LED球幕顯示技術在飛行模擬器中的應用

摘要：當前飛行模擬器采用的視景顯示系統大都基于投影器和投影技術的投影系統，故介紹一種新型、以LED（LightEmittingDiode）技術為核心的LED球幕顯示系統及應用。在解決了圖形通道劃分、燈板排布、圖像分割和幾何變形、高灰度控制驅動、全彩顏色匹配、非均勻度校正等技術問題后，LED技術和顯示方法得以在球形屏幕中使用。LED球幕顯示系統以超大視場、高分辨率、高亮度、高對比度和易維護等優勢，展示出其在飛行模擬器視景系統領域的良好應用前景。

關鍵詞：飛行模擬器視景顯示系統投影系統LED球幕

ApplicationofLEDDomeDisplayTechnologyinFlightSimulators

ZHANGRuiguangQINLangHANPanLEIBo

93147UnitofthePeople'sLiberationArmy，Chendu，SichuanProvince，610092China

Abstract：Thecurrentvisualdisplaysystemsusedinflightsimulatorsaremostlytheprojectionsystemsbaseonprojectorsandprojectiontechnology，soanewLED（LightEmittingDiode）domedisplaysystemwithLEDtechnologyasthecoreanditsapplicationareintroduced.Aftersolvingtechnicalproblemssuchasgraphicschanneldivision，lightpanelarrangement，imagesegmentation，geometricdeformation，high-graycontroldrive，full-colorcolormatchingandnon-uniformitycorrection，LEDtechnologyanddisplaymethodscanbeusedindomescreens.Withtheadvantagesofthesuperlargefiledofview，highresolution，highbrightness，highcontrastandeasymaintenance，theLEDdomedisplaysystemshowsitsgoodapplicationprospectinthefieldofthevisualsystemofflightsimulators.

KeyWords：Flightsimulator;Visual;Displaysystem;Projectionsystem;LEDdome

飛行模擬器（FlightSimulator）自20世紀30年代誕生以來，已在全世界航空工業和民用航空中得到了廣泛應用，成為航空技術發展和航空產品研制不可或缺的手段。但與真實飛行相比，當前模擬器的視景顯示系統依然存在視場小、分辨率低、亮度低、對比度低等不足，影響飛行員在模擬飛行的視覺真實感。

隨著以LED（LightEmittingDiode）技術為基礎的產品出現和飛速進步，特別是小間距LED的出現，其無邊框、小間距特點，以及高分辨率、高亮度、高顏色還原性等特性，使其在視景顯示系統中應用成為可能。本文基于小間距LED技術和視景顯示系統的研究與實踐，介紹了LED球幕顯示系統原理、組成，以及實現，通過其在飛行模擬器中的成功應用，產生了一種新型的視景顯示系統。

1飛行模擬器的視景系統

一般來說，飛行模擬器由模擬座艙系統、飛行仿真系統、航電仿真系統、視景系統等系統組成[1]。視景系統是飛行模擬器的重要組成部分，給飛行員提供模擬場景的視覺畫面，為飛行員在地面營造在真實世界中飛行的視覺感受。視景系統的質量和性能與在地面營造飛行員在空中一樣的心理狀態有直接關系。視景系統呈現圖像畫面的豐富程度和細節程度，不僅直接關系到飛行員感受的真實性，而且還決定了其能夠模擬的飛行任務覆蓋度[2-3]。衡量一個視景顯示系統質量和性能高低，除了取決于模擬對象（飛行器）本身的特點外，主要還與視場、分辨率、亮度、對比度、圖像更新率等主要技術指標相關。

2LED球形屏幕技術

LED球幕實際上就是多個LED顯示屏，而LED顯示屏是以LED（發光二極管）為基本元件組成的新型顯示器件，是一種主動式顯示方式和技術[4-6]。

將LED技術和產品應用于飛行模擬器的視景顯示，需解決以下8個問題：（1）選用全彩色發光器件，以保證顯示圖像的色彩足夠豐富和真實；（2）燈珠小間距排列，以消除燈珠間距的視覺影響；（3）高刷新率圖像驅動，以避免出現飛行仿真過程中拖尾現象；（4）低亮度，高灰度顯示，以避免高亮度光線對飛行員眼睛的刺激，也更好地展示顏色細節；（5）從燈珠、燈板到整個屏幕的亮度、色度進行一致性校正，以避免出現色彩斑駁；（6）控制燈板間縫隙，以保證視景圖像的連續性；（7）合理劃分圖像通道，以正確匹配視景計算機的輸出信號；（8）球面圖像映射處理，以保證視景圖像幾何形狀不失真。

2.1燈珠

燈珠是LED顯示系統的基本元器件，在飛行模擬器的LED顯示系統中，選用LED燈珠為表面貼裝全彩器件，灰度16384級，其色域范圍可達110%NTSC。可保證整個顯示屏的顏色灰度自然不失真。燈珠采用全黑基板，黑色啞光封裝，具有對比度高、無鏡面反射、高可靠性、長壽命和寬視角等優點。為保證LED燈珠顏色和亮度的一致性，燈芯按照波長進行分檔篩選，盡量消除發光強度的差異。

2.2燈板

燈板是球形顯示屏的基本組成部件，LED球幕由多個燈板組合拼接而成。若干燈珠按一定間距排列在PCB板上可以組成燈板。目前，燈珠排列的間距已經可以做得很小，飛行模擬器的顯示系統中采用小于1.5mm的間距，在觀察距離大于2m時，可基本不影響飛行員的視覺感受。

根據燈板的加工工藝和屏幕球形形狀保證來選擇燈板尺寸。為保證球幕中圖像的連續性和控制圖像變形，采用柔性燈板是較好的選擇。即利用PCB板的彎曲特性，在燈珠的排布和布線上充分考慮變形影響，燈板可以在一定程度上彎曲，安裝后的燈板達到球形形狀，這樣燈板上的圖像在球幕的徑向方向變形就可以非常小，達到肉眼幾乎觀察不到的效果。

為保證整個球幕內視景圖像的一致性，每張燈板都必須進行亮度和色度的校正，校正后的參數存貯在燈板的芯片中（如圖1所示）。

2.3球幕

燈板在球體內以一定方式緊密排列成球形，形成一個連續的整體屏幕[7-9]。燈板在球幕中有多種排列方式，按經緯度劃分為其中一種典型排列方法（如圖2所示）。

2.4圖像校正和處理

圖形校正和處理系統作為整個球幕顯示系統的顯示處理核心，可對視景計算機輸出的多路通道視頻信號進行實時同步處理。圖形校正和處理系統設備的作用是將視景計算機輸出的平面圖形根據飛行員眼位進行幾何校正，幾何校正后的圖像能在球形屏幕上正確顯示。同時，圖像校正設備完成相鄰通道間邊緣圖像的像素處理，保證整個球形屏幕各通道間圖像顯示的連續性和完整性（如圖3所示）。

3LED球幕顯示系統技術實現和達到的性能

本文研究和介紹一種5m直徑的LED球幕顯示系統，該系統除模擬座艙下部和進出通道之外，球幕內其他位置都是顯示視景圖像的屏幕，非常適合飛行模擬器對視景顯示的高要求。LED球幕顯示系統采用的是以LED技術為核心的系統，主要由LED燈板屏幕、視頻接收系統、視頻發送系統、圖形校正系統、通風散熱系統和供電系統組成。

LED球幕顯示系統各系統組成和功能主要體現在以下方面。（1）LED燈板屏幕：由多達2000多塊的燈板按照一定規律拼接組成整個球幕，呈現整個顯示系統的圖像。（2）視頻接收系統：將控制端通過以太網傳輸過來的視頻信號進行截取和緩存，然后驅動LED燈板實現LED屏的顯示驅動。由于LED燈板分布于整個顯示屏，因此，視頻接收設備也分布于整個顯示屏。（3）視頻發送系統：將前端處理好的視頻信號進行接口轉換，即將視頻信號轉換為千兆以太網信號，并以以太網方式將視頻數據輸出給LED屏幕端的視頻接收設備。（4）圖形校正系統：將視景計算機輸出的平面圖形進行幾何校正，校正為球形幕能正常顯示的圖形。同時，處理每個通道間邊緣圖像，以及通道與通道之間的關系，保證整個球形屏幕圖像顯示的連續性和完整性。（5）散熱系統：在球幕結構底部和頂部布置風機，通過風機強制將燈板和其他設備產生的熱量排出到球幕外，同時也給球幕內的封閉空間進行空氣交換，以保證人體的舒適。（6）供電系統：將220V交流信號轉變成5V直流電壓信號，并通過匯流排的方式傳輸給LED顯示模組和燈板進行供電。

（1）維護簡單。系統所有部件都可以原位更換，不需要調試，大大降低了對維護人員的專業技術要求。燈板采用前維護方式，當有燈珠或燈板損壞情況，通過工裝夾具從顯示屏前端取出單元箱體，然后將更換的新燈板直接安裝回原來的位置。前維護方式具有簡單易操作的優點，非常方便用戶后期維護。

（2）全國產化設計和生產。LED球幕顯示系統的設計、開發和集成完全由國內廠家完成，而且是全球首臺套系統，所有零部件設計、加工和制造都在國內完成，為完全自主可控的技術和產品。

4結語

LED球幕顯示技術和系統實現方法是一種全新的模擬器視景顯示技術和系統，不僅打破了國外對投影器關鍵芯片和技術的壟斷，實現了模擬器高端顯示系統的國產化，而且在視場、分辨率、亮度、對比度等關鍵性能指標上全面超過了投影系統。目前，LED球幕顯示技術和系統實現方法已經被成功應用于飛行模擬器中，成為全球第一個LED球幕系統在飛行模擬器中的應用，飛行員給予了較高的評價。目前該系統也是全球最高性能的視景顯示系統，在飛行模擬器，特別是戰斗機、直升機的飛行模擬器中具有明顯優勢，是我國在模擬器視景顯示技術方面的一個跨越式發展，具有較高的應用和推廣價值。

參考文獻

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