虚拟现实技术在飞行模拟中的应用

虚拟现实技术在模拟飞行领域的研究和应用将VR技术应用于模拟飞行系统是未来飞行仿真技术的发展方向。VR通过计算机图形显示技术为核心的新技术，在计算机中生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。用户可以使用必要的硬件设备（如数据衣、数据手套、数据鞋以及头盔、立体眼镜等），自然地与虚拟环境中的客体进行交互，相互影响，产生亲临现场的感受和体验。飞行模拟器不同于飞行模拟软件，它有真实的座舱设备和飞行杆力感觉，人作为一个环节参与到飞行模拟系统中,接受仿真系统提供的各种感官信息,经过判断和决策对系统进行操纵和控制。使用虚拟现实技术对飞机相关设备进行虚拟飞行,即使操作失误也不会危及装备及人员的安全,同时通过对飞机及其内部设备外观、工作原理、操作逻辑等内容的虚拟,提高了飞行训练的经济效益。飞行视景仿真就是对眼睛所看到的景象进行仿真,是虚拟现实技术的重要的表现形式,采用计算机图形图像技术,构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境,达到非常逼真的仿真效果。一、模拟飞行仿真特点根据VR技术的三个特征，模拟飞行仿真应满足：1、沉浸:在虚拟飞行中,通过三维飞行环境图形图像库,包括天气背景、地形环境、飞机设备等,可为使用者创造一个立体飞行环境,增强临场感，虚拟系统将参与者置于一种隔离的环境中,可以听到三维仿真的声音,参与者在虚拟飞行中,一切感觉都是极其的逼真。2、交互:使用者可以进行对虚拟的飞机设备等进行操作,这些虚拟设备能够及时做出回应。而不是像观看三维动画那样,只能被动地接受信息或仅仅作为一个旁观者。3、构想:用户可以对飞机设备产生感性认识和理性认识。二、飞行模拟仿真关键技术1、飞行模拟器关键技术主要为接受训练的飞行员提供真实的飞行操纵力感和飞行状态变化，飞行员通过操纵力感的变化，判断飞行状态并进行相应的操纵。力感模拟逼真度是评价飞行模拟水平的一个重要标准，要求操纵负荷系统对静态和动态操纵力感具有良好的模拟逼真度。飞行模拟器的操纵负荷系统分为主操纵负荷系统和辅助操纵负荷系统两部分：主操纵负荷系统用于模拟横、纵向驾驶杆力以及脚蹬力并且产生舵偏角信号，力感逼真度要求较高；辅助操纵负荷系统用来模拟油门杆、前轮转弯、刹车等操纵系统的操纵力感，力感模拟逼真度要求低。飞行模拟器仪表系统为飞行员提供飞机的高度、空速、升降速度、航向和姿态等信息，在感观上为飞行员创造一种与真实飞机一样的仪表环境，从而与视景仿真系统相配合模拟出飞机的飞行环境。飞行员通过仪表系统进行空地交通调度。飞行模拟器系统采用真实飞机的仪表部件，有时为了节约成本也进行仪表仿真。2、视景仿真的关键技术一、视景仿真系统集成。主要由视景生成系统和显示系统组成，为驾驶员生成座舱外景象，描述场景中各种实体的几何形状、相对位置和运动关系。二、投影系统技术。视景显示有四种：头盔显示、球幕显示、板块成像和立体成像显示。头盔显示能够达到较逼真的沉浸感，但是技术复杂；球幕显示较为成熟，采用球幕、头位跟踪、注视区显示和多投影显示灯，适用于视场需求在300°以上。球面实像显示方式视场角大，适合战术科目训练，但纵深感和立体感较差，当目标物距离较近时（如飞机起降、空中加油等）视觉效果不理想；球面立体成像方式视场角大，纵深感和立体感较好，适合战术科目训练，近距目标物的视觉效果较好，但亮度低，而且对图像生成器（IG）和投影器的要求较高，成本较高；板块实像视场角大，适合战术科目训练，但纵深感和立体感较差，有接缝，近距的视觉效果较差；立体成像显示采用方幕、多投影器和立体眼镜显示方式，是在球幕显示基础上发展而来，使得视场有明显的立体感觉。目前国外的飞机模拟系统大多采用球幕显示。三、视景仿真建模技术。对于飞行模拟器而言，大地形的建模和场景构造至关重要。仿真环境制作包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作和特效设计等。常用的三维视景仿真数据获取技术有：1、GPS测量技术；2、摄影测量技术；3、激光扫描测量技术；4、遥感技术；5、应用地球物理技术。通过点云配准技术、曲面重建技术、网格孔洞修复技术、网格简化技术、可见性判断算法、大区域纹理映射技术进行建模修复。目前比较流行的实时视景的建模软件主要有MultiGenCreator、TerraVista等。常用的视景仿真软件主要有Performer、WTK、Vega、OpenGVS、Vtree等，它们的底层均基于三维图形应用程序接口。场景仿真四、环境特效技术。在虚拟战场环境中建造气象、海浪、船只和武器发射尾迹等必不可少。通过Vega和openGL扩展实现更多的天气粒子特效。体积云模拟效果五、视景显示和调度。在实景驱动程序设计过程中，运用分区漫游思想，在简历分块LOD模型基础上实现场景显示调度算法。视景显示和调度三、模拟飞行仿真应用虚拟现实技术应用于CAD/CAM最典型的例子是用VR技术设计波音777。设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟“飞机”中，去审视“飞机”的各项设计。美国军方的AVCATT系统将增强现实概念引入飞行模拟器,该系统使用光学透视式头盔显示器和真实座舱,通过精确的头部位置跟踪器实现了对直升机的模拟驾驶。2002年LaughlinAFB利用T-1(Beech400)fixed-platformsim,andT-37Tweetfullmotionsimulator训练飞行员。该系统通过5个投影光束将图像呈现在无缝屏幕上，飞行员在270°可视角度的模拟驾驶舱中模拟飞行。2012年七月，美国空军RPA学员训练项目使用了T-6德克萨斯人II模拟器，该模拟器在微软飞行模拟器X基础上，结合T-6/A德克萨斯人教练机飞行系统开发的。近年来国内军工类科研团体如海军工程学院、哈尔滨工业大学对多个固定摄像机的增强现实飞行模拟、六维度飞行场景模拟等技术都有深入的研究。北京理工大学增强现实飞行视景模拟飞行模拟除了应用在军事演练和培训上，同时也应用于pc端和移动端游戏中。比较著名的几款飞行模拟游戏有：微软飞行（微软模拟飞行后作）、X-Plane、FlightGear、GoogleEarth等。1、微软模拟飞行游戏是微软较早期的产品，专注于忠实用户，虽然游戏中中默认飞机太少及仪器太少，但仍吸引大部份玩家从网上下载或自行制作飞机、仪器来增加游戏趣味性，以求达致像真实的一样。甚至有很多的飞行员（准飞行员）在他们的飞行考试前也使用这些和真实飞机极为相似的附加飞机来练习。2012年后的微软飞行游戏偏向于大众玩家。2、X-Plane为个人使用的专业飞行模拟游戏，可在Android，iOS，webOS，Linux，Mac或Windows等平台上运行。3、FlightGear是自由软件，一个多平台飞行模拟器，超过20,000跑道,3D云彩，多平台支持，多样的开放飞行数据模型flightdatamodel(FDM)可以选择，总共有大约100种飞行器。，具备全新的天气模式，能真实表现不同天气现象，甚至可以与商业飞行模拟器协同工作。4、GoogleEarth：在Google地球启动成功后，使用Windows的用户，按下Ctrl+Alt+A会弹出Google模拟飞行器。而使用MacOSX的用户，需按Command+Option+A。当成功启动模拟飞行器后，下一次启动GoogleEarth，就可以直接选择Tools→EnterFlightSimulator启动模拟器。退出模拟器，就要按ExitFlightSimulator，或者上面提及的快捷键。目前有两款飞机，F16和SR22可供模拟。前者是战斗机，后者是螺旋桨飞机。飞行航线方面，可以从世界各地(含空中)开出，或者是软件提供的固定航线。四、总结军用飞行模拟器一般耗资较大，要获得更逼真的沉浸感要借助更多外围设备。民用飞行模拟和游戏类一般借助PC端和移动设备和较为简易的立体显示设备。移动端进行飞行仿真空间很大，如IOS（支持安卓4.0以上）游戏InfiniteFlight，已经具备很好地游戏体验。但是就真正意义上的虚拟仿真而言，其沉浸感和逼真感又是最差的，而且移动端的小屏幕无法发挥模拟飞行炫丽场景的优势。也许我们可以借鉴ARPUGDOG和GOOLEGLASS的模式，将移动端飞行模拟软件结合成微型穿戴设备的方式，给用户带来更舒适、逼真的体验。