CN106856008A - 一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，其目的在于提高合成视景在资源受限的嵌入式平台运行的渲染效率，提高合成实景系统实时性，同时满足适航规章及咨询通告对合成视景系统在精度和安全性方面的要求。通常机载嵌入式平台计算资源有限，图形处理能力比一般的消费电子弱，因此如何满足在资源受限的嵌入式平台，运行实时性要求较高的合成视景系统是比较困难的。采用本方法，减少了合成视景渲染过程中计算需求，提高了地形渲染的效率，优化了计算流程，而且能够保证地形渲染的精度。经过试验平台验证，本方法可以有效的提高三维渲染效率。

Description

一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法

技术领域

本发明属于机载合成视景技术，涉及一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法。

背景技术

飞机驾驶员视觉受限是目前世界范围内严重飞行事故的主要因素之一。为了解决这个问题，各国的研究机构投入了大量的人力和物力用于开发新的飞机座舱显示技术。合成视景系统就是在这个背景下应运而生的。合成视景是一种利用地形数据、障碍物数据、机场跑道数据生成三维虚拟视景，并将该虚拟视景与飞行仪表信息、指引信息、告警信息融合在一起的系统，是满足新一代大型民机在提升低能见度起飞和降落能力方面需求的新型组合显示系统(SVS,EVS,HUD)的关键组成部分之一。

目前国外供应商提供的比较先进合成视景系统有柯林斯提供的Pro Line系列，以及霍尼韦尔提供的Smart View系列产品，上述产品均在若干不同机型上得到了适航取证，其中，三维地形渲染技术是其中的关键技术，但相关技术仍对国内保密。国内尚没有相关机载产品，一方面是因为机载计算平台资源受限，另一方面是因为大规模的地形处理，计算量巨大，通常的计算方法难以保证实时性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，通过改变控制合成视景中视角的方法，来简化三维地形渲染的复杂度，从而大幅度提高三维地形的渲染效率。原理如图1所示，即将地形渲染划分为视角矩阵计算6和三维坐标转换5两部分，尽量将数据处理分配到视角矩阵，从而降低三维坐标转换的计算量。

本发明的技术方案为：

所述一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择地面某点O＝(μ₀ l₀ h₀)^T作为三维参考坐标系的原点，其中μ表示纬度，l表示经度，h表示高度，三维参考坐标系的方向定义与地心直角坐标系的定义一致；将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点转换在地心直角坐标系下；其中三维参考坐标系的原点在地心直角坐标系下坐标为(x₁ y₁ z₁)，地形数据库中某点在地心直角坐标系下坐标为(x₂ y₂ z₂)，则地形数据库中该点在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)：

步骤2：根据公式

view_matrix＝ned_to_plane*ecef_to_ned

计算合成视景视角转换矩阵view_matrix；其中ned_to_plane为载机水平坐标系到机体坐标系的转换矩阵；ecef_to_ned为地心直角坐标系到载机水平坐标系的转换矩阵；

步骤3：根据步骤1，将飞机实时的经纬高坐标转换为三维参考坐标系下的坐标plane_xyz，得到地形数据库中的数据点在以飞机实时位置为原点的三维地形渲染坐标系下的坐标，其中三维地形渲染坐标系方向与三维参考坐标系方向一致；对于地形数据库中在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)的某点，在三维地形渲染坐标系中坐标为

步骤4：将合成视景视角转换矩阵以及得到的地形数据库中数据点在实时三维地形渲染坐标系中的坐标发送给机载计算机绘图引擎，由绘图引擎对地形数据库中数据点进行实时渲染。

进一步的优选方案，所述一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，其特征在于：步骤1中将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点转换在地心直角坐标系下的过程采用线下预先转换得到，并存储在机载计算机中。

有益效果

1)降低了三维地形渲染计算资源的需求，以适应嵌入式平台的计算资源。如图1所示，合成视景计算主要分为视角矩阵和三维坐标转换两部分，其中三维坐标转换部分计算量巨大，因此通过线下预先计算后存储在机载计算机中，可以很好的提高计算的效率。

2)视角矩阵计算方法也可以通过预先推导计算获得，无需占用合成视景三维计算额外的计算资源，从而进一步提高计算的效率。

3)通过真实目标平台试验验证，本方法可以有效的提高三维地形渲染效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明所涉及到的合成视景系统结构图。

图2是本方法的处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

机载合成视景通过地形数据，飞机位置，航向和姿态信息等，对飞行航迹，趋势矢量和周围环境进行三维渲染，改进飞行员情景意识，及态势感知能力，从而提高飞行安全性，并可减轻飞行员的工作量。通常，机载嵌入式平台计算资源有限，图形处理能力比一般的消费电子弱，因此如何满足在资源受限的嵌入式平台，运行实时性要求较高的合成视景系统是比较困难的。采用本方法，减少了合成视景渲染过程中计算需求，提高了地形渲染的效率，优化了计算流程，而且能够保证地形渲染的精度。经过试验平台验证，本方法可以有效的提高三维渲染效率。

本发明公开一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法。其目的在于通过改变控制合成视景中视角的方法，来简化三维地形渲染的复杂度，从而大幅度提高合成视景在资源受限的嵌入式平台运行的三维地形渲染效率，提高合成实景系统实时性，同时满足适航规章及咨询通告对合成视景系统在精度和安全性方面的要求。原理如图1所示，即将地形渲染划分为视角矩阵计算6和三维坐标转换5两部分，尽量将数据处理分配到视角矩阵，从而降低三维坐标转换的计算量。

具体包括以下步骤：

步骤1：选择地面某点O＝(μ₀ l₀ h₀)^T作为三维参考坐标系的原点，其中μ表示纬度，l表示经度，h表示高度，三维参考坐标系的方向定义与地心直角坐标系的定义一致；将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点(包括地形，障碍物，机场等数据)转换在地心直角坐标系下；其中三维参考坐标系的原点在地心直角坐标系下坐标为(x₁ y₁ z₁)，地形数据库中某点在地心直角坐标系下坐标为(x₂ y₂ z₂)，则地形数据库中该点在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)：

将经纬高坐标转换为地心直角坐标的公式为：

其中a＝6378137，b＝6356755。

步骤2：根据公式

view_matrix＝ned_to_plane*ecef_to_ned

计算合成视景视角转换矩阵view_matrix；其中ned_to_plane为载机水平坐标系到机体坐标系的转换矩阵；ecef_to_ned为地心直角坐标系到载机水平坐标系的转换矩阵。

计算地心直角坐标系(ECEF)到载机水平坐标系(NED)的转换矩阵：

首先计算地心直角坐标系绕z轴旋转l的转换矩阵为：

然后计算地心直角坐标系绕y轴旋转μ的矩阵为：

则旋转矩阵为：

ecef_to_ned＝ecef_y*ecef_z。

计算载机水平坐标系(NED)到机体坐标系的转换矩阵

首先计算载机水平坐标系依次按照z-y-x旋转θ，γ，其中航向角，θ俯仰角，γ横滚角

步骤3：根据步骤1，将飞机实时的经纬高坐标转换为三维参考坐标系下的坐标plane_xyz，得到地形数据库中的数据点在以飞机实时位置为原点的三维地形渲染坐标系下的坐标，其中三维地形渲染坐标系方向与三维参考坐标系方向一致；对于地形数据库中在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)的某点，在三维地形渲染坐标系中坐标为

步骤4：将合成视景视角转换矩阵以及得到的地形数据库中数据点在实时三维地形渲染坐标系中的坐标发送给机载计算机绘图引擎，由绘图引擎对地形数据库中数据点进行实时渲染。

优选在步骤1中将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点转换在地心直角坐标系下的过程采用线下预先转换得到，并存储在机载计算机中，简化三维坐标转换实时计算量，，从而提高地形数据处理的效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择地面某点O＝(μ₀l₀h₀)^T作为三维参考坐标系的原点，其中μ表示纬度，l表示经度，h表示高度，三维参考坐标系的方向定义与地心直角坐标系的定义一致；将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点转换在地心直角坐标系下；其中三维参考坐标系的原点在地心直角坐标系下坐标为(x₁ y₁ z₁)，地形数据库中某点在地心直角坐标系下坐标为(x₂ y₂ z₂)，则地形数据库中该点在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)：

$\left[\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right];$

步骤2：根据公式

view_matrix＝ned_to_plane*ecef_to_ned

计算合成视景视角转换矩阵view_matrix；其中ned_to_plane为载机水平坐标系到机体坐标系的转换矩阵；ecef_to_ned为地心直角坐标系到载机水平坐标系的转换矩阵；

步骤3：根据步骤1，将飞机实时的经纬高坐标转换为三维参考坐标系下的坐标plane_xyz，得到地形数据库中的数据点在以飞机实时位置为原点的三维地形渲染坐标系下的坐标，其中三维地形渲染坐标系方向与三维参考坐标系方向一致；对于地形数据库中在三维参考坐标系下坐标为(x₃,y₃,z₃)的某点，在三维地形渲染坐标系中坐标为

$\left[\begin{array}{c}{x}_5\\ y_5\\ z_5\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\end{array}\right]-plane\_xyz;$

步骤4：将合成视景视角转换矩阵以及得到的地形数据库中数据点在实时三维地形渲染坐标系中的坐标发送给机载计算机绘图引擎，由绘图引擎对地形数据库中数据点进行实时渲染。

2.根据权利要求1所述一种用于机载合成视景的三维地形渲染方法，其特征在于：

步骤1中将采用经纬高表示的三维参考坐标系的原点，以及地形数据库中的数据点转换在地心直角坐标系下的过程采用线下预先转换得到，并存储在机载计算机中。