CN105653350B - 一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，该方法包括一种基于GLSL着色器语言的气象雷成像渲染系统的操作方法和基于GPU对图像渲染进行加速的实施方法。该发明的所有气象数据都是从仿真过程中视景场景实时采样而来，所以成像具备很高的实时性，同时也与飞行过程的场景数据保持一致，提高了成像的真实性。基于GLSL的气象雷达仿真渲染方法在整个计算过程中，利用了GPU的并行计算能力和渲染加速能力，并且在一开始就摒弃了通过卫星云图、查询气象局数据等这些传统的雷达成像仿真方法，直接从仿真系统的视景仿真过程中采集气象数据，可以大大简化卫星云图数据复建的繁琐计算过程，提高成像的效率，减少了对硬件设备的依赖，降低了设备成本。

Description

一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法

技术领域

本发明涉及一种气象雷达的仿真渲染方法，具体是一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，属于仿真技术领域。

背景技术

随着科学技术越来越多地应用于军事领域，最新的技术装备使用后对部队产生了重大的影响，但是由于高新技术装备复杂性带来的训练成本也飞速增长，导致投入太大。然而，虚拟现实仿真技术的发展为解决这一矛盾提供了技术基础，直接利用飞行器进行演练以使飞行人员熟悉气象雷达模块功能，可能存在消耗成本过大、效率不高、安全系数低、易受自然条件干扰等实际问题，雷达被视为高技术战争下的“眼睛”通过对气象雷达的成像和性能进行计算机仿真，提供实时逼真的训练视景，对飞行人员快速熟悉装备、熟练操作系统，提高真实环境下操作水平具有重大的意义。

现有的气象雷达成像仿真技术，存在以下缺陷：

1)仿真算法多基于静态的卫星云图进行三维云复建，不具备飞行仿真的实时性和动态性。

2)气象雷达的成像独立于视景系统，造成云图分布与模拟飞行过程中飞行员的真实体验不一致，大大降低了飞行体验。

3)由于现有算法的计算强度大，所以气象雷达成像仿真过于依赖高性能的工业级计算机，大大提高了硬件成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，其是基于GLSL的气象雷达仿真渲染方法，能够在通用的计算机设备上高效、实时的仿真气象雷达的成像过程和性能，提高飞行模拟器上气象雷达的仿真效果，提升飞行员的飞行体验。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，该方法包括如下步骤：

1)在视景实时仿真的过程中，通过设定场景虚拟相机的视场角和up、center、eye三个姿态量，来模拟气象雷达的扫描范围和方向；

2)以所述场景虚拟相机为基础，对场景的大气环境部分进行采样渲染，并且采样的图像通过Alpha通道的方式来定义云系的密度和形态分布规律，通过计算场景的深度值，从而可以得到云系距离雷达位置的距离；

3)将形成的图像定义为二维纹理的形式，并作为输出；

4)查询气象雷达的真实成像标准，对不同距离，不同雨量，不同形态的云系的成像色彩进行数据录入，并在云系采集图的基础上，通过判断图像的Alpha值来定义云系的分布密度，颜色值越深，云层分布越密集，通过场景深度值来定义云层距离雷达的距离值，根据这些距离值，查表提前录入的颜色数据表，提取对应的成像颜色值；

5)在颜色查表完成后，通过GLSL语言编写的着色器，对采集到的图像进行重新按颜色赋值，并通过多重采样的方式，对颜色过度区域进行处理，同时通过腐蚀和添加噪声的方法对图像进行处理；并通过管线将图像渲染到纹理。

6)利用OpenGL绘制几何图元，将GLSL渲染出的纹理与上述元素进行合成，最终将合成后的所有信息通过渲染管线加速渲染到显示设备上。

进一步，将所述步骤6)中的加速渲染包括如下步骤：

1)将复杂的图像处理过程由CPU计算迁移到GPU，通过CUDA进行大规模的并行计算的能力，对图像进行处理；

2)充分利用OpenGL可编程管线，通过编写GLSL着色器，并将系统所有可以迁移到可编程管线进行渲染计算的，全部由着色器来实现；

3)气象雷达成像仿真软件直接从仿真系统的视景仿真过程中采集气象数据。

本发明的有益效果是：1)由于该发明的所有气象数据都是从仿真过程中视景场景实时采样而来，所以成像具备很高的实时性，同时也与飞行过程的场景数据保持一致，提高了成像的真实性。

2)基于GLSL的气象雷达仿真渲染方法在整个计算过程中，充分利用了GPU的并行计算能力和渲染加速能力，并且在一开始就摒弃了通过卫星云图、查询气象局数据等这些传统的雷达成像仿真方法，直接从仿真系统的视景仿真过程中采集气象数据，可以大大简化卫星云图数据复建的繁琐计算过程，提高成像的效率，减少了对硬件设备的依赖，降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明算法流程示意图；

图2为本发明基于GLSL的气象雷达仿真渲染方法的结构组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示：一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，该方法包括一种基于GLSL着色器语言的气象雷成像渲染系统的操作方法和基于GPU对图像渲染进行加速的实施方法。

一种基于GLSL着色器语言的气象雷成像渲染系统，该系统能够在通用的计算机设备上高效、实时的仿真气象雷达的成像过程和性能，提高飞行模拟器上气象雷达的仿真效果，提升飞行员的飞行体验。该系统包括了视景云系分布采集模块，颜色提取模块、GLSL着色渲染模块和图像合成模块。

各模块的具体原理和实现方法如下：

1.云系分布采集模块

在视景实时仿真的过程中，通过设定场景虚拟相机的视场角和up、center、eye三个姿态量，来模拟气象雷达的扫描范围和方向。然后以此场景虚拟相机为基础，对场景的大气环境部分进行采样渲染，采样的图像通过Alpha通道的方式来定义云系的密度和形态分布规律。通过计算场景的深度值，可以得到云系距离雷达位置的距离。最后将图像定义成二维纹理的形式，作为输入，进行进一步处理。

2.颜色提取模块

查询气象雷达的真实成像标准，对不同距离，不同雨量，不同形态的云系的成像色彩进行数据录入。在云系采集图的基础上，通过判断图像的Alpha值来定义云系的分布密度，颜色值越深，云层分布越密集，通过场景深度值来定义云层距离雷达的距离值，根据这些值查表提前录入的颜色数据表，提取对应的成像颜色值。

3.GLSL着色渲染模块

在颜色查表完成后，通过GLSL语言编写的着色器，对采集到的图像进行重新按颜色赋值，然后通过多重采样的方式，对颜色过度区域进行处理，同时通过腐蚀、添加噪声等方法对图像进行处理。以贴近气象雷达的真实成像效果。然后，通过管线将图像渲染到纹理，为后面的图像合成提供数据输入。

4.图像合成

依据气象雷达成像标准，根据其真实的成像画面，利用OpenGL绘制雷达显示面板，等距线，扫描线等几何图元，然后将GLSL渲染出的纹理与上述元素进行合成，最终将合成后的所有信息通过渲染管线渲染到显示设备，即可在显示设备上看到气象雷达的成像仿真画面。

由于该技术是在飞行仿真过程中，实时采集视景系统的云系分布情况，并随着视景的渲染同步进行渲染的过程，所以具有很高的实时性，同时云层在雷达中的成像位置也和模拟飞行过程中真实大气环境对接的，因此同时具备很高的真实性，大大提升了飞行员的飞行体验和训练效果。

基于GPU对图像渲染进能够大大提高气象雷达成像仿真的效率，消除此类仿真对高性能、高成。该技术方案的主要实现方法如下：

1)将复杂的图像处理过程由CPU计算迁移到GPU，通过CUDA可以进行大规模的并行计算的能力，对图像进行处理；

2)充分利用OpenGL可编程管线，通过编写GLSL着色器，将系统所有可以迁移到可编程管线进行渲染计算的，全部由着色器来实现，这样可以大大提高GPU和显存的利用率，减轻CPU和内存的负担。同时，利用着色器也可以充分的利用OpenGL的硬件加速技术，提高渲染的效率；

3)气象雷达成像仿真软件直接从仿真系统的视景仿真过程中采集气象数据，省去了云图复建的计算，使数据在系统内即可完成从采样到渲染的全部过程，无需额外导入其他支撑数据，提高了成像的性能。

实施例：

第一步：设置场景相机的视场角和视锥，确定其视景矩阵，利用雷达位置和姿态驱动相机的矩阵更新：

第二步：运行视景仿真的程序，利用虚拟相机实时采样飞行位置附近雷达可达范围内的图像和场景深度值，将图像渲染到纹理。

第三步：在着色器中对纹理进行访问，获取每一个像素的Alpha值和深度值，查表标准颜色，并赋值给原来像素。

第四步：对图像进行噪声、腐蚀等操作，同时将图像渲染到雷达显示面板上。

第五步：绘制雷达显示面板，获取处理过后的图像数据，与面板贴图进行图像合成，形成完整的气象雷达成像画面，并渲染到终端显示设备。

第六步：查看终端显示设备上的气象雷达成像画面。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)在视景实时仿真的过程中，通过设定场景虚拟相机的视场角和up、center、eye三个姿态量，来模拟气象雷达的扫描范围和方向；

2)以所述场景虚拟相机为基础，对场景的大气环境部分进行采样渲染，并且采样的图像通过Alpha通道的方式来定义云系的密度和形态分布规律，通过计算场景的深度值，从而可以得到云系距离雷达位置的距离；

3)将步骤2)的参数以二维纹理的形式保存并输出，作为判断雷达反射强度的依据；

4)查询气象雷达的真实成像标准，对不同距离，不同雨量，不同形态的云系的成像色彩进行数据录入，作为颜色数据表，并在云系采集图的基础上，通过判断图像的Alpha值来定义云系的分布密度，颜色值越深，云层分布越密集，通过场景深度值来定义云层距离雷达的距离值，根据距离、密度、云层分布，查找提前录入的颜色数据表，提取对应的成像颜色值；

5)在颜色查表完成后，通过GLSL语言编写的着色器，对采集到的图像进行重新按颜色赋值，并通过多重采样的方式，对颜色过度区域进行处理，同时通过腐蚀和添加噪声的方法对图像进行处理；并通过管线将图像渲染到纹理；

6)利用OpenGL绘制几何图元，将上述步骤5)得到的纹理叠加到图元得到气象雷达仿真图像，并将图像在显示设备上显示。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞行模拟器的气象雷达仿真渲染方法，其特征在于，将所述步骤6)中的加速渲染包括如下步骤：

1)将复杂的图像处理过程由CPU计算迁移到GPU，通过CUDA进行大规模的并行计算的能力，对图像进行处理；

2)充分利用OpenGL可编程管线，通过编写GLSL着色器，并将系统所有可以迁移到可编程管线进行渲染计算的，全部由着色器来实现；

3)气象雷达成像仿真软件直接从仿真系统的视景仿真过程中采集气象数据。