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塔台模拟机实践报告2011年9月1日下午，我们信息班和计科2班的同学在参观完DRS航管雷达模拟机实践后，又一起参加了民航应用系统综合实践的第三个小实践活动：塔台模拟机实践。一、 引言： CDZS机场塔台视景模拟机是专为训练机场塔台管制员而设计的大型虚拟现实系统，它能真实再现塔台管制工作环境，以及360度开阔的机场和近空视景，逼真的飞机滑行、起飞、降落等，各种天气如雨、雪、雾以及夜航等，并预先设计出各种繁忙和危险情况，用以对塔台管制员进行系统训练。CDZS机场塔台视景模拟机具有更真实的仿真效果，能更加真实地模拟机场复杂、大流量的运营环境；提供高画质、高清晰度视景，具有很好的沉浸感。CDZS机场塔台视景模拟机是空中交通管制人员养成培训、见习培训、岗位培训、强化训练及业务水平考核等方面的重要训练设备，也是培训空中交通管制人员机场进近管制标准进、离场程序设计仿真的重要设备。CDZS机场塔台视景模拟机已通过国家信息产业部组织的科技成果鉴定，并已多次用于民航华北空管局、中南空管局等单位塔台管制人员的实际培训。二、 实践内容： 在我校的飞行技术科研基地二楼，我们又非常有幸地看到了成本价就高达三千多万的机场塔台模拟机。它跟航管雷达模拟机一样，也具有服务器，多个模拟管制员席位和多个模拟机长席位。我们主要看到的是那个功能极其强大的服务器和由9台投影机投放的360度环幕。夏老师还在服务器上给我们演示了如何启动系统和加入飞行器并制造冲突。我们看他在服务器上启动，加载，输入命令，就给我们演示了在雪天情况下重庆江北机场的塔台景象，和飞机冲突发生爆炸时的显示效果，感觉完全真实地身处塔台一样。启动系统包括四个启动程序：服务器启动程序，控制台启动程序，视景服务器启动程序和校正程序。服务器启动程序：启动系统服务器。该系统服务器采用多线程设计，网络线程与计算线程同运行，使系统的实时响应能力达到最优。在运动目标(航空器、地面车辆)模拟计算时，采用基于状态自动机的实时面向对象法，将目标的运动归纳为隐藏、停止、滑行、起飞、路径飞行等16种状态。控制台启动程序：可以建立分组。连接选定的机长席位，管制员席位，并加载训练计划。系统将运动目标的控制命令归纳为24种命令原语。通过命令原语组合的方式来表达系统的目标控制命令。服务器可记录并反演整个训练过程的执行情况。在训练计划执行的过程中，所有控制命令均被记录下来，并可以通过回放的方式供教学和分析用。反演的速度可以在单倍速和多倍速直接选择，并可以随时暂停。反演过程中所有的模拟地空通话也被记录下来并可同步播出。其他各位(模拟机长位、管制员位)作出相应的同步显示。视景服务器启动程序：可以加载当前分组。该程序是视景系统中的重要组成部分。它作为客户端与网络服务器相连接，接收网络服务器发送的信息，同时它又作为视镜子系统的服务器，通过另一个子网与三维视镜客户端向连接，负责管理协调视镜客户端之间的同步运作。可用于实现训练时的实时仿真计算，命令执行及同步协调功能，保护网络管理模块、数据访问接口模块以及运动模型仿真计算模块。根据状态同步产生航空器和地面车辆的立体声音。校正程序：主要用于边沿融合和图像仿真校正。360度环幕其实是由9台投影仪同时投影组成的，而模拟飞行要连续无缝隙，就需要进行边沿校正，使每两个投影屏幕较好地融合在一起。而每个投影屏幕都是方形的，而要显示在环幕上，模拟飞行效果很大程度地受着视景图像质量的影响，而视景图像质量又决定于调试的好坏。投影系统采用三基色（红、绿、蓝）投影重叠显示方式。投影枪的尺寸只有9in，而屏幕的面积则是投影枪尺寸的上百倍，由于最终展现在飞行员眼前的图像是经过了许多倍的放大，并且是三个通道（每个通道为5040视场）拼接而成。因此，显示系统电路性能参数的微小变化（如温度影响、器件更换等引起的）就会造成最终图像的明显变化。因此，为了保证图像质量，满足训练要求，必需对图像进行校正。三、 实践结果： 前面我们已经了解到那个巨大的360度环幕是由9台投影仪同时投影组成，每个投影仪范围大概是40度到45度的方形区域，要在环幕上较真实地显示机场环境也要进行校正，这是如何校正的？而要得到360度环幕每两个方形屏幕交接的地方都是有一定区域重叠的，所以必须进行边沿融合校正，可是边沿融合是怎么实现的？而且飞机活动是连续的，在由9台投影仪同时投影组成的环幕上，如果飞机要从一个环幕区域活动到另一个环幕区域时，要如何才能保证其活动的连续不间断性，这其中的移交是怎么移交的呢？这三个问题都是我们想不到的。l 方形到环形的屏幕图像校正这种校正主要用到基于投影承接面几何特征的帧缓存纹理重映射几何校正技术。该技术的关键是：对于特定的映射承接面，虚拟一系列的等高线和垂直线，然后由其正交形成网格，称这个网格为等高垂直网格。然后通过计算将正交垂直网格投影到显示平面(近裁剪面)上，这就是等高垂直网格在帧缓存中对应的位置。然后通过校正服务器，将网格在投影屏幕上拉成真正视觉效果上的等高垂直，得到其相对位移，取出帧缓存中的图像，用新得到的等高垂直网格进行纹理映射。从理论上讲，纹理重映射技术考虑了投影承接面的几何特征，实际上是考虑了在平面裁剪时候的非平面投影，也就是说计算机生成图像时采用的投影裁剪方式将视锥体中的元素投影到了一个平面，而显示可以理解为这个视锥体在投影承接面上的重现，如果在非平面的承接面上重现将会出现很大的偏差。这种技术提出的纹理重映射的方式改变的其投影面，从而完成了正确的校正。l 边沿融合塔台模拟机视景系统中，由于存在一定的投影几何变形，且系统存在一定的随机漂移，因此要想获得无缝拼接，投影画面需要有一定的重合，在重叠区域，由于投影画面是山两投影机同时投射的，因此画面亮度较其他区域有所增强，形成亮边。所谓边缘融合，就是抑制亮边的产生的方法或过程。对于采用不同类型投影仪的投影系统，亮边的程度有所不同，边缘融合方法也不同。目前，常见的边缘融合方法有两类，一类是电子边缘融合方法，即在图形发生器和投影机之间增加控制设备，直接调整输出信号强度，从而达到局部调整显示输出亮度，保证融合区亮度与其他区域一致；另一类是光学调楚方法，即在投影机镜头前增加一个遮挡片，在融合区适当衰减光线强度。前一类边缘融合方法对于采用CRT投影机的系统具有相当完美的效果，而且系统适应性较强，即当融合区面积发生变化时，通过适当的调节即可适应系统的变化。后一类方法对于采用DLP和LCD投影机的系统而言效果较好，但是一旦系统有所变化，则需要重新制作光学遮挡片。当然，也有许多系统将两种方法结合起来，以获得更好的效果。边缘融合问题的产生以及解决方法，其核心问题实际上十分简单，就是如何使投影重叠区内两投影机的输出亮度和与单台投影机输出亮度相等。如果虚拟视景图像本身在重叠区就具有与其他区域不同的亮度，且相邻图像在重叠区的亮度变化互补，则叠加后的图像是不应该出现亮边的。基于这样的考虑，我们在上述几何校正的基础上，适当改变贴圈曲面的边缘亮度，并与视景贴图融合，获得了图像亮度在边缘融合区线性递减、且与相邻图像边缘亮度变化互补的图像。l 屏幕连续移交对渲染图像进行插值生成“逆变形”图像要将图像逆变形为图45除了采用纹理贴图外，采用渲染图像进行插值也能获得逆变形图像，以塔台模拟机的视景渲染图像来进行插值处理，这里以Hermite样条曲线作为插值函数，好处是可以通过改变边缘控制点的切线方向来控制曲线的弯曲度以满足在不同高度时曲线变化，同时如果观察者的视点高度发生变化后，也可以通过重新修改边缘控制点的切线方向来实现曲线藿新调整，通过Hermite样条生成的曲线Hermite样条曲线参数方程，对任单个像素的处理，要经过若干次运算，完成整个插值的时间复杂度为O(n2)，同时图像存取也占用一定的系统资源。图像的分辨率对整个插值过程影响较大。Hermite样条的路径拟合算法，分析飞机和车辆运动路径的不规则性并结合现有相关路径拟合的算法，充分考虑运动物体的速度变化、机场实际路径设置和运动物体的自身性能，拟合出更能逼近实际情况的运动物体路径，仿真度更高，更易于控制。实践证明，基于Hermite样条的路径拟合相比过去的简单曲线拟合更适合系统仿真，拟合的路径更平滑，提高了逼真度；由于Hermite样条的特点，拟合的路径更容易控制。四、 实践感悟：随着社会的进步和科技的