CN108961377B - 一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，用于区分视野中的安全和危险区域。本发明中的安全面由多个三角面拼接而成，每个三角面的起伏程度和颜色都根据场景独立计算，这些三角面会随着视点一起运动并变化。本发明中的安全面能反映出场景的威胁程度和范围，有效提高飞行员的场景认知能力。和传统单一平面相比，本安全面可以让危险区域和安全区域的边界更加明显，而且能反映出场景的起伏变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，具体是一种在机载增强合成视景系统中用于分割场景中的安全区域和危险区域的虚拟安全面的设计。
背景技术
伴随着航空技术领域的不断突破，多种类型的航空电子设备被研发出来，增强合成视景系统就是在这种背景下被大力发展的一种航空电子设备。增强合成视景系统内使用多种类型的虚拟符号如飞行通道、安全线、着陆地标等来凸显场景中的目标和威胁，虚拟安全面就是这类符号之一。
虚拟安全面被用来在虚拟视野中区分安全区域和威胁区域，这里的威胁区域主要指包含复杂建筑、地形、植被等可能给低空飞行带来严重威胁的地形和地物。目前的虚拟安全面主要是在场景中绘制一个带颜色的固定平面来分隔威胁，形式单一，不够灵活。为了使虚拟安全面能够更加直观、有效、动态地展示，需要有更好的虚拟安全面被设计出来。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，从而清晰、有效、动态地分隔场景中的威胁区域，增强驾驶员对威胁的认知。为了实现上述目的，本发明对虚拟安全面的实现细节进行了创新设计。
本发明中的虚拟安全面是这样实现的，一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：包括虚拟安全面和场景面，所述的虚拟安全面以半透明遮挡在场景面上，虚拟安全面和场景面合成为全部视野；虚拟安全面是一个近似扇面；所述的一个近似扇面，其颜色透明度会由近及远逐渐降低，所述的一个近似扇面，其颜色会随着威胁的程度变化而变化；近似扇面的远端会呈现为一条分界线，指示出安全区和危险区的分界。
所述的近似扇面是由多个三角面拼接而成的近似扇面，近似扇面由公共顶点和一系列端点来描述；近似扇面的初始化参数包括近似扇面圆心角α、顶点高度下降量h、近似扇面半径r和三角面数量n；
所述的公共顶点，在安全面被渲染的过程中，始终位于视点的正下方；所述的正下方指的是二者水平坐标相同，顶点的高度比视点的高度要低一些，二者的高度差值便是顶点高度下降量h；
所述的端点是所有三角面除公共顶点外其他顶点的集合，用n表示最终近似扇面包含的三角面数量，则所需端点数量为n+1；初始化时，令所有端点的高度值都与顶点相同，此时需要根据视点坐标、n、r、h和α确定端点的数量和每一个端点的初始相对坐标；
所述的公共顶点和端点具有颜色属性，由RGBA四个分量描述，R表示红色分量，G表示绿色分量，B表示蓝色分量，A表示颜色的透明度；每个颜色分量占用一字节，也即每个分量数值的上限为255，下限为0；在三角面被绘制时，三角面上一点的颜色会根据三个顶点的RGBA值插值决定。
所述的近似扇面，其顶点始终位于合成视野的视点正下方某一可调距离处，其外沿各个端点相对顶点的水平位置不变，高度会随着飞机外场景的变化而变化；也即除了外沿各个端点的高度可以不断变化外，顶点相对视点的坐标、外沿各端点相对视点的水平坐标在显示过程中保持不变。
所述的虚拟安全面以半透明遮挡在场景面上是通过如下步骤实现：
步骤1，初始化参数；
步骤2，更新扇面的位置；
步骤3，进行高度采样；
步骤4，更新端点高度和颜色；
步骤5，绘制显示，返回步骤2。
所述的步骤1，其需要初始化的参数有，三角面数量n、顶点和顶点高度下降量h、近似扇面半径r、近似扇面圆心角α；步骤1包含下列子步骤：
步骤1-1，获取参数n、h、r、α；
步骤1-2，根据n计算端点数量；
步骤1-3，根据r、α计算每个端点相对视点的在水平方向的坐标偏移；
步骤1-4，根据h设置公共顶点和端点的初始高度偏移。
所述的步骤2，用来更新扇面的位置，用来使安全面除端点高度可变外，其他坐标都相对视点保持不变；步骤2包含下列子步骤：
步骤2-1，获取视点位置；
步骤2-2，根据h和视点坐标更新公共顶点的坐标。
所述的步骤3是为了实现对近似扇面覆盖的区域进行采样，获得场景的高度信息；步骤3包含下列子步骤：
步骤3-1，在近似扇面覆盖的区域内生成采样点；步骤3-1的目的是产生需要进行高度采样的水平位置坐标集合，采样点可以随机产生，也可以按照一个预定的模板产生；
步骤3-2，对数据库进行采样获得高度信息。
所述的步骤4会根据已有的信息更新端点的高度和颜色，包含下列子步骤：
步骤4-1，计算每个三角面下的所有采样位置的空间坐标相对于公共顶点坐标的俯仰角；
步骤4-2，对于每个三角面，找到俯仰角的最大值θmax；
所述的俯仰角是顶点位置与采样点空间位置连线与水平面的夹角，定义上扬时的俯仰角为正值；俯仰角大于零，说明采样位置高度高于顶点位置；俯仰角越大，说明飞机在向采样点方向飞行时，需要做出的更大幅度的规避动作，即俯仰角可以用来表示威胁程度；
步骤4-3，将每个三角面的俯仰程度调整至各自的θmax；
步骤4-4，设置每个三角面对应的两个端点的高度和颜色；步骤4-4包含以下子步骤：
步骤4-4-1，取得顶点高度；
步骤4-4-2，根据顶点高度和每个三角面的俯仰角计算每个三角面对应的两个端点高度；步骤4-4-2所述的三角面对应的端点存在两个三角面共用端点的情况，在这一步的计算中暂时将他们分开考虑；
步骤4-4-3，合并重合端点，将取较大的高度作为最终高度值；
步骤4-4-4，根据端点相对顶点的高度差Δl设置端点颜色，颜色设计是：保持顶点的颜色的RGBA值为(255,0,0,102)，端点的颜色color的RGBA值如下：
所述的步骤5是将前面计算的结果渲染并显示出来；步骤2到步骤5完成了一帧的计算和绘制，后续工作将会不断重复这个过程。
本发明的效果是：采用本发明后，增强合成视景展示的安全面不但可以动态地覆盖威胁，而且可以通过颜色变化体现场景的威胁程度；安全面的远端会呈现为一条明亮的折线，这条折线可以作为安全和危险的分界线，飞行员只要将飞机的飞行方向时刻对准这条线的上方就可以确保不会进入有威胁的区域；当飞行员需要在有障碍的区域中穿行时，通过对比安全面的上扬程度和颜色差异可以直观快速地找到可以穿行的通道。
附图说明
图1，扇面示意图；
图2，安全面覆盖威胁示意图；
图3，安全面的驱动流程图；
图4，步骤4-1和步骤4-2示意图；
图5，步骤4-4示意图。
具体实施方式
本实施例对一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法做详细说明。
如图1、图2所示，一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：包括虚拟安全面和场景面，所述的虚拟安全面以半透明遮挡在场景面上，虚拟安全面和场景面合成为全部视野；虚拟安全面是一个近似扇面11；所述的一个近似扇面，其颜色透明度会由近及远逐渐降低，所述的一个近似扇面，其颜色会随着威胁的程度变化而变化；近似扇面的远端会呈现为一条分界线，指示出安全区和危险区的分界。
虚拟安全面是一个由一定数量三角面12拼接而成的近似扇面11，该近似扇面实际上由公共顶点13和一系列端点14来描述；近似扇面的初始化参数包括近似扇面圆心角α、顶点高度下降量h、近似扇面半径r和三角面数量n；
所述的公共顶点13，在安全面被渲染的过程中，始终位于视点15的正下方；所述的正下方指的是二者水平坐标相同，顶点的高度比视点的高度要低一些，二者高度差值便是顶点高度下降量h；
所述的端点14是所有三角面除公共顶点13外其他顶点的集合，用n表示最终近似扇面包含的三角面数量，则所需端点数量为n+1；初始化时，令所有端点的高度值都与顶点相同，此时需要根据视点坐标、n、r、h和α确定端点的数量和每一个端点的初始相对坐标；
所述的公共顶点13和端点14具有颜色属性，由RGBA四个分量描述，R表示红色分量，G表示绿色分量，B表示蓝色分量，A表示颜色的透明度；每个颜色分量占用一字节，也即每个分量数值的上限为255，下限为0；在三角面被绘制时，三角面上一点的颜色会根据三个顶点的RGBA值插值决定；
图2是本发明中的一种用于机载增强合成视景系统的虚拟安全面对障碍物进行分隔的效果示意图；
如图3所示，一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其驱动过程包含下列步骤：
步骤1，初始化参数；
步骤2，更新扇面的位置；
步骤3，进行高度采样；
步骤4，更新端点高度和颜色；
步骤5，绘制显示，返回步骤2；
所述的步骤1，其需要初始化的参数有，三角面数量n、顶点高度下降量h、近似扇面半径r、近似扇面圆心角α；步骤1包含下列子步骤：
步骤1-1，获取参数n、h、r、α；
步骤1-2，根据n计算端点数量；端点数量为n+1；
步骤1-3，根据r、α计算每个端点相对视点的在水平方向的坐标偏移；此时每个三角面全等，用简单的几何关系就可以确定相应的值。
步骤1-4，根据h设置公共顶点和端点的初始高度；公共顶点和端点的初始高度要比视点高度低h；
所述的步骤2，用来更新扇面的位置；安全面上各点除端点高度可变外，公共顶点坐标和端点水平坐标都相对视点保持不变；步骤2包含下列子步骤：
步骤2-1，获取视点位置；
步骤2-2，根据h和视点坐标更新公共顶点的坐标；
所述的步骤3是为了实现对近似扇面覆盖的区域进行采样，获得场景的高度信息；步骤3包含下列子步骤：
步骤3-1，在近似扇面覆盖的区域内生成采样点；步骤3-1的目的是产生需要进行高度采样的水平位置坐标集合，采样点可以随机产生，也可以按照一个预定的模板产生；
步骤3-2，对数据库进行采样获得高度信息；步骤3-2需要查找数据库并对高度数据进行插值；
所述的步骤4为了根据已有的信息更新端点的高度和颜色，包含下列子步骤：
步骤4-1，计算每个三角面下的所有采样位置的空间坐标与公共顶点坐标的俯仰角；
步骤4-2，对于每个三角面，找到俯仰角的最大值θmax；
图4是步骤4-1和步骤4-2的示意图；所述的俯仰角是顶点位置与采样点空间位置连线与水平面的夹角，定义上扬时的俯仰角为正值；俯仰角大于零，说明采样位置高度高于顶点位置；俯仰角越大，说明飞机在向采样点方向飞行时，需要做出的更大幅度的规避动作，即俯仰角可以用来表示威胁程度；
步骤4-3，将每个三角面的俯仰程度调整至各自的θmax；
步骤4-4，设置每个三角面对应的两个端点的高度和颜色；步骤4-4的详细流程和示意图如图5所示，包含以下子步骤；
步骤4-4-1，取得顶点高度；
步骤4-4-2，根据顶点高度和每个三角面的俯仰角计算每个三角面对应的两个端点高度；步骤4-4-2所述的三角面对应的端点存在两个三角面共用端点的情况，但在这一步的计算中暂时将他们分开考虑，重合的端点会在后续步骤合并；
步骤4-4-3，合并重合端点，将取较大的高度作为最终高度值；
步骤4-4-4，根据端点相对顶点的高度差Δl设置端点颜色；本发明的颜色方案是：保持顶点的颜色的RGBA值为(255,0,0,102)，端点的颜色color的RGBA值如下：
所述的步骤5是将前面计算的结果渲染并显示出来；步骤2到步骤5完成了一帧的计算和绘制，后续工作将会不断重复这个过程。
以上例举仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (7)
1.一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：包括虚拟安全面和场景面，所述的虚拟安全面以半透明遮挡在场景面上，虚拟安全面和场景面合成为全部视野；虚拟安全面是一个近似扇面(11)；所述的一个近似扇面，其颜色透明度会由近及远逐渐降低，所述的一个近似扇面，其颜色会随着威胁的程度变化而变化；近似扇面的远端会呈现为一条分界线，指示出安全区和危险区的分界；
所述的近似扇面是由多个三角面(12)拼接而成的近似扇面(11)，近似扇面由公共顶点(13)和一系列端点(14)来描述；近似扇面的初始化参数包括扇面圆心角α、顶点高度下降h、扇面半径r和三角面数量n；
所述的公共顶点(13)，在安全面被渲染的过程中，始终位于视点(15)的正下方；所述的正下方指的是二者水平坐标相同，顶点的高度比视点的高度要低一些，这个差值用h表示；
所述的端点(14)是所有三角面除公共顶点(13)外其他顶点的集合，用n表示最终近似扇面包含的三角面数量，则所需端点数量为n+1；初始化时，令所有端点的高度值都与顶点相同，此时需要根据视点坐标、n、r、h和α确定端点的数量和每一个端点的初始相对坐标；
所述的公共顶点(13)和端点(14)具有颜色属性，由RGBA四个分量描述，R表示红色分量，G表示绿色分量，B表示蓝色分量，A表示颜色的透明度；每个颜色分量占用一字节，也即每个分量数值的上限为255，下限为0；在三角面被绘制时，三角面上一点的颜色会根据三个顶点的RGBA值插值决定。
2.根据权利要求1所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的近似扇面，其顶点(13)始终位于合成视野的视点正下方某一可调距离处，其外沿各个端点(14)相对顶点的水平位置不变，高度会随着飞机外场景的变化而变化；也即除了外沿各个端点的高度可以不断变化外，顶点相对视点的坐标、外沿各端点相对视点的水平坐标在显示过程中保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的虚拟安全面以半透明遮挡在场景面上是通过如下步骤实现：
步骤1，初始化参数；
步骤2，更新扇面的位置；
步骤3，进行高度采样；
步骤4，更新端点高度和颜色；
步骤5，绘制显示，返回步骤2。
4.根据权利要求3所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的步骤1，其需要初始化的参数有，三角面数量n、顶点和视点的高度差h、近似扇面的半径r、近似扇面圆心角α；步骤1包含下列子步骤：
步骤1-1，获取参数n、h、r、α；
步骤1-2，根据n计算端点数量；
步骤1-3，根据r、α计算每个端点相对视点的在水平方向的坐标偏移；
步骤1-4，根据h设置公共顶点和端点的初始高度偏移。
5.根据权利要求3所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的步骤2，用来更新扇面的位置，用来使安全面除端点高度可变外，其他坐标都相对视点保持不变；步骤2包含下列子步骤：
步骤2-1，获取视点位置；
步骤2-2，根据h和视点坐标更新公共顶点的坐标；h为顶点和视点的高度差；
所述的步骤3是为了实现对近似扇面覆盖的区域进行采样，获得场景的高度信息；步骤3包含下列子步骤：
步骤3-1，在近似扇面覆盖的区域内生成采样点；步骤3-1的目的是产生需要进行高度采样的水平位置坐标集合，采样点可以随机产生，也可以按照一个预定的模板产生；
步骤3-2，对数据库进行采样获得高度信息。
6.根据权利要求3所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的步骤4会根据已有的信息更新端点的高度和颜色，包含下列子步骤：
步骤4-1，计算每个三角面下的所有采样位置的空间坐标相对于公共顶点坐标的俯仰角；
步骤4-2，对于每个三角面，找到俯仰角的最大值θmax；
所述的俯仰角是顶点位置与采样点空间位置连线与水平面的夹角，定义上扬时的俯仰角为正值；俯仰角大于零，说明采样位置高度高于顶点位置；俯仰角越大，说明飞机在向采样点方向飞行时，需要做出的更大幅度的规避动作，即俯仰角可以用来表示威胁程度；
步骤4-3，将每个三角面的俯仰程度调整至各自的θmax；
步骤4-4，设置每个三角面对应的两个端点的高度和颜色；步骤4-4包含以下子步骤：
步骤4-4-1，取得顶点高度；
步骤4-4-2，根据顶点高度和每个三角面的俯仰角计算每个三角面对应的两个端点高度；步骤4-4-2所述的三角面对应的端点存在两个三角面共用端点的情况，在这一步的计算中暂时将他们分开考虑；
步骤4-4-3，合并重合端点，将取较大的高度作为最终高度值；
步骤4-4-4，根据端点相对顶点的高度差Δl设置端点颜色，所述的颜色是：保持顶点的颜色RGBA格式为255,0,0,102，端点的颜色colorRGBA格式如下：
其中，r近似扇面的半径。
7.根据权利要求3所述的一种用于机载增强合成视景系统虚拟安全面的设计方法，其特征是：所述的步骤5是将前面计算的结果渲染并显示出来；步骤2到步骤5完成了一帧的计算和绘制，后续工作将会不断重复这个过程。
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| GR01 | Patent grant | ||
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