小型航空器光學(xué)復(fù)眼仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祁啟明，傅瑞罡，呂梅柏，王 佩，李楚為，范紅旗*

(1.國防科技大學(xué)ATR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072； 3.中國人民解放軍32139部隊(duì)，北京 101200)

0 引 言

光學(xué)復(fù)眼在結(jié)構(gòu)上具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易與平臺(tái)共形的特點(diǎn)，在功能上具有寬視場(chǎng)探測(cè)、分辨率柔性可調(diào)、局部場(chǎng)景立體重建、光流易感知等優(yōu)點(diǎn)，與近年來蓬勃發(fā)展的多旋翼和巡飛彈等低空小型航空器平臺(tái)結(jié)合后可實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航、精細(xì)成像、動(dòng)目標(biāo)快速捕獲等功能，使航空器平臺(tái)具備衛(wèi)星導(dǎo)航拒止條件下的自主導(dǎo)航與目標(biāo)探測(cè)能力，在無人偵察、搜索救援、精確打擊等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于光學(xué)復(fù)眼是光學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、信息多學(xué)科交叉的一種復(fù)雜系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，研制難度大、周期長(zhǎng)。從系統(tǒng)總體和算法軟件研制的角度出發(fā)，開發(fā)一套適于小型航空器光學(xué)復(fù)眼應(yīng)用的半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，以支持早期構(gòu)型設(shè)計(jì)驗(yàn)證與前端(光學(xué)圖像采集部分)、后端(圖像處理部分)平行開發(fā)，就顯得十分必要。

目前，公開的光學(xué)復(fù)眼應(yīng)用研究主要是依賴獨(dú)立復(fù)眼硬件的后端設(shè)計(jì)，未見有前端、后端平行開發(fā)的先例，但就普通光電載荷而言，已有面向后端應(yīng)用的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于UnrealEngine開發(fā)的全數(shù)字無人機(jī)仿真插件AirSim和Sim4CV，可以在虛擬場(chǎng)景中完成無人機(jī)飛行模擬和光電載荷圖像的仿真獲取； 劉丙濤等提出一種飛控計(jì)算機(jī)在環(huán)的無人直升機(jī)目標(biāo)跟蹤實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)； Dai等開發(fā)了基于FPGA的無人機(jī)飛控系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，其中光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)采用UnrealEngine仿真圖像。從這些仿真系統(tǒng)特性可知，在設(shè)計(jì)小型航空器光學(xué)復(fù)眼仿真測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，若采用全數(shù)字形式，仿真測(cè)試靈活性強(qiáng)，可滿足光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型驗(yàn)證、圖像獲取與算法研究需要，但無法有效評(píng)估算法軟件的實(shí)時(shí)性與資源開銷； 若采用全實(shí)物形式，則需要構(gòu)建轉(zhuǎn)臺(tái)等姿態(tài)仿真控制設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜且代價(jià)昂貴，主要用于后期集成與性能測(cè)試。

本文基于商業(yè)三維仿真引擎Unigine與一款定制的無人機(jī)測(cè)繪地面站軟件，提出并構(gòu)建了一種半實(shí)物小型航空器光學(xué)復(fù)眼仿真測(cè)試系統(tǒng)，可模擬不同目標(biāo)環(huán)境和飛行條件下的子眼圖像，支持復(fù)眼構(gòu)型及安裝方式的靈活定義、子眼圖像樣本的快速生成與記錄、數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)注入與應(yīng)用軟件的運(yùn)行測(cè)試，對(duì)于系統(tǒng)早期構(gòu)型驗(yàn)證、后端算法軟件平行開發(fā)測(cè)試具有重要意義。

1 仿真測(cè)試系統(tǒng)功能特點(diǎn)

如圖1所示，小型航空器光學(xué)復(fù)眼的前端設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)有串行或并行兩種開發(fā)模式。串行開發(fā)模式為根據(jù)需求設(shè)計(jì)復(fù)眼構(gòu)型的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)構(gòu)型進(jìn)行物理設(shè)計(jì)和制備，完成前端設(shè)計(jì)，再基于復(fù)眼實(shí)物完成由圖像獲取、算法優(yōu)化、軟件研制三個(gè)環(huán)節(jié)組成的后端設(shè)計(jì)，并通過復(fù)眼設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化反饋優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì)，最終結(jié)合軟硬件進(jìn)行集成測(cè)試。串行開發(fā)模式面臨的問題是后端設(shè)計(jì)無法脫離前端設(shè)計(jì)獨(dú)立開展，同時(shí)前端設(shè)計(jì)方案調(diào)整會(huì)導(dǎo)致后端設(shè)計(jì)成果失效。而在并行開發(fā)模式下，光學(xué)復(fù)眼圖像數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)仿真完成獲取采集，將構(gòu)型設(shè)計(jì)與后端設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，使后端設(shè)計(jì)與前端設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。與串行開發(fā)模式相比，并行開發(fā)模式克服了前端設(shè)計(jì)與后端設(shè)計(jì)的過緊耦合關(guān)系，提高了研發(fā)效率。

圖1 航空器光學(xué)復(fù)眼開發(fā)模式Fig.1 Development mode of optical compound eye of aircraft

本文設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試系統(tǒng)順應(yīng)了小型航空器光學(xué)復(fù)眼并行開發(fā)模式。開發(fā)中，研究者首先基于構(gòu)型設(shè)計(jì)設(shè)置光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型及安裝方式，然后選擇廣域虛擬場(chǎng)景并設(shè)置目標(biāo)，進(jìn)行小型航空器搭載光學(xué)復(fù)眼的飛行仿真獲取動(dòng)態(tài)圖像，為算法優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，最后以燒錄有應(yīng)用算法的信息處理機(jī)為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行軟件性能評(píng)估。

基于并行開發(fā)模式流程，仿真測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備如下基本功能：(1)靈活快捷設(shè)置光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型及安裝方式； (2)內(nèi)容豐富的虛擬場(chǎng)景仿真； (3)小型航空器飛行仿真； (4)目標(biāo)仿真； (5)基于光線追蹤的復(fù)眼圖像獲??； (6)數(shù)據(jù)管理與可視化； (7)應(yīng)用軟件測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)這些基本功能，仿真測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具有精準(zhǔn)的圖像仿真和滿足實(shí)時(shí)性要求的圖像注入性能。同時(shí)，數(shù)據(jù)管理的高效性、功能模塊的可擴(kuò)充性、仿真過程的可配置性以及人機(jī)交互界面的友好性也是重要的設(shè)計(jì)要求。

2 仿真測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

仿真測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示，功能結(jié)構(gòu)分為視景仿真子系統(tǒng)、復(fù)眼仿真子系統(tǒng)、仿真管理子系統(tǒng)、飛行仿真子系統(tǒng)四部分。

圖2 仿真測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of simulation test system

視景仿真子系統(tǒng)用于圖像渲染計(jì)算和視景畫面顯示，其核心是三維仿真引擎。當(dāng)前熱門三維仿真引擎有UnrealEngine，Unity，VegaPrime，Unigine等，這些均能通過基于物理渲染獲得逼真圖像，其中UnrealEngine和Unity的用戶最多。然而，這些引擎中，只有Unigine使用64位坐標(biāo)精度，其余均為32位，并且Unigine的特色是適應(yīng)特大場(chǎng)景的建模，所以對(duì)于圖像仿真和航空應(yīng)用而言，Unigine具備最高的精度要求和較好的廣域視景顯示效果。仿真測(cè)試系統(tǒng)選用商業(yè)三維仿真引擎Unigine，加載虛擬場(chǎng)景、航空器、目標(biāo)等三維模型后，根據(jù)仿真設(shè)置、航空器位置姿態(tài)、圖像處理結(jié)果等輸入信號(hào)渲染視景圖像和復(fù)眼圖像。

復(fù)眼仿真子系統(tǒng)用于光學(xué)復(fù)眼畫面顯示和復(fù)眼圖像的注入、處理，由復(fù)眼數(shù)學(xué)模型模塊、復(fù)眼畫面顯示、圖像注入模塊、圖像處理模塊組成。用戶設(shè)置光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型后便建立復(fù)眼數(shù)學(xué)模型，Unigine引擎根據(jù)數(shù)學(xué)模型渲染圖像并同步顯示，生成的同組子眼圖像并置為單幅復(fù)眼圖像通過圖像注入模塊傳至圖像處理模塊進(jìn)行處理。

仿真管理子系統(tǒng)用于設(shè)置多類仿真參數(shù)，對(duì)場(chǎng)景、航空器、目標(biāo)、光學(xué)復(fù)眼的三維模型進(jìn)行管理，記錄并可視化仿真數(shù)據(jù)。仿真管理子系統(tǒng)由仿真設(shè)置模塊、三維模型庫、數(shù)據(jù)管理模塊組成。

飛行仿真子系統(tǒng)集成于一款專用地面站監(jiān)控軟件。該地面站監(jiān)控軟件內(nèi)置MicroPilot飛控軟件，兼顧航空器飛行任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真。

仿真測(cè)試系統(tǒng)采用分布式硬件架構(gòu)，由一臺(tái)高性能主機(jī)、一張圖像注入卡(插裝于主機(jī)CPU板卡接口)、一臺(tái)航空器便捷式地面站和一個(gè)信息處理機(jī)組成。圖像注入模塊以及主機(jī)與地面站、信息處理機(jī)的串口通信接口集成在圖像注入卡中； 信息處理機(jī)是航空器上與光電載荷相連的重要硬件設(shè)備，用于載入算法軟件，輸出圖像處理結(jié)果，作為圖像處理模塊接入仿真測(cè)試系統(tǒng)，成為被測(cè)實(shí)物對(duì)象； 地面站監(jiān)控軟件安裝在地面站上； 其余功能模塊集成為安裝在主機(jī)上的仿真軟件。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)的核心功能是完成光學(xué)復(fù)眼仿真，將復(fù)眼圖像注入信息處理機(jī)實(shí)物，搭建仿真主機(jī)與信息處理機(jī)、地面站之間的雙工通信鏈路，支持小型航空器的任務(wù)流程驗(yàn)證。其關(guān)鍵技術(shù)在于復(fù)眼數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、視景顯示和復(fù)眼畫面顯示的實(shí)現(xiàn)、仿真設(shè)置模塊的設(shè)計(jì)、三維模型庫構(gòu)建、數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)、圖像注入模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 復(fù)眼數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

復(fù)眼數(shù)學(xué)模型模塊用于構(gòu)建復(fù)眼數(shù)學(xué)模型，對(duì)自定義構(gòu)型設(shè)置生成規(guī)范化數(shù)學(xué)描述，為Unigine引擎渲染復(fù)眼圖像提供參數(shù)輸入。

光學(xué)復(fù)眼的構(gòu)型區(qū)分為平面排布、球面多圈排布、球面多列排布、柱面排布四種，如圖3所示。平面復(fù)眼的視場(chǎng)重疊率較高，在立體感知上優(yōu)勢(shì)顯著，主要用于近距離深度估計(jì)、三維重建、光場(chǎng)成像； 其他凸面復(fù)眼的視場(chǎng)重疊率不高，主要用于遠(yuǎn)距離大視場(chǎng)成像。以復(fù)眼幾何中心為原點(diǎn)建立復(fù)眼坐標(biāo)系-，四種構(gòu)型中子眼在復(fù)眼坐標(biāo)系下的光心位置和光軸指向分別用平面坐標(biāo)(Δ，Δ)、球坐標(biāo)(，，)、極坐標(biāo)(，?，)、柱坐標(biāo)(，，)進(jìn)行表示。平面坐標(biāo)中Δ和Δ分別表示光心沿軸和軸距原點(diǎn)的長(zhǎng)度； 球坐標(biāo)中、分別表示光軸的天頂角、方位角，表示光心到原點(diǎn)距離； 極坐標(biāo)中、?分別表示光軸的方位角、俯仰角，為光心到原點(diǎn)距離； 柱坐標(biāo)中表示光軸方位角，和分別表示光心距原點(diǎn)的高度和水平距離。每個(gè)子眼的光學(xué)參數(shù)包括焦距、像平面寬度和分辨率×。光學(xué)復(fù)眼數(shù)學(xué)模型中，子眼的參數(shù)如表1所示。

圖3 光學(xué)復(fù)眼Fig.3 Optical compound eye

針對(duì)用戶自定義復(fù)眼構(gòu)型的需求，運(yùn)行于主機(jī)上的仿真軟件在Qt界面上需要設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)構(gòu)型選擇、Excel構(gòu)型參數(shù)文件導(dǎo)入和對(duì)話框輸入兩種參數(shù)錄入方式。用戶完成構(gòu)型參數(shù)錄入后，仿真軟件便自動(dòng)求解復(fù)眼數(shù)學(xué)模型，使每個(gè)子眼對(duì)應(yīng)表1中的參數(shù)被賦值。

表1 子眼參數(shù)

2.2.2 視景顯示和復(fù)眼畫面顯示的實(shí)現(xiàn)

視景顯示和復(fù)眼畫面顯示是基于Unigine引擎的Camera類應(yīng)用程序接口即相機(jī)工具實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)子眼對(duì)應(yīng)一個(gè)相機(jī)工具，同時(shí)小型航空器綁定一個(gè)跟隨相機(jī)。仿真中，Unigine程序主線程按照設(shè)置的仿真步長(zhǎng)解算小型航空器、目標(biāo)在以虛擬場(chǎng)景中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下的六自由度位姿。根據(jù)解算出的小型航空器六自由度位姿、復(fù)眼在機(jī)體坐標(biāo)系下的安裝位置、所有子眼對(duì)應(yīng)的表1參數(shù)，經(jīng)過一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，對(duì)相機(jī)工具進(jìn)行參數(shù)賦值，通過基于物理渲染得到飛行視景圖像和所有子眼圖像。

2.2.3 仿真設(shè)置模塊的設(shè)計(jì)

仿真設(shè)置模塊集成在Qt界面上，便于用戶設(shè)置仿真參數(shù)。仿真設(shè)置模塊包括航空器設(shè)置、場(chǎng)景環(huán)境設(shè)置、復(fù)眼構(gòu)型設(shè)置、目標(biāo)設(shè)置、仿真步長(zhǎng)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理設(shè)置。仿真測(cè)試前，用戶通過復(fù)眼構(gòu)型設(shè)置自定義復(fù)眼構(gòu)型，使Unigine引擎根據(jù)自動(dòng)生成的復(fù)眼數(shù)學(xué)模型渲染復(fù)眼圖像； 然后在界面上選擇場(chǎng)景、小型航空器、目標(biāo)，完成仿真初始設(shè)置。仿真測(cè)試中，可以在場(chǎng)景環(huán)境設(shè)置菜單中，設(shè)置視景時(shí)間、云量、風(fēng)速、雨霧、海浪等環(huán)境參數(shù)，驅(qū)動(dòng)Unigine引擎渲染環(huán)境特效； 適時(shí)設(shè)置目標(biāo)路線點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)速度，生成目標(biāo)路線數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)視景畫面和復(fù)眼畫面顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

2.2.4 三維模型庫構(gòu)建

為適應(yīng)仿真測(cè)試系統(tǒng)對(duì)選擇不同場(chǎng)景、小型航空器、目標(biāo)、復(fù)眼構(gòu)型的畫面調(diào)度顯示，需要將場(chǎng)景、目標(biāo)、小型航空器、光學(xué)復(fù)眼的三維模型分類存儲(chǔ)在仿真軟件目錄下，并為模型文件以統(tǒng)一格式命名附上標(biāo)簽，成為三維模型庫。目標(biāo)、小型航空器和光學(xué)復(fù)眼的三維模型通過3dsMax，Maya，CAD等三維建模軟件設(shè)計(jì)，以fbx，obj等文件格式保存，與Unigine引擎支持的格式兼容； 場(chǎng)景三維模型通過場(chǎng)景編輯器設(shè)計(jì)，利用內(nèi)置組件添加地形、植被、道路、天空、云層、海洋等內(nèi)容，并導(dǎo)入建筑、車輛、通信塔等物體的三維模型，最終保存為“.word”后綴名的Unigine內(nèi)部格式場(chǎng)景文件。

2.2.5 數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理模塊由仿真數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)可視化兩部分組成。仿真數(shù)據(jù)記錄在主機(jī)仿真軟件的Unigine程序中實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用C++系統(tǒng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)在仿真測(cè)試中以txt文件形式同步記錄航空器位置姿態(tài)、目標(biāo)位置姿態(tài)、目標(biāo)視線信息，同時(shí)逐幀保存復(fù)眼圖像，并用另一個(gè)txt文件記錄仿真設(shè)置參數(shù)。數(shù)據(jù)可視化通過MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)，繪出小型航空器與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)變化、小型航空器到目標(biāo)的視線角真值等，便于數(shù)據(jù)分析和功能驗(yàn)證評(píng)估。

2.2.6 圖像注入模塊的設(shè)計(jì)

圖像注入模塊集成于一張圖像注入卡，用于視頻信號(hào)和串口信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，由SDI視頻接口、PAL視頻接口和兩路RS422通信接口組成。其中，SDI視頻接口用于向信息處理機(jī)注入可見光圖像，PAL視頻接口用于注入紅外圖像，兩路RS422通信接口分別用于為主機(jī)與地面站、主機(jī)與信息處理機(jī)搭建雙工通信鏈路。設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 圖像注入卡原理圖Fig.4 Schematic diagram of image injection card

四個(gè)接口共用PCIex8接口、Xilinx Kintex7高性能FPGA、1G DDR3內(nèi)存、DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)控制器：SDI視頻接口工作時(shí)，啟動(dòng)DMA，當(dāng)?shù)谝粠琒DI圖像寫入時(shí)，啟動(dòng)SDI圖像發(fā)送功能，DMA將DDR3內(nèi)存中暫存的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)傳送到SDI圖像組幀單元，由高速GTX收發(fā)器接口發(fā)出； PAL視頻接口工作時(shí)與SDI視頻接口類似，不同的是PAL圖像在輸出時(shí)需要通過并行LVCMOS接口輸出到ADV7127芯片進(jìn)行數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)； RS422通信接口輸出信號(hào)時(shí)使用獨(dú)立的組解幀單元和專用的收發(fā)器芯片DS89C21。

2.2.7 數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)

仿真測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)交互包括仿真主機(jī)內(nèi)部進(jìn)程間數(shù)據(jù)通信和硬件設(shè)備之間的串口數(shù)據(jù)通信。Qt界面程序與Unigine程序之間的數(shù)據(jù)交互使用本機(jī)Socket通信，選擇TCP傳輸協(xié)議，每一幀數(shù)據(jù)由幀頭和信息正文組成，其中幀頭包括標(biāo)識(shí)符、校驗(yàn)符、數(shù)據(jù)幀類型符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度符。地面站、信息處理機(jī)之間串口通信直接使用內(nèi)部通信協(xié)議。由于仿真主機(jī)在仿真測(cè)試中起到模擬光學(xué)復(fù)眼的作用，所以仿真主機(jī)對(duì)照光學(xué)復(fù)眼實(shí)物，定義仿真主機(jī)與地面站、信息處理機(jī)之間通信協(xié)議規(guī)范，數(shù)據(jù)幀包含固定幀頭、幀長(zhǎng)、幀類型、信息正文和校驗(yàn)字等內(nèi)容，與實(shí)物間通信協(xié)議一致。為了使主機(jī)中的視景顯示、復(fù)眼圖像注入與地面站中的航空器飛行仿真保持同步，主機(jī)與地面站采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)，地面站作為客戶端以固定周期向作為服務(wù)器的仿真主機(jī)進(jìn)行對(duì)時(shí)同步，減小仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)干擾。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

利用設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試系統(tǒng)，從光學(xué)復(fù)眼圖像合成、圖像注入性能測(cè)試、功能模塊聯(lián)調(diào)測(cè)試三方面進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)仿真測(cè)試系統(tǒng)的功能性能。

3.1 光學(xué)復(fù)眼圖像合成

在光學(xué)偵察、制導(dǎo)控制等航空器應(yīng)用中，光學(xué)復(fù)眼圖像的幾何精準(zhǔn)度直接影響算法軟件的輸出結(jié)果。為了檢驗(yàn)圖像的幾何精準(zhǔn)度，利用仿真測(cè)試系統(tǒng)開展光學(xué)復(fù)眼圖像合成測(cè)試。光學(xué)復(fù)眼圖像合成如圖5所示。

圖5 光學(xué)復(fù)眼圖像合成Fig.5 Image synthesis of optical compound eye

自定義一種球面多圈復(fù)眼如圖5(a)所示，其數(shù)學(xué)模型通過在用戶界面上輸入表2所示的構(gòu)型參數(shù)值得到。

表2 光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型

在場(chǎng)景中沿復(fù)眼中軸距復(fù)眼中心30 m的切平面上等間隔布置9個(gè)紅色球點(diǎn)，如圖5(b)所示，其在復(fù)眼坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(，，)如表3所示。

表3 紅色球點(diǎn)坐標(biāo)

表4 紅色球點(diǎn)的像素偏差

經(jīng)過測(cè)試，合成的光學(xué)復(fù)眼圖像的平均像素偏差小于1個(gè)像素，圖像仿真具有較高的幾何精準(zhǔn)度，符合設(shè)置的構(gòu)型條件?；诜抡鏈y(cè)試系統(tǒng)獲取的復(fù)眼圖像可支持早期構(gòu)型設(shè)計(jì)驗(yàn)證和后端設(shè)計(jì)。

3.2 圖像注入性能測(cè)試

由于燒錄在信息處理機(jī)中的算法軟件對(duì)圖像注入的幀率有一定要求，為檢驗(yàn)仿真測(cè)試系統(tǒng)能否有效用于算法優(yōu)化和軟件研制， 在表5所示的主機(jī)硬件配置下進(jìn)行圖像注入性能測(cè)試。

表5 主機(jī)硬件配置

測(cè)試中，復(fù)眼圖像合成、圖像注入信息處理機(jī)、從信息處理機(jī)導(dǎo)出圖像至獨(dú)立顯示器同步進(jìn)行，如圖6(a)所示。主機(jī)的軟、硬件條件不變時(shí)，圖像注入幀率主要受制于子眼數(shù)量和單幀圖像分辨率。設(shè)置四種圖像注入分辨率：640×360，1 024×576，1 366×768，1 920×1 080。在四種分辨率下，分別測(cè)試具有1～9個(gè)子眼的復(fù)眼圖像合成和注入的幀率，記錄數(shù)值，如圖6(b)所示。

圖6 圖像注入性能測(cè)試Fig.6 Test of image injection performance

根據(jù)圖6(b)中的曲線變化可知，子眼數(shù)量越少、圖像分辨率越小，注入幀率越高。對(duì)于表2配置下的復(fù)眼，假設(shè)其算法軟件對(duì)輸入圖像流的要求為1 920×1 080@ 25 fps，由于圖6(b)中在四個(gè)子眼配置和1 920×1 080分辨率條件下的注入幀率達(dá)到28 fps，滿足算法軟件的實(shí)時(shí)性要求。

3.3 功能模塊聯(lián)調(diào)測(cè)試

為驗(yàn)證仿真測(cè)試系統(tǒng)的視景仿真子系統(tǒng)、復(fù)眼仿真子系統(tǒng)、飛行仿真子系統(tǒng)、仿真管理子系統(tǒng)能否構(gòu)成完整的仿真閉合回路，以巡飛彈電視末制導(dǎo)為例進(jìn)行功能模塊聯(lián)調(diào)測(cè)試。

仿真測(cè)試前，光學(xué)復(fù)眼按表2構(gòu)型要求進(jìn)行設(shè)置，小型航空器選擇巡飛彈?？紤]到目前缺少可投入應(yīng)用的復(fù)眼圖像處理算法，圖像注入模塊僅將0號(hào)子眼的圖像流注入加載有目標(biāo)識(shí)別跟蹤算法的信息處理機(jī)。測(cè)試中，通過地面站規(guī)劃巡飛彈航線，選擇一架固定翼飛機(jī)作為打擊目標(biāo)，巡飛彈根據(jù)算法軟件提供的跟蹤視線信息完成打擊。巡飛彈飛行視景、信息處理機(jī)回傳的目標(biāo)跟蹤畫面、記錄的巡飛彈姿態(tài)角如圖7所示。

圖7 功能模塊聯(lián)調(diào)測(cè)試Fig.7 Joint test of functional modules

從測(cè)試效果來看，復(fù)眼仿真、圖像注入、信息處理、飛行仿真、數(shù)據(jù)記錄同步運(yùn)行，四個(gè)子系統(tǒng)能構(gòu)成完整的仿真閉合回路。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)航空器光學(xué)復(fù)眼前端、后端設(shè)計(jì)并行開發(fā)的需求，設(shè)計(jì)了一種航空器光學(xué)復(fù)眼半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)。該仿真測(cè)試系統(tǒng)融合了光學(xué)復(fù)眼仿真、虛擬場(chǎng)景與目標(biāo)仿真、航空器飛行仿真等功能，光學(xué)復(fù)眼圖像仿真精準(zhǔn)，圖像注入實(shí)時(shí)性較好，具備完整的仿真閉環(huán)回路。仿真測(cè)試系統(tǒng)為光學(xué)復(fù)眼構(gòu)型設(shè)計(jì)驗(yàn)證、算法優(yōu)化、軟件平臺(tái)測(cè)試提供工具支撐，提高了航空器光學(xué)復(fù)眼開發(fā)效率，降低了研究成本。然而，目前還沒有一種紅外場(chǎng)景生成技術(shù)能夠模擬真實(shí)的世界，仿真測(cè)試系統(tǒng)不能完成紅外圖像合成。下一步，仿真測(cè)試系統(tǒng)將引入支持紅外場(chǎng)景仿真的三維仿真引擎，具備可見光、紅外信號(hào)同步仿真功能。