基于虚像显示系统的近景立体成像方法

薛长宝 王建军

摘   要： 为了解决原有虚像显示系统无法呈现近距离景物的问题，提出一种近景立体成像方法。在虚像显示方式的基础上，采用立体式成像方法、头位追踪技术、判断近距离景物成像距离等方法，克服了虚像显示系统近距离景物由于纵深感强造成的尺寸大缺陷，解决了虚像显示系统近距离景物位置失真、尺寸失真等问题。原虚像显示系统8～15 m景物被呈现在1～5 m的正确位置上，实现了虚像显示系统的近景成像模拟。立体成像方法已应用于大型飞行模拟器视景系统，为飞行人员提供了逼真的舱外景物。

关键词： 飞行模拟器;视景系统;虚像显示系统;立体成像;头位追踪

中图分类号：V241.4    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-076-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.014

引言

随着飞行任务复杂度的提升，飞行模拟训练重要性和现实性要求不断增长，飞行模拟器的逼真度、真实性越来越高，模拟训练科目越来越全面，立体模拟训练受到了更多人的关注[1]。

常规的模拟器视景显示技术难以满足高难度、形势复杂等飞行模拟训练科目的要求。例如，对空中加受油这种高风险训练科目采用飞行模拟训练的方式，可极大地减少训练风险、降低训练经费、积累飞行操作经验，但需对视景显示系统中受油管和锥套的位置关系、尺寸大小、相对运动等进行逼真模拟，故对视景显示技术提出了更高的要求。

常规的虚像显示系统不能满足近景模拟的准确判断，同时虚像显示系统近景成像的相关应用研究较少。为了避免飞行员在加受油飞行模拟训练中产生负向训练迁移[2]，解决虚像显示系统近景成像的缺陷，提升虚像显示系统近景成像效果，本文首先对虚像显示方案进行设计，构建由准直镜、正（背）投屏、负压控制系统等组成的离轴虚像显示系统;其次从主动式立体成像、头位追踪系统两方面构建近景立体成像方法;最后对近景立体成像效果进行验证和讨论。

1  虚像显示方案

虚像显示系统采用离轴虚像显示系统[3]，半径为3 m。系统原理是：正投屏的像在系统内作为物，离轴放置在球面反射镜一倍焦距平面内，在眼点处形成正立放大无穷远的虚像。该显示方式能够在飞行人员面前形成连续的、纵深感强的舱外视景，成像距离一般为[8 m， +∞），可产生与飞行员在空中飞行相一致的视觉效果。缺点是无法显示距离小于8 m的近外视景。

离轴虚像显示系统正投光路示意图如图1所示。离轴虚像显示系统主要由准直镜、光学前反射镜、正（背）投屏、负压控制系统和辅助子系统等组成，其目的是形成一个光学系统工作的黑暗空间，为光学部件构建良好的成像环境。同时，构成显示部分的各部件均有严格的强度、刚度要求，以满足光学部件的安装需要。离轴虚像显示系统成像示意图如图2所示。

1.1  准直镜

准直镜的镜座一般由轻质结构玻璃钢蜂窝外表面复合预渗玻璃布真空加温固化而成，内表面四周设4 mm球面加强支撑边。球面镜座壳体内表面与反射膜间保持70 mm空腔，以便抽真空，使反射膜成球面形状。在球壳厚度方向预埋压力传感器、位置传感器和抽气嘴的固定件，保证反射膜不受损坏，控制真空成型球面反射膜的球面公差。

用高强度高弹性模量材料作为蒙皮夹双层蜂窝结构制造球面反射镜的复合材料镜座，通过预埋螺栓和边条，保证反射膜成型后各形状参数指标均在容差范围以内。使用专用工艺将高反射率的反射薄膜张贴在精密加工过的镜座空腔边框上，再通过负压使其张紧到光学系统所需要的形状。

鏡座上留有抽气接口和传感器安装接口，安装在镜座外的控制系统通过传感器随时监控镜座空腔内的空气负压，驱动真空泵工作，维持空气负压，保持反射膜的工作面形。

1.2  正（背）投屏

正（背）投屏是飞行模拟器视景显示系统的重要部件，其技术性能和制造质量将严重影响系统的成像质量。正（背）投屏作用是将投影器投射的不同波长的光散射出去，在球面准直镜中成虚像。

正投屏由双曲面复合材料屏幕和复合材料制成的整体框架组成。在双曲面正投屏外表面喷涂不同反射率和不同粒度的纳米级光学涂层作为反射层。

背投屏由双曲面屏体和四周法兰框架组成。屏体由特大型航空级有机玻璃在专用的模具内加温负压成型。背投屏外表面喷涂不同折射率、不同粒度的发光散射层。

正（背）投屏的主要技术指标如下：

（1）几何面形公差：使用样板检测，几何面形公差为±1 mm;

（2）增益：用色度计检查屏幕增益为0.7～1.0;

（3）解像力：用4倍以上放大镜目视分辨率≮100 pl/mm;

（4）可视角：使用全站仪检测，可视角2α≮120°;

（5）散射层涂层均匀，用H铅笔直划涂层不脱落。

1.3  负压控制系统

负压控制系统通过变频调速器对气泵进行变频调速，在负压薄膜反射镜腔体内形成一定的负压，薄膜在内外压力差的作用下，形成一定曲率的球形镜面。

负压控制系统采用非接触式距离传感器实时测量球形反射膜几何中心法向顶点到标准参考点的距离，并根据测量的数据对负压系统气体流量进行实时调解和控制，使测量点到标准参考点的距离控制在系统设定值±1 mm范围内，实现镜面的稳定。负压控制系统原理示意图如图3所示。

负压控制系统技术指标如下：

（1）气泵流量：0～10 m3/h;

（2）最高真空度：100 mbar;

（3）供电电压：AC 220 V/3 A;

（4）真空泵功率：0～500 W連续可调;

（5）工作环境温度：-5～40℃;

（6）整机重量：一般不大于20 kg。

2  近景立体成像方法

离轴虚像显示系统的成像距离大于8 m，而受油管距离飞行员眼点距离通常为1～5 m。通过离轴虚像显示系统只能将受油管显示在8～15 m的范围。为使虚拟受油管位置与真实飞机一致，采用主动式立体成像的方法，拉近虚拟受油管在视觉上的距离感。

立体成像虚拟受油管的位置会随着眼点的移动而移动。为消除眼点移动带来的成像位置偏差，采用头位追踪系统实时捕捉飞行员头部的位置、姿态等信息，然后视景成像计算机根据这些数据修正图像姿态、位置，使得虚拟受油管的位置相对实物驾驶舱保持不变，实现飞行员近景模拟需要。立体成像系统原理如图4所示。

2.1  主动式立体成像

立体显示是按照人的双眼成像规律，使用一定的算法，分别渲染与左右眼对应的、有差别的两幅画面，再根据一定的显示输出方法，使左右眼分别看到对应的图像，从而使飞行员产生立体深度视觉的功能。该功能加强了三维场景的显示效果。

目前主要的眼镜立体显示技术[4]有三种：互补色立体、主动式立体和被动立体。互补色立体颜色信息容易丢失，造成观察者不适;被动立体需要使用特殊的幕布，光学调校过程复杂，不适用于飞行模拟器;主动式立体主要通过快门眼镜和立体投影机即可实现。经过对三种显示方式的显示效果、技术可行性进行的分析，本文采用主动式立体成像方式对视景系统近景进行模拟。

主动式立体成像采用立体投影机、主动立体眼镜、同步信号发生器和视景软件综合实现。视景软件生成左眼60 Hz、右眼60 Hz，共计120 Hz的图像发送至投影机。投影机以120 Hz的频率交替显示左眼和右眼的图像。主动立体眼镜采用快门式眼镜，通过液晶技术控制两边镜片的关闭，同时投影机通过同步信号发生器与主动立体眼镜之间实现同步。当投影机投射左眼图像时，主动立体眼镜的右侧镜片变黑，左侧镜片透明，飞行员只能看到左眼图像;当投影机投射右眼图像时，主动立体眼镜的左侧镜片变黑，右侧镜片透明，飞行员只能看到右眼图像。以上使得飞行员左右眼看到的图像不同，实现双目立体视觉效果。同步信号发生器采用射频同步信号发生器，在小范围内不受环境干扰影响，不会出现画面丢失现象，能够满足模拟器视景系统画面连续性要求。

随后，在视景软件中对虚拟受油管模型的大小、位置、角度、图像景深等参数进行调整，实现从驾驶员眼点处观察时，虚拟受油管与实物效果一致。

2.2  头位追踪系统

头位追踪系统主要用于检测飞行员头部姿态和方位，具备跟踪6个自由度的能力，包括3个姿态角和3个位置坐标，从而确定飞行员的头部位姿，识别如点头、摇头等动作[5]，通过将检测的数据输入视景计算机生成与飞行员头部位置相匹配的舱外场景。头位追踪技术主要包括机械追踪、电磁追踪、惯性追踪、GPS追踪、光学追踪及超声波追踪，经过对每一种方式的系统复杂度、跟踪精度、价格、技术成熟度[6]进行分析，本文采用光学追踪方式跟踪飞行员头部姿态和方位。

飞行模拟器跟踪系统一般采用红外光学跟踪技术，该系统主要由一台专用光学跟踪计算机、两个红外光学跟踪摄像头和一套跟踪套件组成。其中，光学跟踪计算机通过内部软件计算摄像头采集的数据，得到跟踪套件的6个自由度位置和方向，实现双摄像头的同步运行，再通过以太网将6个自由度位置和方向数据发送给视景计算机。红外光学跟踪摄像头采用300 Hz数据更新率，1.3 megapixels图像分辨率，满足仿真的实时性要求。跟踪套件为6个树脂小球，安装在左驾驶员头盔上，作为摄像机跟踪的标志点，不影响飞行员视野，用于红外光学跟踪摄像头的跟踪定位使用。

跟踪套件将被安装在飞行员头盔上，两个红外光学跟踪摄像头将被安装在模拟器结构中且不影响飞行员的视野，红外光学跟踪摄像头与专用光学跟踪计算机之间通过以太网连接，专用光学跟踪计算机与视景计算机之间也通过以太网连接以进行6个自由度数据的实时传输。红外光学跟踪摄像头将实时定位跟踪套件在空间内的位置，并将采集到的数据实时传送给专用光学跟踪计算机，由内部软件将数据解算为6个自由度数据并实时传送给视景计算机，最后由视景计算机实时生成头位移动后所观察到的舱外三维场景。

3  近景立体成像效果验证与讨论

飞机上受油管距离飞机眼点位置在1～5 m的范围内，虚像显示系统由于成像距离远、对近距景物的拉伸影响，近距景物的成像距离和尺寸将远大于正常位置和尺寸。通过对跑道模型进行位置标记，虚像显示系统中受油管距离飞机眼点位置在8～15 m范围内。视景系统开启立体成像模式后，佩戴立体眼镜，受油管距离、位置、大小显示效果在正常范围内，但与真实的观察效果仍存在差异，还需不断地迭代修改、验证。

为提高模拟器舱外受油管等近景的模拟效果，需对视景成像效果进行评价、验证，以便使飞行人员有更真实的感官体验，达到提升飞行模拟训练效果的目的。本文的成像效果验证采用图像对比和飞行员主观评价的方式。在飞机座舱眼点附近不同位置、不同角度采集舱外近景图片，对所有图像采集位置、角度、摄像机参数进行记录，并在模拟器相同位置、角度、摄像机参数一致的情况下，采集视景图像。通过对同一采集条件下的飞机和模拟器视景图像进行对比，依据模拟器图像相对飞机采集图像的位置、姿态差异，对视景模型和摄像机成像参数进行修正，使模拟器视景图像和飞机图像位置、姿态一致;再对视景图像尺寸、景深等参数进行调整，确保视景图像尺寸、景深与飞机一致。通过多轮修正，最终达到所有位置、角度的模拟器视景图像与飞机照片图像在视觉效果上一致。邀请飞行员对视景效果进行评价，依据飞行员意见对视景成像效果进行进一步修改、完善，最终得到符合飞行模拟训练要求的近景成像效果。

4  结束语

本文针对飞行模拟器视景系统近景成像需求，对近景立体成像方法进行了应用研究，将虚像显示技术、主动式立体成像技术和头位追踪技术进行了综合应用，提出了满足飞行模拟器视景系统近景成像的解决方法，并对成像效果进行了验证，表明该方法可应用于大型飞行模拟器视景系统。

虚像显示技术与相关产品发展已较成熟，硬件参数也相对固定，视景系统近景立体成像主要与眼点位置、视景模型修正参数有关。后期需要在眼点位置、视景模型修正规律与视景成像之间的变换关系方面开展更加详细的研究，使飞行模拟器近景立体成像更好地推广到工程应用。

参考文献

[1] 李映红， 韩勐. 飞行模拟器的发展历程及发展趋势研究[J]. 河南科技， 2019（25）：1 02-104.

[2] 胡艳， 胡斐， 张仁祥， 等. 训练迁移的基本原理和现实应用[J]. 南京体育学院学报（自然科学版）， 2015， 14（5）： 27-32， 37.

[3] 邓晴莺， 马斌， 李国翬， 等. 虚像显示系统自由曲面光学设计[J]. 兵工自动化， 2016， 35（7）： 50-54.

[4] 龚琳. 立体显示技术在船艇模拟训练系统中的应用研究[J]. 电脑与电信， 2018（3）： 58-60， 69.

[5] 贾云得. 机器视觉[M]. 北京： 科学出版社， 2000.

[6] 李林， 翁冬冬， 王宝奇， 等. 飞行模拟器[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2012.

作者简介：

薛长宝（1973—），通信作者，男，黑龙江齐齐哈尔人，研究员级高级工程师。主要研究方向：飞行模拟器视景显示。

E-mail： 1455135173@qq.com

（收稿日期：2020-07-13）