本发明涉及仿真显示技术领域，具体涉及一种消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法，特别是针对多型号战斗机模拟器在联网对抗训练中出现的视景图像抖动消除方法。
背景技术：
飞行仿真中，视景系统是一个关键组成部分，直接影响着飞行仿真系统的整体逼真性和任务覆盖率。在多台模拟器进行联网编队或对抗仿真时，从本地模拟器视景中观察远程模拟器会发现邻近对象出现不规则高频抖动现象，对模拟飞行训练效果产生不利影响。目前一般采用缓冲历史数据并利用该数据进行平滑的方法来消除该影响，如文献《飞行仿真器联网仿真视景图像抖动研究》采用七点滑动平均算法进行平滑处理，该方法将滑动窗口取为20个历史数据，对这20个历史数据进行平滑后再由视景进行显示，从而消除了视景图像抖动。
然而，上述平滑方法是基于固定窗口的，一次性处理缓冲数据后再处理下一批数据，而模拟飞行是基于时间的仿真，该方法会带来较大的系统延迟。通过实验可知文献《飞行仿真器联网仿真视景图像抖动研究》会产生100毫秒以上的时间延迟，这不符合模拟飞行仿真中的实时性要求。
技术实现要素：
本发明为了解决在消除联网飞行仿真中视景图像抖动时带来系统延迟问题，提供了一种基于加权滑动平均滤波算法的视景抖动消除方法，该方法在消除视景抖动现象的前提下还能保证系统仿真的实时性。
本发明首先对产生视景图像抖动现象的原因进行分析：
现实飞行训练中显然不会出现视景抖动现象，在模拟训练中出现该问题根本原因在于分布式虚拟环境中的时空不一致问题。所谓时空不一致是指分布式虚拟环境中各节点由于时钟不同步、网络延迟等原因，不同节点对虚拟环境的时间与空间耦合关系的认知不一致。
现有的典型时空一致性控制技术主要有本地滞后技术、推算定位技术、时间扭曲技术、实体迁移技术、异地状态延迟技术、分层控制技术、滞后状态同步技术等。以上技术一般提供保证仿真过程中的例如开火、爆炸等离散性事件在各仿真节点按照因果顺序发生的机制，确保时空因果顺序的一致性，但对于实体状态连续变化所涉及到的时空一致性问题没有给出针对性的保证措施。另外，由于多个计算模型是多步长推进的，网络延迟也不稳定，且各仿真计算模型的仿真度也是有限，因此即使保证了状态数据的前后顺序正确也无法消除本地模型与远程模型之间数据交互(本系统中主要体现在坐标变换)存在的误差。这种误差起源于不同仿真模型的逼真度无法统一以及仿真数据传输延迟时间不能准确预测。
对于一般的仿真训练过程而言，这种由不同模型数据交互误差所引起的时空不一致的影响是可忽略的。由于飞机运动速度较快，当这种交互性误差大于某一个阈值时就会在视觉上产生影响因而带来视景上的图像抖动，此时这种影响就不能忽略。在这种视景图像抖动不能根除的情况下，对仿真数据进行处理进而减小误差所带来的影响是消除抖动的必行之路。
作为视景图像抖动消除的效果度量，有必要给出不同条件下的阈值大小。通过观察视景和分析仿真数据可知，抖动情况与视景中两飞机之间的相对距离是相关的，即相对距离越近，抖动越明显。现假设某一远程模拟器s1与本地模拟器s0进行相对距离为d，相对角度为＜α，β，ψ＞的编队飞行，按照时间序列t：{t0，t1，...，tn}两者的对应的相对距离序列是d：{d0，d1，...，dn}，则序列d的算术平均值为
可知，标准差表征了数据偏离中心位置的程度，因此可用σd来表征序列d中的数据抖动情况。经过数据分析可知，在相对距离为d时，当σd很小时在视景上并不出现抖动现象，随着σd的增大到某一个值时视景会出现视觉上的抖动，将此时的标准差称为在距离d上的抖动阈值，记为
为给出判断抖动消除算法的有效性的依据，测试了典型距离下的抖动阈值
d′＝d+(-1)nσd(2)
其中n是仿真迭代次数，则可知
表1抖动阈值-相对距离关系表
由测试结果可知：视景抖动随两仿真实体的相对距离d的增大非线性减小；当相对距离d在500米以上时视景抖动的影响可忽略不计。附图1和表1可作为判断消除算法有效性的依据。
基于以上原因分析，分布式仿真计算模型之间的数据交互时会产生误差从而出现数据抖动，当数据抖动达到一定程度时会在视觉上视景抖动现象。因此有必要采取措施对交互数据进行平滑处理。
文献《飞行仿真器联网仿真视景图像抖动研究》采用直线拟合的方法进行平滑处理，该方法将滑动窗口取为20个历史数据间隔，对这20个历史数据进行平滑后再由视景进行显示，该方法有效去除了视景抖动，但是缓存数据太多，带来了100ms以上的延迟，这不符合本系统关于实时性要求的指标。因此本发明提出了一种基于加权滑动平均滤波视景抖动消除方法，该方法在保证实时性指标的前提下能有效的消除视景抖动。
本发明解决其技术问题的理论依据如下：
滑动平均滤波法就是相当于有一个固定长度为l的滑动窗口，沿离散时间序列滑动。每滑动一个采样间隔，窗口前面进入一个新的数据，窗口后面去掉一个旧的的数据，这样在窗口始终有l个“最新”的数据。只要每次在滑动后把窗口的l个数据进行算术平均，就可得到一组经过滑动平均后滤波后的新序列，其表达式为：
式中l为滑动窗口的宽度。滑动平均滤波相当于一个低通滤波器，衰减了较高频率的信号，对数据起到平滑的作用。通过合理设置窗口宽度，就可以在抑制噪声的同时尽可能保存信号，从而达到提高信噪比的目的。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统，但灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。
针对滑动平均滤波灵敏度低的问题，对不同时刻的数据加以不同的权值，称为加权滑动平均滤波，其表达式如下：
式中wp，n-k是数据x[n-k]对应的权值。通常是越接近现时刻的数据，权取得越大，给予新采样的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法，包括以下步骤：
a)、设置滑动窗口宽度为正整数l和权值集合wp，wp中包含l个元素；
b)、初始化存储缓冲数据的链表list，并将链表list最大长度设置为l+1；
c)、获取远程模拟器以全局坐标系表达的最新状态数据，并以本地模拟器当前状态为原点将上述远程模拟器状态数据转换为本地坐标；
d)、将步骤c)获取的数据压入所述缓冲链表list的头部；
e)、判断所述链表list是否达到最大长度，如果已经达到则进入步骤f)，否则转回步骤c)；
f)、将所述链表list尾部数据弹出；
g)、初始化平滑结果output为0，初始化迭代次数count为0；
h)、利用公式output＝output+list[i]×wp[i]计算平滑结果；
i)、递增所述迭代次数count；
j)、判断迭代次数count是否小于所述滑动窗口宽度l，如果是则进入步骤k)，否则转回步骤h)；
k)、利用公式output＝output/sum(wp)计算平滑结果，公式中sum(wp)表示所述权值集合wp中各元素之和；
l)、通过坐标变换将平滑结果output变换为全局坐标；
m)、利用数据output驱动视景系统显示远程模拟器的当前状态数据；
n)、判断系统是否给出了结束仿真指令，如果是则结束，否则转回步骤c)。
为保证数据的灵敏度，越接近现时刻的数据权值取得越大，因此进一步在步骤a)中，所述权值集合wp中的元素按照从大到小的顺序排列。
再进一步的，步骤a)中所述权值集合wp中的元素为正整数。
更进一步，步骤a)中所述窗口宽度l取值为10，所述权值集合wp对应取值为{4，3，2，2，2，1，1，1，1，1}。
在上述消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法中，在视景中显示的模拟器状态数据包括6个自由度，即步骤c)和步骤m)中所述状态数据包括描述模拟器位置的经度、纬度和高度信息以及描述模拟器姿态的航向角、俯仰角和翻滚角信息。
经过试验表明，模拟器的姿态信息对于视景图像抖动影响不大，因此进一步的，上述步骤c)和步骤m)所述状态数据仅包括描述模拟器位置的经度、纬度和高度信息。
本发明的一种消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明在深入分析产生视景图像抖动的根本原因基础上，定量描述了数据高频抖动时何时会影响到视景的视觉显示，并提供了一种基于加权滑动平均滤波算法的消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法，该方法将远程模拟器最新状态作为输入，利用缓存的历史数据和权值集合实时得到平滑后的状态数据，不但消除了联网飞行中的视景图像抖动问题，而且对系统仿真的实时性影响不大，此方法可进一步推广到解决其他分布式虚拟环境下数据抖动问题。
附图说明
附图1是本发明抖动阈值随相对距离变化的曲线图；
附图2是本发明某型仿真训练系统的总体结构图。
附图3是本发明所提出的联网飞行仿真视景图像抖动消除的逻辑结构图；
附图4是本发明四种测试条件下高度维上相对坐标数据对比图；
附图5是本发明采用滑动平均滤波算法和加权平均滤波算法的处理值与仿真值的偏离对比图；
附图6是本发明状态数据包括描述模拟器位置经度、俯仰角和翻滚角3个自由度下高度维上相对坐标数据图。
具体实施方式
下面结合附图1-6，对本发明的一种消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法作以下详细说明。
如附图2所示，某型仿真训练系统，由多个仿真训练单元组成，每个单元是一个半实物模拟器，由模拟座舱、多通道视景显示屏、仿真计算机等硬件设备组成。每个仿真训练单元还包括雷达模型、电子对抗模型、武器模型、硬件采集系统、飞控解算系统以及视景显示系统等多个软件模块，多个模块通过自行开发的0ps总线系统以可插拔的形式进行通信和交互。仿真训练单元之间又同时连接到联网服务器上，通过联网服务器进行数据交互。系统中的战场环境模型、蓝军cgf模型、态势显示系统以及记录回放系统同时通过联网服务器连入训练网络中。为保证实时性要求，联网服务器采用原生的套接字进行通信。总控台通过组播网络对多个仿真训练单元进行控制。基于该系统可以开展战斗机1对1、1对2等空中格斗战术科目训练。
本发明的一种消除联网飞行仿真中视景图像抖动的方法，所需处理的仿真数据包含高频抖动的噪声，目的是要尽可能抑制噪声以得到相对平滑的数据，并可通过调整权值以减小仿真的实时性的影响，总体流程如附图3所示：
在仿真开始前，需先设置滑动窗口宽度l值和对应的权值集合wp，首先从0ps总线获取远程模拟器状态数据，远程模拟器状态数据是多个远程模拟器的状态数据数组，数组每个成员是一个结构体，定义如下：
获取的上述数据是基于全局坐标系的，需转换为在本地模拟器机体坐标系下的位置数据，将转化后的数据压入样本队列中，所述的样本队列长度等于滑动窗口宽度l。初始时，样本队列中数据个数小于l，则不断压入新的数据直到填满。填满后每次新来数据都进行平滑滤波处理，处理后的数据再变换为全局坐标并在视景中进行显示，注意视景显示后还要切换到本机视角。最后判断系统是否给出了结束仿真指令，如果是则结束，否则转回0ps总线获取远程模拟器状态数据。
根据加权滑动滤波算法，平滑滤波处理流程如下：首先将待处理的数据压入样本队列头部，同时将样本队列尾部数据弹出，然后迭代滑动窗口宽度l次，求出样本数据的加权和，最后根据公式(4)将得到的样本数据加权和除以权值和得到平滑后的数据。
需要说明的是：样本宽度l和权值集合wp可根据测试获得，wp中的元素为正整数。为保证数据的灵敏度，越接近现时刻的数据权值取得越大，因此权值集合wp中的元素按照从大到小的顺序排列。
本实施例中设以l＝10，权值集合wp＝{4，3，2，2，2，1，1，1，1，1}为例进行阐述，但本发明的保护范围不限于此。
基于如附图2示的系统架构进行测试，两个模拟器单元进行互联，由两名飞行员开展相距100米(一般的编队距离)的编队飞行，系统飞控解算模型仿真周期是20ms，视景刷新率是50fps。进行四次测试，分别是(a)不进行任何处理；(b)采用文献《飞行仿真器联网仿真视景图像抖动研究》给出的七点滑动平均算法；(c)采用算法参数为l＝10，wp＝{1，1，1，1，1，1，1，1，1，1}的不加权的滑动平均滤波算法；(d)采用参数为l＝10，wp＝{4，3，2，2，2，1，1，1，1，1}的加权滑动平均滤波算法。得到四种测试下高度维上相对坐标变化如附图4所示。
分析图4可知：
(1)在数据平滑方面，根据表1可知
(2)在实时性方面，七点滑动平均需要缓存20个数据且要同时对这个20个数据进行处理得到新值后才能在视景进行显示，因此其带来较大延迟，如本系统仿真周期是20ms，则最长需延迟420ms。虽然可通过多线程的方式进行并行处理，但总体还是要大于100ms，不符合本系统的实时性指标。而对于滑动平均滤波算法，其基于滑动窗口，得到的数据就是当前值，可直接进行显示。由于滤波是对真实数据进行了平均处理，因此满足实时性指标就转化为对当前值的敏感度，通过加权处理要比直接进行平均滤波更能体现当前值影响。附图5是两种滤波方法处理后的值与当前值得偏离情况对比，很明显加权滑动平均滤波算法得到的数据比滑动平均滤波算法得到的值更接近原始值。
由以上分析可知，采用基于加权滑动平均的视景抖动消除方法对消除视景抖动是有效的，且对系统的实时性的影响在仿真训练的接受范围之内。
另需说明的是：在本发明的另一技术方案中，将远程模拟器状态数据定义如下：
基于如附图2示的系统架构进行测试，两个模拟器单元进行互联，由两名飞行员开展相距100米(一般的编队距离)的编队飞行，系统飞控解算模型仿真周期是20ms，视景刷新率是50fps。由附图6分析可知，模拟器的姿态信息对于视景图像抖动影响不大。