数据回放可视化系统设计

黄志军

摘 要：为提高训练的技战术水平，飞行操作人员迫切需要对己飞过的科目进行生动逼真的可视化回放，进而复盘推演当时的态势及诸多技战术要素。为实现生动逼真的可视化推演，本系统以先进的仿真技术和计算机图形处理技术为基础进行开发设计，实现数据回放的可视化仿真。为飞行操作人员总结经验、提高技术水平提供了依据。

关键词：数据回放 可视化 设计 仿真

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0119-02

为提高训练的技战术水平，飞行操作人员迫切需要对已飞过的科目进行生动逼真的可视化回放，进而复盘推演双方态势，为评估自己操作及站位等诸多技战要素，提高实战能力，验证和创新战法，提升训练质量提供依据。随着仿真和计算机图形处理技术的快速发展，以动画、图形来表达仿真过程和结果的可视化仿真技术已经非常成熟，特别是具有真实感的三维实时动画及场景渲染显示技术，使仿真结果更加直观逼真。本文以面向对象的方法进行建模，利用OpenGL图形库和图形处理技术构建数据可视化仿真系统。通过读取飞参记录数据，模拟仿真环境下的实时飞行轨迹，以具有真实感的三维动画的形式将仿真过程、真实飞参数据等实时显示出来，供飞行操作人员判读使用。

1 系统设计

1.1 需求分析

为了满足复盘推演训练科目的可视化需求，系统必须实现原始各主要飞参数据，航行及自由搏击过程、眼点可控等二维、三维可视化显示效果。同时，系统具备可靠、可扩展和可移植性等特点，具体需求如下：

（1）要实现飞参数据实时驱动的仿真模型三维动画显示。

（2）当模型运动时，实现任意视角的切换，使操作人员能根据需求随时能观察各状态点的三维视图及相关数据。

（3）实现飞行数据的实时二维显示，包括飞发信息、姿态信息、位置、速度及过载等飞行人员需要的主要参数信息。

（4）要使系统具有能在单对单对抗的基础上，扩展至一对多或多对多对抗模式的扩展性并能移植到任何计算机上使用。

1.2 系统功能

综合系统需求，该仿真系统应具有以下主要功能：

（1）实时数据的仿真功能，通过仿真，实时显示飞行器的速度、高度、载荷等数据，可键控显示飞行器状态点的相对方位、姿态数据和模型的三维视图。

（2）建立飞行器拖烟三维模型和天地景模型，利用OpenGL图形处理技术以动画的方式显示出米。

（3）可视化仿真系统的交互功能，不仅实现数据间交互的功能，根据研制需求还的实现便捷的人机交互功能，可对系统运行通过预前设置、中途键控等方式进行调控，可实时控制仿真过程，使整个仿真过程具有可控性、交互性，实现复盘推演的研制目的。

1.3 系统结构

1.3.1 系統从功能上来划分，可以划分为以下几个功能模块：

界面功能和视景显示控制功能模块。

系统初始化模块：完成所有模型的建立和载入，场景的搭建，环境的渲染等。

数据可视化仿真模块：生成和解析仿真数据、驱动三维模型运动，数据管理、控制三维视景和二维数据显示。

人机交互模块：键盘控制、文字信息、人机交互界面等。

1.3.2 系统的搭建

因为是对两个主体模型进行数据可视化，为了增强系统的实时性，系统采用了分布式仿式进行搭建，如图1所示。

图1中仿真体1、仿真体2分别为双方飞行器的仿真模型，负责飞参数据接收、模型构建和仿真数据生成解析。视景与导调控制，负责图形数据处理及动画生成，形成二维态势和三维态势画面并负责视景控制与设置。

1.4 系统开发

本系统以Visual C++为开发平台，以OpenGL绘图工具进行场景和三维视图创建和渲染，3D StudioMax为建模工具进行软件设计。

1.4.1 初始化模块

利用vc软件中的MFC AppWizard生成应用程序框架并进行初始化模块设计，其中加入OpenGL的连接库（ OpenGL32.lib、glu32.lib、glaux.lib）并将其头文件加入到stdafx.h中，利于场景初始化渲染。飞行器模型的初始化是难点，初始化模块中引入了包含了MS3D模型的所有数据结构MilkshapeModel类，方便飞行器模型初始化。

1.4.2 数据可视化建模与仿真

Open GL是以SGI公司牵头开发设计的跨平台、共享通用、性能开放稳定的三维显示硬件的软什接口。Open GL不仅具有功能函数强大，代码行少，结构逻辑明晰的特点，而且还封装了显示硬件信息，使编程人员不必专门进行针对硬件的设计，节约了时间和成本、增加了系统的稳定性。在本设计中利用专门的三维模型设计软件进行飞机模型设计，然后利用其软件集成环境中的转换软件进行转换，生成Open GL可以直接使用的Open GL的显示列表数据供仿真系统使用。当仿真系统运行时，Open GL的库函数调用显示列表中数据，进而实现飞机模型的可视化。为了增强实时性，减少图形绘制带来的时间延迟，在模型构建时只选具有代表性的几个图元组合，构建出飞机的三维态势模型，减少模型顶点数和三角形数，提高绘制速度。

1.4.3 仿真模型的二维和三维动画的形成

在仿真中，利用Open GL的显示列表技术和缓存技术生成模型的三维动画和二维数据显示。主要是利用Open GL的平移函数，生成平移矩阵，根据仿真数据中位置数据的实时输入仿真模型产生轴向移动；利用Open GL的旋转函数生成旋转矩阵，根据仿真数据中的滚转、俯仰、偏航角来设置矩阵中的角度数据，飞机模型产生相应方位上的旋转。同样，仿真体的缩放也是利用Open GL的缩放函数，产生相应矩阵，根据仿真数据进行仿真模型的放大和缩小的。同时，在仿真过程中，数值可视化仿真模块生成飞行器运动数据，其中包括飞机方位、速度、过载、空间位置等数据实时在二维态势中或随人机交互的键控点显示出来。

2 结语

该系统利用先进的仿真技术和计算机图形处理技术，实现了飞参记录数据的可视化仿真。通过逼真的三维动画，逼真地展示了空中自由搏击的场景并通过良好的人机交互功能实时提供任意观察点的原始参数，为飞行操作人员总结经验，创新战法，提升战技水平提供了可靠依据。

参考文献

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