一種曲面三維圖符顯示生成方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種曲面三維圖符顯示生成方法，對(duì)于不可失真顯示的圖形圖符，采用曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎生成；對(duì)于可失真顯示的圖形圖符，采用平面屏幕圖形生成法生成，并對(duì)生成的圖符進(jìn)行失真程度評(píng)估，失真程度超過(guò)了飛行員可識(shí)別范圍和可接受程度的失真圖形，則采用針對(duì)曲面屏幕的單視點(diǎn)透視生成引擎進(jìn)行顯示。本發(fā)明針對(duì)有限顯示器面積和大量顯示信息顯示相矛盾的現(xiàn)實(shí)，結(jié)合失真與非失真顯示圖形引擎的不同特點(diǎn)，有效增加曲面顯示系統(tǒng)的單位有效信息顯示容量，體現(xiàn)出飛機(jī)座艙曲面顯示系統(tǒng)的優(yōu)越性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種曲面三維圖符顯示生成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種曲面圖形成像引擎，具體是一種大屏幕曲面顯示系統(tǒng)圖形生成方 法，應(yīng)用于座艙顯示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 沉浸式虛擬座艙是下一代座艙顯示系統(tǒng)的發(fā)展方向，其目的是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 使用各種硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件及交互，使參與者能交互式地觀察 和操控系統(tǒng)生成的虛擬世界。從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)"I 3"來(lái)描 述其特征，這就是"沉浸（Inversion)"、"交互（Interaction)"和"現(xiàn)場(chǎng)（Imagination)"。曲 面全視角顯示和三維顯示是虛擬其主要關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬場(chǎng)景繪制技術(shù)/圖形圖像生成技術(shù)有兩類(lèi)：
[0004] 1)基于幾何模型建模生成技術(shù)
[0005]繪制過(guò)程中涉及到復(fù)雜的幾何建模、消隱和光度計(jì)算。在給出場(chǎng)景的三維模型之 后，為了使虛擬環(huán)境看上去更加逼真，還需要給各個(gè)模型施加各種紋理、顏色與反射屬性。 幾何建模描述的對(duì)象的三維造型（多邊形、三角形和頂點(diǎn)）及其外觀(紋理、表面數(shù)據(jù)反射系 數(shù)、顏色等），在虛擬場(chǎng)景生成、顯示和漫游過(guò)程中，涉及到復(fù)雜的幾何變換、剪裁、光源和光 照屬性的變換，這些都需要大量的計(jì)算資源。
[0006] 2)基于圖像的圖形繪制技術(shù)(IBR技術(shù)）
[0007] 由于真實(shí)場(chǎng)景的圖片在計(jì)算機(jī)內(nèi)表現(xiàn)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的像素圖像，沒(méi)有三維幾何信 息，沒(méi)有光照信息，雖然圖像好看，易于獲取，但圖像往往只能反映真實(shí)場(chǎng)景的某個(gè)角度的 視覺(jué)特征，當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)視角時(shí)，無(wú)法由單幅圖像看到其他角度的場(chǎng)景。因此，雖然這種基于 真實(shí)圖像場(chǎng)景構(gòu)造的想法很直接，但一直沒(méi)有引起大家的深入研究，直到由Apple公司推出 的QuickTime VR系統(tǒng)，它是一個(gè)基于柱面全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)須知道圖像 的三維幾何信息，但可以支持用戶(hù)在虛擬環(huán)境中360°環(huán)視、沿固定路線(xiàn)前進(jìn)與后退等漫游 操作，而且用戶(hù)看到的都是高質(zhì)量的真實(shí)照片。從此，學(xué)術(shù)界確認(rèn)了 IBR的學(xué)術(shù)地位，并引起 全球研究熱潮。
[0008] 下一代飛機(jī)座艙顯控系統(tǒng)中，界面視圖生成可來(lái)自?xún)煞矫鎯?nèi)容，如提示飛行信息 等圖符要素，可由基于幾何模型建模生成技術(shù)生成；由分布式光電孔徑系統(tǒng)拍攝的360°周 身影像顯示，可由基于圖像的圖形繪制技術(shù)（IBR技術(shù))生成。因而需要針對(duì)飛機(jī)座艙曲面顯 示系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究?jī)深?lèi)圖像圖符的生成技術(shù)。針對(duì)不同顯示系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和組成，圖符 圖形生成引擎的設(shè)計(jì)和校正就存在不同方法。
[0009] 在I3顯示系統(tǒng)的硬件構(gòu)型和組成上，一般根據(jù)使用用途、技術(shù)指標(biāo)采用不同的系 統(tǒng)方案，如柱面環(huán)幕顯示、球幕顯示、頭盔顯示、球幕顯示和立體成像顯示。其中頭盔顯示能 夠使得視景的逼真度和視場(chǎng)范圍達(dá)到最好，但是技術(shù)復(fù)雜，還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的程度。其它 采用曲面環(huán)幕幕+頭位跟蹤+注視區(qū)顯示。
[0010] 其中視景/圖形生成系統(tǒng)是顯示系統(tǒng)的核心，它用來(lái)為飛機(jī)飛行員生成相應(yīng)飛行 信息和座艙外景象，它決定圖形生成的更新率、圖形分辨率、圖形復(fù)雜程度和圖形質(zhì)量。目 前在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，針對(duì)任意曲面大屏幕顯示系統(tǒng)應(yīng)用，存在圖形引擎的生成算法 過(guò)于復(fù)雜而且只能針對(duì)典型柱面和球面屏幕應(yīng)用情況，對(duì)任意曲面大屏幕圖形圖符生成的 應(yīng)用還存在局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種曲面三維圖符顯示生成方法，根據(jù)飛 機(jī)座艙信息的顯示需求，針對(duì)有限顯示器面積和大量顯示信息顯示相矛盾的現(xiàn)實(shí)，結(jié)合失 真與非失真顯示圖形引擎的不同特點(diǎn)，有效增加曲面顯示系統(tǒng)的單位有效信息顯示容量， 體現(xiàn)出飛機(jī)座艙曲面顯示系統(tǒng)的優(yōu)越性。
[0012] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0013] 步驟1，對(duì)于不可失真顯示的圖形圖符，采用曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎生成；
[0014] 步驟2,對(duì)于可失真顯示的圖形圖符，采用平面屏幕圖形生成法，即這些圖形圖符 在曲面成像系統(tǒng)中的生成依舊沿用原有平面屏幕的圖形引擎；
[0015] 步驟3,對(duì)步驟2中在曲面顯示器上生成的圖符進(jìn)行失真程度評(píng)估，判斷失真圖形 在視場(chǎng)中的正投影面積與視距的比值1^是否大于給定閥值a;計(jì)算失真圖形的長(zhǎng)度空間距 離AB、寬度空間距離BC以及該圖形對(duì)應(yīng)的非失真圖形的長(zhǎng)度空間距離AB'、寬度空間距離B' C'，
-是否小于給定閥值b;若ki小于給定閥值a或k2 大于給定閥值b，則認(rèn)為失真圖形的失真程度超過(guò)了飛行員可識(shí)別范圍和可接受程度，采用 針對(duì)曲面屏幕的單視點(diǎn)透視生成引擎進(jìn)行顯示。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是:針對(duì)飛機(jī)座艙曲面顯示系統(tǒng)全套非失真顯示方法的有效顯 示面積相較平面屏幕無(wú)明顯提高的情況，本發(fā)明改進(jìn)了原有的技術(shù)方案，針對(duì)有限顯示器 面積和大量顯示信息顯示相矛盾的現(xiàn)實(shí)，根據(jù)失真與非失真顯示信息的顯示需求，以及失 真與非失真顯示圖形引擎的不同特點(diǎn)，基于飛行員對(duì)失真圖符進(jìn)行信息捕獲的失真程度可 接受閥值，提出了針對(duì)失真與非失真顯示圖符采用不同的圖形引擎，以提升曲面顯示系統(tǒng) 的單位面積信息顯示容量，最終真正體現(xiàn)出飛機(jī)座艙曲面顯示系統(tǒng)的優(yōu)越性。針對(duì)曲面顯 示系統(tǒng)，采用如圖2所示的多圖形引擎（多視點(diǎn)）生成圖形，可以實(shí)現(xiàn)可接受程度的失真顯 示，其有效顯示面積S 1;全部采用如圖3所示的曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎生成圖形，可 以實(shí)現(xiàn)全部無(wú)失真顯示，其有效顯示面積&。很顯然Si〉％，對(duì)于相同顯示面積sp的圖形圖
，即前者信息顯示容量大于后者。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是成像與觀察視場(chǎng)示意圖；
[0018] 圖2是曲面多圖形引擎(多視點(diǎn))投影圖；
[0019] 圖3是曲面單視點(diǎn)成像圖；
[0020]圖4是正投影面積不例圖；
[0021 ]圖5是圖符顯示比例示意圖；
[0022] 圖6是平面屏幕成像圖；
[0023] 圖7是曲面屏幕成像圖；
[0024]圖8是本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施 例。
[0026] 座艙大屏幕曲面顯示系統(tǒng)的圖形生成系統(tǒng)需要面對(duì)兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是曲面成像失 真的校正問(wèn)題，一個(gè)是大屏幕圖像的拼接顯示問(wèn)題。本文針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，發(fā)明提出了在同 一套成像系統(tǒng)中，針對(duì)具有不同失真度要求的圖形圖符顯示，采用不同圖形引擎分別進(jìn)行 生成的技術(shù)，同時(shí)提出了曲面顯示系統(tǒng)中失真程度評(píng)估方法。具體提出了以下內(nèi)容：
[0027]圖形成像系統(tǒng)一般基于線(xiàn)性透視成像原理即正投影成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非失真圖形生 成，此系統(tǒng)如圖1所示，該成像系統(tǒng)相對(duì)屏幕進(jìn)行垂直正投影，而觀察視點(diǎn)就在成像焦點(diǎn)附 近可接受的范圍內(nèi)，其所成像AB與觀察視點(diǎn)觀察到的像A'B'基本一致，之間的差異可以忽 略。目前主流的平面屏幕的圖形引擎就是基于此種原理進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)曲面屏幕應(yīng)用 同樣可采用如圖3所示的單視點(diǎn)透視成像法，但相對(duì)曲面屏幕而言該透視不再是線(xiàn)性關(guān)系。
[0028] 當(dāng)觀察視點(diǎn)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)范圍后，如圖4所示，或者采用曲面顯示器而圖形成像引擎依 舊沿用原有平面屏幕的圖形引擎，如圖5所示，必然會(huì)造成成像系統(tǒng)圖像焦點(diǎn)與觀察視點(diǎn)的 分離，因而造成了不同程度的失真。
[0029] 針對(duì)曲面屏幕無(wú)失真圖符圖形生成應(yīng)用，基于基本透視成像方法在觀察視點(diǎn)處采 用單視點(diǎn)透視生成。如圖3所示，采用此種圖形圖符生成方法，因?yàn)槿搜垡暰W(wǎng)膜面積固定而 言，生成具有相同正投影面積和數(shù)量圖符的畫(huà)面，曲面顯示系統(tǒng)與平面顯示系統(tǒng)是一致的， 并無(wú)實(shí)際有效顯示面積s 2(顯示信息)無(wú)增加，而且提高了圖形引擎的生成算法復(fù)雜度。
[0030] 針對(duì)曲面顯示系統(tǒng)中單視點(diǎn)透視成像生成方法的局限性，考慮到座艙顯示系統(tǒng)中 存在不可失真顯示圖符和可失真顯示圖符信息兩類(lèi)需求，本發(fā)明提出了按此兩類(lèi)失真顯示 需求分別設(shè)計(jì)圖形成像引擎的方法：
[0031] 1)對(duì)于不可失真顯示的圖符圖形（如引導(dǎo)信息、瞄準(zhǔn)信息、圖像增強(qiáng)信息）必須采 用如圖1、圖3所示的曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎生成，防止圖符顯示失真；
[0032] 2)對(duì)于可失真要求的圖形生成可采用如圖2所示的多圖形引擎（多視點(diǎn)）生成法， 即采用曲面顯示器而圖形成像引擎依舊沿用原有平面屏幕的圖形引擎。因?yàn)榇怪庇陲@示屏 幕的正投影成像(成像于無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行透視)具有占用最小顯示面積優(yōu)點(diǎn)：一方面利用該 圖形引擎生成算法可有效利用曲面顯示器件的實(shí)際顯示面積，體現(xiàn)了曲面顯示系統(tǒng)有效顯 示面積 S1大的優(yōu)點(diǎn)；另一方面可簡(jiǎn)化圖形引擎的生成算法復(fù)雜度，無(wú)需對(duì)座艙曲面顯示系 統(tǒng)中的所有圖符和圖形進(jìn)行失真校正。
[0033] 3)但如果視場(chǎng)中可失真顯示信息圖符的失真程度超過(guò)了飛行員的識(shí)別范圍，就需 要采用曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎對(duì)其進(jìn)行失真校正。
[0034] 本發(fā)明針對(duì)"對(duì)于可失真要求的圖形生成采用多視點(diǎn)圖形生成法"的曲面顯示方 法，提出了失真程度判別依據(jù)和方法：
[0035] 可失真圖符信息的飛行員準(zhǔn)確捕獲必須滿(mǎn)足兩點(diǎn)基本要求，其一是圖符在視場(chǎng)中 的正投影面積需要滿(mǎn)足信息捕獲的空間分辨率要求，即圖符在顯示器上的正投影顯示面積 與視距的比值需要大于人眼進(jìn)行信息捕獲要求;其二是圖符在視場(chǎng)中的長(zhǎng)寬比例保持一定 的保真度，保證圖符自身顯示信息不丟失。
[0036] 1)圖符在視場(chǎng)中的正投影面積表征了圖符在人眼中所占視場(chǎng)大小，需要滿(mǎn)足信息 人眼捕獲的空間分辨率要求。
[0037] 當(dāng)觀察視點(diǎn)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)范圍后，造成成像系統(tǒng)圖像焦點(diǎn)與觀察視點(diǎn)的分離現(xiàn)象。對(duì) 于二維圖符其本身就是成像對(duì)象，自身顯示比例失真程度一般可忽略，主要影響為圖符在 視場(chǎng)中的正投影面積，如圖4所示。為滿(mǎn)足飛行員的正常信息捕獲，圖符AB在視場(chǎng)中的正投 影面積A'B'與視距的比值1^需大于給定閥值a。
[0039] 2)圖符在視場(chǎng)中的顯示比例需要保持一定保真度，防止畸變。
[0040]當(dāng)采用曲面顯示器而圖形成像引擎依舊沿用原有平面屏幕的圖形引擎，如圖5所 示，生成的曲面圖形根據(jù)顯示器局部曲率不同而存在不同的局部焦點(diǎn)（即不同觀察視點(diǎn)）， 這必然造成實(shí)際人眼單視點(diǎn)觀察與實(shí)際成像圖像多焦點(diǎn)/視點(diǎn)的分離。特別對(duì)于大曲率顯 示屏或者非平滑過(guò)渡顯示屏，該現(xiàn)象一個(gè)主要影響為圖符在視場(chǎng)中的顯示比例失真嚴(yán)重， 如圖7所示。
[0041]圖5中以成像曲面ADEF和理想投影平面xoy的交線(xiàn)向上為y軸，以投影區(qū)域的水平 中線(xiàn)向右為X軸，建立坐標(biāo)系X0y。透視系統(tǒng)從投影儀位置向理想投影平面X0y正投影生成了 非失真的圖符AB'C'D，當(dāng)按原有平面屏幕的圖形引擎直接在曲面ADEF上進(jìn)行顯示時(shí)，觀察 到的圖符為ABCD(ABCD可能由于畸變效應(yīng)是非矩形）。相對(duì)非失真圖符，本文提出圖符顯示 比例失真度1?的定義為，成像圖符的長(zhǎng)度空間距離AB與寬度空間距離BC比值與非失真圖符 AB'C'D的比例。
[0043]為滿(mǎn)足飛行員的正常信息捕獲，圖符顯示比值失真1?需小于給定閥值b。
[0044] k2<b
[0045] 當(dāng)在曲面顯示屏上某部分范圍顯示的可失真圖符的失真度量k#Pk2超過(guò)(ki表征 了圖形圖符從指定視點(diǎn)處觀察的正面投影面積，不能過(guò)小，防止眼睛看不清。k 2表征了圖形 圖符的長(zhǎng)寬比失真度，過(guò)大即為圖形扭曲。）給定閥值，則需要對(duì)此范圍顯示圖符進(jìn)行失真 校正修正其程度。
[0046] 為了對(duì)所采用圖形引擎在給定曲面上生成圖形的失真程度進(jìn)行定量評(píng)估，依據(jù)上 文提出的失真判據(jù)，本發(fā)明提出了進(jìn)行失真程度測(cè)量方法：
[0047] 1)使用平面圖形引擎在平面屏幕上生成"規(guī)劃的均勻正方形標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格"，作為1^失 真指標(biāo)的面積比較標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示；
[0048] 2)使用平面圖形引擎在給定曲面屏幕上生成"規(guī)劃的均勻正方形標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格"；
[0049] 3)從系統(tǒng)設(shè)定的視點(diǎn)方向上對(duì)曲面生成圖像進(jìn)行拍攝照片;模擬人眼視場(chǎng)捕獲， 記錄人眼視場(chǎng)中各類(lèi)視線(xiàn)的分布情況，如圖7所示。
[0050] 4)對(duì)照片中的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行投影計(jì)算和失真計(jì)算。
[0051] 照片記錄了曲面顯示器各顯示區(qū)域在視場(chǎng)中的顯示效果，照片區(qū)域與顯示區(qū)域存 在映射對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)照片中的網(wǎng)格按順序進(jìn)行編號(hào)，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算其正投影面積失真指 標(biāo)匕和顯示比例失真指標(biāo)k2情況;統(tǒng)計(jì)并聚合出超過(guò)給定指標(biāo)閥值的網(wǎng)格，該區(qū)域即為失真 嚴(yán)重需要進(jìn)行失真修正的區(qū)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種曲面Ξ維圖符顯示生成方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟1，對(duì)于不可失真顯示的圖形圖符，采用曲面屏幕單視點(diǎn)透視生成引擎生成； 步驟2,對(duì)于可失真顯示的圖形圖符，采用平面屏幕圖形生成法生成； 步驟3,對(duì)步驟2中在曲面顯示器上生成的圖符進(jìn)行失真程度評(píng)估，判斷失真圖形在視 場(chǎng)中的正投影面積與視距的比值ki是否大于給定閥值a;計(jì)算失真圖形的長(zhǎng)度空間距離ΑΒ、 寬度空間距離BCW及該圖形對(duì)應(yīng)的非失真圖形的長(zhǎng)度空間距離AB'、寬度空間距離B'C'，判 斷比隹是否小于給定閥值b;若ki小于給定閥值a或k2大于 給定閥值b，則認(rèn)為失真圖形的失真程度超過(guò)了飛行員可識(shí)別范圍和可接受程度，采用針對(duì) 曲面屏幕的單視點(diǎn)透視生成引擎進(jìn)行顯示。
【文檔編號(hào)】G06F3/14GK106095371SQ201610435894
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】金曉南, 張堃
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電電子研究所, 西北工業(yè)大學(xué)