趙 瑞

（中國民用航空飛行學(xué)院洛陽分院，河南 洛陽 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)場及天氣狀況等畫面投射到球型幕上，為飛行員訓(xùn)練過程提供實(shí)時(shí)的視覺反饋，營造逼真的飛行環(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)練器廠家很少對客戶的視景數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，而且更新需要付費(fèi)。本文針對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)，能夠快速升級訓(xùn)練器的最新地形數(shù)據(jù)，確保地形數(shù)據(jù)庫的精準(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。通過自動化的層次細(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)庫文件格式，其采用了樹狀層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫組織形式，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。

通過國家地理空間數(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)定為洛陽機(jī)場進(jìn)近飛行程序覆蓋的矩形框范圍(機(jī)場周邊約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”，在彈出的對話框中選擇DEM或者DTED。

(3）在彈出的導(dǎo)出選項(xiàng)對話框里可以設(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)與洛陽機(jī)場距離的不同，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路徑［3］。

(3）單擊“Generate”按鈕，則會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，可以對地形數(shù)據(jù)庫相關(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的多邊形預(yù)算等因素。由于生成地形模型數(shù)據(jù)庫是一個(gè)需要反復(fù)試驗(yàn)的過程，而且需要花費(fèi)較長時(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，模型對象所包含的多邊形數(shù)量越多。在可視化仿真運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)位置距模型對象的距離選擇其中一個(gè)LOD來顯示模型對象。因此，使用LOD技術(shù)可以有效提高模型數(shù)據(jù)庫的多邊形利用率，在有限條件下取得最佳的視覺效果。

本數(shù)據(jù)庫利用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，所以對于地球上不同位置的地形必須使用不同地圖投影方式來減少投影誤差，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)洛陽機(jī)場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。

Presagis Creator提供了多種不同類型的三角形化算法來將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型數(shù)據(jù)庫。使用不同的轉(zhuǎn)換算法和參數(shù)，將會在實(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)際測試效果合理選擇地形轉(zhuǎn)換算法。

本數(shù)據(jù)庫采用了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)體模型的對應(yīng)頂點(diǎn)，來產(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)的場景有更好的真實(shí)感。

地形紋理映射的方法就是針對不同的飛行高度，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)場周邊不同的區(qū)域上，越接近機(jī)場的區(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)庫后，還需要對地形數(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)庫更新。最終生成的地形模型數(shù)據(jù)庫如圖3所示。

圖3 地形數(shù)據(jù)模型

5 結(jié)語

本文針對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)場文化要素建模，進(jìn)一步豐富地形數(shù)據(jù)庫。