基于虛像顯示系統(tǒng)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(tǒng)無法呈現(xiàn)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(chǔ)上，采用立體式成像方法、頭位追蹤技術(shù)、判斷近距離景物成像距離等方法，克服了虛像顯示系統(tǒng)近距離景物由于縱深感強(qiáng)造成的尺寸大缺陷，解決了虛像顯示系統(tǒng)近距離景物位置失真、尺寸失真等問題。原虛像顯示系統(tǒng)8～15 m景物被呈現(xiàn)在1～5 m的正確位置上，實現(xiàn)了虛像顯示系統(tǒng)的近景成像模擬。立體成像方法已應(yīng)用于大型飛行模擬器視景系統(tǒng)，為飛行人員提供了逼真的艙外景物。

關(guān)鍵詞： 飛行模擬器;視景系統(tǒng);虛像顯示系統(tǒng);立體成像;頭位追蹤

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

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)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(wù)復(fù)雜度的提升，飛行模擬訓(xùn)練重要性和現(xiàn)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(xùn)練科目越來越全面，立體模擬訓(xùn)練受到了更多人的關(guān)注[1]。

常規(guī)的模擬器視景顯示技術(shù)難以滿足高難度、形勢復(fù)雜等飛行模擬訓(xùn)練科目的要求。例如，對空中加受油這種高風(fēng)險訓(xùn)練科目采用飛行模擬訓(xùn)練的方式，可極大地減少訓(xùn)練風(fēng)險、降低訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、積累飛行操作經(jīng)驗，但需對視景顯示系統(tǒng)中受油管和錐套的位置關(guān)系、尺寸大小、相對運(yùn)動等進(jìn)行逼真模擬，故對視景顯示技術(shù)提出了更高的要求。

常規(guī)的虛像顯示系統(tǒng)不能滿足近景模擬的準(zhǔn)確判斷，同時虛像顯示系統(tǒng)近景成像的相關(guān)應(yīng)用研究較少。為了避免飛行員在加受油飛行模擬訓(xùn)練中產(chǎn)生負(fù)向訓(xùn)練遷移[2]，解決虛像顯示系統(tǒng)近景成像的缺陷，提升虛像顯示系統(tǒng)近景成像效果，本文首先對虛像顯示方案進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建由準(zhǔn)直鏡、正（背）投屏、負(fù)壓控制系統(tǒng)等組成的離軸虛像顯示系統(tǒng);其次從主動式立體成像、頭位追蹤系統(tǒng)兩方面構(gòu)建近景立體成像方法;最后對近景立體成像效果進(jìn)行驗證和討論。

1? 虛像顯示方案

虛像顯示系統(tǒng)采用離軸虛像顯示系統(tǒng)[3]，半徑為3 m。系統(tǒng)原理是：正投屏的像在系統(tǒng)內(nèi)作為物，離軸放置在球面反射鏡一倍焦距平面內(nèi)，在眼點處形成正立放大無窮遠(yuǎn)的虛像。該顯示方式能夠在飛行人員面前形成連續(xù)的、縱深感強(qiáng)的艙外視景，成像距離一般為[8 m， +∞），可產(chǎn)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(tǒng)正投光路示意圖如圖1所示。離軸虛像顯示系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直鏡、光學(xué)前反射鏡、正（背）投屏、負(fù)壓控制系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)等組成，其目的是形成一個光學(xué)系統(tǒng)工作的黑暗空間，為光學(xué)部件構(gòu)建良好的成像環(huán)境。同時，構(gòu)成顯示部分的各部件均有嚴(yán)格的強(qiáng)度、剛度要求，以滿足光學(xué)部件的安裝需要。離軸虛像顯示系統(tǒng)成像示意圖如圖2所示。

1.1? 準(zhǔn)直鏡

準(zhǔn)直鏡的鏡座一般由輕質(zhì)結(jié)構(gòu)玻璃鋼蜂窩外表面復(fù)合預(yù)滲玻璃布真空加溫固化而成，內(nèi)表面四周設(shè)4 mm球面加強(qiáng)支撐邊。球面鏡座殼體內(nèi)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(yù)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(qiáng)度高彈性模量材料作為蒙皮夾雙層蜂窩結(jié)構(gòu)制造球面反射鏡的復(fù)合材料鏡座，通過預(yù)埋螺栓和邊條，保證反射膜成型后各形狀參數(shù)指標(biāo)均在容差范圍以內(nèi)。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(fù)壓使其張緊到光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)通過傳感器隨時監(jiān)控鏡座空腔內(nèi)的空氣負(fù)壓，驅(qū)動真空泵工作，維持空氣負(fù)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(tǒng)的重要部件，其技術(shù)性能和制造質(zhì)量將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的成像質(zhì)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(zhǔn)直鏡中成虛像。

正投屏由雙曲面復(fù)合材料屏幕和復(fù)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(xué)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(jī)玻璃在專用的模具內(nèi)加溫負(fù)壓成型。背投屏外表面噴涂不同折射率、不同粒度的發(fā)光散射層。

正（背）投屏的主要技術(shù)指標(biāo)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(fù)壓控制系統(tǒng)

負(fù)壓控制系統(tǒng)通過變頻調(diào)速器對氣泵進(jìn)行變頻調(diào)速，在負(fù)壓薄膜反射鏡腔體內(nèi)形成一定的負(fù)壓，薄膜在內(nèi)外壓力差的作用下，形成一定曲率的球形鏡面。

負(fù)壓控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)參考點的距離，并根據(jù)測量的數(shù)據(jù)對負(fù)壓系統(tǒng)氣體流量進(jìn)行實時調(diào)解和控制，使測量點到標(biāo)準(zhǔn)參考點的距離控制在系統(tǒng)設(shè)定值±1 mm范圍內(nèi)，實現(xiàn)鏡面的穩(wěn)定。負(fù)壓控制系統(tǒng)原理示意圖如圖3所示。

負(fù)壓控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)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(xù)可調(diào);

（5）工作環(huán)境溫度：-5～40℃;

（6）整機(jī)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(tǒng)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(tǒng)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(jī)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(tǒng)實時捕捉飛行員頭部的位置、姿態(tài)等信息，然后視景成像計算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)修正圖像姿態(tài)、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(xiàn)飛行員近景模擬需要。立體成像系統(tǒng)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(guī)律，使用一定的算法，分別渲染與左右眼對應(yīng)的、有差別的兩幅畫面，再根據(jù)一定的顯示輸出方法，使左右眼分別看到對應(yīng)的圖像，從而使飛行員產(chǎn)生立體深度視覺的功能。該功能加強(qiáng)了三維場景的顯示效果。

目前主要的眼鏡立體顯示技術(shù)[4]有三種：互補(bǔ)色立體、主動式立體和被動立體。互補(bǔ)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(xué)調(diào)校過程復(fù)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(jī)即可實現(xiàn)。經(jīng)過對三種顯示方式的顯示效果、技術(shù)可行性進(jìn)行的分析，本文采用主動式立體成像方式對視景系統(tǒng)近景進(jìn)行模擬。

主動式立體成像采用立體投影機(jī)、主動立體眼鏡、同步信號發(fā)生器和視景軟件綜合實現(xiàn)。視景軟件生成左眼60 Hz、右眼60 Hz，共計120 Hz的圖像發(fā)送至投影機(jī)。投影機(jī)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(shù)控制兩邊鏡片的關(guān)閉，同時投影機(jī)通過同步信號發(fā)生器與主動立體眼鏡之間實現(xiàn)同步。當(dāng)投影機(jī)投射左眼圖像時，主動立體眼鏡的右側(cè)鏡片變黑，左側(cè)鏡片透明，飛行員只能看到左眼圖像;當(dāng)投影機(jī)投射右眼圖像時，主動立體眼鏡的左側(cè)鏡片變黑，右側(cè)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(xiàn)雙目立體視覺效果。同步信號發(fā)生器采用射頻同步信號發(fā)生器，在小范圍內(nèi)不受環(huán)境干擾影響，不會出現(xiàn)畫面丟失現(xiàn)象，能夠滿足模擬器視景系統(tǒng)畫面連續(xù)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(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)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(tǒng)

頭位追蹤系統(tǒng)主要用于檢測飛行員頭部姿態(tài)和方位，具備跟蹤6個自由度的能力，包括3個姿態(tài)角和3個位置坐標(biāo)，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(shù)據(jù)輸入視景計算機(jī)生成與飛行員頭部位置相匹配的艙外場景。頭位追蹤技術(shù)主要包括機(jī)械追蹤、電磁追蹤、慣性追蹤、GPS追蹤、光學(xué)追蹤及超聲波追蹤，經(jīng)過對每一種方式的系統(tǒng)復(fù)雜度、跟蹤精度、價格、技術(shù)成熟度[6]進(jìn)行分析，本文采用光學(xué)追蹤方式跟蹤飛行員頭部姿態(tài)和方位。

飛行模擬器跟蹤系統(tǒng)一般采用紅外光學(xué)跟蹤技術(shù)，該系統(tǒng)主要由一臺專用光學(xué)跟蹤計算機(jī)、兩個紅外光學(xué)跟蹤攝像頭和一套跟蹤套件組成。其中，光學(xué)跟蹤計算機(jī)通過內(nèi)部軟件計算攝像頭采集的數(shù)據(jù)，得到跟蹤套件的6個自由度位置和方向，實現(xiàn)雙攝像頭的同步運(yùn)行，再通過以太網(wǎng)將6個自由度位置和方向數(shù)據(jù)發(fā)送給視景計算機(jī)。紅外光學(xué)跟蹤攝像頭采用300 Hz數(shù)據(jù)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(jī)跟蹤的標(biāo)志點，不影響飛行員視野，用于紅外光學(xué)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(xué)跟蹤攝像頭將被安裝在模擬器結(jié)構(gòu)中且不影響飛行員的視野，紅外光學(xué)跟蹤攝像頭與專用光學(xué)跟蹤計算機(jī)之間通過以太網(wǎng)連接，專用光學(xué)跟蹤計算機(jī)與視景計算機(jī)之間也通過以太網(wǎng)連接以進(jìn)行6個自由度數(shù)據(jù)的實時傳輸。紅外光學(xué)跟蹤攝像頭將實時定位跟蹤套件在空間內(nèi)的位置，并將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送給專用光學(xué)跟蹤計算機(jī)，由內(nèi)部軟件將數(shù)據(jù)解算為6個自由度數(shù)據(jù)并實時傳送給視景計算機(jī)，最后由視景計算機(jī)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(jī)上受油管距離飛機(jī)眼點位置在1～5 m的范圍內(nèi)，虛像顯示系統(tǒng)由于成像距離遠(yuǎn)、對近距景物的拉伸影響，近距景物的成像距離和尺寸將遠(yuǎn)大于正常位置和尺寸。通過對跑道模型進(jìn)行位置標(biāo)記，虛像顯示系統(tǒng)中受油管距離飛機(jī)眼點位置在8～15 m范圍內(nèi)。視景系統(tǒng)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(nèi)，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(jìn)行評價、驗證，以便使飛行人員有更真實的感官體驗，達(dá)到提升飛行模擬訓(xùn)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(jī)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(jī)參數(shù)進(jìn)行記錄，并在模擬器相同位置、角度、攝像機(jī)參數(shù)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(jī)和模擬器視景圖像進(jìn)行對比，依據(jù)模擬器圖像相對飛機(jī)采集圖像的位置、姿態(tài)差異，對視景模型和攝像機(jī)成像參數(shù)進(jìn)行修正，使模擬器視景圖像和飛機(jī)圖像位置、姿態(tài)一致;再對視景圖像尺寸、景深等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保視景圖像尺寸、景深與飛機(jī)一致。通過多輪修正，最終達(dá)到所有位置、角度的模擬器視景圖像與飛機(jī)照片圖像在視覺效果上一致。邀請飛行員對視景效果進(jìn)行評價，依據(jù)飛行員意見對視景成像效果進(jìn)行進(jìn)一步修改、完善，最終得到符合飛行模擬訓(xùn)練要求的近景成像效果。

4? 結(jié)束語

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

虛像顯示技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展已較成熟，硬件參數(shù)也相對固定，視景系統(tǒng)近景立體成像主要與眼點位置、視景模型修正參數(shù)有關(guān)。后期需要在眼點位置、視景模型修正規(guī)律與視景成像之間的變換關(guān)系方面開展更加詳細(xì)的研究，使飛行模擬器近景立體成像更好地推廣到工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[6] 李林， 翁冬冬， 王寶奇， 等. 飛行模擬器[M]. 北京： 北京理工大學(xué)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）