3D vizualizácia pohybu lietajúceho objektu


Úvod

      Problematika monitorovania a riadenia pohybu lietajúcich a nelietajúcich objektov je značne obsiahla a náročná. Aj na katedre leteckej technickej prípravy leteckej fakulty TU sa v súčasnosti pracuje na návrhu pozemného riadiaceho pracoviska pre riadenie ľubovoľného objektu vo virtuálnom priestore, ktorý by vizualizoval pohyb lietajúceho objektu vo virtuálnom priestore založenom na reálnych geografických dátach, ktoré boli spracované pomocou GIS systémov. Jednou z hlavných priorít bolo to, aby celé riešenie bolo OpenSource, čiže, aby nebolo zaťažené žiadnou proprietárnou licenciou. Po počiatočnom výskume sa dostavili prvé reálne výsledky.


Príprava mapových podkladov

      Jednou z hlavných požiadaviek na vlastnosti návrhu bola možnosť zobrazenia polohy objektu na virtuálnej mape terénu a jeho 3D zobrazenie. Po dôkladnom otestovaní jednotlivých podkladov geografických dát bola, ako základ pre ďalšie použitie, zvolená ľahko dostupná vektorová mapa (VMAP), ktorá je distribuovaná vo formáte MIL-V-89039, ktorý pozná veľké množstvo GIS programov. Taktiež bola využitá databáza GLOBE, ktorá používa referenčný systém WGS84 ako podklad pre vytvorenie digitálneho elevačného modelu krajiny (DEM), ktorý bude slúžiť ako referenčná báza pre následnú 3D vizualizáciu krajiny. Použitie obidvoch mapových formátov bolo nevyhnutné z dôvodu odlišného obsahu. To znamená, že vektorová mapa Vmap obsahuje informácie o umiestnení lesov, vôd, obývaných častí, atď., ale bohužiaľ neobsahuje informácie o nadmorskej výške terénu, ktoré sú nevyhnutné pre vytvorenie 3D modelu. Naproti tomu databáza GLOBE tieto informácie obsahuje, dokonca celý elevačný model krajiny presnosťou jeden výškový bod na 30 sekúnd zemepisnej dĺžky a šírky, ale neobsahuje informácie o krajine. Preto bolo nutné využiť obidva zdroje a spojiť ich spoločného mapového podkladu a upraviť ho tak, aby sa stal vhodným zdrojom pre vytvorenie 3D modelu krajiny a zároveň ho bolo možné použiť v následnej vizualizácii. Kvalitné spracovanie digitálneho modelu dalo základ pre vstup do ďalšej fázy návrhu PRP a to 3D vizualizácie danej krajiny pre podporu priestorovej orientácie a vizualizácie.


Realizácia 3D vizualizácie

      Celá 3D vizualizácia krajiny je vytvorená za použitia OpenSceneGraph knižníc založených na využívaní techník OpenGL, ktoré sú v súčasnosti štandardom v oblasti 3D vizualizácie. Pre dosiahnutie realistickosti pohybu objektu v tejto krajine sme využili ako základ OpenSource projekt s názvom FlightGear. FlightGear je slobodný OpenSource multiplatformový simulátor letu lietadiel vyvíjaný od roku 1997 skupinou mnohých vývojárov na celom svete. Dostupnosť zdrojových textov dovoľuje ich modifikáciu k za účelom zlepšenia výkonu celého systému. K tomu dopomáha aj vynikajúca modulová štruktúra. FlightGear využíva ako simulačné jadro modul vlastného vývoja pod názvom SimGear, ktorý, ako nástroj výskumu, využívajú mnohé akademické a vedné inštitúcie, ktoré sa zaoberajú výskumom simulátorov a riadením simulácií pohybu. FlightGear je vlastne virtuálna pilotná kabína nad simulačným jadrom, ktoré využíva definované vlastnosti jednotlivých modelov dynamiky letu FDM (Flight Dynamics Models), ktoré popisujú dynamické vlastnosti lietadiel.


Realizácia palubných prostriedkov

      Pre poskytnutie základných informácií o stave riadeného objektu pre danú obsluhu, ktorá ho riadi je nevyhnutné zobrazovať tieto informácie v podobe zrozumiteľnej pre túto obsluhu. Všetky informácie sú zobrazované v grafickej podobe tak, aby boli ľahlo čitateľné a identifikovateľné. Ako základné palubné prístroje boli zvolené: Horizontal Situation Indicator, Attitude Indicator , Airspeed Indicator, Altimeter a Vertical Velocity Indicator. Tieto základné prístroje postačujú pre získanie základných informácií o prebiehajúcom lete daného prostriedku. Vďaka jednoduchej štruktúre konfigurácie panelov je možné definovať ľubovoľný palubný prístroj, ktorý je možné previazať so systémovými premennými definovanými simulačným jadrom SimGear-u.



Konumikácia s okolím

      Už pri vývoji riadiaceho pracoviska sa počítalo s možnosťou komunikácie vizualizačného jadra s okolím, aby ho bolo možné previazať s inými zariadeniami. Pre túto potrebu bol vyvinutý program s názvom komunikuj, ktorý zabezpečí výmenu dát medzi jadrom programu FlightGear a okolím a tým umožní prepojiť riadiace pracovisko s akýmkoľvek zariadením, ktoré je schopne komunikovať prostredníctvom počítačovej siete cez protokoly TCP alebo UDP. Vďaka širokým možnostiam využitia sieťovej komunikácie je možné tento systém pripojiť aj k iným podobným systémom vo svete a tak znásobiť jeho ďalšiu účinnosť.


Praktické výsledky

      Jedným z prvých praktických využití vytvoreného softvéru bola možnosť vizualizovať let reálneho objektu v navrhnutom systéme a zobrazenie jeho trajektórie pohybu na základe dát z FDR (Flight Data Recorder), tzv. čiernej skrinky. FDR je letový záznamník určený pre záznam špecifických parametrov a charakteristík lietadla, ktorého účelom je poskytnúť dáta pre analýzy prípadných leteckých nehôd. Taktiež sa využíva ako zdroj údajov pre štúdium a analýzu sporných bezpečnostných otázok ohľadne letu, poškodenia materiálov výkonu prúdových motorov, atď.
      Pre zvýšenie prehľadu o situácii v danej monitorovanej oblasti je možné využiť video zobrazenie reálnej monitorovanej oblasti prostredníctvom kamerového systému, ktorý dodáva obraz z daného prostredia. Po analýze ďalších dostupných záznamov FDR je možné vytvorením obdobného skriptu zobrazovať let alebo pohyb po zemi prakticky ľubovoľného prostriedku. Rovnako po prepojení cez sieťovú komunikáciu priamo zobrazovať pohyb reálneho objektu v reálnom svete a zároveň kontrolovať prípadne, prostredníctvom výmeny dát medzi danými objektmi, priamo riadiť pohyb objektu.
      Nami realizované riešenie ako zobraziť let lietajúceho objektu na základe FDR záznamu je jedno z mála riešení, ktoré je celé postavené na OpenSource softvérových riešeniach a zároveň zobrazuje let založený na reálnych dátach. Zatiaľ je nám známe bežne dostupné iba jedno riešenie, v ktorom je možné zobraziť FDR záznam iba z lietadla Boening 737. No to je vytvorené ako nadstavba bežiaca na proprietárnom leteckom simulátore MS Flight SimulatorX. Ostatné dostupné riešenia sú, bohužiaľ, predmetom firemných tajomstiev.


Záver

      Na základe dát z FDR bolo možné overiť funkčnosť celého vizualizačného podsystému a zobraziť tak pohyb monitorovaného objektu v danom trojrozmernom prostredí založenom na reálnych mapových podkladoch. V vývojovom štádiu bude možné v budúcnosti doplniť aj možnosť vytvárania rôznych analýz na základe získaných údajov. V súčasnosti sú tieto funkcie v štádiu vývoja, taktiež vďaka ďalším simulačným nástrojom sú vo vývoji možnosti ovplyvňovania simulovaného letu objektu vytváraním neštandardných situácií, či už rôznych porúch alebo rôznych externých vplyvov.