CN116088341A - 一种多通路目标场景仿真图像生成系统 - Google Patents

一种多通路目标场景仿真图像生成系统 Download PDF

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李景
张闻博
周莉莉
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Abstract

本发明涉及一种多通路目标场景仿真图像生成系统，属于仿真技术领域，解决了现有静、动态目标多通路目标场景仿真图像生成系统在处理多视角图像同步生成与传输过程中的功能缺失问题。该系统包括：控制计算机，导调及节点控制软件、全局态势演示软件以及场景编辑软件的运行载体；目标模拟计算节点，目标模拟软件的运行载体；图像生成计算节点，仿真图像生成软件的运行载体；飞行器模型计算集群，实现飞行器模型解算；一层数据传输信道，实现控制计算机与图像生成计算节点间控制指令的传输；二层数据传输信道，实现图像生成计算节点向仿真设备的仿真图像传输；光纤反射内存网络，实现图像生成计算节点和飞行器模型计算集群间的数据传输。

Description

一种多通路目标场景仿真图像生成系统
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种多通路目标场景仿真图像生成系统。
背景技术
随着仿真技术的不断发展，仿真对象及仿真形式日益丰富。目前，仿真系统虽然可以满足飞行仿真过程控制和可视化演示的基本需求，但是，仿真系统的功能布局不够合理，无法实现仿真系统中各功能部分的分布式管理和运营。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多通路目标场景仿真图像生成系统，用以解决现有多通路目标场景仿真图像生成系统功能布局不够合理的问题。
本发明提供了一种多通路目标场景仿真图像生成系统，包括：
控制计算机，作为导调及节点控制软件、全局态势演示软件以及场景编辑软件的运行载体；
目标模拟计算节点，作为目标模拟软件的运行载体；
图像生成计算节点，作为仿真图像生成软件的运行载体；
飞行器模型计算集群，用于实现飞行器模型解算；
仿真设备，用于处理接收到的仿真图像；
一层数据传输信道，用于实现控制计算机与图像生成计算节点之间控制指令的传输，以及图像生成计算节点之间的数据同步；
二层数据传输信道，用于实现图像生成计算节点向仿真设备的仿真图像传输；
光纤反射内存网络，用于实现图像生成计算节点和飞行器模型计算集群之间的飞行器模型解算数据和场景反馈数据的传输。
在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，所述导调及节点控制软件包括仿真配置模块、节点调度模块、同步控制模块和模型信息管理模块；其中，
仿真配置模块，用于根据仿真试验要求，配置仿真试验所需的仿真模型，并形成相应的配置文件；
节点调度模块，用于实现各图像生成节点的配置，还用于实现图像生成节点和目标模拟软件的运行控制；
同步控制模块，用于实现仿真过程中各仿真图像生成软件的仿真图像生成运行实例之间、仿真图像生成软件实例和目标模拟软件之间的数据同步；
模型信息管理，用于管理仿真试验过程所使用的各仿真模型的参数信息。
进一步，所述仿真模型包括场景仿真模型、飞行器仿真模型、目标仿真模型。
进一步，所述仿真配置模块执行以下配置：
配置场景仿真模型，包括：仿真场景选择、天气类型设置和场景时间设置；
配置飞行器仿真模型，包括：飞行器数量设置、类型设置、位姿数据接收地址设置、场景反馈数据发送地址设置以及初始位姿设置；
配置目标仿真模型，包括：目标数量设置、类型设置、运动模式设置、运动模型代理设置以及初始状态设置。
进一步，所述节点调度模块包括：节点分配子模块和节点运行控制子模块；其中，
所述节点分配子模块用于执行以下设置：图像生成节点数量设置、图像生成节点地址设置、节点飞行器分配、传输通道设置、节点分配数据读写；
所述节点运行控制子模块用于实现各图像生成节点上的图像生成软件运行实例的调度，以及各目标模拟计算运行的过程控制。
进一步，所述仿真图像生成软件包括场景数据处理模块、仿真图像生成模块和仿真图像发送模块；其中，
所述包括场景数据处理模块，用于执行飞行器仿真模型和目标仿真模型的状态数据的接收、解析、反馈和同步处理，并通过三维引擎进行场景更新；
仿真图像生成模块，用于从三维引擎输出的帧图像中获取像素数据，并根据图像生成协议生成携带仿真图像的帧图像数据包；
仿真图像发送模块，用于根据传输信道的配置，将帧图像数据包发送到指定仿真设备。
进一步，所述全局态势演示软件用于采用三维场景对仿真过程进行演示；所述全局态势演示软件包括视角切换模块和数据图表显示模块；其中，
所述视角切换模块，用于提供上帝视角、跟随视角和第一人称视角的切换功能，提供飞行器选择功能，提供使用鼠标键盘操作对场景进行移动、旋转以及缩放功能；
所述数据图表显示模块，用于在全局态势显示界面中使用数据图表对飞行的状态进行显示，包括所有飞行状态数据表格和选定飞行器动态数据图绘制。
进一步，所述目标模拟软件用于生成各类目标仿真模型的状态数据，所述目标模拟软件包括参数化目标状态数据生成模块和模型化目标状态数据生成模块；其中，
所述参数化目标状态数据生成模块，用于根据仿真配置中对目标运动状态的设置，对目标状态数据进行计算，并提交到同步服务；
所述模型化目标状态数据生成模块，用于接收外部目标数据的接入，采用代理的方式，按帧时将接入的数据转发提交到同步服务。
进一步，参数化目标状态数据生成模块包括：
帧时处理子模块，用于参照帧时以目标时间戳为参照，对目标解算帧时进行控制。
目标状态数据计算子模块，用于根据仿真配置中的目标参数设置，和当前的帧时，计算目标在该时刻点的位置和姿态；
目标同步数据发送子模块，用于：将计算所得目标状态数据提交到导调及节点控制软件的同步服务。
进一步，所述场景编辑软件，用于采用UE自带的场景编辑工具进行场景搭建，根据仿真试验需要，从已有的模型库中选择要使用的三维模型，并进行场景搭建。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明提供的多通路目标场景仿真图像生成系统，通过设计控制计算机、目标模拟计算节点、图像生成计算节点、飞行器模型计算集群、仿真设备及两层数据传输信道，形成了多通路目标场景仿真图像生成系统的整个架构，各个功能布局合理，相互配合，能够很好地实现多通路目标场景仿真图像生成。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
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为本发明实施例提供的多通路目标场景仿真图像生成系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的导调及节点控制软件的工作原理图；
图3为本发明实施例提供的仿真配置模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的节点调度模块的功能组成示意图；
图5为本发明实施例提供的同步控制模块的工作流程图；
图6为本发明实施例提供的模型信息管理模块的功能组成示意图；
图7为本发明实施例提供的导调及节点控制软件设计原型；
图8为本发明实施例提供的仿真图像生成软件的工作原理图；
图9为本发明实施例提供的场景数据处理模块的功能组成示意图。
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，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种多通路目标场景仿真图像生成系统，结构示意图如图1所示，包括：
控制计算机，作为导调及节点控制软件、全局态势演示软件以及场景编辑软件的运行载体；
目标模拟计算节点，作为目标模拟软件的运行载体；
图像生成计算节点，作为仿真图像生成软件的运行载体；
飞行器模型计算集群，用于实现飞行器模型解算；
仿真设备，用于处理接收到的仿真图像；
一层数据传输信道(示例性地，可采用高速以太网)，用于实现控制计算机与图像生成计算节点之间控制指令的传输，以及图像生成计算节点之间的数据同步；
二层数据传输信道(示例性地，可采用高速以太网或者USB)，用于实现图像生成计算节点向仿真设备的仿真图像传输；
光纤反射内存网络，用于实现图像生成计算节点和飞行器模型计算集群之间的飞行器模型解算数据和场景反馈数据的传输。
下面，对本实施例中的各个组成部分做如下详细介绍：
(1)导调及节点控制软件
导调及节点控制软件包括仿真配置模块、节点调度模块、同步控制模块和模型信息管理模块。工作原理示意图如图2所示。其中，
仿真配置模块，用于根据仿真试验要求，配置仿真试验所需的仿真模型，并形成相应的配置文件；
节点调度模块，用于实现各图像生成节点的配置，还用于实现图像生成节点和目标模拟软件的运行控制；
同步控制模块，用于实现仿真过程中各仿真图像生成软件的仿真图像生成运行实例之间、仿真图像生成软件实例和目标模拟软件之间的数据同步；
模型信息管理，用于管理仿真试验过程所使用的各仿真模型的参数信息。
具体说明如下：
1)仿真配置模块
在本实施例中，仿真模型包括场景仿真模型、飞行器仿真模型、目标仿真模型。仿真配置的结果独立保存，被仿真图像生成软件、目标模拟软件以及全局态势演示程序使用。仿真配置模块的结构示意图如图3所示。
场景配置子模块主要用于仿真场景选择、天气类型设置和场景时间设置等。
场景配置子模块的输入输出如表1所示。
表1场景配置子模块输入输出
Figure BDA0003974117500000071
Figure BDA0003974117500000081
飞行器配置子模块主要用于飞行器数量设置、类型设置、位姿数据接收地址设置、场景反馈数据发送地址设置以及初始位姿设置等。可支持反射内存、以太网等不同的数据传输方式。
飞行器配置子模块的输入输出如表2所示。
表2飞行器配置子模块输入输出
Figure BDA0003974117500000082
Figure BDA0003974117500000091
目标配置子模块主要用于目标数量设置、类型设置、运动模式设置、运动模型代理设置以及初始状态设置等。
目标配置子模块的输入输出如表3所示。
表3目标配置子模块输入输出
Figure BDA0003974117500000101
Figure BDA0003974117500000111
还可以包括导入导出子模块，块主要用于仿真配置数据的导入和导出，便于数据的复用。
目标配置子模块的输入输出如表4所示。
表4仿真配置导入导出子模块输入输出
Figure BDA0003974117500000112
Figure BDA0003974117500000121
(2)节点调度模块
节点调度模块包括节点分配子模块和节点运行控制子模块。节点调度模块的功能组成如图4所示。其中，
1)节点分配子模块
节点分配子模块用于执行以下设置：图像生成节点数量设置、图像生成节点地址设置、节点飞行器分配、传输通道设置、节点分配数据读写。
节点分配子模块的输入输出如表5所示。
表5节点分配子模块的输入输出
Figure BDA0003974117500000122
Figure BDA0003974117500000131
Figure BDA0003974117500000141
2)节点运行控制子模块
节点运行控制子模块用于实现各图像生成节点上的图像生成软件运行实例的调度，以及各目标模拟计算运行的过程控制。
节点运行控制子模块的输入输出如表6所示。
表6节点运行控制子模块的输入输出
Figure BDA0003974117500000142
Figure BDA0003974117500000151
同步控制模块主要用于仿真图像生成软件实例之间，仿真图像生成软件实例和目标模拟软件之间的数据同步。所有加入同步服务的程序实例，都会按帧周期进行数据交换，确保每个计算节点中的同步对象都在场景中保持时空一致。同步控制模块的数据同步周期为60Hz，其工作流程如图5所示。
同步控制模块主要包括同步服务维护、运行实例接入、数据同步等子模块。其中，
同步服务维护子模块主要用于同步服务进程的启动、运行和销毁等生命周期维护。
运行实例接入子模块用于实现图像生成软件运行实例和目标模拟软件运行实例的接入，并维护与各实例的连接。
数据同步子模块提供运行实例上传数据接收、数据分发、以及场景更新的同步控制。
模型信息管理模块主要用于场景、飞行器、目标等模型信息进行管理，数据采用数据库进行存储，数据与三维模型文件关联。模块功能组成如图6所示。
模型管理模块各功能的输入输出如表7所示。
表7模型管理模块输入输出
Figure BDA0003974117500000161
Figure BDA0003974117500000171
Figure BDA0003974117500000181
导调及节点控制软件设计原型如图7所示。
(2)仿真图像生成软件
仿真图像生成软件使用在线获取飞行器和目标的位姿数据，实时更新场景内容，并根据飞行器搭载传感器的参数对截获场景进行处理后输出。仿真图像生成软件包括场景数据处理模块、仿真图像生成模块和仿真图像发送模块，还可包括调试模块。仿真图像生成软件的工作原理如图8所示，其中，场景数据处理模块，用于执行飞行器仿真模型和目标仿真模型的状态数据的接收、解析、反馈和同步处理，并通过三维引擎进行场景更新；仿真图像生成模块，用于从三维引擎输出的帧图像中获取像素数据，并根据图像生成协议生成携带仿真图像的帧图像数据包；仿真图像发送模块，用于根据传输信道的配置，将帧图像数据包发送到指定仿真设备。
1)场景数据处理模块
场景数据处理模块包括飞行器数据处理、目标数据处理两个子模块。模块功能组成如图9所示。
飞行器数据处理子模块的功能描述：各图像生成程序运行实例独立的获取该实例飞行器的状态数据进行解析，并完成飞行器数据同步和本地更新，同时向飞行器数学模型反馈碰撞、毁伤等场景数据。
飞行器数据处理子模块的的输入输出如表8所示。
表8飞行器数据处理子模块的的输入输出
Figure BDA0003974117500000191
Figure BDA0003974117500000201
Figure BDA0003974117500000211
目标数据处理子模块，用于根据各图像生成程序运行实例从导调及节点控制系统的同步服务，获取所有目标的状态数据，并完成本地目标数据更新。
目标数据处理子模块的输入输出如表9所示。
表9目标数据处理子模块的输入输出
Figure BDA0003974117500000212
Figure BDA0003974117500000221
2)仿真图像生成模块
模块功能与组成：仿真图像生成模块根据飞行器位姿和搭载探测器的参数，通过图像处理算法，将三维场景中捕获到的场景信息转换成符合探测器特征的图像信息。包括像素信息截取和探测器特性处理两个子模块。
像素信息截取：根据飞行器搭载的各探测器的当前的位置、姿态和视线角，从三维场景的GPU缓存中提取各探测器视场内的像素信息。
探测器特性处理：根据飞行器搭载的各探测器的灰度、深度特征，对各探测器截取的像素信息进行处理，生成相应路数的灰度图像和深度图像。
3)仿真图像发送模块
模块功能与组成：根据节点分配中各飞行器的传输信道配置，将生成的图像通过相应的信道发送到半实物设备。包括图像数据封装和图像数据发送两个子模块。
图像数据封装：根据数据协议对一个飞行的一路或者多路图像进行封装和数据压缩。
图像数据发送：根据传输信道配置，运行实例独立地将处理后的图像数据发送给半实物设备。
4)调试模块
在图像生成运行实例中开启探测器视角，供用户查看当前探测器生成的仿真图像。
(2)全局态势演示软件
全局态势演示软件用于采用三维场景对仿真过程进行演示；所述全局态势演示软件包括视角切换模块和数据图表显示模块；其中，
所述视角切换模块，用于提供上帝视角、跟随视角和第一人称视角的切换功能，提供飞行器选择功能，提供使用鼠标键盘操作对场景进行移动、旋转以及缩放功能。
所述数据图表显示模块，用于在全局态势显示界面中使用数据图表对飞行的状态进行显示，包括所有飞行状态数据表格和选定飞行器动态数据图绘制。
(3)目标模拟软件
目标模拟软件用于生成各类目标仿真模型的状态数据，所述目标模拟软件包括参数化目标状态数据生成模块和模型化目标状态数据生成模块；目标模型软件接入导调及节点控制软件的同步服务，通过同步服务将目标数据分发到各图像生成程序运行实例。
具体地，
1)参数化目标状态数据生成模块
参数化目标状态数据生成模块根据仿真配置中对目标运动状态的设置，对目标状态数据进行计算，并提交到同步服务；包括帧时处理、目标状态数据计算以及目标同步数据发送子模块；
帧时处理子模块：帧时处理提供两种方式，本地高精度计时和参照帧时。其中，本地高精度计时使用windows高精度计时器，对帧时进行控制；参照帧时以目标时间戳为参照，对目标解算帧时进行控制。
目标状态数据计算子模块：根据仿真配置中的目标参数设置，和当前的帧时，计算目标在该时刻点的位置和姿态。
目标同步数据发送子模块：将计算所得目标状态数据提交到导调及节点控制软件的同步服务。
2)模型化目标状态数据生成模块
主要用于接收外部目标数据的接入，如数据文件、数学模型等方式提供的目标模型。模块采用代理的方式，按帧时将接入的数据转发提交到同步服务。包括外部模型数据获取、数据解析和目标同步数据发送子模块。
外部模型数据获取子模块：在帧时控制下通过文件读取、反射内存以及以太网等方式获取外部模型的解算数据。
数据解析子模块：将获取的外部模型数据转换为设备内部使用的目标格式化数据。
目标同步数据发送子模块：将计算所得目标状态数据提交到导调及节点控制软件的同步服务。
(4)场景编辑软件
场景编辑软件采用UE自带的场景编辑工具进行场景搭建，根据仿真试验需要，从已有的模型库中选择要使用的三维模型，并进行场景搭建。
在本实施例构建的模型库中，共包括7种类型模型，具体建设内容如表4-10所示。模型采用的文件格式为FBX。
表10模型库建设内容
Figure BDA0003974117500000241
Figure BDA0003974117500000251
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
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)

1.一种多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，包括：
控制计算机，作为导调及节点控制软件、全局态势演示软件以及场景编辑软件的运行载体；
目标模拟计算节点，作为目标模拟软件的运行载体；
图像生成计算节点，作为仿真图像生成软件的运行载体；
飞行器模型计算集群，用于实现飞行器模型解算；
仿真设备，用于处理接收到的仿真图像；
一层数据传输信道，用于实现控制计算机与图像生成计算节点之间控制指令的传输，以及图像生成计算节点之间的数据同步；
二层数据传输信道，用于实现图像生成计算节点向仿真设备的仿真图像传输；
光纤反射内存网络，用于实现图像生成计算节点和飞行器模型计算集群之间的飞行器模型解算数据和场景反馈数据的传输。
2.根据权利要求1所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述导调及节点控制软件包括仿真配置模块、节点调度模块、同步控制模块和模型信息管理模块；其中，
仿真配置模块，用于根据仿真试验要求，配置仿真试验所需的仿真模型，并形成相应的配置文件；
节点调度模块，用于实现各图像生成节点的配置，还用于实现图像生成节点和目标模拟软件的运行控制；
同步控制模块，用于实现仿真过程中各仿真图像生成软件的仿真图像生成运行实例之间、仿真图像生成软件实例和目标模拟软件之间的数据同步；
模型信息管理，用于管理仿真试验过程所使用的各仿真模型的参数信息。
3.根据权利要求2所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述仿真模型包括场景仿真模型、飞行器仿真模型、目标仿真模型。
4.根据权利要求3所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，
所述仿真配置模块执行以下配置：
配置场景仿真模型，包括：仿真场景选择、天气类型设置和场景时间设置；
配置飞行器仿真模型，包括：飞行器数量设置、类型设置、位姿数据接收地址设置、场景反馈数据发送地址设置以及初始位姿设置；
配置目标仿真模型，包括：目标数量设置、类型设置、运动模式设置、运动模型代理设置以及初始状态设置。
5.根据权利要求4所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述节点调度模块包括：节点分配子模块和节点运行控制子模块；其中，
所述节点分配子模块用于执行以下设置：图像生成节点数量设置、图像生成节点地址设置、节点飞行器分配、传输通道设置、节点分配数据读写；
所述节点运行控制子模块用于实现各图像生成节点上的图像生成软件运行实例的调度，以及各目标模拟计算运行的过程控制。
6.根据权利要求5所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述仿真图像生成软件包括场景数据处理模块、仿真图像生成模块和仿真图像发送模块；其中，
所述包括场景数据处理模块，用于执行飞行器仿真模型和目标仿真模型的状态数据的接收、解析、反馈和同步处理，并通过三维引擎进行场景更新；
仿真图像生成模块，用于从三维引擎输出的帧图像中获取像素数据，并根据图像生成协议生成携带仿真图像的帧图像数据包；
仿真图像发送模块，用于根据传输信道的配置，将帧图像数据包发送到指定仿真设备。
7.根据权利要求6所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述全局态势演示软件用于采用三维场景对仿真过程进行演示；所述全局态势演示软件包括视角切换模块和数据图表显示模块；其中，
所述视角切换模块，用于提供上帝视角、跟随视角和第一人称视角的切换功能，提供飞行器选择功能，提供使用鼠标键盘操作对场景进行移动、旋转以及缩放功能；
所述数据图表显示模块，用于在全局态势显示界面中使用数据图表对飞行的状态进行显示，包括所有飞行状态数据表格和选定飞行器动态数据图绘制。
8.根据权利要求7所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述目标模拟软件用于生成各类目标仿真模型的状态数据，所述目标模拟软件包括参数化目标状态数据生成模块和模型化目标状态数据生成模块；其中，
所述参数化目标状态数据生成模块，用于根据仿真配置中对目标运动状态的设置，对目标状态数据进行计算，并提交到同步服务；
所述模型化目标状态数据生成模块，用于接收外部目标数据的接入，采用代理的方式，按帧时将接入的数据转发提交到同步服务。
9.根据权利要求8所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，参数化目标状态数据生成模块包括：
帧时处理子模块，用于参照帧时以目标时间戳为参照，对目标解算帧时进行控制。
目标状态数据计算子模块，用于根据仿真配置中的目标参数设置，和当前的帧时，计算目标在该时刻点的位置和姿态；
目标同步数据发送子模块，用于：将计算所得目标状态数据提交到导调及节点控制软件的同步服务。
10.根据权利要求9所述的多通路目标场景仿真图像生成系统，其特征在于，所述场景编辑软件，用于采用UE自带的场景编辑工具进行场景搭建，根据仿真试验需要，从已有的模型库中选择要使用的三维模型，并进行场景搭建。
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