技手段。

飛行模擬視景關鍵技術

視景模擬技術有三個非常顯著的特徵:它是實時的，計算機呈現給人們的圖形圖像所表現的場景運動是與人們在真實世界所見的一樣，不僅運動是平滑的，而且速度是一樣的;它是三維的，能夠允許觀察者從不同的角度來看;它是可互動的，允許通過鍵盤、滑鼠或其它計算機輸入設備對它進行實時控制。

視景模擬關鍵是表現為仿真結果的可視性和生動性，並且具有投入感、沉浸感和多維人機互動特性，其目的是建立一個具有身臨其境的沉浸感、完善互動作用能力、能幫助啟發構思的仿真環境。其關鍵技術主要有：

（1）視景仿真系統集成技術

視景系統主要由視景生成系統和視景顯示系統組成。其中圖形生成器是視景系統的核心，它用來為飛機的受訓人員生成相應的座艙外景象，它決定圖形生成的更新率、圖形解析度、圖形複雜程度和圖形質量。實時生成逼真的視景圖像需要正確描述視景中各種實體的幾何形狀、相對位置和運動關係，必須基於實體的材質、紋理、環境氣象和光照以及實體間的行為互動等進行大量的計算。

（2）投影系統技術

對於飛機模擬訓練系統而言，視景顯示有以下三種:頭盔顯示、球幕顯示和立體成像顯示。其中頭盔顯示能夠使得視景的逼真度達到最好，但是技術複雜，還沒有達到實用化的程度。球幕顯示則較為成熟，其顯示系統的結構主要採用球幕、頭位(眼位)跟蹤、注視區顯示和多投影器顯示等方式。當模擬系統的視場需求大於300度時，大多採用球幕+頭位跟蹤+注視區顯示，它基於人眼的生理特點，較好地解決了視場、解析度、亮度等指標的矛盾。立體成像顯示採用方幕+多投影器+立體眼鏡顯示方式，它是在球幕顯示機理的基礎上發展起來的，使得視場有明顯的立體感覺。目前，國外的飛機模擬系統大多採用球幕顯示，國內現有的飛行模擬器根據系統的具體要求，大部分採用實像、虛像或者虛實像結合的顯示方式，個別模擬系統採用了立體成像技術。

（3）視景仿真建模技術

視景仿真分為仿真環境製作和仿真驅動。其中仿真環境製作主要包括:模型設計、場景構造、紋理設計製作、特效設計等，它要求構造出逼真的三維模型和製作逼真的紋理和特效，對於飛行模擬器而言，如何構造一個逼真的虛擬戰場環境，大地形的建模技術起到了至關重要的作用。

（4）環境特效技術

在虛擬戰場環境中，為使操作者產生身臨其境的感覺，必須對環境的效果，進行逼真的模擬。包括氣象、爆炸效果、海浪、船隻或武器發射的尾跡等，都是虛擬戰場場景中必不可少的重要組成部分，在計算機圖形學領域，如何建立相關的模型，生成具有真實感的特效，一直是關鍵技術之一。

（5）視景的顯示和調度

視景仿真另一個重要的組成為仿真驅動，主要包括:場景驅動、模型調動處理、分布互動、大地形管理等，它要求高速逼真地再現仿真環境，實時回響互動操作等。系統的回響速度既和硬體設備有關，同時也和相關算法有關。

空間目標視景模擬器

意義

空間目標視景模擬器需求原因及意義:

1、電視攝像機的調光能力試驗在地面上難於實現，需要尋找一種簡便，低成本的模擬方式。

地面上的光照環境與外太空的光照環境有很大區別。電視攝像機在外太空成像的圖像中，由於進入攝像機視場的空間目標周圍沒有大氣散射，在顯示圖像中為純黑背景，灰度值可認為零，而地面上的物體都會因為發光或反光參與到調光運算中，從而影響到調光能力的驗證。

如果採用全物理仿真技術，需要建造飛船及目標實體，並且要模擬出飛船在陽照區的光照環境，需要建造一台口徑等於飛船口徑(2m-3m)輻照面積的大型太陽模擬器，太陽模擬器的功率需要達到30萬瓦，成本要幾千萬元，成本巨大。還有空間目標周圍的黑色背景亦難於仿真。這種仿真方式所需要的空間也非常大，電視攝像機工作距離為150m到2m，則至少需要建造一個150mX3mX4m的實驗室，對於單機產品來說，這種成本是巨大的。

投影技術是視景仿真技術中，普遍採用並且低成本的技術。將視景圖像投影到巨幕上，將敏感器對準巨幕成像。但對於電視攝像機的成像試驗來說，投影儀投影的圖像亮度要滿足太陽直射目標時的高亮度值，需要110萬流明的投影儀，國內外均沒有如此高亮度的投影儀。

2、為航天員人控交會對接模擬訓練提供閉環模擬試驗。

在外太空，航天員的任何一次操作都是至關重要的，一次錯誤的操作都有可能導致嚴重的後果。所以航天員在地面上的訓練也至關重要，需要預測各種情況且訓練各種環境下的操作。人控交會對接中航天員的作用很重要，根據電視攝像機傳回來的目標飛船和合作目標的圖像來判斷追蹤飛船與目標飛船的相對姿態，進而調整追蹤飛船的姿態。所以航天員必須熟悉各種姿態的調節。視景模擬器將與攝像機形成半實物仿真的閉環試驗，航天員通過電子螢幕觀察姿態，調整追蹤飛船姿態，大型計算機模擬姿態變化後的攝像機視景圖傳輸到視景模擬器，視景模擬器將通過光學系統傳輸給攝像機，攝像機將圖像傳輸會電子螢幕，航天員再次通過電子螢幕觀察姿態的變化。如此反覆，能夠有效地訓練航天員順利地完成人控交會對接任務。通過計算機模擬，也可以模擬各種意外情況的發生，訓練航天員的預判能力以及處理問題的能力。

3、隨著我國外太空探測及活動任務的增多，交會對接任務越來越繁重，而國內還沒有針對空間目標大視場成像的模擬環境及設備，並且還沒有針對目標大範圍亮度變化的模擬。

技術現狀

雖然國內空間目標成像技術在各種航天活動中已處於套用階段，但是卻還沒有針對目標大視場成像及大亮度變化範圍模擬的相關試驗環境和模擬裝置。最近十幾年來，針對空間目標模擬器的研究主要是星模擬器的研究，星模擬器是星敏感器在地面的檢測及試驗設備，用於模擬星敏感器在某一姿態或任何姿態下所觀測的星圖。星模擬器根據性能要求及作用可以分為動態星模擬器和靜態星模擬器兩種。動態星模擬器的作用為模擬實時動態星圖，對星敏感器動態功能進行測試。主要是由液晶光閥和平行光管組成光學系統。靜態模擬器的作用為標定或測試星敏感器對不同恆星的星等、光譜·色溫的敏感性，主要是由一系列點光源和濾光片構成。國內外在星模擬器的技術上已經非常成熟，且已經廣泛地套用。

對空間目標進行可見光成像的設備還有是空間目標監視系統，空間目標監視系統的主要任務是精確的探測和跟蹤空間重要目標，對其尺寸、形狀、軌道參數等重要特性進行實時探測，並且進行分發和歸類，進而判斷其危險性及任務。空間監視系統與星敏感器有較相似之處，即目標離成像系統很遠，目標在成像系統的探測器上也僅是占幾個像元的位置。國外在上世紀九十年代就開始了空間目標監視系統的研究並且已處於套用階段，而國內針對空間目標監視系統的研究也已經起步。空間目標監視系統的模擬器未見相關報導。

對電視攝像機的目標視景模擬器而言，其與星敏感器以及空間目標監視系統的模擬器及相關技術方面有一些相同卻又有較大不同方面，電視攝像機的模擬器即空間目標視景模擬器關鍵在於實時模擬目標的圖像以及其光學特性，並且實現目標周圍的黑色背景。在這些方面，電視攝像機的目標視景模擬器與星敏感器的星模擬器以及空間目標監視系統的模擬器有相似之處，原理也接近並且模擬黑背景要求上也是一樣的。只是目標視景模擬器要求實現的亮度變化範圍大以及目標大視場成像，這與其他兩種對空間目標成像的模擬器有較大不同之處。由於交會對接技術的套用在國內才剛剛起步，電視攝像機在交會對接中的套用也才初步實施，因此國內針對空間目標視景模擬器相關技術方面也是才剛剛起步，尤其在大亮度變化範圍的模擬以及目標大視場模擬未見相關報導。