CN110097645A - 一种飞行模拟仿真画面去除抖动方法及飞行模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞行模拟仿真画面去除抖动方法及飞行模拟器，属于飞行模拟技术领域；方法包括；在飞行模拟仿真中，设置结构相同的第一飞行器和第二飞行器；获取第一飞行器运动时的背景视频图像数据；获取第二飞行器静止状态下的机体图像数据；将背景视频图像数据和机体图像数据进行图像融合得到的融合画面，发送到仿真显示设备进行显示。本发明对于需要广阔的飞行模拟空间的高速、长时间、长距离飞行模拟仿真，提供了一种通过双摄像机融合去除抖动方法，可以突破仿真引擎自身限制带来的技术“瓶颈”。
Description
技术领域
本发明涉及飞行模拟技术领域，尤其是一种飞行模拟仿真画面去除抖动方法及飞行模拟器。
背景技术
使用VR/AR(虚拟现实/增强现实)技术进行模拟仿真，在航空航天等领域的应用越来越广泛。但目前使用的模拟仿真引擎，例如Unity3D，主要应用于运动空间较小场合项目的开发，自身坐标范围受float浮点精度要求，不能超过100000(Unity3D中，默认单位为m)，如超过了坐标范围，Unity3D就会出现警告：”“Due to floating-point precisionlimitations,it is recommended to bring the world coordinates of theGameObject within a smaller range.”，运动飞机就会出现抖动现象，而且，随着运动飞机离坐标原点越远，抖动越厉害，乃至飞机严重变形，机舱内平显画面的字符和刻度带错位，画面模糊不清，如图1所示。这就限制了Unity3D引擎在航空航天等对运动范围要求较大领域的应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种飞行模拟仿真画面去除抖动方法及飞行模拟器，解决飞行模拟仿真中画面除抖动问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明公开了一种飞行模拟仿真画面去除抖动的方法，包括；
在飞行模拟仿真中，设置结构相同的第一飞行器和第二飞行器；
实时获取第一图像数据，所述第一图像数据为第一飞行器运动时的背景视频图像数据；
获取第二图像数据，所述第二图像数据为第二飞行器静止状态下的机体图像数据；
将所述第一图像数据和第二图像数据进行图像融合得到的融合画面，发送到仿真显示设备进行显示。
进一步地，所述飞行模拟仿真画面基于Unity3D获得；在Unity3D中，导入包括第一飞行器、第二飞行器和机场跑道在内的三维模型；构建飞行模拟场景。
进一步地，所述第一飞行器、第二飞行器和机场跑道的三维模型，使用3ds max软件构建，导入Unity3D的文件格式为*.FBX格式。
进一步地，在Unity3D中，创建第一摄像机，挂载在第一飞行器上，用于拍摄第一飞行器运动过程中的背景视频图像数据；
创建第二摄像机，挂载在第二飞行器上，用于拍摄第二飞行器静止状态下的机体图像数据。
进一步地，使用Unity3D双摄像机融合方法，将所述第一摄像机和第二摄像机拍摄的图像数据进行图像融合。
进一步地，所述双摄像机融合具体包括：
1)对第二飞行器、第一摄像机和第二摄像机进行设置；
对所述第二飞行器的图层属性进行标记；
将第二摄像机的Culling Mask属性选择为第二飞行器的图层属性，Clear Flags属性设置为“Depth only”，Depth值设置为1；
将第一摄像机的Culling Mask属性设置为去掉第二飞行器的图层属性；ClearFlags属性设置为“Skybox”，Depth值设置为0；
2)根据设置的Depth值，将第二摄像机显示画面处于上层，第一摄像机显示的画面处于下层，进行画面叠加。
进一步地，在飞行模拟仿真中，通过在Unity3D中建立控制飞行器运动的脚本，获取第一飞行器的刚体组件，使飞机的刚体组件按照一定的步长沿z轴向前运动，来实现对第一飞行器运动的控制。
进一步地，所述飞行模拟场景构建包括：
选择天空盒作为天空背景，在Unity3D中的环境光照功能Skybox选项中设置天空盒材质；
将跑道模型设置于坐标原点处，根据设定的位置关系，将第一飞行器模型置于设定位置，并将第二飞行器模型的位置调整到距原点在设定范围的区域内。
进一步地，所述融合画面中还包括第一飞行器运动过程中的平显数据；所述平显数据的融合方法包括：
1)预设平显数据在融合画面的默认显示位置，所述默认显示位置位于座舱外部，且距离平显玻璃位置d米；
2)判断在平显玻璃位置和默认显示位置之间是否包括动态目标信息；如果不包括，则进入3)；如果包括，则进入4)；
3)将平显数据置于默认显示位置，以预设的显示尺寸固定显示；
4)根据动态目标信息，进行平显数据的显示尺寸和位置的动态显示；所述动态显示尺寸size1＝ω*size0；size0为预设的显示尺寸；缩放系数式中，α为仿真操作时操作人员的眼睛到融合画面中平显玻璃位置的距离，l为平显玻璃到动态目标的距离，m为动态目标的厚度，即操作人员视线方向目标的宽度；所述动态显示位置为座舱外部距离平显玻璃位置外d1米处，
另一方面公开了一种飞行模拟器，包括仿真显示设备，所述仿真显示设备上的仿真画面经过如上述的任一项去除抖动的方法进行画面抖动消除。
本发明有益效果如下：
本发明对于需要广阔的飞行模拟空间的高速、长时间、长距离飞行模拟仿真，提供了一种通过双摄像机融合去除抖动方法，突破仿真引擎(Unity3D软件)自身限制带来的技术“瓶颈”，为广大科技工作者排除困扰，为相关行业项目的研制和人员的培训等带来很大的效益。
并且，本发明方法对飞行模拟仿真的硬件基础要求低，只需配备现有的油门杆、驾驶杆和HTC vive头显，就可以构建小型的模拟器，能为使用者提供沉浸式虚拟现实体验，与大型模拟器相比，具有价格低廉，易于大量配置等特点。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为飞行仿真中画面抖动的示意图；
图2为本发明实施例中的飞行模拟仿真画面去除抖动方法流程图；
图3为本发明实施例中的第一摄像机拍摄背景图片；
图4为本发明实施例中的第二摄像机拍摄机体图片；
图5为本发明实施例中的进行图像融合得到的融合画面。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一、
本实施例公开了一种飞行模拟仿真画面去除抖动方法，如图1所示，包括以下具体步骤；
步骤S1、在飞行模拟仿真中，设置结构相同的第一飞行器和第二飞行器；
步骤S2、获取第一图像数据，所述第一图像数据为第一飞行器运动时的背景视频图像数据；
步骤S3、获取第二图像数据，所述第二图像数据为第二飞行器静止状态下的机体图像数据；
步骤S4、将所述第一图像数据和第二图像数据进行图像融合得到的融合画面，发送到仿真显示设备进行显示。
优选的，本实施例的仿真引擎选择Unity3D引擎，Unity3D引擎采用组件式开发，取代纯代码开发，仿真步骤大大简化，降低了开发的周期和难度。
在Unity3D中，导入包括第一飞行器、第二飞行器和机场跑道在内的三维模型；构建飞行模拟场景；对飞行器的运动进行控制，获取图像数据和飞行参数；对图像数据和飞行参数进行传递和显示。
其中，第一飞行器、第二飞行器和机场跑道三维模型可以采用3ds max软件建立，贴图后，分别导出格式为*.FBX的文件。
再启动Unity3D软件，新建一个项目。导入从3ds max软件导出的*.FBX格式的三维跑道和飞机模型，制作预设(Prefab)原件，并复制模型预设，分别命名为跑道、第一飞行器和第二飞行器。
优选的，所述第一飞行器模型和第二飞行器模型采用相同的结构，并定义第一飞行器为运动飞行器，第二飞行器为静止飞行器。
这就完成了三维模型的建立和导入，之后需建立飞行模拟场景。
为建立飞行模拟场景使仿真模拟能够实现在天空背景下飞行的效果，选择合适的天空盒作为天空背景，在Unity3D软件中，选择菜单Window→Lighting，打开光照视图，在环境光照(Environment Lighting)功能的Skybox选项中设置天空盒材质。本实施例的天空盒可以从公开的网站上选择并下载。
在飞行模拟场景构建中，将跑道模型设置于坐标原点处，按照模拟飞行的需要，根据设定的位置关系，将第一飞行器置于设定位置，等待接收指令起飞；由于第二飞行器并不参与飞行，对其位置无严格要求。因此，可将第二飞行器模型的位置调整到距原点在一定范围的区域内即可。
通过确定了第一飞行器模型、第二飞行器模型和机场跑道的相对位置后，就构建了一个简单的飞行模拟场景，如图5所示。
为将模拟飞行过程中的包括天空以及跑道在内背景视频图像数据能够反馈到飞行操纵者的视觉中，增强操纵者的“浸入式”体验，创建第一摄像机，挂载在第一飞行器模型上，调整好摄像机的拍摄角度，使其能够拍摄第一飞行器运动过程中的背景视频，得到视频图像数据。
但如果只采用单一摄像机，当飞行器飞行超过100000m时，Unity3D就会出现警告：“Due to floating-point precision limitations,it is recommended to bring theworld coordinates of the GameObject within a smaller range”，并出现抖动现象，而且，随着飞行器离坐标原点越远，抖动越厉害，乃至飞机严重变形，机舱内平显画面的字符和刻度带错位，画面模糊不清。
这是由于Unity3D，自身坐标范围受float浮点精度要求，不能超过100000m的限制造成的，第一飞行器的飞行参数并无“跳跃”或“抖动”现象。
为解决这一问题，创建第二摄像机，挂载在第二飞行器模型上，调整好摄像机的拍摄角度，使其能够拍摄第二飞行器静止状态下的机体，得到机体图像数据。
再使用Unity3D双摄像机融合方法，将所述第一摄像机和第二摄像机拍摄的图像数据进行图像融合。
优选的，所述双摄像机融合具体包括：
1)对第二飞行器、第一摄像机和第二摄像机进行设置；
将第二飞行器的Layer属性标记为“zucang”；
将第二摄像机的Culling Mask属性选择为“zucang”，Clear Flags属性设置为“Depth only”，Depth值设置为1；
将第一摄像机的Culling Mask属性设置为去掉“zucang”；Clear Flags属性设置为“Skybox”，Depth值设置为0；
2)根据设置的Depth值，将第二摄像机显示画面处于上层，第一摄像机显示的画面处于下层，进行画面叠加。
第二飞行器上挂载的第二摄像机，只用来显示静止的飞机，不显示运动飞机、跑道和天空背景；第一飞行器上挂载的第一摄像机，只用来显示包括跑道和天空的背景画面。把主摄像机拍摄的图像和背景摄像机拍摄的图像进行融合：第二摄像机作为主摄像机，显示画面处于上层；第一摄像机作为背景摄像机，显示的画面处于下层。在叠加的视频画面中，飞行器看起来就像在空中飞行，但其实飞行器是不动的，显示的是静止飞行器而不是运动飞行器。而飞行中背景的变化，是运动的背景摄像机显示的画面。经过图像融合，采用“视觉欺骗”的技巧，达到了“以假乱真”的效果。
这样，即使运动飞机坐标值超过了Unity3D软件限制的范围而发生抖动时，也不会显示出来。因为，摄像机中显示的是静止飞机，而静止飞机在Unity3D软件限制的范围之内，是不会发生抖动的，这样就达到了去除抖动的目的。
对运动飞行器的运动进行控制具体包括：
新建一个控制飞机运动的脚本：在Project窗口的Assets文件夹上鼠标右击，在弹出菜单中选择Create→C#Script，点击后生成控制文件。
由于飞机运动的控制涉及到运动学、动力学、控制率、大气等模型，实际控制关系非常复杂，本发明技术方案对此进行了简化，而不影响技术方案的阐述。
使飞机按照一定的步长沿z轴向前运动，在void Start(){}中，添加以下关键代码：
Rigidbody＝GameObject.Find("plane").GetComponent<Rigidbody>()；
用于获取运动飞机的刚体组件。
在void Update(){}中，添加以下关键代码：
plane.Translate(Vector 3.forward*speed*Time.deltaTime,space.self)；
其中，plane为运动飞机的Transform组件。Translate()函数用于处理运动飞机的移动。Vector 3.forward表示飞机沿z轴前进。speed为速度控制参数，可以自行设置。Time.deltaTime表示前一帧到当前帧花费的时间。space.self表示局部坐标系。
把上述文件挂载在第一飞行器上，用于控制第一飞行器的飞行，并得到包括飞行速度、高度等在内的飞行参数。
由于第一飞行器运动过程中，飞行参数数据本身是平滑的，没有出现“抖动”或“跳跃”现象，在飞机z轴坐标值超过100000m，但仍按照定步长向前运动。运动飞机的抖动与坐标值数据无关，这为运动飞机参数的回传和显示提供了可能。
优选的，对于进行飞行模拟的飞行器是具有平显显示的飞机时，如上所述，如果只采用单一摄像机，当飞行器飞行超过100000m时，机舱内平显画面的字符和刻度带错位，画面模糊不清。但由于飞行参数并无“跳跃”或“抖动”现象。
因此，本实施例将第一飞行器运动过程中的平显数据，与第一图像数据和第二图像数据进行图像融合得到的融合画面，发送到仿真显示设备进行显示。消除由于Unity3D软件限制引起的平显画面的模糊问题。
具体的，通过创建平显显示内容文件，并在void Update(){}中，添加显示内容关键代码，获取第一飞行器即运动飞机需在平显上显示的第三图像数据，再添加显示代码，即可在第二飞行器即静止飞机的平显上速度的显示。例如，在平显上显示的速度信息，通过添加：
Speed＝Rigidbody.velocity.magnitude即可获取运动飞机的速度。
由于在融合画面显示时，模拟操作人员需要同时观看运动的背景以及平显信息，在融合中，直接将平显数据融合在静止飞行器的平显玻璃上，平显数据与运动背景的距离过大，操作人员操作时的眼睛需要进行二次聚焦，造成视觉疲劳和精力分散，而且会增加平显画面的抖动。
为解决该问题，本实施例对平显数据的融合方法包括：
1)预设平显数据在融合画面的默认显示位置，所述默认显示位置位于座舱外部，且距离平显玻璃位置d米；所述d可根据仿真场景设置，以能减少操作人员操作时眼睛的二次聚焦，减少视觉疲劳和精力分散为目的；
2)判断在平显玻璃位置和默认显示位置之间是否包括动态目标信息；如果不包括，则进入3)；如果包括，则进入4)；
3)将平显数据置于默认显示位置，以预设的显示尺寸固定显示；
4)根据动态目标信息，进行平显数据的显示尺寸和位置的动态显示；所述动态显示尺寸size1＝ω*size0；size0为预设的显示尺寸；缩放系数式中，α为仿真操作时操作人员的眼睛到融合画面中平显玻璃位置的距离，l为平显玻璃到动态目标的距离，m为动态目标的厚度，即操作人员视线方向目标的宽度；所述动态显示位置为座舱外部距离平显玻璃位置外d1米处，
如在平显玻璃位置和默认显示位置之间包括多个动态目标，则以距离平显玻璃位置最近的动态目标信息为准，进行平显数据的显示尺寸和位置的动态显示。
具体的，第一摄像机拍摄的背景视频图像数据如图3所示；第二摄像机拍摄的机体图片如图4所示；得到的融合画面如图5所示，可解决在高速、长时间，远距离飞行模拟仿真的画面抖动问题。
本实施例公开的飞行模拟仿真画面去除抖动方法，对于需要广阔的飞行模拟空间的高速、长时间、远距离飞行模拟仿真，通过双摄像机融合方式，构建了运动和静止两个飞机，把运动飞机的背景和参数通过“异地”方式，在静止飞机上显示，克服了由于仿真引擎自身限制带来的技术“瓶颈”，去除画面的抖动，为广大科技工作者排除困扰，为相关行业项目的研制和人员的培训等带来很大的效益。
实施例二、
本实施例公开了一种飞行模拟器，在硬件构建上，配备现有的油门杆、驾驶杆和仿真显示设备，例如HTC vive头显。
在所述仿真显示设备上的仿真画面经过实施例一中的飞行模拟仿真画面去除抖动方法进行画面抖动消除。能为使用者提供沉浸式虚拟现实体验。与大型模拟器相比，具有价格低廉，易于大量配置等特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种飞行模拟仿真画面去除抖动的方法，其特征在于，包括；
在飞行模拟仿真中，设置结构相同的第一飞行器和第二飞行器；
实时获取第一图像数据，所述第一图像数据为第一飞行器运动时的背景视频图像数据；
获取第二图像数据，所述第二图像数据为第二飞行器静止状态下的机体图像数据；
将所述第一图像数据和第二图像数据进行图像融合得到的融合画面，发送到仿真显示设备进行显示。
2.根据权利要求1所述的去除抖动方法，其特征在于，所述飞行模拟仿真画面基于Unity3D获得；
所述飞行模拟仿真包括：
在Unity3D中，导入包括第一飞行器、第二飞行器和机场跑道在内的三维模型；构建飞行模拟场景。
3.根据权利要求2所述的去除抖动方法，其特征在于，在Unity3D中，导入包括第一飞行器、第二飞行器和机场跑道在内的三维模型，包括：
采用3ds max软件构建所述第一飞行器、第二飞行器和机场跑道的三维模型；
导出FBX格式的三维模型文件；
将导出的所述FBX格式的三维模型文件导入Unity3D。
4.根据权利要求3所述的去除抖动方法，其特征在于，
在Unity3D中，创建第一摄像机，挂载在第一飞行器上，用于拍摄第一飞行器运动过程中的背景视频图像数据；
创建第二摄像机，挂载在第二飞行器上，用于拍摄第二飞行器静止状态下的机体图像数据。
5.根据权利要求4所述的去除抖动方法，其特征在于，使用Unity3D双摄像机融合方法，将所述第一摄像机和第二摄像机拍摄的图像数据进行图像融合。
6.根据权利要求5所述的去除抖动方法，其特征在于，所述双摄像机融合具体包括：
1)对第二飞行器、第一摄像机和第二摄像机进行设置；
对所述第二飞行器的图层属性进行标记；
将第二摄像机的Culling Mask属性选择为第二飞行器的图层属性，Clear Flags属性设置为“Depth only”，Depth值设置为1；
将第一摄像机的Culling Mask属性设置为去掉第二飞行器的图层属性；Clear Flags属性设置为“Skybox”，Depth值设置为0；
2)根据设置的Depth值，将第二摄像机显示画面处于上层，第一摄像机显示的画面处于下层，进行画面叠加。
7.根据权利要求2-6任一所述的去除抖动方法，其特征在于，在飞行模拟仿真中，通过在Unity3D中建立控制飞行器运动的脚本，获取第一飞行器的刚体组件，使飞机的刚体组件按照一定的步长沿z轴向前运动，来实现对第一飞行器运动的控制。
8.根据权利要求2-6任一所述的去除抖动方法，其特征在于，所述飞行模拟场景构建包括：
选择天空盒作为天空背景，在Unity3D中的环境光照功能Skybox选项中设置天空盒材质；
将跑道模型设置于坐标原点处，根据设定的位置关系，将第一飞行器模型置于设定位置，并将第二飞行器模型的位置调整到距原点在设定范围的区域内。
9.根据权利要求1-6任一所述的去除抖动方法，其特征在于，所述融合画面中还包括第一飞行器运动过程中的平显数据；所述平显数据的融合方法包括：
1)预设平显数据在融合画面的默认显示位置，所述默认显示位置位于座舱外部，且距离平显玻璃位置d米；
2)判断在平显玻璃位置和默认显示位置之间是否包括动态目标信息；如果不包括，则进入3)；如果包括，则进入4)；
3)将平显数据置于默认显示位置，以预设的显示尺寸固定显示；
4)根据动态目标信息，进行平显数据的显示尺寸和位置的动态显示；所述动态显示尺寸size1＝ω*size0；size0为预设的显示尺寸；缩放系数式中，α为仿真操作时操作人员的眼睛到融合画面中平显玻璃位置的距离，l为平显玻璃到动态目标的距离，m为动态目标的厚度，即操作人员视线方向目标的宽度；所述动态显示位置为座舱外部距离平显玻璃位置外d1米处，
10.一种飞行模拟器，其特征在于，包括仿真显示设备，所述仿真显示设备上的仿真画面经过如权利要求1-9任一项去除抖动的方法进行画面抖动消除。
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