三通道视景及三维态势仿真系统中端方案

1、文件编号：132-2013-TB01-FA(M)密级:内部阶段： D版本： 1.000三通道视景及三维态势系统设计方案（中端方案）共 1 册 第 1 册 共 39 页西北工业大学无人机特种技术签字日期编 制校 核审 查批 准目录1.视景系统概述11.1视景系统组成11.2视景系统总体指标22.三通道柱幕正投实像显示系统42.1初步光路设计52.2柱面硬幕72.3F12 WUXGA投影机83.三通道图形生成系统94.实时场景管理软件134.1分布渲染模块VEGA PRIME DISTRIBUTED RENDERING174.2VEGA PRIME EFFECTS模块184.3程序开发流程205.

2、视景数据库215.1原始数据采购及处理225.2视景数据库开发流程235.3视景数据库开发详细步骤285.4视景数据库主要指标286.三维态势.297.成功案例337.1某重点型号飞机训练模拟器视景系统337.2某型号飞机训练模拟器视景系统347.3应用案例4 民机训练模拟器视景系统347.4应用案例5 某型号飞机工程模拟器视景系统357.5应用案例8 某型号气垫船训练模拟器视景系统358.系统配置及报价369.技术支持381. 视景系统概述视景系统是飞行模拟器的一个主要子系统，用来模拟飞行员所看到座舱外部的景象，从而使飞行员判断出飞机的姿态、位置、高度、速度以及天气等情况。先进的视景系统，是

3、用专业级图形生成系统来产生座舱外部的景象，然后通过投影系统、或其它显示终端显示出来。视景系统是飞行员获取飞行中有用信息的主要窗口。其图形生成与显示质量，直接影响到飞行员能否对景象的判断，并最终影响到模拟训练的效果。根据用户要求，本次方案的视景系统能够实时逼真的模拟各种气象条件下、各种飞行状态时的视觉效果，多种空、地景物及相对运动动态效果等舱外景象，能够与飞行员在实际飞行中看到的情况一致。在起飞和着陆阶段，为飞行员提供的逼真的视觉效果，让飞行员能够正确判断滑跑距离、离地高度、下降速度、与跑道相对运动及距离变化等视觉效果的要求。1.1 视景系统组成该视景系统主要由三部分组成：图形生成系统、视景数据

4、库和显示系统；视景系统结构图如下所示：图像生成系统：采用联想 C30 系列图形工作站和 Vega Prime实时三维渲染软件组成，负责接受主系统的相关参数（包括飞机姿态、环境参数等）并实时生成座舱外的逼真的三维图像；视景数据库：将根据用户需求采购指定地区相关原始数据及资料，通过专业数据库开发工具及建模工具，制作成满足当前应用的高精度数据库，为飞行训练提供逼真的三维飞行环境；显示系统：根据用户需求设计为三通道柱幕正投实像显示系统，主要包括，柱面硬幕、三台 F32 WUXGA 单片 DLP 投影机、为飞行提供较强沉浸感的显示环境。1.2 视景系统总体指标视景系统整体指标如下：（光路设计部分为满足用

5、户技术要求的初步设计，详细设计将在得到座舱数模，了解到现场环境后进一步优化及完善。）ü 视景系统投影方式：柱面硬幕，正投实像üüü柱幕半径：3.8 米视场角：180°x45°（+22.5°，-22.5°）视景系统通道数：3üü视景系统延时：不大于 82ms 视景系统对比度：不小于 10：1 视景系统亮度：不小于 6FTL视景系统分辨率：不大于 4arcmin/pixel投影机选型：F32 WUXGA 单片 DLP 投影机n 分辨率：1920x1200n 亮度：最大 7500 流明ü&#

6、252;ün 对比度：7500:1n 延时：不大于 22ms几何校正电子边缘融处理：软件方式üü图形生成系统选型：n 分辨率输出：1920x1200n 地形 LOD 分层：不小于 5 级n 虚拟纹理分层：不小于 20 级n 可视范围：不小于 200 公里n 同步：软同步n 延时：不大于 60msü数据库开发：指定地区某机场高精度数据库2. 三通道柱幕正投实像显示系统该显示系统基于用户的技术要求，并对应用理解的基础上设计完成的。是一套3.8米半径 180°x45°（+20°，-25°）三通道柱幕正投实像显示系统。采用

7、PD公司先进的单片DLP投影机，投影机的全数字化高集成电路设计确保了系统稳定性。由于投影机采用先进的DLP技术，投影机设备无烧坏死现象，一天24小时长期连续使用不会对投影机任何损坏，对显示效果没有任何影响，并配置软件几何校正与融合技术；投影方式采用三通道正投漫反射硬幕方式，实现了显示系统最高的可维护性。整个显示系统的设计包括优秀的光学表现，简单安全的安装及维护。2.1初步光路设计图1三维效果图以下光路为满足用户技术要求的初步设计，详细设计将在得到座舱数模，了解到现场环境后进一步优化及完善。图 2顶视图图 3正视图图 4侧视图2.2柱面硬幕图5柱面硬幕，4米半径，增益为0.8，满足180

8、6; × 45°视场角要求，同时为确保这种屏幕是用于本方案最好的，我们始终考虑以下准则：Ø 控制屏幕每部分输出亮度均匀；Ø 限制屏幕的反射效果；Ø 满足应用需求的Ø 增大最佳视角；Ø 提高整个图象的对比度。屏幕选用进口优质材料，硬度好、刚性强。屏幕表面涂层采用特殊复合工艺处理，抗磨损、抗盐雾、耐腐蚀，防风、防雨、防污染（有污染可用湿布擦去）、防霉变，投影画面对比度高、分辨率强，图像清晰、色彩还原好。屏幕制作精良，平整度高，受外界小，使用环境摄氏-40-70°使用长。屏幕特性：Ø工厂设定好的工作环境确保屏幕

9、在生产过程中有过量的水份、粉尘被融进涂层，涂层表面均匀、平整，使用效果好。Ø十多道涂层表面的后期工艺处理在工厂进行，确保屏幕牢固、耐用。Ø生产出的每块屏幕都必须经过严格的检验，次品、废品一律不得入库，确保每块出厂的屏幕都是合格品。Ø该款屏幕有极好的对比度和分辨率，绝佳的色彩还原性和饱和度。2.3 F12 WUXGA 投影机该显示系统的投影系统选用 Projection Design F-12 单片 DLP投影机，支持 1920X1200 像素分辨率(WUXGA)，独特的真色彩（RealColor）色彩管理组建，输入画面处理选项，从而达到更加逼真的视觉效果，满足高端

10、的视景系统需求。特点如下：üü提供WUXGA 分辨率亮度：最大 4000 流明üü对比度：4000:1 延时：22msBrilliantColor 绚丽色彩技术RealColor 色彩管理套装24/7 全天候运行保证üüüüü多种镜头选择Failsafe 专利 DuARCh 技术üüüüüPureRGB 成像可降低串色和彩色混杂：2000 小时灯泡重量：12.6kg（不含镜头） 功率：450W：268 x 300 x 104 mm （dwh）3.三通道图形

11、生成系统图形生成计算机应能根据飞行提供的飞机姿态、位置等信息，处理视景环境的数据，生成指定视点、指定视场范围内的视觉图像，并传送到显示系统。多通道视景系统中图形生成计算机将采用三台 LenovoThinkStation C30 图形工作站。C30 构建于紧凑型设计基础之上， 支持两颗最新一代的英特尔® 至强® 处理器，并具有更快的内存性能。经 ISV 认证的 ThinkStation C30 工作站专为图形图像处理而设计。C30 还采用了三通道冷却设计，使其组件的工作温度远低于其它图形工作站，从而有效提高了稳定性。其享有专利的设计和冷却技术使 C30 能够在更小的空间内提供

12、图：动力，外观及及配置如下项目配置及指标处理器CPU 类型：Intel 至强E5-2600 CPU 型号：Xeon E5-2620 CPU 主频：2.0GHz最高睿频：2.5GHz CPU 数量：2 颗CPU：六核 CPU 线程数：12 线程主板组Intel C602内存内存类型：ECC DDR3图形工作站将配置 NAVID Quadro 6000 显卡：Quadro 6000 基于创新的 NVIDIA® Fermi 架构，是首款集高性能计算功能与先进的可视化技术于一身的专业级 GPU。NAVIDQuadro 6000 的具体配置参数如下：项目配置及指标内存大小：16GB内存频率：1

13、600MHz插槽：8 个 DDR3 DIMM硬盘接口类型：SATA硬盘容量：1TB 7200rpm（最大支持三个）光驱类型：Rambo网络通信网卡描述：集成千兆以太网卡软件系统正版 Windows 7 专业版 64 位保修信息保修政策：，享受三包服务质保时间：3 年GPU 技术规格NVIDIA Quadro GPU (图形处理器)Quadro 6000CUDA 并行处理器448规格4.376” H x 9.75” L / Dual SlotGigaflops (十亿次浮点运算) (单精度)1030.4显存技术规格帧缓存总量6 GB GDDR5显存位宽384-bit显存带宽 (GB/秒)144

14、GB/s支持的显示器双链路 DVI1DisplayPort2数字输出接口的数量2模拟输出接口的数量1Stereo (3-pin Mini-DIN)Yes数字最高显示分辨率 60Hz2560x1600显示器通道2GeForce 3D Vision支持的特性着色器模型5.0OpenGL4.3Microsoft DirectX114.实时场景管理软件实时场景管理软件采用 Vega Prime，是Presagis 公司应用于实时视景、声音及其它可视化领域的世界领先的软件环境。它将易用的工具和高级功能巧妙地结合起来，从而使用户简单迅速地创建、编辑和运行复杂的应用成为可能。它提高了软件支持 NVIDIA

15、SLI 多操作系统SLI 马赛克模式C 语言编程环境SDI 版本G-Sync 版本支持 SLI 帧渲染NVIEW 显示器管理软件全屏抗锯齿(最高)64x (128x with SLI)插槽数量2散热及电源技术规格符合能源标准Yes显卡最大功率 (瓦)204 W需要辅助电源线单根 8 针或两根 6 针电源线维护性和实时性，大大提高了开发效率。使用 Vega Prime 可以迅速地创建各种实时交互的三维环境。Vega Prime 无论对于程序员还是非程序员都是理想的实用工具。因为 Vega 为他们提供了一个稳定、兼容且简单易用的界面，从而使他们在开发和维护工作中能够保持高效。Vega Prime

16、可以使他们集中精力解决特别领域内的问题而无需花费大量的时间和精力去编程。Vega Prime 支持多种数据格式的输入，允许不同数据格式的综合显示。从而使开发、工程师和设计师可以将多种设计综合到一起。Vega Prime 包括 Lynx Prime 图形用户界面配置工具和 VegaPrime 的基础 VSG（Vega Scene Graph）高级跨平台场景渲染 API。此外，Vega Prime 还提供了多个针对不同应用领域的可选模块，使其能满足特殊的行业需要，还提供了您开发自己模块的功能。LynX Prime 是一种可扩展的跨平台的 GUI 工具，为您提供了一个简单的直接的开发界面，可根据需要

17、快速开发出合乎要求的视景应用程序。Lynx Prime 基本上继承了 Lynx 的功能，同时又增加了一些新功能。它具有向导功能，能对 Vega Prime 的应用程序进行快速创建、修改和配置，从而大大提高了生产效率；它基于工业标准的 XML格式，能与其它应用领域进行最大程度的数据交换；它可以把 ACF (Application Configuration File) 自动转换为 C+代码。VSG 是高级的跨平台的场景渲染 API，是 Vega Prime 的基础，Vega Prime 包括了 VSG 提供的所有功能，并在易用性和生产效率上作了相应的改进。在为视景和可视化应用提供的各种低成本商业

18、开发软件中，VSG 具有最强大的功能，它为、训练和可视化等提供了最佳的可扩展的基础。VSG 具有最大高级三维应用开发限度的高效性、优化性和可定制性，无论您有何需求，都能在 VSG基础之上快速高效地开发出满足需要的视景应用程序，VSG 是开发三维应用程序的最佳基础。Ø帧频率控制ØØ内存分配内存泄漏跟踪ØØØ基于帧的纹理调用异步光线点处理分布式渲染 (优化的)Windows, Irix, Linux,Ø跨平台可扩展的开发环境，支持SolarisØØ与 C+ STL 相兼容的体系结构强大的可扩展性，允许最大程度

19、的定制，使得您可调整 VSG来满足应用需求，而不是根据的限制来调整应用需求ØØ支持多处理器多线程的定制与配置应用程序也具有跨平台性，您在任意一种平台上开发的应用程序，无须修改就能在另一个平台上运行Ø支持 OpenGL 和 Direct3D 的优化的渲染功能，应用程序能基于 OpenGL 或 Direct3D 运行，其间无须改动程序代码Ø支持双精度浮点数，使几何物体和地形能在场景中精确地放置与表示Ø支持虚拟纹理，软件实现图像的动态查阅，使高级功能与平台无关图 6Vega Prime 软件结构图Presagis 公司同时为 Vega Prime 提

20、供一些功能强大的应用模块，以解决实时 3D 应用开发中会遇到的难题。Vega Prime 构造允许用户根据应用的复杂程度创建定制的开发模块或扩展功能。针对本次项目的需求，还需如下模块，完成本次应用，详细介绍如下：4.1 分布渲染模块 Vega Prime Distributed Rendering这是 Vega Prime 专门为多屏幕显示应用提供的一个选项，它可以把三维图像无缝地显示在多个屏幕上。它支持任意多个屏幕而不明显影响显示性能，它可以有效地实质性地增加视景应用的场景和分辨率，而不需要特殊的硬件。Ø 使单屏幕显示应用可以在多台工作站上运行，成为多屏幕显示应用Ø

21、16;Ø支持同步或非同步显示支持软件或硬件同步方式易于配置4.2Vega Prime Effects 模块Vega Prime FX模块为实时3D应用中大量特殊效果的提供跨平台且扩展性良好的开发环境。所有的效果都能够采用LynXPrime GUI配置工具或直接通过API进行、修改，并添加到具体应用中。同时，采用Vega Prime FX，您仅需要对某些视觉属性进行预定义或调整，就能够定制场景中效果的显示、时间、触发以及性能特征。Vega Prime FX提供可完全定制和升级的粒子系统，使您能够极其方便地进行粒子特效的定制和构建。配置属性包括速度、重力、颗粒大小和颗粒生命周期。除了可创

22、建定制的特殊效果外，用户还能够直接任意Vega Prime应用中的预定义和优化效果。并且，GUI配置工具，如向导工具和先进的API功能，能为简单快速地创建 和展开实时3D应用提供理想的特殊效果。同时 Vega Prime FX 模块中的 LightLobes 功能还可以为 VegaPrime 应用提供极具真实感的照明效果。能够创建真实的场景照明且避免产生错误的贴图效果，且支持实时帧率下的大量移动光源模拟和用户自定义光照类型， Vega Prime FX 模块为照明光源的观察应用提供理想解决方案，例如飞机驾驶员。移动光源渲染技术适用于任何支持 OpenGL1.2 或更高版本的硬件平台。照明程度根

23、据光源与地面距离的扩大而减退，或根据地面与观察者的距离变化。这项创新的技术使您能够在一个应用中使用大量的移动光源，并通过优化绘制时间以实现最佳表现性能。4.3程序开发流程给主数据包接受主仿真网络数据包图 7Vega Prime VC+程序开发流程图首先使用Vega Prime 的 GUI 界面Lynx Prime 建立 ACF 工程文件，文件包括了地景数据库、目标模型，环境设形高度反馈设置等等；然后建立 VC+工程，调用 Vega Prime 提供的 API，加载并配置 ACF 工程文件；同时初始化以太网络，为随后的网络数据通调用Vega Prime 帧循环，接受网络数据包并驱动场景建立响应机

24、 制，如地形高度反馈初始化以太网络创建VC+工程调用API加载与配置ACF应用文件Vega Prime GUI创建ACF应用讯做准备；再建立响应机制，如地形高度反馈，能将这些参数通过 UDP 方式系统；最后调用 Vega Prime 的帧循环机给主制，在循环内实时接收网络数据包，调用 API 驱动场景。5.视景数据库飞行模拟器的视景数据库是指机场特定范围内所有地形、地貌及各种建筑物的综合三维模型，是飞行模拟器的一个重要组成部分。而飞行视景数据库相对于其它视景数据库有其自身的特点：（1）机场周边地形数据跨度广，场景内多边形数量多、纹理量大。（2）机场及周边地形数据信息精确，以满足飞机导航及飞行员

25、目视飞行训练。（3）机场模型要求严格、各类地面标志清晰，以便飞行员识别。（4）机场各类灯光建模逼真，以 满足夜航飞行训练。本方案根据上述特点及应用要求，采用专业建模软件对其进行开发，结合我公司多年的数据库开发经验，能够有效的解决系统运行时的实时性与逼真度之间的，为飞行员提供实时的逼真的视景数据库。飞行模拟器的视景数据库建模可分为机场数据库建模和地形数据库建模，根据需求对相关数据进行及处理，包括机场设计平面图、机场建筑物实地拍照、机场及周边地域遥感数据等。图 8北京某机场数据库截图5.1原始数据采购及处理根据技术要求，为当前训练制作与机场数据库，为保证数据库的逼真性，如下原始数据：ü一

26、套以某机场为中心 15 km x 15km 1m 精度全彩遥感数据ü一套以某机场为中心 50km x 50km 5m 精度全彩遥感数据ü一套以某机场为中心500km x 500km 15m 精度全彩数据遥感ü一套以某机场为中心 500km x 500km 1:25 万 90 米精度数字高程数据5.2视景数据库开发流程数据库设计文档顶层设计数据库需求会议原始数据数据库开发测试规程测试文档数据库测试数据库交付完成交付文档从上图中可以看出，数据库的开发流程主要包括：数据库需求分析，原始，顶层设计，数据库开发，数据库测试，数据库交付等等几个重要步骤，下面详细介绍这些步骤以

27、及工作内容。1)数据库需求分析：首先，也是一切工作的起点，就是用户提供数据库需求，在这个阶段，需要进行数据库需求评估，确定需求的正确性和可行性，用户和数据库工程师需要会面，双方就数据库构建方面的需求进行交流，以确保双方对数据库构建需求的理解是一致的。一般情况下用户需要向数据库构建工程师提供工作内容申明和详细介绍，此外，数据库构建工程师还可以通过其他方面来获得一些需求信息，比如：模拟器训数据库需求分析练主题相关的专业（飞行员）等。在数据库创建工程师确定了数据库开发需求之后，需要及时与用户进行反馈，以及需求确认，以保证没有任何理解上的不一致，同时，组建数据库工作组，方便用户对数据库进展进行评价并及

28、时给予用户进度反馈。2)顶层设计：一切的设计工作都将以之前确定的用户需求作为出发点，以确定最终结果能够达到用户所提出的需求。在设计阶段，根据用户的模拟器训练任务来确定地形的各方面性质，例如：地形精细度的高低，关键区域的位置和要求，数据库的相关性和互用性需求，可视距离，大气情况等等。此外，针对不同的用户，会对数据库有一些特殊的要求，例如：地景数据库所在位置，信息，数据库起始点，以及所覆盖的范围，数据库的季节性信息，一切特殊的机场模型，动态模型，特征数据模型，以及用户所提出的原始数据要求。在设计阶段，数据库创建工程师需要根据数据库开发需求确定数据库开发流程以及开发标准，同时将此类信息归档，并提供给

29、最终用户。3)原始：主要是针对用户的需求以及模拟器训练目标，来创建数据库所需的原始数据，主要有以下几类：a)图片数据：用于创建地景数据库的地面贴图，一般情况下使用 1m，5m，15m三种精度图片，覆盖区域大小以及精度要求也可能根据用户需求进行相应调整。1m图片主要涵盖机场附近以及主要区域，为飞行提供比较精细的地面贴图，方便飞行员对一些特征地点或者特征建筑物的识别，一般覆盖机场为中心 10km*10km 的区域；5m图片提供中等精度的地面贴图效果，主要是作为 1m图片和 15m图片的过渡区域来使用，一般覆盖机场为中心 30km*30km 的区域；15m 卫片提供比较低精度的地面贴图效果，主要是让

30、飞行员在高空飞行时能观测到大概的地形地貌效果，覆盖范围较大，具体大小可由用户根据需求自行定义。b) 地形高程数据：含有地形高程信息的数据，大小必须要覆盖到模拟器训练所使用的整个区域，精度大小可由用户要求来确定，一般情况下使用 90m精度数据即可。4) 数据库开发：a) 机场数据鉴定：机场数据鉴定阶段的主要任务是在获得相应数据之后，将所得到数据的位置，精细度，效果，季节，颜色，覆盖区域大小等信息与用户提出要求进行比对，确认数据无误，为下一步的工作做好准备。在这个阶段，很多时候需要将所得数据与用户进行多次确认，以保证最终效果能够满足客户的要求。b) 重点区域 3D 建模该阶段的主要任务是针对客户提

31、出的重点区域（飞行的话一般就是机场）进行 3D 建模。整个过程中主要步骤将在下文中详细介绍c) 三维地景数据库生成地景数据库建模软件中三维地景数据库构建主要包括地景数据的处理和机场模型处理两个方面。之所以要进行这步操作，是由于一般图形工作站系统有自己专属的数据格式，所有的数据（包括图片数据，高程数据等），都需要通过地景数据库建模软件导入，进行格式转换。这些数据是对图形工作站系统专门进行了优化的，所以无论在速度上还是显示效果上都会有比较大的提升，在导入过程中，我们可以根据用户的需求对相关参数进行设定，例如通过设置数据导入时的图层数量来决定图片调用精细等级，通过设定压缩方法来决定计算之后数据的效果

32、以及数据大小等等，争取在达到用户要求的前提下尽量的提升系统效率。地景数据库的载入主要是对配置文件文件进行设置，以及一些重点模型的载入以及调试工作这些工作都是在数据库建模软件中完成的。5)数据库测试在本阶段，主要工作内容是将已经制作完成的数据库放在 VegaPrime 上运行，实际效果。数据库测试在整个数据库制作过程中有着重要的作用：一方面，在制作阶段所看到的效果与 Vega Prime 上运行的实际效果有可能会有所偏差（颜色效果，光点，贴图精细度，包括投影系统对最终效果的影响等等），我们需要根据测试的实际效果，对数据库进行一些改动和调整，来满足最终效果的需求。此外，我们在创建过程中可能会对一些

33、问题有所遗漏，在测试阶段能帮助我们找到一些建模工作中的，比如使用了凹多边形，某些模型面是无效的，贴图格式错误，贴图序列号过多，基准面设置错误等等，这些问题只有进过实际测试，才会发现，并且在测试阶段我们能知道具体的问题所在，有针对性的去修改这些问题，而不是盲目的去寻找。最重要的一点，在此阶段，用户能较多的参与进来，因为他们是最终效果的评判者，甚至之前他们没有注意到的问题也能够在测试阶段发现，及时进行修改；或者用户有了新的需求和改动，就能在测试阶段提出，进行及时的改动和调整，确保最终的交付效果。6)数据库交付在测试阶段用户验收签字之后，数据库就能正式交付给客户了。除了数据库文件之外，一般我们会将源

34、数据刻盘交付用户，并且，在接下来的时间中，如果用户需要的话，可以对现有数据库进行修改，维护以及相关的技术支持工作。5.3视景数据库开发详细步骤1:25万 90米精度数字高程数据不同精度全彩遥感数据机场设计平面图机场周边建筑物目标模型库预处理预处理预处理预处理· 精校正· 去黑边· 色彩校正· 更换涂装· 细节修改· 精校正及处理参考·色彩一致性处理·纹理制作高程导入纹理导入选用1m卫片导入纹理导入制作机场模型与机周边典型建筑物生成数据库数据库导入机场模型导入目标模型导入视景数据库5.4视景数据库主要指标ü

35、满足起飞、降落、转场，巡航训练时，对地形、地貌的范围及精度要求；ü确保飞行时，地形 LOD 与相应纹理连续变化，不存在跳变现象；üü确保不同分辨率间纹理过渡自然、柔和；1：1 的 OPENFLIGHT 格式机场模型，包括机场跑道、滑行道、停机坪、地面标记等细节描述以及塔台、机库、候机楼等机场建筑物三维模型；ü还包括机场内各种灯光分布和各种灯光色彩、方向性模拟 ；ü白天、夜晚场景能够提供丰富的场景细节让飞行员识别机场，地形，机场周边主要建筑物。场景内容能够保证飞行员完成目视着陆。6.三维态势三维态势采用自行开发的态势软件，模拟美国军演态势效果，实现如下图所示的态势效果。7.成功案例7.1某重点型号飞机训练模拟器视景系统间：2007-2010位：某飞机设计所时单类型：训练模拟器7.2某型号飞机训练模拟器视景系统间：2008-2009位：北京某器材时单类型：训练模拟器7.3应用案例