李欣陽，呂耀文，徐熙平，胡悅

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

光電經(jīng)緯儀作為一種重要的光電跟蹤測量設備，實現(xiàn)了實時測量并記錄目標的方位、俯仰角、運動參數(shù)等信息。在衛(wèi)星發(fā)射、武器試驗等各種軍事及科研領(lǐng)域廣泛應用。光電經(jīng)緯儀測量任務的順利完成，需要操作手的熟練配合，但由于外場試驗中高昂的時間和資源成本，對光電經(jīng)緯儀操作手的訓練成了一個棘手的問題，因此通過視景仿真技術(shù)開發(fā)光電經(jīng)緯儀模擬訓練系統(tǒng)，對經(jīng)緯儀的操作訓練進行模擬和效果評估具有重要意義[1-3]。主要的三維仿真軟件包括：Vega Prime、Matlab和3DMax等軟件。Vega Prime三維仿真軟件結(jié)合VC++開發(fā)，相比于傳統(tǒng)的基于Matlab的數(shù)學模型仿真具有更強的直觀性，方便操作手進行模擬訓練；相比于3DMax等三維動畫軟件實現(xiàn)仿真具有更強的交互性，多種仿真模塊也增加了開發(fā)的簡易性；相比于只具備C編程接口開發(fā)的Vega軟件，具有更強的程序擴展性，也可以整體提高系統(tǒng)運行速度[4-6]。

本系統(tǒng)采用了MFC多線程框架，應用Vega Prime API函數(shù)，實現(xiàn)了整體多線程場景搭建，開發(fā)了目標運動軌跡模擬、攝像機參數(shù)模擬、特效模擬和操作桿模擬經(jīng)緯儀視軸跟隨目標等功能，并以統(tǒng)計的方法，對跟蹤訓練結(jié)果給出客觀的評價。

1 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

模擬訓練仿真系統(tǒng)的設計首先使用Creator軟件分別建立場景模型和場景中應用的實體模型，然后將場景模型和實體模型導入lnyx Prime圖形配置面板，通過面板對三維場景進行初始化配置并生成相應的acf文件，在VC平臺上將acf文件加載到基本程序框架。出于實時性和交互性的考慮，選用基于MFC的多線程框架，最后通過Vega Prime API函數(shù)編寫和驅(qū)動仿真程序并輸出虛擬渲染場景[7-8]。綜上，基于Vega Prime的光電經(jīng)緯儀模擬訓練系統(tǒng)的仿真框架如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)框架

光電經(jīng)緯儀模擬訓練系統(tǒng)要求實現(xiàn)人機交互和環(huán)境參數(shù)配置的功能，滿足武器試驗場景的模擬和基于真實外場試驗彈道數(shù)據(jù)的飛機投彈仿真要求，對場景和模型計算量很大，因此系統(tǒng)采用基于MFC的多線程框架，提高程序資源利用率，使程序響應更快[7]。應用程序需要實現(xiàn)鍵盤、鼠標和訓練搖桿響應，但同時會存在按鈕、編輯框等對象與VP運行窗口爭奪焦點的問題，所以應用程序類型使用單文檔類型，以提高程序可靠性。

系統(tǒng)線程包括VP線程和圖形界面線程。VP線程使用兩層結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，首先創(chuàng)建最底層類繼承于vpApp類，主要提供VP運行線程框架，線程驅(qū)動和其它底層操作；然后創(chuàng)建VP線程上層類繼承于底層類，用于使用底層類實現(xiàn)進一步的功能，包括重寫配置函數(shù)，鍵盤鼠標響應函數(shù)等其它功能函數(shù)，所有VP功能實現(xiàn)都在上層類中編寫，其實現(xiàn)的函數(shù)供用戶層直接使用。然后基于圖形界面線程創(chuàng)建用戶層，它是單文檔視圖的控制類，在此類中調(diào)用VP線程上層類的方法進行應用程序開發(fā)，同時還要創(chuàng)建系統(tǒng)消息機制，在圖形界面上通過消息傳遞控制程序響應。程序關(guān)閉時圖形界面線程接收VP線程關(guān)閉消息，控制應用程序關(guān)閉。系統(tǒng)設計的線程框圖如圖2所示，設計完成后的圖形交互界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)線程設計框圖

圖3 圖形交互界面

2 關(guān)鍵技術(shù)

為保證模擬訓練的真實性和實際感，模擬訓練系統(tǒng)需要構(gòu)建仿真目標的三維模型，并根據(jù)真實的飛行數(shù)據(jù)控制目標在場景中做三維運動，同時為了增強操作手適應不同環(huán)境的能力，在模擬訓練中增加了雨雪環(huán)境和攝相機參數(shù)調(diào)整的模擬。最后，為了對模擬訓練給出客觀的評價，還需要實時得到目標在每幀圖像中的位置姿態(tài)和經(jīng)緯儀的視軸指向，進而給出訓練成績。因此模擬訓練系統(tǒng)主要包含四項關(guān)鍵技術(shù)：三維模型創(chuàng)建、運動軌跡仿真、環(huán)境模擬和攝像機參數(shù)調(diào)節(jié)、跟蹤目標脫靶量計算及成績判定。下面以光電經(jīng)緯儀跟蹤飛機和導彈的模擬訓練為例，對這四項關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。

2.1 三維模型創(chuàng)建

本系統(tǒng)使用Multigen Creator三維建模軟件對飛機和導彈進行建模。

使用該軟件建模是出于對多邊形建模、多細節(jié)層次以及紋理等技術(shù)需求的考慮，以及其與后續(xù)的Vega Prime仿真軟件的緊密結(jié)合。首先依據(jù)已知的外形尺寸運用多邊形建模技術(shù)對飛機和導彈進行三維構(gòu)建，構(gòu)建過程中還需運用多細節(jié)層次技術(shù)將模型細分多個級別以提高仿真效率，然后依據(jù)真實飛機和導彈的圖片運用紋理貼圖技術(shù)制作紋理并映射到構(gòu)建的幾何模型上，最后得到構(gòu)建完成的三維模型，生成flt格式文件并導入Vega Prime視景仿真軟件，構(gòu)建的飛機和導彈的三維仿真模型如圖4所示。

圖4 Multigen Creator構(gòu)建的三維仿真模型

2.2 運動軌跡仿真

光電經(jīng)緯儀訓練系統(tǒng)運動軌跡仿真包含兩個部分：飛機軌跡仿真和導彈軌跡仿真。

傳統(tǒng)光電模擬系統(tǒng)將目標飛機等效為一個質(zhì)點，無法得到細節(jié)姿態(tài)信息和外形信息，對模擬過程的還原度較低，通過立體建模仿真，可以對系統(tǒng)進行深度的模擬，更為充分還原訓練過程。飛機的運行軌跡通過Vega Prime中的vpPath模塊設置固定飛行路徑點，再結(jié)合其子類提供的插值算法即可完成相對平滑的飛行模擬結(jié)果，該過程在Lynx Prime面板進行配置。設置過程需要處理飛機的空間位置信息、運動的速度、加速度和運動的轉(zhuǎn)向角度等動態(tài)變化信息。

彈道模擬通常情況下也可通過vpPath模塊完成。但是傳統(tǒng)設計由于可輸入的彈道數(shù)據(jù)點有限，不能滿足于大量的外場試驗數(shù)據(jù)，而且不能滿足目標相對于發(fā)射臺的坐標數(shù)據(jù)需求。為了解決上述問題，本系統(tǒng)根據(jù)時間節(jié)點，關(guān)聯(lián)彈道的運動軌跡、運動參數(shù)和3D姿態(tài)參數(shù)對彈道點進行插值處理。具體實現(xiàn)過程如下：

（1）獲取當前時間計數(shù)器值并得到當前時刻在理論彈道中的前后兩個點。

（2）判斷當前時刻是否大于已得到的理論彈道后點的時刻，如果小于則根據(jù)當前時刻相對于前后彈道點時刻的比例，對當前時刻坐標點做三次樣條插值，計算得到當前幀目標的坐標，如果大于則繼續(xù)得到理論彈道中的下兩個彈道點。

（3）判斷當前時刻是否大于理論彈道最后一個點的時刻，如果大于則表示彈道已結(jié)束。

導彈的運行軌跡采用真實外場彈道數(shù)據(jù)的方法，這樣使得仿真過程更趨近于外場試驗過程。首先要考慮坐標系轉(zhuǎn)換問題，本系統(tǒng)涉及到兩次坐標轉(zhuǎn)換，第一次將基于發(fā)射坐標系的外場彈道坐標轉(zhuǎn)換為Vega Prime場景內(nèi)的本地坐標，第二次要將跟蹤目標的本地坐標轉(zhuǎn)換為相對于飛機投擲點的相對坐標，這樣可以實現(xiàn)導彈可以在飛機飛行過程中任意時刻進行投擲，以增加模擬訓練的隨機性。

2.3 環(huán)境模擬和攝像機參數(shù)調(diào)節(jié)

在實際的經(jīng)緯儀操作過程中，操作手會根據(jù)目標大小和距離，對攝像機焦距和光圈進行調(diào)整。同時由于使用環(huán)境的不同，視頻圖像的效果會發(fā)生較大的變大，因此，本系統(tǒng)對這些信息進行仿真，以逼近真實的經(jīng)緯儀訓練效果。

環(huán)境模擬包括模擬雨天和雪天，實際上雨雪也是一種粒子系統(tǒng)，Vega Prime提供的EnvRain類和EncSnow類將雨和雪粒子系統(tǒng)封裝完成，并可以直接在Lynx Prime面板對粒子數(shù)、粒子大小、顏色紋理等參數(shù)進行配置。

相機參數(shù)調(diào)節(jié)包括調(diào)光模擬和調(diào)焦模擬，調(diào)光模擬首先在Configure（）配置函數(shù)中實例化vp-Cam-eraCompositeEffect類，然后通過類中set-GainLevel-Manua（l）函數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)值，達到相機調(diào)光增加或減少的效果。

調(diào)焦模擬本系統(tǒng)采用連續(xù)變焦方式。首先在Configure（）配置函數(shù)中設定最短焦距fmin和最長焦距fmax、短焦方位視場角α0以及變焦速度v，然后通過視場角和焦距關(guān)系理論可知其成反比例關(guān)系，即焦距變大，視場角變小，物像變大；焦距變小，視場角變大，物像變小。當前幀方位視場角αh計算表達式為：

其中，f為當前幀焦距，其基于上一幀焦距和變焦速度計算得到。然后將方位視場角和俯仰視場角參數(shù)傳到vpChannel類中setFOVSymmetric（）函數(shù)中即可實現(xiàn)基于光學通道的調(diào)焦模擬。

2.4 跟蹤目標脫靶量計算及成績判定

光電經(jīng)緯儀視軸中心即仿真跟蹤十字絲線中心，光電經(jīng)緯儀是模擬系統(tǒng)中的觀察者，可根據(jù)Vega Prime API函數(shù)vpObserver：：getRotate（）得到每幀圖像視軸中心方位角A0和俯仰角E0。設觀測點在場景中的世界坐標為（x0，y0，z0），跟蹤目標即導彈在場景中的世界坐標為（x1，y1，z1），每幀圖像跟蹤目標方位角A1和俯仰角E1表達式為：

則每幀圖像中跟蹤目標的方位角A1和俯仰角E1相對于視軸方位角A0和俯仰角E0的偏差ΔA和ΔE為：

考慮到訓練初始應給予操作手反應時間，本系統(tǒng)將前100幀作為操作手的反應時間，該時間可根據(jù)操作手模擬訓練需求的反應時間做相應調(diào)整，統(tǒng)計計算方位角和俯仰角偏差的平均值A(chǔ)vgA、AvgE和標準差StdA和StdE為：

其中，n表示從訓練開始到目標停止輸出n幀圖像。平均值反應了操作手的總體跟蹤效果，標準差則反應了操作手的操作穩(wěn)定性，因此，可采用這兩個值作為操作手單次訓練成績的評定。

3 仿真實現(xiàn)

本仿真系統(tǒng)硬件環(huán)境如下：（1）操作系統(tǒng)：Windows7（1）處理器：Intel Core i5-3210M（2）顯卡配置：NYIDA GT 650M（3）內(nèi)存：4G（4）硬盤：1T。

首先，通過配置文件進行仿真控制模式、光學系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及相機參數(shù)的配置，然后通過MFC控制面板進行環(huán)境參數(shù)配置、視點切換、數(shù)據(jù)傳送和保存等其它操作。訓練開始操作手觀察視頻信號，操控虛擬計算機設備對仿真目標進行跟蹤。跟蹤過程中，支持鍵盤快捷鍵調(diào)光、變焦等操作。單次訓練完成后進行訓練效果評價，得到訓練成績[9]。圖5展示了經(jīng)緯儀仿真模擬訓練過程，圖6展示了單次訓練完成后的成績評定，圖中文字分別表示經(jīng)緯儀基站三維坐標，跟蹤目標引導角度和經(jīng)緯儀引導角度。

圖5 經(jīng)緯儀模擬訓練過程

圖6 成績判定

4 結(jié)論

本文設計了一套可應用于光電經(jīng)緯儀操作手模擬訓練的三維仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)以MFC的多線程和Vega Prime三維仿真渲染為框架，構(gòu)建了飛機和導彈的三維仿真模型，分別采用虛擬的飛機運動軌跡和基于真實飛行數(shù)據(jù)控制下的導彈的運動軌跡，并在仿真環(huán)境中運用Vega Prime粒子系統(tǒng)添加了雨雪天氣，同時實現(xiàn)了仿真過程中攝像機參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)功能，具有訓練逼真度高、訓練靈活性強和訓練成本低等優(yōu)點。在實際應用中，操作手還可以根據(jù)每次訓練的客觀評價結(jié)果，對自己做出有針對性的調(diào)整，可有效提高操作手的水平。

本系統(tǒng)為純粹的軟件仿真，與實際的經(jīng)緯儀操作具有區(qū)別，存在較大的局限性。如不同大小的經(jīng)緯儀視軸對搖桿的反應存在較大的差別。本系統(tǒng)下一步準備將真實光電經(jīng)緯儀的視軸數(shù)據(jù)接入到仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀控制數(shù)據(jù)的真實化。另外，光電經(jīng)緯儀跟蹤自動化是當前發(fā)展的主要方向，測試和評價光電經(jīng)緯儀的自動跟蹤效果也是需要考慮的重要問題，將仿真圖像轉(zhuǎn)化為標準的視頻輸出給自動跟蹤光電經(jīng)緯儀，也是本系統(tǒng)下一步要解決的技術(shù)。