機(jī)載合成視覺系統(tǒng)仿真關(guān)鍵技術(shù)

1、引言航空器在低能見度下的進(jìn)近著 陸一直是航空安全關(guān)注的熱點(diǎn)問題。盡管已有各種先進(jìn)的地面導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，低能見度仍然對(duì)航空器安全進(jìn)近著陸產(chǎn) 生很大 威脅，它是造成可 控飛 行撞地（CFIT:Controlled Flight into Terrain和 跑 道侵入（Runway Intrusion兩類事故的主要因素。飛行員在低能見度條件下操縱航 空器進(jìn)近著陸時(shí)，由于缺乏有效的目視參考，無法準(zhǔn)確判斷航空器當(dāng)前所處位置及周 邊狀況，導(dǎo)致操作失誤，使得航空器在完全 可控的正常條件下意外地和地面 或障礙 物相撞。機(jī)載合成視覺系統(tǒng)即是通過計(jì)算機(jī)視景仿真、合成視覺等技術(shù)手段,再現(xiàn)當(dāng) 前情景，增強(qiáng)飛行

2、員在 低能見度下的空間感知和情景意識(shí) 能力,以有效防止因低能見 度而導(dǎo)致的航空事故，保障飛行安全提高航空運(yùn)輸運(yùn)營效率。一、機(jī)載合成視覺仿真平臺(tái)1.合成視覺與機(jī)載合成視覺系統(tǒng)合成視覺（SV, SyntheticVision指用合成的方式，生成反映外界客觀真實(shí)的視覺信息。合成視覺信息一般不能用單個(gè)或多個(gè)圖像傳感器直接獲得，它需要由多個(gè)同類或異類圖像源經(jīng)過處理、變換、配準(zhǔn)、融合而得到。合成視覺主要實(shí)實(shí)合成(RRS, Real-Real-Synthesiza'實(shí)虛合成”(RVS,Real-Virtual-Synthesize 和虛實(shí)校正合成” (VBRC,VirtualBased on Rea

3、l Calibration等幾類，主要特點(diǎn)是能擴(kuò)大圖像傳感 器監(jiān)視范圍和精 度、提高在低能見度下的視覺能力、擺脫原傳感器位置和指向限制等，這些特點(diǎn) 使合成視覺在交通運(yùn)輸、國防軍事等領(lǐng)域有著重要而且廣泛的應(yīng)用。機(jī)載合成視覺，是綜合實(shí)虛合成"和虛實(shí)校正合成”兩方面技術(shù)的一個(gè)重 要應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)載合成視覺的主要目的是解決航空器在低能見度下的安全進(jìn)近著 陸問題，將多源傳感器序列影像、導(dǎo)航信息機(jī)載合成視覺系統(tǒng)仿真關(guān)鍵技術(shù) The key technologies of simulation foronboard synthetic vision system四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院王彥成視覺合成圖形圖

4、像技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室馮子亮柳岸四川大學(xué)電氣信息學(xué)院劉函林圖1機(jī)載合成視覺仿真平臺(tái)的組成專題:空管新技術(shù)研究與應(yīng)用9Air Traffic Management/2009(7空中交通管理2009年第7期以及對(duì)應(yīng)的3D地形數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行實(shí)虛合成"和虛實(shí)校正合成” 最終構(gòu)成具有真實(shí)地理 數(shù)據(jù)的3D地形場景，在低能見度下給飛行員提供對(duì)外部環(huán) 境的情況感知能力，防止低能見度下的航空 事故,減少航班延誤。機(jī)載合成視覺的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。2 .地形數(shù)據(jù)表示方法及其精度要求3D地形數(shù)據(jù)由于的探測(cè)手段、處理算法和生成方法的不同，其表示方法、分 辨率等都有很大差別。在機(jī)載合成視覺系統(tǒng)中，需

5、要研究這些數(shù)據(jù)的表示方法和精 度評(píng)價(jià)方法。在應(yīng)用中，主要采用的表示方 法有規(guī)則網(wǎng)格模型、等高線模型、 不規(guī)則三角網(wǎng)格模型和層次細(xì)節(jié)模型等幾種方法。由于飛行活動(dòng)的首要任務(wù)是保 證安全，要在低能見度下實(shí)施進(jìn)近 著陸過程，采用 的合成視覺技術(shù)必須具有非常高的精度要求。美國FAA經(jīng)過多年的研究，給出了 合成視覺系統(tǒng)對(duì)地形數(shù)據(jù)精度的要求，如附表所示：3 .地形及地物的融合算法及繪制對(duì)于空中飛行，具范圍均在幾百公里之上,3D地形數(shù)據(jù)量巨大，需要選擇合適的海量地形繪制算 法，達(dá)到實(shí)時(shí) 高效的目標(biāo)。機(jī)載合成視覺系統(tǒng)中，采用的連續(xù)層次細(xì) 節(jié)模型，由對(duì)應(yīng)繪制算法自 動(dòng)地生成與視點(diǎn)相關(guān)的細(xì)節(jié)層次，同一視 域范圍內(nèi)根

6、據(jù)距離視點(diǎn)的不同繪制不同分辨率的地形塊，通過拼接不同分辨率地形塊，可以得到具有層次細(xì)節(jié)模型的地形繪制 結(jié)果，如圖2所示。其中e(x,y,z為觀察視點(diǎn)位 置，的觀察視角,的觀察視線 與垂直方向的夾角, P為地形上的視點(diǎn)中心，則在實(shí)線圓所在的區(qū) 域內(nèi)需要較高精 度的LOD層次。為了計(jì)算 上的方便，用該圓的外 切正方形代替該 圓,則各個(gè)LOD層次形成大小不 同的嵌套 正方形區(qū)域。不同分辨率的地形數(shù)據(jù)之間拼接時(shí)，存在裂縫”現(xiàn)象，同時(shí)由于地形數(shù)據(jù)分辨率遠(yuǎn) 不及地物 （機(jī)場等數(shù)據(jù)分辨率高，因此在地形與地物之間同樣存 在裂縫，需要通過融合算法進(jìn) 行修補(bǔ)，否則視景之上將出現(xiàn)模型漂浮“或鑲嵌”在地形上的現(xiàn) 象。

7、解決裂縫”問題，可以采用 對(duì)不同分辨率地形塊的邊緣進(jìn)行'超采樣"或欠采樣”處理，使得地形塊邊緣具有相同的分辨率；解決漂浮”或'鑲嵌”問題，可以通過對(duì)地形數(shù)據(jù)的插值來匹配地 物模型。4 .基本地貌形態(tài)特征提取 由于HUD顯示介質(zhì)為半透明玻 璃，合成視覺不能完 整投影其上，只能重點(diǎn)顯示某些基本地貌形態(tài)特 征（如山脊線、山谷線、峰和地 物特征線（跑道外框線、標(biāo)志線 等。地物特征可以直接由機(jī)場數(shù)據(jù) 獲得,而基本 地貌形態(tài)特征則需要 從地形數(shù)據(jù)中提取。基于DEM進(jìn)行基本地貌系統(tǒng)特征提取 時(shí),首先計(jì)算各種地形因子，包括坡度、坡向和曲率等信息，這些地形因子反映了地 形曲面的固有特征

8、，然后通過 這些地形因子對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分 類，從而提取基本地 貌形態(tài)特征。5 .飛參數(shù)據(jù)處理飛參數(shù)據(jù)是仿真平臺(tái)進(jìn)行機(jī)載視覺合成的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)近著陸的性質(zhì)航路終端區(qū)Cat II、III水平精度50m 5m 2.5m垂直精度30m 3m 1m垂直分辨率1m 0.1m 0.1m信任等 級(jí)90%90%90%據(jù)完好性10-310-510-5分辨率3弧秒1弧秒0.3弧秒附表FAA定義的合成視覺系統(tǒng)中地形數(shù)據(jù)精度要求（1視點(diǎn)與LOD（2LOD分層區(qū)域劃分遞歸方式圖2LOD分層專業(yè)探索專題/FOCUS10實(shí)時(shí)仿真過程，就是根據(jù)連續(xù)變化的飛參數(shù)據(jù)，調(diào)整仿真參數(shù)和繪制參數(shù)進(jìn)行繪 制的過程。可用的飛參數(shù)據(jù)來源有三

9、種：（1由雷達(dá)模擬機(jī)生成的模擬飛參 數(shù)據(jù)；（2記錄的 QAR數(shù)據(jù)；（3空氣動(dòng)力學(xué)模型生成的數(shù)據(jù)。由于模擬飛參數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)更新率為1Hz,大多數(shù)QAR數(shù)據(jù)中位置（經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)的更新率為2Hz,姿態(tài)數(shù)據(jù)（航向、俯仰、橫滾和速度數(shù)據(jù)的更新率為1Hz,飛參數(shù)據(jù)的低刷新率 無法匹配視景仿真的幀率，因此要采用線性插值、樣條插值等方法對(duì)飛參數(shù)據(jù)進(jìn) 行插值處理。二、仿真結(jié)果以第2節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)為 基礎(chǔ),在機(jī)載合成視覺系統(tǒng) 原型系統(tǒng)上進(jìn)行了九黃機(jī) 場QAR數(shù)據(jù)仿真，其中進(jìn)近階 段、著陸階段的PFD、HUD和PFD+HUD仿真 結(jié)果，如圖3所示。近年來，我國航空運(yùn)輸業(yè) 一致保持持續(xù)高速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來15年我國民航飛 行 流量將增加2030倍，通用航空將得到更大的發(fā)展。在有限的空域資源條 件下，飛行流量的持續(xù)增加，對(duì)機(jī)場利用率提出了更高的 要求,航空安全生產(chǎn)壓力越 來越大。實(shí)現(xiàn)低能見度下的 可視進(jìn)近與著陸，對(duì)促進(jìn)我國航空運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)快速 發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。在原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容有：(1探索SVS視景上更直觀豐富 的顯示內(nèi)容：如用顏色區(qū)分不同的空