三通道飞行训练器视景仿真系统

三通道飞行训练器视景仿真系统
作者：任文婷王续乔李树君
来源：《数字技术与应用》2011年第08期
摘要：飞行模拟器视景显示系统的主要功能是将图像生成设备生成的视景图像通过显示设备显示给飞行员，它是飞行员获取信息的主要窗口，其性能指标的高低直接影响到飞行训练模拟器性能和模拟训练效果。

关键词：飞行训练器仿真系统
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)08-0060-02
1、引言
视景显示系统用于舱外景象的模拟，提供逼真的舱外景象，是飞行模拟器的重要组成部分, 其主要功能是将图像生成设备生成的视景图像通过显示设备显示给飞行员，它是飞行员获取信息的主要窗口，其性能指标的高低、显示效果的真实与否，直接关系到飞行员能否对景象做出正确的判断，从而能否及时准确地做出相应的反应，并最终影响到飞行模拟器性能和模拟训练效果[1]。

为了实现飞行时要求大视场角，采用环形柱面的显示屏幕，另外高清晰的窗外视景要求，通过多屏幕显示达到效果。

由于当投影机投影到非平面屏幕上时，图像的几何形状发生了变形，引起了几图像非线性失真。

多屏幕显示会带来多屏拼接问题。

目前迅速崛起的几何校正与边缘融合大屏幕“无缝”拼接投影显示技术为满足高分辨率整体感视景仿真系统提供了有效途径[2]。

本文介绍了三通道柱面投影的飞行训练器视景系统的系统设计，通过采用基于极坐标系从的纹理贴图的几何校正方法[3]，解决二维平面到三维柱面空间几何失真问题。

采用基于伽马
校正的边缘融合处理，实现三通道的无缝拼接。

2、系统设计
飞行训练器视景系统采用了一台图形工作站配3个图形卡实现3个通道，选用Dell Precision全新产品系列中的T5500作为图形工作站，安装上3个高性能显卡。

宽视角画面经拆分成3个部分从3个显卡输出到投影仪上,最终将立体图像投影在水平视场角为180°，半径
R=3000mm，显示高度H=2400mm的环形柱幕上。

三台投影仪位于圆点位置。

视景系统的分辨率为1280×1024,图像更新率为30 Hz,系统延迟小于80ms。

系统的结构图如图2-1所示。

3、训练器视景系统的关键技术
采用以上提出的设计方案有两个关键问题需要解决。

其一，透视投影图像投影在圆柱幕上，图像会发生几何变形，因此必须对投影图像进行几何变形校正；其二，多个投影仪投影图像拼接在一起，图像之间要么有一个缝隙，要么有一条2倍亮度的重叠区,这两种情况都会严重影响显示效果。

因此,必须把拼缝处的图像融合,使重叠部分的图像色彩尽可能一致。

3.1 几何校正
对于非线性失真，一般采用软件的方法来进行几何校正，本文采用了一种基于极坐标系的从二维平面到三维空间的基于纹理贴图的校正方法。

以其中间一台投影仪与圆形柱幕中间的三分之一为例说明几何校正原理，如图3-1和图3-2所示。

投影幕弧度为60度，投影机位于圆心O点，AHB 为投影仪正投影平面。

图像由O点投射到投影幕上，将会产生非线性形变。

我们要对形变的图像进行校正，就要建立平面AHB 与投影面的映射关系，而这首先需要找到投影面上的点与正投影面上点的映射关系。

其中R为该圆柱幕的半径，为的水平偏角，为的垂直偏角。

当投影机正投到AHB平面上时产生的是正确的图像，我们可以把帧缓存的图像拷贝出来成为一个标准的1×1大小的纹理，再将纹理按照横纵两个方向等角度划分成网格，则纹理第行第列的网格点坐标为点坐标，求得该点对应的水平偏角和垂直偏角，就可以找到和对应在投影面上的点，从而得到在投影面上的该点坐标。

我们就可以将划分好的每一个网格小块对应“贴到”投影平面的网格小块上，这样就建立平面AHB与投影面的映射关系。

3.2 边缘融合
视景信号通过图像控制处理器分割成3个部分，分别分配到3台子投影仪上输出到环形柱幕上，为了解决拼接处的物理缝隙，需对通道间进行无缝拼接和边缘融合的工作，实现一幅完整的宽视角的场景画面。

在场景渲染时,直接对帧缓存中的图像进行实时亮度融合，各子机对输入图像做边缘淡入淡出处理，之后再予以合成。

我们选取的是三块 1280*1024的投影机进行横向拼接，重叠区选择128个像素点，构成一个3584*1024的整幅屏。

如图3-3所示。

将叠加部分图像的每个像素乘以一个融合函数，考虑到在融合区处的图像的亮度能够与非融合区良好过渡而不产生拼缝,我们要求融合曲线能在连接部连续过渡,因此,经过比较,决定选用余弦函数曲线作为最初的融合曲线，即最左边部分的融合函数为而与之叠加的中间区域的图像需乘以。

式中为像素列在叠加区的相对位置。

按照上述按融合函数处理后合成图像，中间会出现有一个灰色条带。

也就是说像素数据融合后，还应该调整图像的亮度级使像素信号与亮度之间还应满足伽马(Gamma)关系。

故在处理过程中进行Gamma校正的设计，显示屏的亮度就是像素值(被归一化为介于0～1)的次幂。

经过对上述未校正前结果的计算，可以推算出该显示器的伽玛值大约为2.2(选为2.15)。

4、系统实现
我们采用了采用基于纹理贴图的校正方法后，可以看到经过几何校正后形成了一个不失真的完整的宽视角场景。

其中图4-1为未经过几何校正与边缘融合的效果图，图4-2为校正后效果图。

通过边缘融合后图4-2中的两条2倍亮度的重叠区也消失了，如图4-3所示。

5、结语
本文设计实现了三通道飞行训练器视景仿真系统，采用基于极坐标系从的纹理贴图的几何校正方法，解决二维平面到三维柱面空间几何失真问题。

采用基于伽马校正的边缘融合处理，实现三通道的无缝拼接。

通过系统验证该方法实现飞行时要求大视场角及高清晰的窗外视景要求，达到了一种较好的效果，为飞行员提供了高度沉浸感与真实感的飞行训练。

参考文献
[1]张号,贾庆轩,孙汉旭,高欣,阮瑞卿.一种多通道曲面投影系统的几何校正方法[J].系统仿真学报,2006.
[2]肖永生,赵明镜.飞行模拟器视景显示系统的研究与设计[J].科技广场2009.
[3]王胜正,杨杰.自动多投影仪非线性几何校正与边缘融合入方法[J].上海交通大学学
报,2008.
[4]宋学浩,范玉妹,黄康,种彬.一种汽车驾驶模拟器视景的三屏幕实现方法[J].微计算机信息,2007.
作者简介
任文婷，天津华翼蓝天科技有限公司，仿真工程师，主要从事飞机仿真训练设备研究和开发。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。