訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究

1、訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)研究2010年08月19日星期四下午01：19李明忠畢長(zhǎng)劍張雙建牛敦金(空軍指揮學(xué)院作戰(zhàn)模擬中心北京100089摘要：訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示統(tǒng)是飛行員獲取信息的主要窗口，其性能指標(biāo)的高低直接影響到飛行仿真器性能和模擬訓(xùn)練效果。本文圍繞這一關(guān)鍵子系統(tǒng)，闡述了其分類、不同類型顯示系統(tǒng)的組成、顯示原理及特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)背景下飛行任務(wù)訓(xùn)練對(duì)視景顯示系統(tǒng)要求的分析，提出了訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)方案選擇方法。飛行仿真器視景顯示系統(tǒng)實(shí)像虛像1引言視景顯示系統(tǒng)是飛行仿真器的重要組成部分，其主要功能是將圖像生成設(shè)備生成的圖形圖像通過(guò)一定的

2、顯示裝置顯示給飛行員，它是飛行員獲取飛行中有用信息的主要窗口。視景顯示系統(tǒng)顯示的真實(shí)與否，直接關(guān)系到飛行員能否對(duì)景象做出正確的判斷，從而能否及時(shí)準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的反應(yīng)，并最終影響到模擬訓(xùn)練的效果。該系統(tǒng)相對(duì)于飛行仿真器的其他系統(tǒng)而言，造價(jià)高、設(shè)備昂貴，在有限的研制經(jīng)費(fèi)范圍內(nèi)，權(quán)衡不好會(huì)直接影響到設(shè)備的綜合性能。因此，視景顯示系統(tǒng)的方案選擇問(wèn)題也是飛行模擬器設(shè)計(jì)和研制中要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。2視景顯示系統(tǒng)的分類視景顯示系統(tǒng)的分類方法很多，按投影方式的不同，可分為正投視景顯示系統(tǒng)和背投視景顯示系統(tǒng)；按系統(tǒng)投影屏幕結(jié)構(gòu)形狀的不同，又可分為圓球形視景顯示系統(tǒng)、平面視景顯示系統(tǒng)等。但這些分類方法，難以有效地反

3、映出不同類型視景顯示系統(tǒng)之間最本質(zhì)區(qū)別。最為有效的分類方法，是根據(jù)顯示成像的特征和原理不同，將其分為實(shí)像顯示和虛像顯示兩大類，本文按該分類的方法進(jìn)行論述。3實(shí)像顯示系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)根據(jù)物理學(xué)定義，實(shí)像是由實(shí)際光線匯合在一起所成的影像,可以顯現(xiàn)在屏幕上。實(shí)像顯示系統(tǒng)一般光路比較簡(jiǎn)單，直接通過(guò)投影設(shè)備將圖像投射到顯示屏上，其最大缺點(diǎn)就是缺乏立體感和縱深感。目前，比較常見(jiàn)的實(shí)像顯示方式，有平面窗口式、球形幕顯示、模擬球視景顯示系統(tǒng)三種類型。3.1平面窗口式顯示平面窗口式顯示系統(tǒng)，是實(shí)像顯示中最為簡(jiǎn)單的一種，直接把圖像投在顯示屏幕上，基本沒(méi)有立體感和縱深感。常采用的顯示屏幕有顯示器、電視機(jī)、投影屏等。

4、這種類型顯示系統(tǒng)，一般在用于熟悉飛機(jī)基本操作的練習(xí)器、大型飛行仿真系統(tǒng)的對(duì)手席上比較常見(jiàn)。3.2球形幕實(shí)像顯示球形幕實(shí)像顯示系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的一種顯示方式，在我國(guó)自行研制的許多大型殲擊機(jī)飛行模擬器及飛行指揮訓(xùn)練模擬器上都采用了這種顯示系統(tǒng)，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。該類型的顯示系統(tǒng)，使用涂有光學(xué)涂料的大直徑球形屏幕作投影屏，可以有效解決實(shí)像顯示缺乏立體感和縱深感的問(wèn)題。而且球形屏幕直徑越大，顯示圖像的立體感和縱深感就越強(qiáng)。一般在實(shí)際應(yīng)用中，球形屏幕的直徑都選在6m以上，并通常利用多通道拼接技術(shù)或頭位跟蹤技術(shù)來(lái)形成大視場(chǎng)，視場(chǎng)角水平可達(dá)360°、垂直可達(dá)180°。對(duì)目標(biāo)的投影顯示有兩種

5、方式：一種是將目標(biāo)和背景分別投影；另一種是利用圖像處理技術(shù)，將目標(biāo)圖像融合到背景中后再進(jìn)行投影顯示。典型的球形幕實(shí)像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于投影屏幕為曲面，圖像畸變大，需要選用畸變調(diào)整功能強(qiáng)的投影器作為投影設(shè)備。3.3模擬球視景顯示系統(tǒng)模擬球視景顯示系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者稱為多通道平面板塊結(jié)構(gòu)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型顯示系統(tǒng)。典型模擬球視景顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它一般由樹脂背投幕、固定支架、投影器及其附屬設(shè)備組成，將多塊平面樹脂背投幕拼接構(gòu)成一個(gè)完整的空間立體結(jié)構(gòu)，通過(guò)投影設(shè)備以背投方式將圖像投射到該立體結(jié)構(gòu)的各面上，它是CAVE系統(tǒng)的變形。根據(jù)視景空間立體結(jié)構(gòu)的形狀不同，模擬球顯示系統(tǒng)分

6、為普通形和足球形兩種。足球形每一屏幕為46個(gè)邊，每屏均為平面屏，然后將眾多平面屏(312)拼接成為球形，從外部看上去宛如一個(gè)足球。普通形一般為正方體、空間梯形體。背投球是該類型顯示系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向。模擬球視景顯示系統(tǒng)，由于其各投影面均為平面，圖像畸變小，分辨率高，圖像清晰，視場(chǎng)寬闊，水平視場(chǎng)角可達(dá)360°，垂直視場(chǎng)角可達(dá)180°，特別適合戰(zhàn)斗機(jī)飛行模擬器選用。若再配以立體視景計(jì)算和顯示技術(shù)，顯示的圖像也可具有很強(qiáng)的空間立體感、縱深感，能達(dá)到虛像顯示的效果。在美國(guó)F-15、F-16、JAS-39等噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)飛行模擬器和我國(guó)自行研制的某型第三代戰(zhàn)機(jī)全任務(wù)飛行模擬器上，均采

7、用了該類型的顯示系統(tǒng)。但由于其拼接面多，該類型的顯示系統(tǒng)調(diào)整復(fù)雜，需要專用的校準(zhǔn)系統(tǒng)。4虛像顯示系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)虛像是光的反射延長(zhǎng)線會(huì)聚而成的像，不能用顯示屏承接，具有縱深感強(qiáng)的特點(diǎn)。采用虛像顯示的系統(tǒng)主要有三種類型：同軸虛像顯示系統(tǒng)、旁軸虛像顯示系統(tǒng)及頭盔顯示。虛像顯示示意圖：4.1同軸虛像顯示同軸虛像顯示系統(tǒng)，由CRT顯示器、分光鏡和球面準(zhǔn)直鏡組成，如圖3所示。CRT顯示器顯示各通道圖像，其數(shù)目由通道數(shù)決定，一般為三個(gè)。球面準(zhǔn)直鏡是一種球面的反射鏡，一般由玻璃磨制或在光滑球面鍍上反射層形成，其特征是位于它焦平面上的物體能夠成正立的無(wú)限遠(yuǎn)虛像。分光鏡是設(shè)計(jì)成透射率和反射率均為50%的透鏡，放

8、置在球面準(zhǔn)直鏡的焦平面上。這樣一來(lái)，CRT顯示器表面發(fā)出的光線經(jīng)分光鏡后，一半反射到球面準(zhǔn)直鏡，球面準(zhǔn)直鏡再將約90%的光線反射到分光鏡，再一次經(jīng)過(guò)分光鏡衰減50%后，只剩下最初光線的22.5%成為最后的有效光線，實(shí)際上比22.5%還要低。由此可見(jiàn)，該類型顯示系統(tǒng)光線損失大，致使圖像亮度比較低。由于該系統(tǒng)屬于同軸光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)觀察者偏離光軸較遠(yuǎn)時(shí)，看到的圖像畸變較大，因此只適用于一個(gè)人觀察圖像。另外，從該類型顯示系統(tǒng)成像原理上還可以看出，其受外界雜散光線干擾大。因?yàn)榉止忡R本身也反射座艙內(nèi)的光線，會(huì)使圖像對(duì)比度降低。若座艙光線太亮，飛行員甚至可以看到自己的像。又受其本身結(jié)構(gòu)的限制，該類型顯示系統(tǒng)視

9、場(chǎng)角比較小，水平視場(chǎng)一般很難超過(guò)50，垂直視場(chǎng)難以超過(guò)35。在前幾年研制的一些運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)模擬器上，采用了該類型的顯示系統(tǒng)。隨著投影設(shè)備價(jià)格的降低，它已逐步被旁軸虛像顯示系統(tǒng)所替代。4.2旁軸虛像顯示旁軸虛像顯示系統(tǒng)，又稱為WIDEWide-Angle Infinity Display Equipment，廣角無(wú)限顯示設(shè)備)系統(tǒng)，主要由投影器、球面準(zhǔn)直鏡及后投影屏幕組成，如圖4所示。球面準(zhǔn)直鏡，一般是在精密光滑球面框架上用真空負(fù)壓一層反射膜來(lái)制成。后投影屏幕是曲面硬幕，一般由模具熱壓平板有機(jī)玻璃、再經(jīng)特殊的涂層工藝處理得到，要求其透射率高、漫投射效果好，屏幕背面的亮度比投影面一側(cè)高，并安放在

10、球面準(zhǔn)直鏡的焦平面上，這樣投影幕上的圖像通過(guò)球面準(zhǔn)直鏡就能成正立無(wú)限遠(yuǎn)虛像。該類型顯示系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。由于采用離軸方式，球面準(zhǔn)直鏡半徑可以比較大，一般可達(dá)33.5M，水平視場(chǎng)角可達(dá)150°220°，垂直視場(chǎng)可達(dá)40°50°。從其成像原理上可以看出，光線損失小，亮度比較高，產(chǎn)生的圖像可近似于空中的亮度。從其結(jié)構(gòu)上還可以發(fā)現(xiàn)，球面準(zhǔn)直鏡傾斜放置在飛行員前，眼點(diǎn)不在其光軸上，座艙附近的雜散光線不會(huì)通過(guò)鏡面反射到飛行員視場(chǎng)內(nèi)，而且當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離光軸時(shí)圖像畸變小。因而，飛行員頭位在座艙內(nèi)受限制小，并受外界雜散光線影響小，可適用于雙座機(jī)模擬器選用。從另一方面看，該

11、系統(tǒng)也存在一些需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。由于是旁軸型光學(xué)系統(tǒng)，即光學(xué)系統(tǒng)的物與所產(chǎn)生的像偏離光軸很遠(yuǎn)，因而光學(xué)系統(tǒng)不滿足近軸光學(xué)的公式和規(guī)律，必須合理地選擇后投射屏的位置和面形，以保證圖像的非線性失真最小。另外，由于虛像的放大率高、成像距離遠(yuǎn)，對(duì)球面準(zhǔn)直鏡的精度和表面光潔度要求比較高。4.3頭盔顯示典型的頭盔顯示系統(tǒng)，通過(guò)固定裝置將顯示系統(tǒng)固定在觀察者的頭部，在觀察者眼睛前方形成一幅完整圖像而使人產(chǎn)生浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)多采用該種設(shè)備。它主要由顯示部件、光學(xué)部件和外殼組成(如圖6所示)。其中，受本身體積、空間的限制，顯示部件一般采用高清晰度超薄液晶顯示器，它負(fù)責(zé)顯示由計(jì)算機(jī)輸出的圖形圖像，并放置在光學(xué)

12、部件(透鏡)一倍焦距以內(nèi)；外殼的主要作用，是支撐液晶顯示器和光學(xué)部件，阻擋佩帶者看到周圍環(huán)境，并使頭盔顯示器牢固的定位在頭上；光學(xué)部件為透鏡，用于產(chǎn)生放大虛像，若直接把液晶顯示器放在眼睛前面，圖像不能充滿整個(gè)錐形視場(chǎng)，能看到邊界，不能產(chǎn)生沉浸感。由此可見(jiàn)，頭盔顯示系統(tǒng)的基本原理，就是利用凸透鏡在一焦距內(nèi)可成與物同側(cè)的正立放大虛像，再通過(guò)人腦對(duì)左、右眼的圖像合成產(chǎn)生立體感。其實(shí)在實(shí)際運(yùn)用中要更為復(fù)雜，為了消除像差還要采用其他的光學(xué)部件進(jìn)行調(diào)整。此外，圖像的分辨率和放大倍數(shù)(視場(chǎng)角大小)是一對(duì)矛盾，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求進(jìn)行綜合權(quán)衡。該種顯示方式最大的特點(diǎn)是造價(jià)低、沉浸感強(qiáng)，但是技術(shù)復(fù)雜，還有許多

13、技術(shù)難點(diǎn)有待解決，目前還沒(méi)有完全達(dá)到實(shí)用化的水平，它是以后發(fā)展的方向。隨著各種具有高科技含量的傳感器件和光學(xué)器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以頭盔顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用將日益廣泛，傳統(tǒng)的各種顯示方式也將會(huì)面臨全方位的挑戰(zhàn)。5訓(xùn)練用飛行仿真器視景顯示方案的選擇5.1訓(xùn)練任務(wù)對(duì)視景顯示系統(tǒng)的需求分析訓(xùn)練用飛行仿真器最終要為飛行訓(xùn)練服務(wù)，因此顯示方案的選擇，要根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)的需要綜合權(quán)衡?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)背景下的軍事訓(xùn)練劃分更為細(xì)致，一般的飛行訓(xùn)練任務(wù)可分為基本駕駛術(shù)、火控武器使用和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練三大類。其中，基本駕駛術(shù)訓(xùn)練約占30%，主要包括儀表、編隊(duì)、特技等科目；火控武器使用訓(xùn)練，包括導(dǎo)彈、炸彈、航炮對(duì)空地投射等，約占40%；

14、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練包括中/近距空戰(zhàn)、護(hù)航、封鎖、支援、偵察及聯(lián)合演習(xí)等，約占30%。不同的訓(xùn)練任務(wù)，對(duì)視景顯示系統(tǒng)提出了不同的要求，經(jīng)分析、統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果見(jiàn)表1。表1訓(xùn)練任務(wù)對(duì)視景顯示系統(tǒng)的要求5.2各種顯示方案性能比較通過(guò)上述對(duì)不同類型顯示系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，可以看出各種顯示方案都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其主要性能綜合對(duì)比見(jiàn)表2。5.3選擇結(jié)論根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)背景下飛行訓(xùn)練任務(wù)的劃分，對(duì)表1和表2進(jìn)行對(duì)比分析，不難得到訓(xùn)練用飛行真器視景顯示方案的選擇方法：一是對(duì)于以基本駕駛術(shù)訓(xùn)練為主的仿真器，如轟、運(yùn)機(jī)型飛行仿真器，對(duì)圖像的視場(chǎng)角要求相對(duì)較小，但對(duì)圖像的景深要求較高，多采用旁軸虛像顯示和同軸虛像顯示。并且在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，采用旁軸虛像顯示系統(tǒng)效果會(huì)更好；二是對(duì)于以熟悉飛機(jī)基本操作訓(xùn)練和火控、雷達(dá)等武器設(shè)備訓(xùn)練為主的簡(jiǎn)易練習(xí)器，由于其功能相對(duì)比較單一，訓(xùn)練時(shí)重點(diǎn)依靠平顯和多功能綜合顯示器畫面獲取有用信息，對(duì)外部視景畫面要求不高，多采用造價(jià)低的實(shí)像平面窗口式顯示。此外，在一些大型綜合全任務(wù)飛行仿真系統(tǒng)中，通常設(shè)