CN106095371A - 一种曲面三维图符显示生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲面三维图符显示生成方法，对于不可失真显示的图形图符，采用曲面屏幕单视点透视生成引擎生成；对于可失真显示的图形图符，采用平面屏幕图形生成法生成，并对生成的图符进行失真程度评估，失真程度超过了飞行员可识别范围和可接受程度的失真图形，则采用针对曲面屏幕的单视点透视生成引擎进行显示。本发明针对有限显示器面积和大量显示信息显示相矛盾的现实，结合失真与非失真显示图形引擎的不同特点，有效增加曲面显示系统的单位有效信息显示容量，体现出飞机座舱曲面显示系统的优越性。

Description

一种曲面三维图符显示生成方法

技术领域

本发明涉及一种曲面图形成像引擎，具体是一种大屏幕曲面显示系统图形生成方法，应用于座舱显示系统。

背景技术

沉浸式虚拟座舱是下一代座舱显示系统的发展方向，其目的是通过虚拟现实技术使用各种硬件技术和软件技术，设计出合理的硬件、软件及交互，使参与者能交互式地观察和操控系统生成的虚拟世界。从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I³”来描述其特征，这就是“沉浸(Inversion)”、“交互(Interaction)”和“现场(Imagination)”。曲面全视角显示和三维显示是虚拟其主要关键技术。

虚拟现实中的虚拟场景绘制技术/图形图像生成技术有两类：

1)基于几何模型建模生成技术

绘制过程中涉及到复杂的几何建模、消隐和光度计算。在给出场景的三维模型之后，为了使虚拟环境看上去更加逼真，还需要给各个模型施加各种纹理、颜色与反射属性。几何建模描述的对象的三维造型(多边形、三角形和顶点)及其外观(纹理、表面数据反射系数、颜色等)，在虚拟场景生成、显示和漫游过程中，涉及到复杂的几何变换、剪裁、光源和光照属性的变换，这些都需要大量的计算资源。

2)基于图像的图形绘制技术(IBR技术)

由于真实场景的图片在计算机内表现为点阵结构的像素图像，没有三维几何信息，没有光照信息，虽然图像好看，易于获取，但图像往往只能反映真实场景的某个角度的视觉特征，当用户移动视角时，无法由单幅图像看到其他角度的场景。因此，虽然这种基于真实图像场景构造的想法很直接，但一直没有引起大家的深入研究，直到由Apple公司推出的QuickTime VR系统，它是一个基于柱面全景图像的虚拟现实系统，该系统无须知道图像的三维几何信息，但可以支持用户在虚拟环境中360°环视、沿固定路线前进与后退等漫游操作，而且用户看到的都是高质量的真实照片。从此，学术界确认了IBR的学术地位，并引起全球研究热潮。

下一代飞机座舱显控系统中，界面视图生成可来自两方面内容，如提示飞行信息等图符要素，可由基于几何模型建模生成技术生成；由分布式光电孔径系统拍摄的360°周身影像显示，可由基于图像的图形绘制技术(IBR技术)生成。因而需要针对飞机座舱曲面显示系统的特点，研究两类图像图符的生成技术。针对不同显示系统的硬件架构和组成，图符图形生成引擎的设计和校正就存在不同方法。

在I³显示系统的硬件构型和组成上，一般根据使用用途、技术指标采用不同的系统方案，如柱面环幕显示、球幕显示、头盔显示、球幕显示和立体成像显示。其中头盔显示能够使得视景的逼真度和视场范围达到最好，但是技术复杂，还没有达到实用化的程度。其它采用曲面环幕幕+头位跟踪+注视区显示。

其中视景/图形生成系统是显示系统的核心，它用来为飞机飞行员生成相应飞行信息和座舱外景象，它决定图形生成的更新率、图形分辨率、图形复杂程度和图形质量。目前在虚拟现实系统实现中，针对任意曲面大屏幕显示系统应用，存在图形引擎的生成算法过于复杂而且只能针对典型柱面和球面屏幕应用情况，对任意曲面大屏幕图形图符生成的应用还存在局限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种曲面三维图符显示生成方法，根据飞机座舱信息的显示需求，针对有限显示器面积和大量显示信息显示相矛盾的现实，结合失真与非失真显示图形引擎的不同特点，有效增加曲面显示系统的单位有效信息显示容量，体现出飞机座舱曲面显示系统的优越性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，对于不可失真显示的图形图符，采用曲面屏幕单视点透视生成引擎生成；

步骤2，对于可失真显示的图形图符，采用平面屏幕图形生成法，即这些图形图符在曲面成像系统中的生成依旧沿用原有平面屏幕的图形引擎；

步骤3，对步骤2中在曲面显示器上生成的图符进行失真程度评估，判断失真图形在视场中的正投影面积与视距的比值k₁是否大于给定阀值a；计算失真图形的长度空间距离AB、宽度空间距离BC以及该图形对应的非失真图形的长度空间距离AB'、宽度空间距离B'C'，判断比值是否小于给定阀值b；若k₁小于给定阀值a或k₂大于给定阀值b，则认为失真图形的失真程度超过了飞行员可识别范围和可接受程度，采用针对曲面屏幕的单视点透视生成引擎进行显示。

本发明的有益效果是：针对飞机座舱曲面显示系统全套非失真显示方法的有效显示面积相较平面屏幕无明显提高的情况，本发明改进了原有的技术方案，针对有限显示器面积和大量显示信息显示相矛盾的现实，根据失真与非失真显示信息的显示需求，以及失真与非失真显示图形引擎的不同特点，基于飞行员对失真图符进行信息捕获的失真程度可接受阀值，提出了针对失真与非失真显示图符采用不同的图形引擎，以提升曲面显示系统的单位面积信息显示容量，最终真正体现出飞机座舱曲面显示系统的优越性。针对曲面显示系统，采用如图2所示的多图形引擎(多视点)生成图形，可以实现可接受程度的失真显示，其有效显示面积S₁；全部采用如图3所示的曲面屏幕单视点透视生成引擎生成图形，可以实现全部无失真显示，其有效显示面积S₂。很显然S₁＞S₂，对于相同显示面积sp的图形图符具有即前者信息显示容量大于后者。

附图说明

图1是成像与观察视场示意图；

图2是曲面多图形引擎(多视点)投影图；

图3是曲面单视点成像图；

图4是正投影面积示例图；

图5是图符显示比例示意图；

图6是平面屏幕成像图；

图7是曲面屏幕成像图；

图8是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

座舱大屏幕曲面显示系统的图形生成系统需要面对两个问题，一个是曲面成像失真的校正问题，一个是大屏幕图像的拼接显示问题。本文针对第一个问题，发明提出了在同一套成像系统中，针对具有不同失真度要求的图形图符显示，采用不同图形引擎分别进行生成的技术，同时提出了曲面显示系统中失真程度评估方法。具体提出了以下内容：

图形成像系统一般基于线性透视成像原理即正投影成像系统实现非失真图形生成，此系统如图1所示，该成像系统相对屏幕进行垂直正投影，而观察视点就在成像焦点附近可接受的范围内，其所成像AB与观察视点观察到的像A'B'基本一致，之间的差异可以忽略。目前主流的平面屏幕的图形引擎就是基于此种原理进行设计实现。针对曲面屏幕应用同样可采用如图3所示的单视点透视成像法，但相对曲面屏幕而言该透视不再是线性关系。

当观察视点远离设计范围后，如图4所示，或者采用曲面显示器而图形成像引擎依旧沿用原有平面屏幕的图形引擎，如图5所示，必然会造成成像系统图像焦点与观察视点的分离，因而造成了不同程度的失真。

针对曲面屏幕无失真图符图形生成应用，基于基本透视成像方法在观察视点处采用单视点透视生成。如图3所示，采用此种图形图符生成方法，因为人眼视网膜面积固定而言，生成具有相同正投影面积和数量图符的画面，曲面显示系统与平面显示系统是一致的，并无实际有效显示面积s₂(显示信息)无增加，而且提高了图形引擎的生成算法复杂度。

针对曲面显示系统中单视点透视成像生成方法的局限性，考虑到座舱显示系统中存在不可失真显示图符和可失真显示图符信息两类需求，本发明提出了按此两类失真显示需求分别设计图形成像引擎的方法：

1)对于不可失真显示的图符图形(如引导信息、瞄准信息、图像增强信息)必须采用如图1、图3所示的曲面屏幕单视点透视生成引擎生成，防止图符显示失真；

2)对于可失真要求的图形生成可采用如图2所示的多图形引擎(多视点)生成法，即采用曲面显示器而图形成像引擎依旧沿用原有平面屏幕的图形引擎。因为垂直于显示屏幕的正投影成像(成像于无穷远处的平行透视)具有占用最小显示面积优点：一方面利用该图形引擎生成算法可有效利用曲面显示器件的实际显示面积，体现了曲面显示系统有效显示面积s₁大的优点；另一方面可简化图形引擎的生成算法复杂度，无需对座舱曲面显示系统中的所有图符和图形进行失真校正。

3)但如果视场中可失真显示信息图符的失真程度超过了飞行员的识别范围，就需要采用曲面屏幕单视点透视生成引擎对其进行失真校正。

本发明针对“对于可失真要求的图形生成采用多视点图形生成法”的曲面显示方法，提出了失真程度判别依据和方法：

可失真图符信息的飞行员准确捕获必须满足两点基本要求，其一是图符在视场中的正投影面积需要满足信息捕获的空间分辨率要求，即图符在显示器上的正投影显示面积与视距的比值需要大于人眼进行信息捕获要求；其二是图符在视场中的长宽比例保持一定的保真度，保证图符自身显示信息不丢失。

1)图符在视场中的正投影面积表征了图符在人眼中所占视场大小，需要满足信息人眼捕获的空间分辨率要求。

当观察视点远离设计范围后，造成成像系统图像焦点与观察视点的分离现象。对于二维图符其本身就是成像对象，自身显示比例失真程度一般可忽略，主要影响为图符在视场中的正投影面积，如图4所示。为满足飞行员的正常信息捕获，图符AB在视场中的正投影面积A'B'与视距的比值k₁需大于给定阀值a。

$k_1=\frac{A^{\′}{B}^{\′}}{AB}>a$

2)图符在视场中的显示比例需要保持一定保真度，防止畸变。

当采用曲面显示器而图形成像引擎依旧沿用原有平面屏幕的图形引擎，如图5所示，生成的曲面图形根据显示器局部曲率不同而存在不同的局部焦点(即不同观察视点)，这必然造成实际人眼单视点观察与实际成像图像多焦点/视点的分离。特别对于大曲率显示屏或者非平滑过渡显示屏，该现象一个主要影响为图符在视场中的显示比例失真严重，如图7所示。

图5中以成像曲面ADEF和理想投影平面xoy的交线向上为y轴，以投影区域的水平中线向右为x轴，建立坐标系xoy。透视系统从投影仪位置向理想投影平面xoy正投影生成了非失真的图符AB'C'D，当按原有平面屏幕的图形引擎直接在曲面ADEF上进行显示时，观察到的图符为ABCD(ABCD可能由于畸变效应是非矩形)。相对非失真图符，本文提出图符显示比例失真度k₂的定义为，成像图符的长度空间距离AB与宽度空间距离BC比值与非失真图符AB'C'D的比例。

$k_2=\frac{|\arctan \left(\frac{AB}{BC}\right)-\arctan \left(\frac{{\mathrm{AB}}^{\′}}{B^{\′}{C}^{\′}}\right)|}{\arctan \left(\frac{{\mathrm{AB}}^{\′}}{B^{\′}{C}^{\′}}\right)}$

为满足飞行员的正常信息捕获，图符显示比值失真k₂需小于给定阀值b。

k₂＜b

当在曲面显示屏上某部分范围显示的可失真图符的失真度量k₁和k₂超过(k₁表征了图形图符从指定视点处观察的正面投影面积，不能过小，防止眼睛看不清。k₂表征了图形图符的长宽比失真度，过大即为图形扭曲。)给定阀值，则需要对此范围显示图符进行失真校正修正其程度。

为了对所采用图形引擎在给定曲面上生成图形的失真程度进行定量评估，依据上文提出的失真判据，本发明提出了进行失真程度测量方法：

1)使用平面图形引擎在平面屏幕上生成“规划的均匀正方形标准网格”，作为k₁失真指标的面积比较标准，如图6所示；

2)使用平面图形引擎在给定曲面屏幕上生成“规划的均匀正方形标准网格”；

3)从系统设定的视点方向上对曲面生成图像进行拍摄照片；模拟人眼视场捕获，记录人眼视场中各类视线的分布情况，如图7所示。

4)对照片中的标准网格进行投影计算和失真计算。

照片记录了曲面显示器各显示区域在视场中的显示效果，照片区域与显示区域存在映射对应关系。对照片中的网格按顺序进行编号，对每个网格计算其正投影面积失真指标k₁和显示比例失真指标k₂情况；统计并聚合出超过给定指标阀值的网格，该区域即为失真严重需要进行失真修正的区域。

Claims (1)

1.一种曲面三维图符显示生成方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，对于不可失真显示的图形图符，采用曲面屏幕单视点透视生成引擎生成；

步骤2，对于可失真显示的图形图符，采用平面屏幕图形生成法生成；

步骤3，对步骤2中在曲面显示器上生成的图符进行失真程度评估，判断失真图形在视场中的正投影面积与视距的比值k₁是否大于给定阀值a；计算失真图形的长度空间距离AB、宽度空间距离BC以及该图形对应的非失真图形的长度空间距离AB'、宽度空间距离B'C'，判断比值是否小于给定阀值b；若k₁小于给定阀值a或k₂大于给定阀值b，则认为失真图形的失真程度超过了飞行员可识别范围和可接受程度，采用针对曲面屏幕的单视点透视生成引擎进行显示。