一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法与流程

本发明涉及计算机仿真领域，应用于航空电子仪表的动态仿真，尤其涉及一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法。

背景技术：

目前，飞行器仿真系统广泛应用于飞机性能评估、操作培训、虚拟战场模拟等方面，同时，在一些危险的飞行任务的训练中，国内外常通过虚拟现实仿真技术对受训人员进行模拟训练。飞行器仿真具有经济性、可重复性、安全性以及不受场地限制等特点，进而高效达到目的。

随着计算机仿真技术的发展，对性能评估、操作训练等要求的不断提高，对虚拟仿真训练环境的模拟逼真程度要求也越来越高。飞机仪表在飞行器仿真系统中有非常重要的作用，需要在确保虚拟驾驶舱内部数据输出的直观显示的基础上，保证受训人员能够实时精准获取多项飞行参数，并据此做出相应操作，借以提高训练质量和效率。现有飞行器仪表仿真可分为实物仿真、半实物仿真和虚拟式仿真，其中实物与半实物仿真外观模型均采用物理模拟方式，交互设备需采用实装部件，因此采用虚拟式仿真可不受诸多客观条件限制。但是，目前常用的虚拟式仿真仪表模型的建立仍以真实模型为基础，对不同的仪表首先需要进行不同的模型建立，其次才是数据信息的显示，而这种方法又受到驾驶舱仪表建模的通用性和设计周期等因素的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，包括如下步骤：

S1，获取仿真电子仪表所需显示的实时飞行参数；

S2，确定动态元件初始状态，根据所述飞行参数的范围，确定所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应关系，根据所述对应关系确定所述仿真电子仪表的刻度值分布，所述对应关系包括线性或非线性数值关系；

S3，根据所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应关系，确定所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应算法；

S4，根据所述飞行参数，利用所述对应算法，在vs编译环境中进行计算，得到所述动态元件的广义坐标，即控制所述仿真电子仪表进行动态显示的数值，所述动态显示的数值包括直接显示数据、直指针偏转角度和刻度平移距离；

S5，对所需显示的不同参数进行对应的仪表元素绘制和图片拼接；利用图层分层将静态元件与动态元件进行分离，确定动态元件所受约束，限制其多余自由度；利用所述动态元件的广义坐标，对所述动态元件进行控制，实现其指示功能；

S6，调用unreal引擎内图像渲染摄像机，实时记录S5中呈现的图像信息，并生成贴图缓存文件；

S7，在虚拟驾驶舱内的仪表区的平面区域铺设动态材质，实时调用所述贴图缓存文件，完成电子仪表可视化。

优选地，S1中，所述实时飞行参数包括：空速、俯仰角、滚转角、航向、升降速率、发动机转速和/或高度。

优选地，所述实时飞行参数通过飞行控制装置的输入数据进行飞行仿真计算得到。

优选地，S4中，所述直指针偏转角度的计算方法为：规定指针偏转角度为零时对应数值，规定对应数值随角度的变化关系，可以为线性或非线性，根据数值与角度的对应关系，由飞行参数计算出指针应偏转的角度。

优选地，S4中，所述刻度平移距离的计算方法为：规定刻度平移距离为零时对应的飞行参数，规定单位刻度所对应的飞行参数数值，直接得到的飞行参数与单位刻度对应参数值相除得到平移距离。

优选地，S5中，所述静态元件包括仪表盘和仪表盘刻度，所述动态元件包括偏转指针、平移刻度背景和形态指示飞机。

优选地，S5中，所述仪表元素绘制在photoshop中完成，包括仪表盘的绘制、指针的绘制以及根据计算得到的刻度值的分布，进行仪表盘上刻度的绘制。

优选地，S5中，所述图片拼接包括各仪表盘的相对位置关系的确定。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，采用面向对象的设计思想，使用动态贴图渲染的方法，极大简化了电子仪表逐个建模的过程，也使得用户可以根据使用需求自主设计面板布局，选择所需显示的数据，具有通用性、设计周期短等优点。采用本发明提供的电子仪表仿真方法可以实现仿真仪表的快速建模，不仅可以将飞行器飞行参数实时显示，在飞行任务的训练中提高虚拟环境逼真度，提高训练受训人员的训练效率，也可应用于飞行器评估，方便不同型号飞行器电子仪表的建模。同时，在飞行器设计初期，也可先采用实时贴图渲染的方法进行动态电子仪表仿真，方便在之后的评测中进行改进。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法流程示意图；

图2是航向表示例图；

图3是贴图缓存文件示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为飞行器仿真提供一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，在保证飞行参数实时准确显示的前提下实现飞行仪表的快速高度仿真，具有通用性、设计周期短等优点。

如图1所示，本发明实施例提供了一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，包括如下步骤：

S1，获取仿真电子仪表所需显示的实时飞行参数；

S2，确定动态元件初始状态，根据所述飞行参数的范围，确定所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应关系，根据所述对应关系确定所述仿真电子仪表的刻度值分布，所述对应关系包括线性或非线性数值关系；

S3，根据所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应关系，确定所述飞行参数与所述动态元件广义坐标之间的对应算法；

S4，根据所述飞行参数，利用所述对应算法，在vs编译环境中进行计算，得到所述动态元件的广义坐标，即控制所述仿真电子仪表进行动态显示的数值，所述动态显示的数值包括直接显示数据、直指针偏转角度和刻度平移距离；

S5，对所需显示的不同参数进行对应的仪表元素绘制和图片拼接；利用图层分层将静态元件与动态元件进行分离，确定动态元件所受约束，限制其多余自由度；利用所述动态元件的广义坐标，对所述动态元件进行控制，实现其指示功能；

S6，调用unreal引擎内图像渲染摄像机，实时记录S5中呈现的图像信息，并生成贴图缓存文件；

S7，在虚拟驾驶舱内的仪表区的平面区域铺设动态材质，实时调用所述贴图缓存文件，完成电子仪表可视化。

上述方法在实际使用过程中，可以通过模块化的方式执行：

输入模块。采集需要显示的实时对应飞行参数，包括空速、俯仰角、滚转角、航向、升降速率、发动机转速、高度等。可选择通过飞行控制装置的输入数据进行飞行仿真计算得到。

控制模块。根据飞行参数进行计算，得到控制仪表动态显示所需数值，包括直接显示数据、指针偏转角度、刻度平移距离等等。计算方法：①直接显示数据：直接由飞行参数得到。②指针偏转角度：规定指针偏转角度为零时对应数值，规定对应数值随角度的变化关系，可以为线性或非线性。根据数值与角度的对应关系，由飞行参数计算出指针应偏转的角度。③刻度平移距离：规定平移距离为零时对应飞行参数，规定单位刻度所对应的飞行参数数值。直接得到的飞行参数与单位刻度对应参数值相除即为平移距离。

显示模块。对所需显示的不同参数进行对应的仪表布局及元素绘制和图片拼接。采用图层分层的方法将静态与动态元件分离，确定动态元件所受约束。其中，静态元件包括仪表盘、仪表盘刻度等，动态元件包括指针、平移刻度背景等，由控制模块所得参数作为其广义坐标，实现动态元件的指示功能。

缓存模块。调用图像渲染摄像机实时记录渲染结果，即显示模块所呈现出的图像，并生成贴图缓存文件。

终端显示模块。在驾驶舱仪表区铺设动态材质，实时调用缓存模块所得图像文件，实现电子仪表动态可视化。

控制模块与输入模块和显示模块相连，并调用输入模块数据进行计算。显示模块可自定义仪表样式及布局，由控制模块计算结果进行动态控制，并由缓存模块实时记录渲染信息。终端显示模块即驾驶舱内电子仪表，调用贴图缓存文件进行实时显示。这一过程循环进行，将飞行参数的变化通过连续的帧的调用的方法实现实时动态显示。

上述方法采用面向对象的设计思想。使用动态贴图渲染的方法，极大简化了电子仪表逐个建模的过程，也使得用户可以根据使用需求自主设计面板布局，选择所需显示的数据，具有通用性。本发明的电子仪表仿真方法可以快速建模，将飞行器飞行参数实时显示，在飞行任务的训练中提高虚拟环境逼真度，提高训练受训人员的训练效率，也可应用于飞行器评估，方便不同型号飞行器电子仪表的建模。同时，在飞行器设计初期，也可先采用实时贴图渲染的方法进行动态电子仪表仿真，方便在之后的评测中进行改进。

在本发明实施例中，S1中，所述实时飞行参数包括：空速、俯仰角、滚转角、航向、升降速率、发动机转速和/或高度。

其中，所述实时飞行参数可以通过飞行控制装置的输入数据进行飞行仿真计算得到。

本发明实施例中，S4中，所述直指针偏转角度的计算方法可以为：规定指针偏转角度为零时对应数值，规定对应数值随角度的变化关系，可以为线性或非线性，根据数值与角度的对应关系，由飞行参数计算出指针应偏转的角度。

S4中，所述刻度平移距离的计算方法可以为：规定刻度平移距离为零时对应的飞行参数，规定单位刻度所对应的飞行参数数值，直接得到的飞行参数与单位刻度对应参数值相除得到平移距离。

S5中，所述静态元件包括仪表盘和仪表盘刻度，所述动态元件包括偏转指针、平移刻度背景和形态指示飞机。

S5中，所述仪表元素绘制在photoshop中完成，包括仪表盘的绘制、指针的绘制以及根据计算得到的刻度值的分布，进行仪表盘上刻度的绘制。

在本发明的实施例中，S5中，所述图片拼接包括各仪表盘的相对位置关系的确定。

具体实施例：

本实施例所使用的物理引擎为physX，编译环境为Visual Studio，是基于虚幻引擎UNREAL ENGINE的一种实时贴图渲染的动态电子仪表仿真。

步骤一：输入模块数据采集。本实施例中，电子仪表所需显示的实时飞行参数包括有空速、俯仰角、滚转角、航向、升降速率、发动机转速、高度等。通过飞行控制装置的输入数据，基于物理引擎进行飞行仿真计算得到。

步骤二：基于输入模块所得数据，控制模块计算。首先确定动态元件初始状态，根据飞行参数的范围，确定刻度值的分布。刻度值分布可以为线性或非线性，即飞行参数与广义坐标之间的线性或非线性数值关系，得到真实飞行参数与元件广义坐标之间对应关系。以本实施例中航向表为例，如图2所示，飞行参数(航向)与广义坐标(角度)之间是一比一的线性关系。其次根据输入模块所得飞行参数，利用对应飞行参数与广义坐标之间的对应算法，在vs编译环境中进行计算，得到控制仪表动态显示所需数值，包括直指针偏转角度、刻度平移距离等等。

步骤三：自定义显示模块利用控制模块计算结果进行数据显示。首先对仪表盘进行样式和布局设计，对所需显示的不同参数进行对应的仪表元素绘制和图片拼接。元素的绘制在photoshop中完成，包括仪表盘的绘制和指针的绘制。仪表盘常用圆形和矩形，并根据步骤二所确定的刻度分布密度来进行刻度绘制。图片拼接包括确定各仪表盘的相对位置关系。再利用图层分层将静态与动态元件分离，确定动态元件所受约束，限制其多余自由度。本实施例中，静态元件有仪表盘、仪表盘刻度等，动态元件包括偏转指针、平移刻度背景、形态指示飞机等。最后，由控制模块所得参数作为动态元件的广义坐标，对动态元件进行控制，实现其指示功能。以本实施例中航向表为例，如图2所示，元素绘制部分：选用圆形表盘，将圆周360°平均划分为四块区域，确定四个分界点依次代表北、西、南、东四个方向。每个区域均为90°，细划分为每小格5°，提高显示准确度。该仪表盘为动态元件。由控制模块所得参数(航向)作为动态元件的广义坐标(角度)，对动态元件(仪表盘)进行控制，实现其指示功能。

步骤四：缓存模块记录显示模块信息。调用unreal引擎内图像渲染摄像机，实时记录渲染信息，即显示模块所呈现出的图像信息，并生成贴图缓存文件，如图3所示。

步骤五：终端显示模块。在虚拟驾驶舱内进行仪表盘的简单建模，在划定为仪表区的平面区域铺设动态材质，实时调用缓存模块所得图像文件，即通过自定义面板显示飞行参数，完成电子仪表可视化。

在本实施例中，由步骤一至步骤五的实现是一帧贴图的显示，代表某一时刻的飞行参数。这一过程循环进行，便将飞行参数的变化通过连续的帧的调用的方法实现实时动态可视化。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的实时贴图渲染的动态电子仪表仿真方法，采用面向对象的设计思想，使用动态贴图渲染的方法，极大简化了电子仪表逐个建模的过程，也使得用户可以根据使用需求自主设计面板布局，选择所需显示的数据，具有通用性、设计周期短等优点。采用本发明提供的电子仪表仿真方法可以实现仿真仪表的快速建模，不仅可以将飞行器飞行参数实时显示，在飞行任务的训练中提高虚拟环境逼真度，提高训练受训人员的训练效率，也可应用于飞行器评估，方便不同型号飞行器电子仪表的建模。同时，在飞行器设计初期，也可先采用实时贴图渲染的方法进行动态电子仪表仿真，方便在之后的评测中进行改进。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。