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四維灝景針對飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)分析

編輯:格非兒 文章來源:數(shù)字展示在線 發(fā)布日期:2018-7-2 7:10:02

  北京四維灝景科技有限公司成立于2001年,總部設在北京中關村高科技產業(yè)園,是一家以虛擬現(xiàn)實設備、視景仿真軟件為主營業(yè)務的科技型公司。公司集中了一批優(yōu)秀的擁有多年實際工作經驗的工程技術人員。
  公司擁有一支知識新穎、技術先進、經驗豐富的高效率的管理體系和高素質的專業(yè)技術團隊,擁有深厚質樸的企業(yè)文化底蘊;從事新產品開發(fā)、系統(tǒng)集成和安裝調試。多年來四維灝景科技先后通中國高新企業(yè)證書,中關村高新企業(yè)證書;同時申請獲得多項軟件著作權。公司在電子沙盤、互動投影、增強現(xiàn)實、虛擬成像、多點觸控、動感4D/5D影院、虛擬仿真體感互動、數(shù)字簽名液晶拼接、三維動畫制作、互動軟件開發(fā)、多媒體智能中控等多媒體展覽展示技術領域積累了豐富的行業(yè)經驗。
  視景仿真系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)中非常重要和關鍵的一個分系統(tǒng),可為飛行人員提供訓練時真實的座艙外景象,約70%的有用信息。在模擬飛行過程中實現(xiàn)目標和視景的圖形解算。視景系統(tǒng)的圖像生成和顯示質量直接影響訓練的效果。
  整個飛機訓練模擬器的視景仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,其中硬件系統(tǒng)由視景生成硬件系統(tǒng),投影系統(tǒng)等組成;如軟件系統(tǒng)由模型庫和仿真驅動組成。

四維灝景針對飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)分析

  投影&顯示方案
  視景系統(tǒng)分類按照不同的標準,可以有多種分類。
1顯示器顯示(Moinitor display)
    顯示器顯示是用電視機或計算機顯示器直接顯示視景圖像的方式。這種方式的優(yōu)點是整個系統(tǒng)簡單,體機小,重量輕,安裝方便,靈活,造價低。缺點是分辨率,視場角等指標受顯示器限制;另外,圖像縱深感不足,對眼點的位置要求嚴格,模擬效果差。在規(guī)模較小或對重量,安裝尺寸等條件要求比較苛刻的飛行訓練裝置中應用這種方式比較多。例如在基于人用離心機的動態(tài)飛行訓練模擬器基本采用這種方式的視景系統(tǒng)。
2投影顯示(Direct projection display)
    在要求寬視角,特別是對垂直現(xiàn)場要求比較人的訓練模擬器中經常采用投影式的視景系統(tǒng)。由球幕建筑物,投影機及訓練平臺,采用10臺投影機,水平拼接,水平視野270°,垂直視野80°

  該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是可以得到很大的觀察視野,尤其在垂直方向上具有其他系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。另外眼點到球幕之間的距離可以放得較大,兩眼之間得視差基本可以忽略,圖像縱深感較強并且更具有真實感,訓練效果較好。其主要缺點是需要建造具有球幕得大型建筑物,并且對建筑物得精度要求嚴格。另外在球幕上進行實像顯示,圖像得幾何失真問題需要重點考慮得問題。
  3.分光鏡準直顯示(Collimated monitor display)
  主要包括顯示器,分光鏡以及球面準直鏡等部組件。顯示器圖像發(fā)出的光線經過兩次反射和一次透射到達眼點,這樣人眼觀察到的圖像是經過準直鏡適當會聚后的圖像。根據(jù)不同球面準直鏡的光學曲率半徑,該系統(tǒng)可以提供距眼點距離不等的視景虛像。
  系統(tǒng)的主要優(yōu)點是當眼點處于光軸附近時,頭部在一定范圍內的活動不會對觀察效果產生過大的影響,為訓練員提供一個類似遠處真實景物的感覺。但是這種系統(tǒng)也存在一定的缺點,一是亮度偏低,二是視景系統(tǒng)視場角較小,這是目前制約虛像投影顯示系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸

  4.背投準直顯示(Back projected collimated display)
背投準直顯示,也稱作廣角無限遠顯示設備(Wide angle infinity display equipent),主要由投影機,背投屏幕及球面準直鏡等部分組成。該系統(tǒng)也是為訓練員提供較遠距離的虛像。同分光鏡式準直系統(tǒng)相比,當訓練員眼點遠離系統(tǒng)光軸時,所觀察到圖像的畸變較小,訓練員的眼點可在更大的范圍內活動,另外在水平方向可得到更寬的觀察視野。由于這種準直鏡的制造遠比分光鏡形式的準直鏡困難,所以系統(tǒng)造價也比分光鏡準直系統(tǒng)高很多。
  5.頭盔顯示器顯示(Helmet mounted displays,HMD)
  頭盔顯示器從產生到現(xiàn)在經過30多年的發(fā)展,已取得了巨大進步和廣泛應用。隨著微型液晶顯示器,VR等技術的發(fā)展,HMD在現(xiàn)代數(shù)字化部隊的裝備中的逐步普及,并迅速在飛行訓練模擬技術中占據(jù)了重要地位。在HMD中,佩戴者通過眼前的目鏡觀察視境圖像。目前HMD的光學系統(tǒng)分為全投入式或半投入式全投入式將顯示器件的圖像經放大,畸變像差的矯正以及中繼等光學系統(tǒng),觀察者眼前呈放大的虛像。半投入式是經過矯正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學玻璃上,這樣顯示的圖像就疊加在透過玻璃的外界圖像之上,觀察者可以同時得到計算機生成的圖像信息和外部環(huán)境信息。
  HMD視景系統(tǒng)的最大優(yōu)點是體機小,重量輕,很容易在各種狹小空間內使用。由于顯示的視景圖像可以跟隨頭部及眼球的運動進行同步更新,所以理論上不存在觀察視野的限制,可以獲得較好的模擬效果。但是在當前技術水平下,由于計算機計算能力,顯示器件圖像刷新率以及頭盔制造工藝等條件限制,HMD在佩戴舒適感等人類工效指標上還存在一定差距,尤其當長時間使用會出現(xiàn)頭暈,惡心等不適癥狀。

  球幕投影設計方案
  一般的視景仿真的現(xiàn)場區(qū)域主要集中在水平角度上,而且技術和成本因素限制了視場角的大小,根據(jù)訓練模擬器的需要,所實現(xiàn)的為大視場角度視景仿真,并且主要的視場角度集中在下半部分。

  投影顯示系統(tǒng)配置:局部球形屏幕,一套顯示安裝構架,六臺投影器,包括鏡頭和固定位置。
    投影機鏡頭的”Projection Distance/Image Width”指標決定了投影機距離屏幕的安裝位置
  投影機鏡頭離屏幕距離 = 屏幕亮度 X “Projection Distance/Image Width”。
  采用的投影機的不同,其”Projection Distance/Image Width“指標也不同
  球幕半徑
  對于一個用于視景仿真的具有沉浸感的投影系統(tǒng)而言,如果球幕的半徑太小,觀察者會感到很壓抑,降低了沉浸感;如果球幕半徑太大,一方面對投影機的分辨率,亮度要求高,另外一方面增加了球幕的制造難度,也將大幅度增加整個投影系統(tǒng)的費用。
  投影機與屏幕布局
  由于視場角度較大,特別投影的區(qū)域主要集中下視場,訓練模擬器的實體對投影光路的遮擋,對于投影機的安裝位置提出了很高的要求。
由于座艙的下部上方為視景仿真的重點,因此投影機的布局上應以座艙下部上方為基準。投影機與屏幕布局

  圖中的數(shù)字為對應的投影機編號;緦崿F(xiàn)了180度水平視場角和130度垂直視場角
  投影機1,2,3負責球幕的上半部分投影,投影機4,5,6負責球幕的下半部分投影。
  重疊部分用于邊緣混合處理。坐標系以視點(球幕的球心)為原點。投影機布局側視圖。
  在設計弧形/柱型屏幕的投影系統(tǒng)時,除了需要考慮投影機的X,Y,Z坐標外,每一臺投影機還要考慮以下參數(shù):Projection Distance/Imager Width,Yaw,Pitch,Roll。

  Projection Distance/Image Width:投影機鏡頭離屏幕距離與屏幕亮度的比值。
  Yaw:在三維空間中,投影機繞Y軸旋轉的角度。
  Pitch: 投影機鏡頭軸線沿重心上下俯仰的角度
  Roll:投影機沿鏡頭軸線旋轉的角度

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