LED球幕显示技术在飞行模拟器中的应用

摘要：当前飞行模拟器采用的视景显示系统大都基于投影器和投影技术的投影系统，故介绍一种新型、以LED（LightEmittingDiode）技术为核心的LED球幕显示系统及应用。在解决了图形通道划分、灯板排布、图像分割和几何变形、高灰度控制驱动、全彩颜色匹配、非均匀度校正等技术问题后，LED技术和显示方法得以在球形屏幕中使用。LED球幕显示系统以超大视场、高分辨率、高亮度、高对比度和易维护等优势，展示出其在飞行模拟器视景系统领域的良好应用前景。

关键词：飞行模拟器视景显示系统投影系统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

飞行模拟器（FlightSimulator）自20世纪30年代诞生以来，已在全世界航空工业和民用航空中得到了广泛应用，成为航空技术发展和航空产品研制不可或缺的手段。但与真实飞行相比，当前模拟器的视景显示系统依然存在视场小、分辨率低、亮度低、对比度低等不足，影响飞行员在模拟飞行的视觉真实感。

随着以LED（LightEmittingDiode）技术为基础的产品出现和飞速进步，特别是小间距LED的出现，其无边框、小间距特点，以及高分辨率、高亮度、高颜色还原性等特性，使其在视景显示系统中应用成为可能。本文基于小间距LED技术和视景显示系统的研究与实践，介绍了LED球幕显示系统原理、组成，以及实现，通过其在飞行模拟器中的成功应用，产生了一种新型的视景显示系统。

1飞行模拟器的视景系统

一般来说，飞行模拟器由模拟座舱系统、飞行仿真系统、航电仿真系统、视景系统等系统组成[1]。视景系统是飞行模拟器的重要组成部分，给飞行员提供模拟场景的视觉画面，为飞行员在地面营造在真实世界中飞行的视觉感受。视景系统的质量和性能与在地面营造飞行员在空中一样的心理状态有直接关系。视景系统呈现图像画面的丰富程度和细节程度，不仅直接关系到飞行员感受的真实性，而且还决定了其能够模拟的飞行任务覆盖度[2-3]。衡量一个视景显示系统质量和性能高低，除了取决于模拟对象（飞行器）本身的特点外，主要还与视场、分辨率、亮度、对比度、图像更新率等主要技术指标相关。

2LED球形屏幕技术

LED球幕实际上就是多个LED显示屏，而LED显示屏是以LED（发光二极管）为基本元件组成的新型显示器件，是一种主动式显示方式和技术[4-6]。

将LED技术和产品应用于飞行模拟器的视景显示，需解决以下8个问题：（1）选用全彩色发光器件，以保证显示图像的色彩足够丰富和真实；（2）灯珠小间距排列，以消除灯珠间距的视觉影响；（3）高刷新率图像驱动，以避免出现飞行仿真过程中拖尾现象；（4）低亮度，高灰度显示，以避免高亮度光线对飞行员眼睛的刺激，也更好地展示颜色细节；（5）从灯珠、灯板到整个屏幕的亮度、色度进行一致性校正，以避免出现色彩斑驳；（6）控制灯板间缝隙，以保证视景图像的连续性；（7）合理划分图像通道，以正确匹配视景计算机的输出信号；（8）球面图像映射处理，以保证视景图像几何形状不失真。

2.1灯珠

灯珠是LED显示系统的基本元器件，在飞行模拟器的LED显示系统中，选用LED灯珠为表面贴装全彩器件，灰度16384级，其色域范围可达110%NTSC。可保证整个显示屏的颜色灰度自然不失真。灯珠采用全黑基板，黑色哑光封装，具有对比度高、无镜面反射、高可靠性、长寿命和宽视角等优点。为保证LED灯珠颜色和亮度的一致性，灯芯按照波长进行分档筛选，尽量消除发光强度的差异。

2.2灯板

灯板是球形显示屏的基本组成部件，LED球幕由多个灯板组合拼接而成。若干灯珠按一定间距排列在PCB板上可以组成灯板。目前，灯珠排列的间距已经可以做得很小，飞行模拟器的显示系统中采用小于1.5mm的间距，在观察距离大于2m时，可基本不影响飞行员的视觉感受。

根据灯板的加工工艺和屏幕球形形状保证来选择灯板尺寸。为保证球幕中图像的连续性和控制图像变形，采用柔性灯板是较好的选择。即利用PCB板的弯曲特性，在灯珠的排布和布线上充分考虑变形影响，灯板可以在一定程度上弯曲，安装后的灯板达到球形形状，这样灯板上的图像在球幕的径向方向变形就可以非常小，达到肉眼几乎观察不到的效果。

为保证整个球幕内视景图像的一致性，每张灯板都必须进行亮度和色度的校正，校正后的参数存贮在灯板的芯片中（如图1所示）。

2.3球幕

灯板在球体内以一定方式紧密排列成球形，形成一个连续的整体屏幕[7-9]。灯板在球幕中有多种排列方式，按经纬度划分为其中一种典型排列方法（如图2所示）。

2.4图像校正和处理

图形校正和处理系统作为整个球幕显示系统的显示处理核心，可对视景计算机输出的多路通道视频信号进行实时同步处理。图形校正和处理系统设备的作用是将视景计算机输出的平面图形根据飞行员眼位进行几何校正，几何校正后的图像能在球形屏幕上正确显示。同时，图像校正设备完成相邻通道间边缘图像的像素处理，保证整个球形屏幕各通道间图像显示的连续性和完整性（如图3所示）。

3LED球幕显示系统技术实现和达到的性能

本文研究和介绍一种5m直径的LED球幕显示系统，该系统除模拟座舱下部和进出通道之外，球幕内其他位置都是显示视景图像的屏幕，非常适合飞行模拟器对视景显示的高要求。LED球幕显示系统采用的是以LED技术为核心的系统，主要由LED灯板屏幕、视频接收系统、视频发送系统、图形校正系统、通风散热系统和供电系统组成。

LED球幕显示系统各系统组成和功能主要体现在以下方面。（1）LED灯板屏幕：由多达2000多块的灯板按照一定规律拼接组成整个球幕，呈现整个显示系统的图像。（2）视频接收系统：将控制端通过以太网传输过来的视频信号进行截取和缓存，然后驱动LED灯板实现LED屏的显示驱动。由于LED灯板分布于整个显示屏，因此，视频接收设备也分布于整个显示屏。（3）视频发送系统：将前端处理好的视频信号进行接口转换，即将视频信号转换为千兆以太网信号，并以以太网方式将视频数据输出给LED屏幕端的视频接收设备。（4）图形校正系统：将视景计算机输出的平面图形进行几何校正，校正为球形幕能正常显示的图形。同时，处理每个通道间边缘图像，以及通道与通道之间的关系，保证整个球形屏幕图像显示的连续性和完整性。（5）散热系统：在球幕结构底部和顶部布置风机，通过风机强制将灯板和其他设备产生的热量排出到球幕外，同时也给球幕内的封闭空间进行空气交换，以保证人体的舒适。（6）供电系统：将220V交流信号转变成5V直流电压信号，并通过汇流排的方式传输给LED显示模组和灯板进行供电。

（1）维护简单。系统所有部件都可以原位更换，不需要调试，大大降低了对维护人员的专业技术要求。灯板采用前维护方式，当有灯珠或灯板损坏情况，通过工装夹具从显示屏前端取出单元箱体，然后将更换的新灯板直接安装回原来的位置。前维护方式具有简单易操作的优点，非常方便用户后期维护。

（2）全国产化设计和生产。LED球幕显示系统的设计、开发和集成完全由国内厂家完成，而且是全球首台套系统，所有零部件设计、加工和制造都在国内完成，为完全自主可控的技术和产品。

4结语

LED球幕显示技术和系统实现方法是一种全新的模拟器视景显示技术和系统，不仅打破了国外对投影器关键芯片和技术的垄断，实现了模拟器高端显示系统的国产化，而且在视场、分辨率、亮度、对比度等关键性能指标上全面超过了投影系统。目前，LED球幕显示技术和系统实现方法已经被成功应用于飞行模拟器中，成为全球第一个LED球幕系统在飞行模拟器中的应用，飞行员给予了较高的评价。目前该系统也是全球最高性能的视景显示系统，在飞行模拟器，特别是战斗机、直升机的飞行模拟器中具有明显优势，是我国在模拟器视景显示技术方面的一个跨越式发展，具有较高的应用和推广价值。

参考文献

• 吴重光.仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2000.
• 张剑，周攀，饶玉婷.直升机模拟器平滑处理系统的设计与实现[J].直升机技术，2023（3）：29-31，36.
• 轩海彬，张剑.军用直升机飞行模拟器发展概述[J].电子技术与软件工程，2022（6），166-169.
• 毛新越.超高密度LED显示屏像素级精确采集及校正技术研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2022.
• 朱燕萍，程朋飞，王福斌，等.基于FPGA的LED显示屏非均匀度校正方法[J].仪表技术与传感器，2022（3）：122-126.
• 舒力帆.大型户外LED屏散热设计及仿真分析[J].制冷，2019，38（1）：42-46.
• 李莉.多面体与外接球[J].数理化学习（教研版），2020（1）：5-6.
• 周章勇.一种三通道球带幕视景系统的开发[J].航空维修与工程，2018（8）：30-33.
• 郭成玉，袁政鹏，吴家麒，等.半球幕几何校正与标定方法的研究[J].计算机工程，2011，37（2）：281-283.