CN108665522B - 一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统和方法 - Google Patents

一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统和方法，所述动态场景仿真系统包括动态场景仿真主机、图像处理计算机、目标生成器和同步曝光信号发生器，其中动态场景仿真主机，用于根据动态场景的仿真需求生成目标特性数据，并传输至所述图像处理计算机；同步曝光信号发生器，用于根据动态场景的采样时间产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器产生硬件中断信号以触发所述图像处理计算机；图像处理计算机根据接收的所述硬件中断信号，使用所述目标特性数据进行计算生成三维场景数据并传输至所述目标生成器，所述目标生成器根据所述三维场景数据生成可视的光学图像。本发明提供的实施例能够提高动态场景仿真生成系统的精度和可靠性。

Description

一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统和方法
技术领域
本发明涉及动态场景仿真领域，特别是涉及一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统和方法。
背景技术
动态场景仿真生成系统的实时性直接决定着整个仿真系统的置信度，对高帧频短延时动态场景生成技术提出了更高要求。高帧频可及时更新最新状态信息，短延时可保证系统响应特性。动态场景生成延时是光学场景仿真系统的主要组成部分，传统的动态场景生成方式为图像处理计算机根据实时场景特性完成图像计算，并经显卡DVI输出给目标生成器刷新产生辐射场景。该方法存在系统延时长且不稳定等问题。经过测试，从图像处理计算机接收动态场景仿真主机实时数据开始，至目标生成器产生仿真场景，帧频为100Hz时，存在大于40ms的不稳定延时，严重影响了半实物仿真系统的精度和可靠性。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统，包括动态场景仿真主机、图像处理计算机、目标生成器和同步曝光信号发生器，其中
动态场景仿真主机，用于根据动态场景的仿真需求生成目标特性数据，并传输至所述图像处理计算机；
同步曝光信号发生器，用于根据动态场景的采样时间产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器产生硬件中断信号以触发所述图像处理计算机；
图像处理计算机根据接收的所述硬件中断信号，使用所述目标特性数据进行计算生成三维场景数据并传输至所述目标生成器，所述目标生成器根据所述三维场景数据生成可视的光学图像。
进一步地，所述同步曝光信号为模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。
进一步地，所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，其中，
硬件中断生成单元根据接收的所述同步曝光信号调整所述目标生成器的时序，并根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算和传输能力生成所述硬件中断信号，包括第一中断信号和第二中断信号，用于控制所述图像处理计算机的时序；
图像数据接收单元用于接收所述图像处理计算机生成的三维场景数据，并传输至所述目标图像生成单元；
目标图像生成单元响应于同步曝光信号生成可视的光学图像。
进一步地，所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元，其中
图像计算单元响应于所述第一中断信号开始计算并生成三维场景数据；
数据传输单元响应于所述第二中断信号开始传输所述三维场景数据至所述目标生成器。
进一步地，所述三维场景数据包括多个数据帧，所述图像处理计算机的图像计算单元还包括存储器；
所述存储器包括乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，用于交替存储所述三维场景数据的数据帧；
所述目标生成器的图像数据接收单元包括乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于交替存储接收到的三维场景数据的数据帧。
本发明第二方面提供一种利用第一方面所述的高帧频短延时动态场景仿真生成系统的动态场景仿真生成方法，包括：
S101：同步曝光信号发生器根据动态场景产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器；
S103：所述目标生成器根据接收的所述同步曝光信号产生硬件中断信号并触发所述图像处理计算机；
S105：所述图像处理计算机根据硬件中断信号对来自所述动态场景仿真主机的目标特性数据进行计算，生成三维场景数据并传输至所述目标生成器；
S107：所述目标生成器根据接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
进一步地，所述同步曝光信号为模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。
进一步地，所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，所述步骤S103具体包括：
S1031：所述硬件中断生成单元根据接收的所述同步曝光信号调整所述目标生成器的时序；
S1033：所述硬件中断生成单元根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算能力生成第一中断信号并触发所述图像处理计算机；
S1035：所述硬件中断生成单元根据所述图像处理计算机的计算和传输能力生成第二中断信号并触发所述图像处理计算机。
进一步地，所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元，所述图像计算单元还包括存储器，所述存储器包括乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，所述步骤S105具体包括：
S1051：所述图像计算单元响应于所述第一中断信号开始计算目标特性数据，并生成三维场景数据；
S1053：所述第一存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N帧，所述第二存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N+1帧，所述第一存储单元和第二存储单元轮流存储所述三维场景数据的数据帧；
S1055：所述数据传输单元响应于所述第二中断信号开始传输所述三维场景数据的数据帧至所述目标生成器。
进一步地，所述目标生成器的图像数据接收单元包括乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于交替存储接收到的三维场景数据的数据帧，当接收到完整的所述三维场景数据后，所述目标图像生成单元响应于所述同步曝光信号将接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的技术方案通过引入硬件中断，图像计算单元根据硬件中断信号控制图像生成时序，并与同步曝光信号匹配，目标生成器根据图像计算单元生成的三维场景数据生成可视光学图像，具备动态场景仿真生成图像时序严格受控、光学图像输出延时稳定的优势，极大提升了半实物动态场景仿真生成的置信度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一个实施例的所述动态场景仿真生成系统的框图；
图2示出本发明的另一个实施例的所述动态场景仿真生成系统的框图；
图3示出本发明的另一个实施例的所述动态场景仿真生成系统的时序图；
图4示出本发明的另一个实施例的所述动态场景仿真生成方法的流程图；
图5示出本发明的另一个实施例的所述硬件中断信号处理的流程图；
图6示出本发明的另一个实施例的所述图像处理计算机工作的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统，包括动态场景仿真主机、图像处理计算机、目标生成器和同步曝光信号发生器，其中动态场景仿真主机，用于根据动态场景的仿真需求生成目标特性数据，并传输至所述图像处理计算机；同步曝光信号发生器，用于根据动态场景的采样时间产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器产生硬件中断信号以触发所述图像处理计算机；图像处理计算机根据接收的所述硬件中断信号，使用所述目标特性数据进行计算生成三维场景数据并传输至所述目标生成器，所述目标生成器根据所述三维场景数据生成可视的光学图像。
在一个具体的示例中，如图2所示，所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元。在本实施例中对目标交会对接控制系统进行动态场景仿真，首先，在动态场景仿真主机中按照目标交会对接场景设置仿真参数，例如仿真时间、轨迹和控制系统响应特性等，生成所述场景的某一帧的目标特性数据，包括目标对接类型、数量、位置、姿态和识别特征等，然后将所述目标特性数据提供至所述图像处理计算机。
同时，如图3所示，根据目标交会对接控制系统中对动态场景的采样需求，设置同步曝光信号发生器的参数以产生与动态场景的采样时间完全同步的曝光信号，并传输至所述目标生成器。所述同步曝光信号包括采样周期、曝光起始时刻和曝光时间。所述同步曝光信号可以采用多种形式进行传输，例如模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。本领域技术人员应当理解，可以按照实际具体需要进行设计，在此不再赘述。
所述目标生成器的硬件中断生成单元接收所述同步曝光信号，首先识别出所述同步曝光信号的采样周期、曝光起始时刻和曝光时间，并根据所述信息调整目标生成器的自身时序，将目标生成器的工作时间与同步曝光信号发生器的曝光时间进行匹配以实现稳定的短延时输出动态场景图像。
同时，所述目标生成器的硬件中断生成单元根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算和传输能力生成所述硬件中断信号，包括串口PCIE第一中断信号和TTL外触发第二中断信号，用于控制所述图像处理计算机的时序。其中第一中断信号为图像开始生成中断信号，当第一中断信号从低电平变为高电平的时候，所述图像处理计算机的图像计算单元根据接收的目标特性数据开始计算、生成并存储三维场景数据的第一帧。其中第二中断信号为数据传输中断，当第二中断信号从低电平变为高电平的时候，所述图像处理计算机的数据传输单元开始传输图像计算单元生成的三维场景数据的第一帧，传输至所述目标生成器。为确保三维场景的图像数据的正确传输，目标生成器生成的第二中断信号必须确保图像处理计算机能够在第一中断信号到第二中断信号的时间内完成三维场景数据的计算。进一步地，由于三维场景数据包括多个数据帧，图像处理计算机的图像计算单元还包括存储器，所述存储器包括设置为乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，用于轮流生成并存储所述三维场景数据的数据帧。
在所述图像处理计算机的数据传输单元开始传输图像帧时，所述目标生成器开始接收传输数据，和图像处理计算机相同，为确保图像数据帧的正确接收，所述目标生成器的图像数据接收单元包括设置为乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于轮流接收并存储接收到的三维场景数据的数据帧。
当时间周期T结束时，第二个同步曝光信号从低电平转为高电平时，目标生成器的目标图像生成单元响应于同步曝光信号对接收到的数据帧进行光学图像转换操作，生成稳定的光学图像。同时，在第二个同步曝光信号开始时，动态场景仿真生成系统重复上述操作，直至目标生成器接收到完整的三维场景数据的数据帧，生成可视的光学图像。
从图3可知，当第一个同步曝光信号从低电平转为高电平时，触发目标生成器产生第一中断信号至图像处理计算机，图像处理计算机根据第一中断信号开始在第一存储单元生成第N帧图像，在目标生成器产生第二中断信号时完成此帧图像的生成。此时图像处理计算机的图像传输单元根据第二中断信号发送此帧图像至目标生成器、图像处理计算机的第一存储单元保存此帧图像。同时目标生成器的第一缓存单元开始接收第N帧图像，并在指定时间内完成图像的接收，并保存在第一缓存单元。目标生成器将第一帧图像数据进行光学图像转换处理，生成可视的稳定光学图像。
时间周期T结束后，第二个同步曝光信号从低电平转为高电平，触发目标生成器产生第一中断信号至图像处理计算机，图像处理计算机根据第一中断信号开始在第二存储单元生成第N+1帧图像，在目标生成器产生第二中断信号时完成第N+1帧图像的生成。此时图像处理计算机的图像传输单元根据第二中断信号发送第N+1帧图像至目标生成器、图像处理计算机的第二存储单元保存第N+1帧图像。同时目标生成器的第二缓存单元开始接收第N+1帧图像，并在指定时间内完成图像的接收，并保存在第二缓存单元。目标生成器将第二帧图像数据进行光学图像转换处理，生成可视的稳定光学图像。
时间周期T结束后，再次循环上述操作，根据第一中断信号，图像处理计算机的图像计算单元开始在第一或第二存储单元轮流生成并保存图像，图像处理计算机的数据传输单元根据第二中断信号发送生成的图像帧至目标生成器，同时目标生成器在第一或第二缓存单元轮流接收并保存图像，将图像数据进行光学图像转换处理，当接收到完整的三维场景数据的数据帧后通过目标生成器进一步生成可视的稳定光学图像。
本发明的另一个实施例提供了一种利用上述高帧频短延时动态场景仿真生成系统的动态场景仿真生成方法，如图4所示，包括：
S101：同步曝光信号发生器根据动态场景产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器；其中同步曝光信号为模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。
S103：所述目标生成器根据接收的所述同步曝光信号产生硬件中断信号并触发所述图像处理计算机。所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，如图5所示，具体包括：
S1031：所述硬件中断生成单元根据接收的所述同步曝光信号调整所述目标生成器的时序；
S1033：所述硬件中断生成单元根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算能力生成第一中断信号并触发所述图像处理计算机；
S1035：所述硬件中断生成单元根据所述图像处理计算机的计算和传输能力生成第二中断信号并触发所述图像处理计算机。
S105：所述图像处理计算机根据硬件中断信号对来自所述动态场景仿真主机的目标特性数据进行计算，生成三维场景数据并传输至所述目标生成器。所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元，所述图像计算单元还包括存储器，所述存储器包括乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，如图6所示，具体包括：
S1051：所述图像计算单元响应于所述第一中断信号开始计算目标特性数据，并生成三维场景数据；
S1053：所述第一存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N帧，所述第二存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N+1帧，所述第一存储单元和第二存储单元交替存储所述三维场景数据的数据帧；
S1055：所述数据传输单元响应于所述第二中断信号开始传输所述三维场景数据的数据帧至所述目标生成器。具体的，目标生成器的图像数据接收单元包括乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于交替存储接收到的三维场景数据的数据帧，当接收到完整的所述三维场景数据后，所述目标图像生成单元根据接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
S107：所述目标生成器根据接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
本发明的实施例通过引入硬件中断实现图像生成控制时序与目标模拟器的同步曝光信号相匹配，具备动态场景生成时序严格受控、光学图像输出延时稳定的优势，极大提升了半实物动态场景仿真生成的置信度，能够广泛应用于动态场景仿真领域，满足动态场景仿真过程中图像生成与数据传输的精准要求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种高帧频短延时动态场景仿真生成系统，其特征在于，包括动态场景仿真主机、图像处理计算机、目标生成器和同步曝光信号发生器，其中
动态场景仿真主机，用于根据动态场景的仿真需求生成目标特性数据，并传输至所述图像处理计算机；
同步曝光信号发生器，用于根据动态场景的采样时间产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器产生硬件中断信号以触发所述图像处理计算机；
图像处理计算机根据接收的所述硬件中断信号，使用所述目标特性数据进行计算生成三维场景数据并传输至所述目标生成器，所述目标生成器根据所述三维场景数据生成可视的光学图像；
其中，所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，其中，
硬件中断生成单元根据接收的所述同步曝光信号调整所述目标生成器的时序，并根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算和传输能力生成所述硬件中断信号，包括第一中断信号和第二中断信号，用于控制所述图像处理计算机的时序；
图像数据接收单元用于接收所述图像处理计算机生成的三维场景数据，并传输至所述目标图像生成单元；
目标图像生成单元响应于同步曝光信号生成可视的光学图像。
2.根据权利要求1所述的动态场景仿真生成系统，其特征在于，所述同步曝光信号为模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。
3.根据权利要求1所述的动态场景仿真生成系统，其特征在于，所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元，其中
图像计算单元响应于所述第一中断信号开始计算并生成三维场景数据；
数据传输单元响应于所述第二中断信号开始传输所述三维场景数据至所述目标生成器。
4.根据权利要求3所述的动态场景仿真生成系统，其特征在于，所述三维场景数据包括多个数据帧，所述图像处理计算机的图像计算单元还包括存储器；
所述存储器包括乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，用于交替存储所述三维场景数据的数据帧；
所述目标生成器的图像数据接收单元包括乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于交替存储接收到的三维场景数据的数据帧。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的高帧频短延时动态场景仿真生成系统的动态场景仿真生成方法，其特征在于，包括：
S101：同步曝光信号发生器根据动态场景产生同步曝光信号，并传输至所述目标生成器；
S103：所述目标生成器根据接收的所述同步曝光信号产生硬件中断信号并触发所述图像处理计算机；
S105：所述图像处理计算机根据硬件中断信号对来自所述动态场景仿真主机的目标特性数据进行计算，生成三维场景数据并传输至所述目标生成器；
S107：所述目标生成器根据接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
6.根据权利要求5所述的动态场景仿真生成方法，其特征在于，所述同步曝光信号为模拟信号、TTL信号或光隔输入信号。
7.根据权利要求5所述的动态场景仿真生成方法，其特征在于，所述目标生成器包括硬件中断生成单元、图像数据接收单元和目标图像生成单元，所述步骤S103具体包括：
S1031：所述硬件中断生成单元根据接收的所述同步曝光信号调整所述目标生成器的时序；
S1033：所述硬件中断生成单元根据所述同步曝光信号的持续时间和所述图像处理计算机的计算能力生成第一中断信号并触发所述图像处理计算机；
S1035：所述硬件中断生成单元根据所述图像处理计算机的计算和传输能力生成第二中断信号并触发所述图像处理计算机。
8.根据权利要求7所述的动态场景仿真生成方法，其特征在于，所述图像处理计算机包括图像计算单元和数据传输单元，所述图像计算单元还包括存储器，所述存储器包括乒乓结构的第一存储单元和第二存储单元，所述步骤S105具体包括：
S1051：所述图像计算单元响应于所述第一中断信号开始计算目标特性数据，并生成三维场景数据；
S1053：所述第一存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N帧，所述第二存储单元存储所述生成的三维场景数据的第N+1帧，所述第一存储单元和第二存储单元交替存储所述三维场景数据的数据帧；
S1055：所述数据传输单元响应于所述第二中断信号开始传输所述三维场景数据的数据帧至所述目标生成器。
9.根据权利要求8所述的动态场景仿真生成方法，其特征在于，所述目标生成器的图像数据接收单元包括乒乓结构的第一缓存单元和第二缓存单元，用于交替存储接收到的三维场景数据的数据帧，当接收到完整的所述三维场景数据后，所述目标图像生成单元响应于所述同步曝光信号将接收到的所述三维场景数据生成可视的光学图像。
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