[詹文法02]用于增强现实的平视显示器的设计[J]

2002年8月第8卷第3期
安庆师范学院学报(自然科学版)
J ourna l of Anq ing Te a che rs Co lle ge(Na tura l S c ie nce)
Aug.2002
Vo l.8NO.3
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用于增强现实的平视显示器的设计
詹文法1,马　俊2
(1合肥工业大学安徽电子设计研究所485信箱,　安徽合肥　239000
2安庆师范学院教育技术系,　安徽安庆　246011)
摘　要:用于增强现实的平视显示器作为航空飞行器的主显仪表,较好地解决了飞行员不
能同时观察飞行参数和外界环境的矛盾。

本文论述了用于增强现实的平视显示器的设计思想和
显示器部分的设计方法。

关键词:平视显示器;增强现实;光学设计
中图分类号:TN948.57 文献标识码:A 文章编号:1007-4260(2002)03-0005-03
飞行员在飞机飞行过程中,既需低头看周围的仪表,又需抬头看外界情况,操作很不方便,为此,人们期望在飞行员的目视前方有一个既能观察到各种显示信息,又能透过它观察到外部环境的显示装置,能达到这种效果的技术称为增强现实技术。

其主要技术特点是:虚实结合,实时交互,三维注册。

为了实现增强现实,一般可以采用视频穿透式(V ideo see2th rough)和光学穿透式(O p tica l see2th rough)两种方式。

本文要讨论的平视显示器采用的是光学穿透式。

1　平视显示器的总体设计要求
平视显示器要求既能观察到它上面的记录信息,又能观察到外部环境的信息,因此它应满足以下几点要求:1)应具有透射性,即在观察显示器的时候,应能同时透过它看到显示器后面的外部景物;2)具有显示内容的适时性,其计算机部分的处理速度应与显示信息量和扫描速度适应;3)系统必须具有与其它设备的多个交联接口,能接收其它机载设备输出的数字量、模拟量、开关量、脉冲量等信号,以获得必要的信息来源;4)应具有可靠性,统计表明,飞行器使用的元器件的可靠性指标是地面设备使用元器件的7倍。

2　平视显示器的总体设计
根据平视显示器的总体设计要求,将其设计成计算机和显示器两部分,显示器部分安装在飞行员正前方,飞行员可通过它观察内部信号源信息和外部环境。

计算机部分可安装在飞机其它部分,两部分通过屏蔽电缆传递信息。

平视显示器组成框图如图1所示。

图1
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收稿日期:2001-08-27
2.1　显示器部分的设计平视显示器的光学系统的设计:其光学系统
由以下四个部分组成:(1)图像源;(2)中继光学
系统;(3)准直系统;(4)光学组合器。

图像源上显
示由虚拟现实工作站送来的图像,本系统采用的
是CR T ;中继光学系统的作用是将CR T 面板的
光学图像传递给后继的光学系统(光学组合器、
准直系统),并承担大部分的像差校正;准直系统
将光线准直为类平行光线送入人眼,并在人眼视
网膜上成像,光学组合器是将外部世界的图像和
图像源传来的图像相融合。

CR T 和光学系统构成
如图2所示。

图2主显光路:1-CR T ,2-负透镜,3-双胶合平板玻璃,4-负透镜,5-分划板,6-备用电源,7-正透镜,8-反透镜,9-胶合镜,10-正透镜,11、12-双组合玻璃备用显示光路 显示器的光学系统为视准光学系统,它由主显示光路和备用显示光路组成。

主显示光路将高亮度CR T 所产生的图像变换成平行光线,经反射镜和双组合玻璃的两次反射后,成像在飞行员正前方无穷远处。

为了使飞地员透过组合玻璃看到外界,组合玻璃11、12是2块具有透射和反射功能的光学玻璃,它的透射率要达到70%—80%,反射率要达到20%—30%。

为了防止CR T 烧坏或计算机故障而造成飞行员完全失去信息来源,采用了余度设计,即光学系统中还设计了备用光路,备用光路由备用显示灯、分划板、上负透镜经双胶合平板玻璃合面上的分光模反射后与主显示光路重合。

备用光路可提供一个固定参与显示画面,所需的参考画面事先刻在划板上。

显示屏设计成双层组合,目的是为了扩大飞行员的瞬时视场。

CR T 相关电路的设计:为了使CR T 工作,必须提供相应的管脚电压。

关于这些管脚的设计,我们可以仿照传统的CR T 电路,如电视机CR T 显像管电路和显示器CR T 显像管电路。

1)亮度电路的设计
为了在强背景下看清显示的字符,在弱背景下字符不刺眼,必须能对显示器的亮度实施调节,这样也可以满足不同飞行员对亮度的不同需要。

对显示字符的亮度控制是通过改变CR T 阴极电压实现的。

为了方便使用,设手动和自动控制两种。

亮度控制电路的组成框图见图3。

图3
手动亮度调节通过改变电位器给定电压值改变CR T 阴极电压,自动亮度调节则是用光敏电池感受外界背景亮度,通过光敏电池输出电压的变化来改变CR T 阴极电压,从而自动调节CR T 字符亮度。

2)CR T 保护电路的设计
CR T 保护电路是为了防止电子束长时间打在CR T 屏幕上一点而烧坏CR T ,其原理是:当没有偏转信号或偏转信号为固定电平时,辉亮信号不送至CR T 栅极,使栅极处于低电位,从而使CR T
不辉亮。

CR T 保护电路组成框图见图4。

图4图5
偏转速率检测器由微分电路组成。

X 轴和Y 轴微分电路输出的电压信号经过整流
、滤波相加后输出一直流电压信号,该信号与基准电压比较,若大于基准信号,比较器输出高电平的开门信号,允许辉亮信号通过,
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反之,则输出一个低电平关门信号,关断辉亮信号的输出,保持CR T 不辉亮,起到保护CR T 的作用。

3)高压电源的设计
为了提高CR T 的亮度,其后加速阳极电压(板极电压)必须很高,达15kV 以上。

板极电压电路组成框图如图5所示。

使用自激振荡电路的是为了将飞机上的直流电压转变成高频交流电压,高频交流电压经脉冲变压器的升压后,去推动一个8倍压整流电路(由二极管和电容组成)。

通过连续充电,使每一个电容上的电压达到1875V ,将这样的8只电容串接,可获得大约15kV 的电压,经RC 滤波后输出。

取样电路从输出的高压中取出误差信号,经直流放大器(即误差放大器)放大后去控制振荡器的基极电流,改变振荡的强弱,形成闭环负反馈。

当输出电压加大时,负反馈使振荡减弱,反之,则使振荡加强,从而保证了输出电压的稳定。

高压电源还向CR T 提供第一阳极电压(聚焦电压)和第二阳极电压,聚焦电压为(+3.1-+3.5)kV ,第二阳极电压:+400kV 。

聚焦电压电路的组成框图与板极电压电路相同,仅是倍压整流器由8倍压改为2倍压,第二阳极电压通过对板电压的分压和滤波后获得。

2.2　计算机部分的设计思想
计算机部分主要具有下列功能:1)接收外部设备送入的数字量、交流量、开关量、脉冲量等信号,将这些信号转换成数字量送给主处理机,主处理机根据飞行员所选定的工作状态,对输入参量进行计算机比较,将需要显示的信息送到字符处理机中,将产生的自动操纵信号送到相关外部设备中;2)字符处理机对所要显示字符的位置和数值进行计算,并产生显示字符所需的偏转电压和辉亮信号;3)对偏转电压进行线性放大,产生CR T 偏转线圈所需的偏转电流。

在设计计算机部分时,主要考虑了下面几个问题:①为了保证将各种信息实时处理、实时显示、实时输出和完成一些实时解算任务(如火控解算),平显计算机采用接口处理机、主处理机、显示处理机3机并行处理系统,3台微处理机分别作为多主设备共用多主系统总线,通过多主系统总线完成相互通讯和资源共享;②由于需从外部设备接收大量信息,且信号形式多种多样,所以计算机应有足够多的信号接口电路;③作为高速飞行器上的主显设备,它应具有数据记录、存储功能,对一些关键数据进行记录,以便在训练飞行员或系统故障时使用。

2.3　系统故障检测设计
为了提高系统故障检测能力,在平视显示器中设置了自检测工作状态和故障告警指示灯。

当系统进入自检工作状态时,启动监控程序,对系统各种部件或功能进行故障检测,若某部分故障,则在显示器上显示相应部件或功能块的名称并闪烁。

当系统处于非自检状态时,平显系统可通过开机自检测和周期自检对各部件功能进行监控,若有部件故障,则相应的指示灯闪亮,向飞行员告警。

系统若发现某个组件故障,除通知飞行员外,还可自动启用备用部分或将系统降级使用,并断开故障的组件,实现故障隔离,从而保证平显显示内容的正确性。

3　结语
按照上述原理和要求设计的平视显示器改变了传统分散显示的格局,对提高飞行器的总体功能和飞行质量起到重要作用。

为增加其在现实中更大的应用潜力,我们还可以对它进一步改进,利用叠加在周围环境上的图形信息和文字信息指导操作者对设备进行操作、维护和修理,而不需要操作者具有工作经验或是查阅手册。

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The D esign of Head -up D isplay for Augm en ted Reality V isualization
ZHAN W en 2fa ,M A Jun
(Educati on and techno logy D ep t .of A nqing T eachers Co llege ,A nqing 246011,Ch ina )
Abstract :A s the m ain disp laying device of aircraft ,head 2up disp lay m akes it po ssib le fo r the p i o t to w atch bo th the disp laying info rm ati on and ex ternal environm en t at the sam e ti m e .T he design idea and its m ethod are described b riefly .
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