某型直升機試飛模擬器視景系統方案的設計與實現

楊永剛

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

飛行模擬器在飛行員培訓、新機試飛鑒定中發揮著越來越重要的作用,因此建造某型直升機試飛模擬器用于試飛員培訓、試飛任務演示演練、專項課題研究等工作,對于保障該型直升機試飛順利完成具有重要意義。

某型直升機試飛模擬器建設目標是帶六自由度運動平臺的全任務型模擬器。視景系統是核心系統之一,對該模擬器各種任務的完成起著關鍵作用。根據未來任務需求、項目經費情況及當前技術狀況,該模擬器項目對視景系統提出了很高的要求,以期達到高等級訓練模擬器的水平。

1 總體技術指標設計

視景系統主要包括顯示系統和圖像生成系統。由于直升機具有垂直起降、近地面低速飛行、懸停等特點,因此要求模擬器的顯示系統視場角大、分辨率高以及圖像生成系統地景數據庫的機場核心區域紋理分辨率高,以保證視景系統具有良好的沉浸感,以及在低空低速飛行時目視可以進行高度和速度的準確判斷。

視場角具體數值由駕駛員眼點位置和所有舷窗最邊緣的位置決定,取為:水平方向,180°;垂直方向,上視20°,側下視45°,前下視20°。由于當前虛像顯示系統垂直視場較小,不能滿足要求,因此采用主流的球幕實像系統。參考該機型駕駛艙尺寸、運動系統尺寸及安裝維護的需求,球幕半徑定為3.5 m[1]。考慮到當前模擬器視景用主流工程投影儀的最高分辨率為1 920×1 200,光通量在6 000 lm左右,為了盡可能提高系統分辨率,經粗算擬采用八通道投影系統來實現。系統總體技術指標如表1所示。

表1 視景系統主要技術指標Tab.1 Major technical index of visual system

2 顯示系統設計

2.1 系統光路設計

根據視場角及座艙尺寸,投影儀在球幕頂蓋上環繞一圈布局。投影儀上下層投射,每層設置4個通道。上層圖像由后面4臺投影儀直接投射;對于下層圖像,考慮到座艙遮擋關系和投影儀安裝方便,在前面4臺投影儀鏡頭前安裝反射鏡反光投射。投影儀位置及系統光路如圖1所示。經計算,當眼點設置在球心處時,水平視場約為200°,垂直視場約為75°(上視25°,側下視50°,前下視20°)。

圖1 投影儀擺放位置及系統光路Fig.1 Projector position and system optical path

用專業光路設計分析軟件可得系統分辨率分布(見圖2)和系統亮度分布(見圖3)。從圖3可以看出,由于球幕的形狀和投影儀擺放位置的差別,上下2層投影的光程和面積有些差別。對于上層圖像,每臺投影儀投射面積較小,投射范圍內光程比較平均,因此投射區域內分辨率和亮度較高且較平均;下層投射區域相比稍差一些。從圖2可以看出,對于下層圖像投射區域,系統分辨率小于每像素2.5′(1°=60′,下同);對于上層圖像投射區域,系統分辨率小于每像素2.0′,滿足系統設計指標。下層圖像投射區域最低處亮度大于100 cd·m-2,考慮屏幕增益在0.8左右,系統最低亮度在80 cd·m-2,滿足設計要求[2-3]。

圖2 系統分辨率分布Fig.2 Resolution distribution of the system

圖3 系統亮度分布Fig.3 Light intensity distribution of the system

2.2 投影儀的選擇

對投影儀的選擇不僅要考慮分辨率和亮度,還要考慮投影儀的色彩還原性、動態分辨率、多臺投影儀色彩一致性等參數。綜合考慮性能要求及經費,選擇了美國科視數字系統公司(下文簡稱科視)生產的三片數字光處理(DLP)投影儀Matrix WU7K-J。

Matrix WU7K-J投影儀采用DLP技術及氙燈光源,原始分辨率為1 920×1 200,具有6 300 lm的光通量。Matrix WU7K-J采用色彩純度濾鏡,可以提供優異的色彩飽和度、色彩匹配度和黑度,實現白天和黑夜的景觀融合。系統級亮度恒定輸出、系統色彩一致性匹配等功能可以保證多通道投影儀具備亮度及色彩均勻性。Christie TWIST具備圖像變形、邊緣融合、RGB色彩匹配、gamma曲線控制和灰度跟蹤等功能。該投影儀擁有豐富的可選鏡頭配件,支持定焦(0.67∶1.00,1.2∶1.0)和變焦(最小1.16∶1.00,最大10.4∶1.0)鏡頭系列。本方案投影儀鏡頭選用定焦鏡頭,投影比為1.2∶1.0。

投影儀安裝支架及安裝結構部分采用加固設計,以保證投影儀位置不會出現移動、安裝結構不會變形以及畫面校正和融合的效果保持不變。

2.3 自動融合校正系統

三通道以上的投影顯示系統采用人工調整融合校正難度很大,并且效果不理想、維護性差。目前自動融合校正技術已經成熟,經過一次激光標定測量完成自動校正和融合處理后,后期如出現投影畫面的錯位畸變,用戶只需要一個簡單的操作,10 min左右即可完成維護工作。對本項目帶運動平臺的八通道投影系統而言,自動融合校正技術無疑是理想的選擇。

本系統采用科視最新的TrueIMAGE自動調節技術,由科視的軟件和TWIST硬件實現。它由高精度攝像頭(模擬人眼)、投影儀(內置TWIST)和軟件系統組成一個回路,通過高清攝像頭采集投影系統拼接效果。控制軟件對采集的圖像實時分析,并通過以太網連接到多臺投影儀,實現對投影儀的控制。調節投影儀內部的色彩、亮度、幾何和融合等參數,自動完成八通道球面投影系統的幾何校正和拼接邊緣融合。在系統運行過程和生命周期里,一鍵式完成多通道投影系統幾何拼接和邊緣融合的系統維護,最終使投影系統拼接融合效果完美。

八通道球幕自動融合系統采用了2組激光矩陣系統和4個高清攝像頭。激光矩陣系統用來在球幕上打點標定,攝像頭用來拍攝激光點和投影儀投射的校正畫面。激光矩陣系統固定在龍門架兩側的上方。該自動融合系統對激光點的布置如圖4所示,總計20個點,用全站儀測得每個點以眼點為中心的直角坐標。高清攝像頭布置在球幕頂蓋上,其中2個布置在中間,另外2個分別布置在兩邊,以實現對球幕顯示區域的全覆蓋。每個攝像頭觀察到的畫面如圖5所示。每臺投影儀的視場角設置如表2所示。設置完成之后即可用軟件進行自動融合計算,20 min左右即可完成計算并自動保存,最終效果非常好,基本消除了融合帶和畸變。

圖4 激光點布置正視展開圖Fig.4 Elevation of laser point layout

圖5 攝像頭觀察到的畫面Fig.5 Camera pictures

表2 投影儀視場角的設置Tab.2 Settings of projector field angle

2.4 夜航光學融合系統

由于現行投影儀工作時不能達到全黑狀態,因此在模擬器夜航訓練時多通道投影儀融合部分會有不規則亮帶產生,嚴重影響訓練質量。因此,在本視景系統中設計了夜航光學融合系統,以消除這些不規則亮帶。夜航光學融合系統是用多層可見光濾波器和光衍射方法消除亮帶,在觀看連續畫面時,達到亮度一致。

夜航光學融合系統由安裝支架、壓片、可見光濾波器、運動機構、主控制盒和控制軟件等組成,如圖6所示。

圖6 夜航光學融合系統組成和執行單元結構Fig.6 Night flight optical fusion system composition and execution unit structure

2.5 球幕

成像球幕的有效視場為:水平方向,200°(±100°);垂直方向,上25°,下50°。因此,為了達到有效視場的要求,將成像球幕設計成水平210°,并且在赤道位置按上25°、下50°時向心切下,方便與上蓋及其他結構的連接安裝。

成像球幕內表面半徑為3 500 mm,內層厚度為50 mm;外表面材料為4 mm厚的玻璃鋼,內表面材料為6 mm厚的玻璃鋼,中間使用10 mm厚的鋼板作為加強筋,以500 mm×500 mm田字形排布,中空部分用紙蜂窩填充以加強球幕強度。為便于運輸安裝,將成像球幕設計成分瓣形式,成像球幕的分瓣形式為:將整個成像球幕分為6塊,中間4塊每塊40°,兩側2塊每塊為25°。

為保證安裝連接后的球幕幾何質量,采取如下措施:所有球瓣的豎向連接縫與水平連接縫呈丁字布局;所有球瓣內表面四周預留寬20 mm、深0.5 mm的凹槽,待球幕拼裝完成后,再用預浸玻璃布和環氧樹脂填上并打磨至與內表面齊平,這樣可以避免成像球幕長期使用后在拼縫處出現裂紋。為保證連接強度,所有球瓣的四周連接面處預埋厚度為15 mm的膠木板,在球瓣的底部預埋10 mm厚的L形鋼板。

球幕現場安裝完成后,球幕內表面接縫采用玻璃纖維和環氧樹脂進行處理,以保證球幕接縫的長期穩定不開裂。球幕內表面涂覆專用正投屏幕涂料,球體的外表面涂覆乳白色復合膠衣。

3 圖像生成系統

對于模擬器視景系統而言,顯示系統和圖像生成系統同樣重要。顯示系統負責場景的顯示,圖像生成系統負責場景的生成繪制。顯示效果逼真、沉浸感強的視景系統既要顯示設備好,又要有豐富逼真場景圖像源。目前主流的圖像渲染軟件平臺有Mantis、Genesis、EPX、VegaPrime等,軟硬件一體化設計,以達到最好的效果。本系統圖像生成系統選用了Quantum 3D公司的最新一代圖形工作站系統IDX7000,八通道輸出。

IDX7000提供工業級的最高實時計算性能,每個圖形渲染單元支持2個NVIDIA公司的最新Fermi架構圖形處理器(GPU)。應用英偉達同步處理技術(NVSYNC),IDX7000 支持本色的高分辨率多輸入投影儀。

IDX7000機柜安置在有空調系統的密閉空間內,以保證工作的溫度濕度環境及防塵。采用不間斷電源(UPS)以保證系統安全穩定,圖像生成系統到投影儀的信號傳輸采用高清數字視頻接口(DVI)光纖傳輸器,保證視頻信號遠距離傳輸的質量。

3.1 仿真軟件

IDX7000系統所用的視景仿真軟件Mantis可應用于實時視覺仿真、聲音仿真、虛擬現實及其他可視化領域的軟件環境。

Mantis應用客戶/服務器軟件結構具有高帶寬、低延時的特點,圖形和仿真處理分離。Mantis使用Intel、Microsoft和NVIDIA的最優技術來獲得最高性能和可視化逼真度。IDX7000的Mantis使用的關鍵技術有數據流單指令多數據擴展指令集2(SSE2TM)、超線程、頂點緩存、廣泛像素和頂點填充。大部分的Mantis功能由主機接口控制。

對于直升機模擬器視景系統,Mantis具有以下功能模塊:

(1)保證幀率的載入管理,自動細節等級(LOD)切換。

(2)高級分頁的幾何和紋理數據庫。

(3)可選的、優先的實時陰影。

(4)高級海洋模塊。

(5)直升機旋翼渦流特效。

飛控程序和視景程序的數據交換接口軟件由CIGI3.0程序實現,如眼點控制、碰撞檢測、地形高度反饋等[4]。

3.2 三維地形數據庫

由于直升機模擬器對視景系統的要求苛刻,因此除了顯示系統滿足高分辨率要求外,還要開發高精度的機場地景庫。本項目核心機場中心外圍10 km內采用了分辨率為0.1 m高清航片,10 km以外采用分辨率為1 m衛片。用Terra Vista軟件進行大地景的開發,共設6級LOD,實現從高空到地面紋理精細度的漸變,給飛行員提供準確的目視高度判斷。另外,對機場跑道及跑道周邊建筑進行了大量的高清拍照取材,用Creator軟件建立了精細逼真的多個細節層次的建筑模型,并進行了大量的優化。同時,在跑道周邊根據實際位置加入了一定數量不同種類的動態樹木和草模型。在視景軟件的支持下,跑道可設置積水、積雪效果,豐富訓練場景。綜合以上這些方面,該機場地景庫較好地滿足了直升機模擬器低空任務訓練對高精度地景紋理的需求[5-6]。高精度機場數據庫部分區域效果如圖7所示。

圖7 高精度機場數據庫部分區域效果Fig.7 Effect of high resolution airport database

4 結語

本文直升機試飛模擬器視景系統采用了八通道高分辨率投影實像球幕顯示系統、高分辨率地景紋理機場數據庫及先進的圖像生成系統,滿足了該直升機模擬器訓練任務對視景系統大視場角、高分辨率的要求,極大地提高了飛行員在低空飛行時高度感和速度感判斷的精確性,增強了該型直升機模擬器低空任務訓練的效果。