基于虛像顯示系統的近景立體成像方法

薛長寶 王建軍

摘? ?要： 為了解決原有虛像顯示系統無法呈現近距離景物的問題，提出一種近景立體成像方法。在虛像顯示方式的基礎上，采用立體式成像方法、頭位追蹤技術、判斷近距離景物成像距離等方法，克服了虛像顯示系統近距離景物由于縱深感強造成的尺寸大缺陷，解決了虛像顯示系統近距離景物位置失真、尺寸失真等問題。原虛像顯示系統8～15 m景物被呈現在1～5 m的正確位置上，實現了虛像顯示系統的近景成像模擬。立體成像方法已應用于大型飛行模擬器視景系統，為飛行人員提供了逼真的艙外景物。

關鍵詞： 飛行模擬器;視景系統;虛像顯示系統;立體成像;頭位追蹤

中圖分類號：V241.4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-076-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.014

引言

隨著飛行任務復雜度的提升，飛行模擬訓練重要性和現實性要求不斷增長，飛行模擬器的逼真度、真實性越來越高，模擬訓練科目越來越全面，立體模擬訓練受到了更多人的關注[1]。

常規的模擬器視景顯示技術難以滿足高難度、形勢復雜等飛行模擬訓練科目的要求。例如，對空中加受油這種高風險訓練科目采用飛行模擬訓練的方式，可極大地減少訓練風險、降低訓練經費、積累飛行操作經驗，但需對視景顯示系統中受油管和錐套的位置關系、尺寸大小、相對運動等進行逼真模擬，故對視景顯示技術提出了更高的要求。

常規的虛像顯示系統不能滿足近景模擬的準確判斷，同時虛像顯示系統近景成像的相關應用研究較少。為了避免飛行員在加受油飛行模擬訓練中產生負向訓練遷移[2]，解決虛像顯示系統近景成像的缺陷，提升虛像顯示系統近景成像效果，本文首先對虛像顯示方案進行設計，構建由準直鏡、正（背）投屏、負壓控制系統等組成的離軸虛像顯示系統;其次從主動式立體成像、頭位追蹤系統兩方面構建近景立體成像方法;最后對近景立體成像效果進行驗證和討論。

1? 虛像顯示方案

虛像顯示系統采用離軸虛像顯示系統[3]，半徑為3 m。系統原理是：正投屏的像在系統內作為物，離軸放置在球面反射鏡一倍焦距平面內，在眼點處形成正立放大無窮遠的虛像。該顯示方式能夠在飛行人員面前形成連續的、縱深感強的艙外視景，成像距離一般為[8 m， +∞），可產生與飛行員在空中飛行相一致的視覺效果。缺點是無法顯示距離小于8 m的近外視景。

離軸虛像顯示系統正投光路示意圖如圖1所示。離軸虛像顯示系統主要由準直鏡、光學前反射鏡、正（背）投屏、負壓控制系統和輔助子系統等組成，其目的是形成一個光學系統工作的黑暗空間，為光學部件構建良好的成像環境。同時，構成顯示部分的各部件均有嚴格的強度、剛度要求，以滿足光學部件的安裝需要。離軸虛像顯示系統成像示意圖如圖2所示。

1.1? 準直鏡

準直鏡的鏡座一般由輕質結構玻璃鋼蜂窩外表面復合預滲玻璃布真空加溫固化而成，內表面四周設4 mm球面加強支撐邊。球面鏡座殼體內表面與反射膜間保持70 mm空腔，以便抽真空，使反射膜成球面形狀。在球殼厚度方向預埋壓力傳感器、位置傳感器和抽氣嘴的固定件，保證反射膜不受損壞，控制真空成型球面反射膜的球面公差。

用高強度高彈性模量材料作為蒙皮夾雙層蜂窩結構制造球面反射鏡的復合材料鏡座，通過預埋螺栓和邊條，保證反射膜成型后各形狀參數指標均在容差范圍以內。使用專用工藝將高反射率的反射薄膜張貼在精密加工過的鏡座空腔邊框上，再通過負壓使其張緊到光學系統所需要的形狀。

鏡座上留有抽氣接口和傳感器安裝接口，安裝在鏡座外的控制系統通過傳感器隨時監控鏡座空腔內的空氣負壓，驅動真空泵工作，維持空氣負壓，保持反射膜的工作面形。

1.2? 正（背）投屏

正（背）投屏是飛行模擬器視景顯示系統的重要部件，其技術性能和制造質量將嚴重影響系統的成像質量。正（背）投屏作用是將投影器投射的不同波長的光散射出去，在球面準直鏡中成虛像。

正投屏由雙曲面復合材料屏幕和復合材料制成的整體框架組成。在雙曲面正投屏外表面噴涂不同反射率和不同粒度的納米級光學涂層作為反射層。

背投屏由雙曲面屏體和四周法蘭框架組成。屏體由特大型航空級有機玻璃在專用的模具內加溫負壓成型。背投屏外表面噴涂不同折射率、不同粒度的發光散射層。

正（背）投屏的主要技術指標如下：

（1）幾何面形公差：使用樣板檢測，幾何面形公差為±1 mm;

（2）增益：用色度計檢查屏幕增益為0.7～1.0;

（3）解像力：用4倍以上放大鏡目視分辨率≮100 pl/mm;

（4）可視角：使用全站儀檢測，可視角2α≮120°;

（5）散射層涂層均勻，用H鉛筆直劃涂層不脫落。

1.3? 負壓控制系統

負壓控制系統通過變頻調速器對氣泵進行變頻調速，在負壓薄膜反射鏡腔體內形成一定的負壓，薄膜在內外壓力差的作用下，形成一定曲率的球形鏡面。

負壓控制系統采用非接觸式距離傳感器實時測量球形反射膜幾何中心法向頂點到標準參考點的距離，并根據測量的數據對負壓系統氣體流量進行實時調解和控制，使測量點到標準參考點的距離控制在系統設定值±1 mm范圍內，實現鏡面的穩定。負壓控制系統原理示意圖如圖3所示。

負壓控制系統技術指標如下：

（1）氣泵流量：0～10 m3/h;

（2）最高真空度：100 mbar;

（3）供電電壓：AC 220 V/3 A;

（4）真空泵功率：0～500 W連續可調;

（5）工作環境溫度：-5～40℃;

（6）整機重量：一般不大于20 kg。

2? 近景立體成像方法

離軸虛像顯示系統的成像距離大于8 m，而受油管距離飛行員眼點距離通常為1～5 m。通過離軸虛像顯示系統只能將受油管顯示在8～15 m的范圍。為使虛擬受油管位置與真實飛機一致，采用主動式立體成像的方法，拉近虛擬受油管在視覺上的距離感。

立體成像虛擬受油管的位置會隨著眼點的移動而移動。為消除眼點移動帶來的成像位置偏差，采用頭位追蹤系統實時捕捉飛行員頭部的位置、姿態等信息，然后視景成像計算機根據這些數據修正圖像姿態、位置，使得虛擬受油管的位置相對實物駕駛艙保持不變，實現飛行員近景模擬需要。立體成像系統原理如圖4所示。

2.1? 主動式立體成像

立體顯示是按照人的雙眼成像規律，使用一定的算法，分別渲染與左右眼對應的、有差別的兩幅畫面，再根據一定的顯示輸出方法，使左右眼分別看到對應的圖像，從而使飛行員產生立體深度視覺的功能。該功能加強了三維場景的顯示效果。

目前主要的眼鏡立體顯示技術[4]有三種：互補色立體、主動式立體和被動立體。互補色立體顏色信息容易丟失，造成觀察者不適;被動立體需要使用特殊的幕布，光學調校過程復雜，不適用于飛行模擬器;主動式立體主要通過快門眼鏡和立體投影機即可實現。經過對三種顯示方式的顯示效果、技術可行性進行的分析，本文采用主動式立體成像方式對視景系統近景進行模擬。

主動式立體成像采用立體投影機、主動立體眼鏡、同步信號發生器和視景軟件綜合實現。視景軟件生成左眼60 Hz、右眼60 Hz，共計120 Hz的圖像發送至投影機。投影機以120 Hz的頻率交替顯示左眼和右眼的圖像。主動立體眼鏡采用快門式眼鏡，通過液晶技術控制兩邊鏡片的關閉，同時投影機通過同步信號發生器與主動立體眼鏡之間實現同步。當投影機投射左眼圖像時，主動立體眼鏡的右側鏡片變黑，左側鏡片透明，飛行員只能看到左眼圖像;當投影機投射右眼圖像時，主動立體眼鏡的左側鏡片變黑，右側鏡片透明，飛行員只能看到右眼圖像。以上使得飛行員左右眼看到的圖像不同，實現雙目立體視覺效果。同步信號發生器采用射頻同步信號發生器，在小范圍內不受環境干擾影響，不會出現畫面丟失現象，能夠滿足模擬器視景系統畫面連續性要求。

隨后，在視景軟件中對虛擬受油管模型的大小、位置、角度、圖像景深等參數進行調整，實現從駕駛員眼點處觀察時，虛擬受油管與實物效果一致。

2.2? 頭位追蹤系統

頭位追蹤系統主要用于檢測飛行員頭部姿態和方位，具備跟蹤6個自由度的能力，包括3個姿態角和3個位置坐標，從而確定飛行員的頭部位姿，識別如點頭、搖頭等動作[5]，通過將檢測的數據輸入視景計算機生成與飛行員頭部位置相匹配的艙外場景。頭位追蹤技術主要包括機械追蹤、電磁追蹤、慣性追蹤、GPS追蹤、光學追蹤及超聲波追蹤，經過對每一種方式的系統復雜度、跟蹤精度、價格、技術成熟度[6]進行分析，本文采用光學追蹤方式跟蹤飛行員頭部姿態和方位。

飛行模擬器跟蹤系統一般采用紅外光學跟蹤技術，該系統主要由一臺專用光學跟蹤計算機、兩個紅外光學跟蹤攝像頭和一套跟蹤套件組成。其中，光學跟蹤計算機通過內部軟件計算攝像頭采集的數據，得到跟蹤套件的6個自由度位置和方向，實現雙攝像頭的同步運行，再通過以太網將6個自由度位置和方向數據發送給視景計算機。紅外光學跟蹤攝像頭采用300 Hz數據更新率，1.3 megapixels圖像分辨率，滿足仿真的實時性要求。跟蹤套件為6個樹脂小球，安裝在左駕駛員頭盔上，作為攝像機跟蹤的標志點，不影響飛行員視野，用于紅外光學跟蹤攝像頭的跟蹤定位使用。

跟蹤套件將被安裝在飛行員頭盔上，兩個紅外光學跟蹤攝像頭將被安裝在模擬器結構中且不影響飛行員的視野，紅外光學跟蹤攝像頭與專用光學跟蹤計算機之間通過以太網連接，專用光學跟蹤計算機與視景計算機之間也通過以太網連接以進行6個自由度數據的實時傳輸。紅外光學跟蹤攝像頭將實時定位跟蹤套件在空間內的位置，并將采集到的數據實時傳送給專用光學跟蹤計算機，由內部軟件將數據解算為6個自由度數據并實時傳送給視景計算機，最后由視景計算機實時生成頭位移動后所觀察到的艙外三維場景。

3? 近景立體成像效果驗證與討論

飛機上受油管距離飛機眼點位置在1～5 m的范圍內，虛像顯示系統由于成像距離遠、對近距景物的拉伸影響，近距景物的成像距離和尺寸將遠大于正常位置和尺寸。通過對跑道模型進行位置標記，虛像顯示系統中受油管距離飛機眼點位置在8～15 m范圍內。視景系統開啟立體成像模式后，佩戴立體眼鏡，受油管距離、位置、大小顯示效果在正常范圍內，但與真實的觀察效果仍存在差異，還需不斷地迭代修改、驗證。

為提高模擬器艙外受油管等近景的模擬效果，需對視景成像效果進行評價、驗證，以便使飛行人員有更真實的感官體驗，達到提升飛行模擬訓練效果的目的。本文的成像效果驗證采用圖像對比和飛行員主觀評價的方式。在飛機座艙眼點附近不同位置、不同角度采集艙外近景圖片，對所有圖像采集位置、角度、攝像機參數進行記錄，并在模擬器相同位置、角度、攝像機參數一致的情況下，采集視景圖像。通過對同一采集條件下的飛機和模擬器視景圖像進行對比，依據模擬器圖像相對飛機采集圖像的位置、姿態差異，對視景模型和攝像機成像參數進行修正，使模擬器視景圖像和飛機圖像位置、姿態一致;再對視景圖像尺寸、景深等參數進行調整，確保視景圖像尺寸、景深與飛機一致。通過多輪修正，最終達到所有位置、角度的模擬器視景圖像與飛機照片圖像在視覺效果上一致。邀請飛行員對視景效果進行評價，依據飛行員意見對視景成像效果進行進一步修改、完善，最終得到符合飛行模擬訓練要求的近景成像效果。

4? 結束語

本文針對飛行模擬器視景系統近景成像需求，對近景立體成像方法進行了應用研究，將虛像顯示技術、主動式立體成像技術和頭位追蹤技術進行了綜合應用，提出了滿足飛行模擬器視景系統近景成像的解決方法，并對成像效果進行了驗證，表明該方法可應用于大型飛行模擬器視景系統。

虛像顯示技術與相關產品發展已較成熟，硬件參數也相對固定，視景系統近景立體成像主要與眼點位置、視景模型修正參數有關。后期需要在眼點位置、視景模型修正規律與視景成像之間的變換關系方面開展更加詳細的研究，使飛行模擬器近景立體成像更好地推廣到工程應用。

參考文獻

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[2] 胡艷， 胡斐， 張仁祥， 等. 訓練遷移的基本原理和現實應用[J]. 南京體育學院學報（自然科學版）， 2015， 14（5）： 27-32， 37.

[3] 鄧晴鶯， 馬斌， 李國翬， 等. 虛像顯示系統自由曲面光學設計[J]. 兵工自動化， 2016， 35（7）： 50-54.

[4] 龔琳. 立體顯示技術在船艇模擬訓練系統中的應用研究[J]. 電腦與電信， 2018（3）： 58-60， 69.

[5] 賈云得. 機器視覺[M]. 北京： 科學出版社， 2000.

[6] 李林， 翁冬冬， 王寶奇， 等. 飛行模擬器[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2012.

作者簡介：

薛長寶（1973—），通信作者，男，黑龍江齊齊哈爾人，研究員級高級工程師。主要研究方向：飛行模擬器視景顯示。

E-mail： 1455135173@qq.com

（收稿日期：2020-07-13）