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四维灏景针对飞行模拟器视景仿真系统分析

编辑:格非儿 文章来源:数字展示在线 发布日期:2018-7-2 7:10:02

  北京四维灏景科技有限公司成立于2001年,总部设在北京中关村高科技产业园,是一家以虚拟现实设备、视景仿真软件为主营业务的科技型公司。公司集中了一批优秀的拥有多年实际工作经验的工程技术人员。
  公司拥有一支知识新颖、技术先进、经验丰富的高效率的管理体系和高素质的专业技术团队,拥有深厚质朴的企业文化底蕴;从事新产品开发、系统集成和安装调试。多年来四维灏景科技先后通中国高新企业证书,中关村高新企业证书;同时申请获得多项软件著作权。公司在电子沙盘互动投影、增强现实、虚拟成像、多点触控、动感4D/5D影院虚拟仿真体感互动数字签名液晶拼接三维动画制作、互动软件开发、多媒体智能中控等多媒体展览展示技术领域积累了丰富的行业经验。
  视景仿真系统是飞行仿真系统中非常重要和关键的一个分系统,可为飞行人员提供训练时真实的座舱外景象,约70%的有用信息。在模拟飞行过程中实现目标和视景的图形解算。视景系统的图像生成和显示质量直接影响训练的效果。
  整个飞机训练模拟器的视景仿真系统由硬件和软件两部分组成,其中硬件系统由视景生成硬件系统,投影系统等组成;如软件系统由模型库和仿真驱动组成。

四维灏景针对飞行模拟器视景仿真系统分析

  投影&显示方案
  视景系统分类按照不同的标准,可以有多种分类。
1显示器显示(Moinitor display)
    显示器显示是用电视机或计算机显示器直接显示视景图像的方式。这种方式的优点是整个系统简单,体机小,重量轻,安装方便,灵活,造价低。缺点是分辨率,视场角等指标受显示器限制;另外,图像纵深感不足,对眼点的位置要求严格,模拟效果差。在规模较小或对重量,安装尺寸等条件要求比较苛刻的飞行训练装置中应用这种方式比较多。例如在基于人用离心机的动态飞行训练模拟器基本采用这种方式的视景系统。
2投影显示(Direct projection display)
    在要求宽视角,特别是对垂直现场要求比较人的训练模拟器中经常采用投影式的视景系统。由球幕建筑物,投影机及训练平台,采用10台投影机,水平拼接,水平视野270°,垂直视野80°

  该系统的最大优点是可以得到很大的观察视野,尤其在垂直方向上具有其他系统不可比拟的优势。另外眼点到球幕之间的距离可以放得较大,两眼之间得视差基本可以忽略,图像纵深感较强并且更具有真实感,训练效果较好。其主要缺点是需要建造具有球幕得大型建筑物,并且对建筑物得精度要求严格。另外在球幕上进行实像显示,图像得几何失真问题需要重点考虑得问题。
  3.分光镜准直显示(Collimated monitor display)
  主要包括显示器,分光镜以及球面准直镜等部组件。显示器图像发出的光线经过两次反射和一次透射到达眼点,这样人眼观察到的图像是经过准直镜适当会聚后的图像。根据不同球面准直镜的光学曲率半径,该系统可以提供距眼点距离不等的视景虚像。
  系统的主要优点是当眼点处于光轴附近时,头部在一定范围内的活动不会对观察效果产生过大的影响,为训练员提供一个类似远处真实景物的感觉。但是这种系统也存在一定的缺点,一是亮度偏低,二是视景系统视场角较小,这是目前制约虚像投影显示系统发展的主要瓶颈

  4.背投准直显示(Back projected collimated display)
背投准直显示,也称作广角无限远显示设备(Wide angle infinity display equipent),主要由投影机,背投屏幕及球面准直镜等部分组成。该系统也是为训练员提供较远距离的虚像。同分光镜式准直系统相比,当训练员眼点远离系统光轴时,所观察到图像的畸变较小,训练员的眼点可在更大的范围内活动,另外在水平方向可得到更宽的观察视野。由于这种准直镜的制造远比分光镜形式的准直镜困难,所以系统造价也比分光镜准直系统高很多。
  5.头盔显示器显示(Helmet mounted displays,HMD)
  头盔显示器从产生到现在经过30多年的发展,已取得了巨大进步和广泛应用。随着微型液晶显示器,VR等技术的发展,HMD在现代数字化部队的装备中的逐步普及,并迅速在飞行训练模拟技术中占据了重要地位。在HMD中,佩戴者通过眼前的目镜观察视境图像。目前HMD的光学系统分为全投入式或半投入式全投入式将显示器件的图像经放大,畸变像差的矫正以及中继等光学系统,观察者眼前呈放大的虚像。半投入式是经过矫正放大的虚像投射到观察者眼前的半反半透的光学玻璃上,这样显示的图像就叠加在透过玻璃的外界图像之上,观察者可以同时得到计算机生成的图像信息和外部环境信息。
  HMD视景系统的最大优点是体机小,重量轻,很容易在各种狭小空间内使用。由于显示的视景图像可以跟随头部及眼球的运动进行同步更新,所以理论上不存在观察视野的限制,可以获得较好的模拟效果。但是在当前技术水平下,由于计算机计算能力,显示器件图像刷新率以及头盔制造工艺等条件限制,HMD在佩戴舒适感等人类工效指标上还存在一定差距,尤其当长时间使用会出现头晕,恶心等不适症状。

  球幕投影设计方案
  一般的视景仿真的现场区域主要集中在水平角度上,而且技术和成本因素限制了视场角的大小,根据训练模拟器的需要,所实现的为大视场角度视景仿真,并且主要的视场角度集中在下半部分。

  投影显示系统配置:局部球形屏幕,一套显示安装构架,六台投影器,包括镜头和固定位置。
    投影机镜头的”Projection Distance/Image Width”指标决定了投影机距离屏幕的安装位置
  投影机镜头离屏幕距离 = 屏幕亮度 X “Projection Distance/Image Width”。
  采用的投影机的不同,其”Projection Distance/Image Width“指标也不同
  球幕半径
  对于一个用于视景仿真的具有沉浸感的投影系统而言,如果球幕的半径太小,观察者会感到很压抑,降低了沉浸感;如果球幕半径太大,一方面对投影机的分辨率,亮度要求高,另外一方面增加了球幕的制造难度,也将大幅度增加整个投影系统的费用。
  投影机与屏幕布局
  由于视场角度较大,特别投影的区域主要集中下视场,训练模拟器的实体对投影光路的遮挡,对于投影机的安装位置提出了很高的要求。
由于座舱的下部上方为视景仿真的重点,因此投影机的布局上应以座舱下部上方为基准。投影机与屏幕布局

  图中的数字为对应的投影机编号。基本实现了180度水平视场角和130度垂直视场角
  投影机1,2,3负责球幕的上半部分投影投影机4,5,6负责球幕的下半部分投影
  重叠部分用于边缘混合处理。坐标系以视点(球幕的球心)为原点。投影机布局侧视图。
  在设计弧形/柱型屏幕的投影系统时,除了需要考虑投影机的X,Y,Z坐标外,每一台投影机还要考虑以下参数:Projection Distance/Imager Width,Yaw,Pitch,Roll。

  Projection Distance/Image Width:投影机镜头离屏幕距离与屏幕亮度的比值。
  Yaw:在三维空间中,投影机绕Y轴旋转的角度。
  Pitch: 投影机镜头轴线沿重心上下俯仰的角度
  Roll:投影机沿镜头轴线旋转的角度

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