CN104867184B

CN104867184B - 应用于飞行场景仿真的场景生成方法

Info

Publication number: CN104867184B
Application number: CN201510324351.2A
Authority: CN
Inventors: 刘连胜; 崔秀海; 蒙春城; 王晓龙; 彭宇; 彭喜元
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: CN104867184A

Abstract

应用于飞行场景仿真的场景生成模块及生成方法，涉及一种场景生成技术。是为了满足飞行场景仿真对高帧频、高分辨率的场景生成的需求，以及实现基于USB 3.0超高速接口的图像传输。它包括用于通过调用USB 3.0驱动程序实现基于USB 3.0接口的场景图像高速传输的USB传输步骤；用于通过调用图形API生成动态场景图像，图像的分辨率、颜色灰度以及目标移动速度通过人机界面设置的场景生成步骤；用于通过调用图形API显示场景生成单元生成的图像以及经USB传输单元接收到的场景图像的场景显示步骤。本发明适用于飞行场景仿真的场景生成。

Description

应用于飞行场景仿真的场景生成方法

技术领域

本发明涉及一种场景生成技术。

背景技术

随着航空航天技术在军事领域的广泛运用，精确制导武器得到迅猛发展。目标特征捕获系统是精确制导武器的关键组成部分，对其技术指标和性能起着至关重要的作用。目标特征捕获系统根据探测目标(飞机等)与背景之间的辐射特性差异，获取目标图像分布特征，进行光电转换形成目标与背景图像，通过对目标的自动搜索、识别和跟踪目标，从中提取目标位置与角速度等信息，反馈给精确制导武器。目标特征捕获系统的测试是其研制过程的重要组成部分，包括外场飞行测试与动态飞行场景仿真测试两种测试方法。由于外场实际飞行成本高、风险高、测试周期长，在外场飞行测试目标特征捕获系统之前，采用以计算机技术、信息处理技术与计算机图形学为基础的飞行场景仿真测试可以有效地缩短研发周期、降低研发成本、降低测试风险，为目标特征捕获系统的性能评价和改进提供分析依据。

动态飞行场景生成用以目标识别与特征捕获是飞行场景仿真的核心技术，具有良好的灵活性和通用性。动态场景生成系统依据目标数据(几何特性、光学特性等)及目标特征捕捉系统传感器参数(视场角等)完成光学系统和捕获系统的分析建模，实现具有场景辐射特性、目标几何特征与光学特性的场景建模仿真，从而在观测坐标系下生成场景图像。

在飞行场景仿真测试中，通常需要512×512分辨率、100FPS帧频的动态飞行场景图像，其传输速率要求不低于500Mbps。高帧频、高分辨率的动态飞行场景生成对图像显示的实时性和图像传输的高速率提出了挑战。

发明内容

本发明是为了满足飞行场景仿真对高帧频、高分辨率的场景生成的需求，以及实现基于USB 3.0超高速接口的图像传输，从而提出一种应用于飞行场景仿真的场景生成模块。

应用于飞行场景仿真的场景生成模块，它包括：

USB传输单元：用于通过调用USB 3.0驱动程序实现基于USB 3.0接口的场景图像高速传输；

场景生成单元：用于通过调用图形API生成动态场景图像；

图像的分辨率、颜色灰度以及目标移动速度通过人机界面设置；

场景显示单元：用于通过调用图形API显示场景生成单元生成的图像以及经USB传输单元接收到的场景图像。

应用于飞行场景仿真的场景生成方法，它包括：

用于通过调用USB 3.0驱动程序实现基于USB 3.0接口的场景图像高速传输的USB传输步骤；

用于通过调用图形API生成动态场景图像，图像的分辨率、颜色灰度以及目标移动速度通过人机界面设置的场景生成步骤；

用于通过调用图形API显示场景生成单元生成的图像以及经USB传输单元接收到的场景图像的场景显示步骤。

USB传输步骤中，USB传输方法为：

步骤一、通过读取驱动程序信息识别并获取USB设备数量；

步骤二、通过人机界面选择需要USB传输的端点；

步骤三、启动USB传输后进入传输流程，调用USB驱动程序传输数据；

步骤四、传输完成后退出USB传输，USB传输完成。

USB传输步骤中，对于传输的场景图像，传输长度为每帧图像的大小。

场景生成步骤中，场景生成的方法是：

步骤A、获取场景图像参数信息，包括图像分辨率、颜色灰度以及位移速度；

步骤B、根据图像分辨率、颜色灰度，调用OpenCV创建相应图像结构体；

步骤C、读取场景图像的目标与背景数据；

步骤D、根据位移速度计算目标位置，操作目标所在区域移动；

步骤E、根据目标与背景数据生成场景图像数据；

步骤F、若生成未结束，则再次根据位移计算目标位置并生成场景图像，直到生成结束。

场景生成步骤中，为了实现生成的动态场景图像帧频可配置，在计算目标位置时设置定时器，并在生成场景时根据配置帧频进行时间延迟。

步骤A中获取场景图像参数信息的步骤中，场景图像可配置的参数信息与可配置范围如下：

1)、分辨率：64×64ppi至1024×1024ppi；

2)、颜色灰度：4bit至32bit；

3)、帧频范围：50FPS至200FPS；

4)、移动速率：即每帧目标位移。

场景显示步骤中，场景显示的方法为：

步骤A1、场景显示单元启动时，利用Windows Forms的多线程类库创建并启动场景显示线程；

步骤A2、在场景显示线程中创建图像结构体与显示窗口；

步骤A3、将需要显示的图像数据传递给显示线程中创建的图像结构体；

步骤A4、调用OpenCV显示场景图像并保持1ms；

步骤A5、显示未结束，则继续讲需要显示的图像数据传递给显示图像结构体并显示，否则释放占用内存，销毁显示窗口。

场景显示步骤中，为了实现显示的动态场景图像帧频可配置，在传递场景图像时设置定时器，并在显示场景图像时根据配置帧频进行时间延迟，帧频范围为50～200FPS。

本发明满足了飞行场景仿真对高帧频、高分辨率的场景生成的需求，并且能够实现基于USB 3.0超高速接口的图像传输。

取得的技术效果主要有：

1)、本发明的生成场景图像分辨率可配置，图像分辨率范围：64×64～1024×1024；

2)、本发明生成场景图像颜色灰度可配置，颜色灰度范围：4～32；

3)、本发明生成动态场景图像帧频可配置，帧频范围：50～200；

4)、本发明生成场景目标可移动，其移动速度可配置；

5)、本发明可与飞行场景仿真硬件平台图像注入模块对接实现图像传输，发送与接收速率可达1Gbps，发送即接收环路传输速率可达450Mbps。

附图说明

图1是本发明的软构架框图；

图2是基于CyAPI.lib链接库的USB传输单元软件结构；

图3是USB传输单元的工作流程示意图；

图4是场景生成单元工作流程示意图；

图5是场景显示单元工作流程示意图；

图6是场景生成软件环路工作流程示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、应用于飞行场景仿真的场景生成模块，本发明以MicrosoftVisual Studio 2008的Windows Forms Application为开发环境，以C/C++高级编程语言设计实现一种应用于飞行场景仿真的场景生成软件，并调用USB 3.0驱动程序实现基于USB3.0接口的场景图像高速传输。

场景生成软件结构框图如图1所示。它主要包括：

1)、USB传输单元：通过调用USB 3.0驱动程序实现基于USB 3.0接口的场景图像高速传输；

2)、场景生成单元：通过调用图形API生成动态场景图像，图像的分辨率、颜色灰度以及目标(飞机等)移动速度可通过人机界面设置；

3)、场景显示单元：通过调用图形API显示场景生成单元生成的图像以及经USB传输单元接收到的场景图像。

1、USB传输单元

由于该场景生成软件应用于飞行场景仿真，其硬件平台图像注入模块的USB 3.0接口以CYPRESS公司的FX3芯片设计实现，CYPRESS公司提供了USB 3.0接口的驱动程序CyUSB.sys以及驱动程序高级编程接口：基于C++库的CyAPI.lib链接库。通过调用编程接口实现USB传输单元的编程设计。基于CyAPI.lib链接库的USB传输单元软件结构如图2所示。

USB传输单元不单独区分发送和接收，仅通过传输端点的选取实现发送与接收功能，其工作流程如图3所示：

1)、通过读取驱动程序信息识别并获取USB设备数量；

2)、通过人机界面选择需要USB传输的端点；

3)、启动USB传输后进入传输流程，调用USB驱动程序传输数据；

4)、传输完成后退出USB传输，传输单元工作完成。

场景生成软件中USB传输单元用于传输场景图像，其传输长度为每帧图像的大小。

2、场景生成单元

OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是一个基于(开源)发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。它轻量级而且高效——由一系列C函数和少量C++类构成，同时提供Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。OpenCV致力于真实世界的实时应用，通过优化的C代码的编写对其执行速度带来了可观的提升，并且可以通过购买Intel的IPP高性能多媒体函数库(Integrated Performance Primitives)得到更快的处理速度，广泛应用于目标识别、运动跟踪与分析等与飞行场景仿真密切相关的领域。本设计选择OpenCV作为图形生成与显示API。

场景生成单元通过调用OpenCV实现，OpenCV利用结构体操作图像数据，其工作流程如图4所示：

1)、获取场景图像参数信息，包括图像分辨率、颜色灰度以及位移速度等；

2)、根据图像分辨率、颜色灰度，调用OpenCV创建相应图像结构体；

3)、读取场景图像的目标(飞机等)与背景数据；

4)、根据位移速度计算目标位置，操作目标所在区域移动；

5)、根据目标与背景数据生成场景图像数据；

6)、若生成未结束，则再次根据位移计算目标位置并生成场景图像，直到生成结束；

7)、为了实现生成的动态场景图像帧频可配置，需要在计算目标位置时设置定时器，并在生成场景时根据配置帧频延迟一定时间。

场景图像可配置的参数信息与可配置范围如下：

1)、分辨率：64×64～1024×1024ppi；

2)、颜色灰度：4～32bit；

3)、帧频范围：50～200FPS；

4)、移动速率：即每帧目标位移。

3、场景显示单元

由于场景显示占用CPU资源较多，若在场景生成单元或USB传输单元工作时将生成或接收的图像显示到显示屏，严重影响场景生成单元的工作效率并降低USB传输速率。基于以上考虑，本设计采用了多线程编程技术设计实现场景显示单元。

线程是程序中一个单一的顺序控制流程，在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。具有多核CPU的计算机能够在同一时间执行多个线程，进而提升整体处理性能。

场景显示单元工作流程如图5所示：

1)、场景显示单元启动时，利用Windows Forms的多线程类库创建并启动场景显示线程；

2)、在场景显示线程中创建图像结构体与显示窗口；

3)、将需要显示的图像数据传递给显示线程中创建的图像结构体；

4)、调用OpenCV显示场景图像并保持1ms；

5)、显示未结束则继续讲需要显示的图像数据传递给显示图像结构体并显示，否则释放占用内存，销毁显示窗口；

6)、为了实现显示的动态场景图像帧频可配置，需要在传递场景图像时设置定时器，并在显示场景图像时根据配置帧频延迟一定时间，帧频范围为50～200FPS。

具体实施例：

场景生成软件场景生成与显示环路的工作流程如图6所示：

1)、配置场景生成参数：分辨率、颜色灰度、帧频以及目标位移速度；

2)、场景生成单元根据配置参数生成场景图像；

3)、每帧场景图像生成即调用USB传输单元发送场景图像；

4)、USB传输单元接收场景图像；

5)、场景显示单元根据配置帧频显示场景图像。

Claims

1.应用于飞行场景仿真的场景生成方法，该方法包括：

用于通过调用图形API显示场景生成单元生成的图像以及经USB传输单元接收到的场景图像的场景显示步骤；

其特征在于场景生成步骤中，场景生成的方法是：

步骤C、读取场景图像的目标与背景数据；

步骤E、根据目标与背景数据生成场景图像数据；

2.根据权利要求1所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于USB传输步骤中，USB传输方法为：

步骤一、通过读取驱动程序信息识别并获取USB设备数量；

步骤二、通过人机界面选择需要USB传输的端点；

步骤四、传输完成后退出USB传输，USB传输完成。

3.根据权利要求2所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于USB传输步骤中，对于传输的场景图像，传输长度为每帧图像的大小。

4.根据权利要求1所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于场景生成步骤中，为了实现生成的动态场景图像帧频可配置，在计算目标位置时设置定时器，并在生成场景时根据配置帧频进行时间延迟。

5.根据权利要求4所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于步骤A中获取场景图像参数信息的步骤中，场景图像可配置的参数信息与可配置范围如下：

1)、分辨率：64×64ppi至1024×1024ppi；

2)、颜色灰度：4bit至32bit；

3)、帧频范围：50FPS至200FPS；

4)、移动速率：即每帧目标位移。

6.根据权利要求5所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于场景显示步骤中，场景显示的方法为：

步骤A2、在场景显示线程中创建图像结构体与显示窗口；

步骤A4、调用OpenCV显示场景图像并保持1ms；

7.根据权利要求6所述的应用于飞行场景仿真的场景生成方法，其特征在于场景显示步骤中，为了实现显示的动态场景图像帧频可配置，在传递场景图像时设置定时器，并在显示场景图像时根据配置帧频进行时间延迟，帧频范围为50FPS～200FPS。