CN111099037A - 一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，对HUD显示画面中显示符号提炼出需要进行监控的符号，将需要进行监控的符号分为动态符号和静态符，进行逆畸变处理，得到动态符号的角度信息和静态符号的数值信息，从而实现动态符号和静态信号的监控。本发明能够有效监控平视显示器主显示通道任何单点失效、提升安全性设计，避免平显画面显示错误信息对飞行员的误导，满足民机HUD高安全性等级的目标。本发明.监控完整性强，监控路径覆盖HUD画面生成、传输、处理全流程；监控内容广，包含动态和静态字符；较低复杂度，易于硬件实现；监控流程实时性好，低延迟。
Description
技术领域
本发明涉及系统安全性设计领域，尤其是一种平视显示器的监控方法。
背景技术
平视显示器(HUD)技术源自于军工技术。自上世纪八十年代初，HUD开始应用于民用干线飞机，并日趋成为驾驶舱的重要组成部分。HUD可以将飞行姿态、高度、空速等信息投影在飞行员正前方的组合镜上，让飞行员在操纵飞机时不需要低头观看下方显示屏上的信息。同时，还能够降低飞机起降过程中对气象条件的要求。根据中国民航局颁布的《中国民航平视显示器应用路线图》要求，到2025年，所有现役飞机都需要加装平视显示装置。
安全性是飞机的重要特性，它影响飞机和乘客的生命安全，是飞机的固有属性。安全性设计工作是民用机载产品研制过程中必须开展的一项设计分析工作，贯穿了产品从概念设计到设计验证的各个阶段。
由于平时显示器对飞机员的重要指引作用，设计保证等级一般为最高级别(A级)，因此对HUD显示画面的正确性进行安全性监控设计是非常必要的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，保证HUD显示关键画面的正确性，满足民机HUD高安全性等级的目标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤为：
S101、对HUD显示画面中显示符号提炼出需要进行监控的符号；
需要进行监控的符号需要根据系统安全性分析过程确定，系统安全性分析过程依据SAE ARP 4761标准进行；符号为飞机起飞或着陆阶段的关键符号；
S102、将需要进行监控的符号分为动态符号和静态符号；
动态符号指显示位置在整个画面中可变，静态符号指显示区域固定，对于动态符号的监控，进入步骤S103-S106，对于静态符号的监控，进入步骤S107-S110；
S103、在HUD画面生成时在RGB三个通道中任选一个无有效数据传输通道中增加动态符号中心位置的特征标示点；如某平显视频传输通道中RGB三个通道仅使用了G通道传输字符图像，R通道与B通道是无有效数据传输的，利用R通道或B通道增加动态字符的中心位置特征点用以标记动态字符在平显画面坐标系下的位置；
S104、特征标示点在图像生成后随有效数据通过数据传输路径至畸变校正单元，同样与有效视频数据经过畸变校正过程；
特征标示点与有效视频数据经过同样的数据传输和处理流程；
S105、在畸变校正单元后提取出特征标示点畸变后位置信息，进行逆畸变处理，得出画面位置坐标；对特征标示点进行逆畸变处理的流程如下：
1)原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定，在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据对应的无有效数据的B或者R通道有特征信息，则对双线性插值的结果进行标记,同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储；
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过反走样和像源时序转换的流程；
3)利用标识点对畸变校正结果输出的动态符号进行位置监控，G通道为正常畸变校正的数据结果，B通道或者R通道带有与之相对应的标识信息；由于进行标识的同时已经将位置映射的查找表进行了存储，利用已存储的查找表对畸变后位置信息进行逆畸变；
S106、将逆畸变后动态符号特征点的位置信息以飞机基准符中心坐标原点转化为极坐标信息后，将动态符号角度信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行对比，对动态符号的显示正确性进行监控；
S107、对于静态符号的监控，在畸变校正后对静态符号显示区域进行逆畸变处理，得到真实显示区域位置信息；静态符号逆畸变处理的流程如下：
1)原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定，在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据位于当前高度静态符号所占的区域内，则对双线性插值的结果进行标记，同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储；
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过高斯滤波反走样；
3)由于已经将静态符号位置映射的查找表进行了存储，利用已存储的查找表对畸变后静态符号位置信息进行逆畸变，位置信息逆畸变后得到静态符号的像素真实位置区域信息；
S108、将静态符号真实显示区域内像素值二值化处理；
像素二值化即设定一个阈值，根据阈值将画面的像素值分为两大部分：大于阈值的像素点均赋值为1，小于阈值的像素点均赋值为0；
对于平显显示画面，阈值设置为像素灰度值150；
S109、采用模板匹配的方法将待测的二值化处理后静态符号显示区域S与已知存储的图像模板T对比，图像模板T与待测图S比较，视为二维数组，在FPGA的识别过程中，利用异或门来判别实现，比较T和S的内容，若两者一致，则T和S之差为零，使用如下公式计算T和S的相似度：
相识度最高(D(i,j)值最小)即为识别出的静态符号数值；
S110、将静态符号数值信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行数值正确性对比，对静态的显示正确性进行监控。
本发明的有益效果在于民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，监控路径覆盖平显画面生成、传输、处理全流程，保证了画面显示内容的正确性。该方法的实施能够有效监控平视显示器主显示通道任何单点失效、提升安全性设计，避免平显画面显示错误信息对飞行员的误导，满足民机HUD高安全性等级的目标。相比现有的HUD系统安全性设计技术，本发明具有优势如下：
1.监控完整性强，监控路径覆盖HUD画面生成、传输、处理全流程；
2.监控内容广，包含动态和静态字符；
3.较低复杂度，易于硬件实现；
4.监控流程实时性好，低延迟。
附图说明
图1为本发明实现的硬件原理框图
图2为本发明典型HUD显示画面。
图3为本发明畸变校正几何校正示意图。
图4为本发明动态符号逆畸变实现硬件示意图。
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。
本发明提供一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，包括如图1所示，主显示通道接收飞行参数信息，在平显计算机里进行数据解析以及字符画面生成，继而将生成画面通过视频总线传输至平显，对画面进行预畸变操作，驱动数字像源进行显示。监控通道对整个显示通道由飞行参数信息到生成相应的预畸变的关键数据的正确性进行监控:
首先根据平显显示的画面内容确定需要进行监控的符号，并将这些符号分为动态符合和静态符号。需要进行监控的符号需要根据系统安全性分析过程确定，一般为这些符号都是飞机起飞或着陆阶段的关键符号，误导有可能给飞机的安全性飞行带来严重影响；
对于动态符号的监控，采用在数据生成传输通道增加特征位置标示点，标示点随正常视频数据走完传输和处理路径，在畸变校正后进行提取，继而进行逆畸变处理，得到绘图位置信息后与监控模块总线解析后的数据进行比对，确保动态符号显示的正确性；
对于静态符号的监控，由于显示的区域固定，在畸变校正后将显示区域数据提取出来，进行逆畸变后，采用模板匹配的方法对显示内容进行识别。得到显示数值内容后与监控模块总线解析后的数据进行比对，确保静态符号显示的正确性。
一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，包括：
S101、对HUD显示画面中显示符号提炼出需要进行监控的符号。
需要进行监控的符号需要根据系统安全性分析过程确定，系统安全性分析过程依据SAE ARP 4761标准进行；符号为飞机起飞或着陆阶段的关键符号，误导有可能给飞机的安全性飞行带来严重影响；
S102、将需要进行监控的符号分为动态符号和静态符号；
如图2所示典型HUD显示画面，动态符号是指显示位置在整个画面中可变，如飞行导引符；静态符号指显示区域固定，如高度刻度带；
对于动态符号的监控：
S103、在HUD画面生成时在RGB三个通道中任选一个无有效数据传输通道中增加动态符号中心位置的特征标示点；
例如某平显视频传输通道中RGB三个通道仅使用了G通道传输字符图像，R通道与B通道是无有效数据传输的。故可以利用R通道或B通道增加动态字符的中心位置特征点用以标记动态字符在平显画面坐标系下的位置。
S104、特征标示点在图像生成后随有效数据通过数据传输路径至畸变校正单元，同样与有效视频数据经过畸变校正过程。
特征标示点与有效视频数据经过同样的数据传输和处理流程。
S105、在畸变校正单元后提取出特征标示点畸变后位置信息，进行逆畸变处理，得出画面位置坐标；
对特征标示点进行逆畸变处理的流程如下：
1)畸变校正几何校正如图3所示，原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定，在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据对应的B或者R通道有特征信息，则对双线性插值的结果进行标记,同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储；
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过反走样和像源时序转换的流程；由于反走样和像源时序转换算法的特殊性(不会更改像素位置，只影响灰度)，因此不会影响到已标识点像素位置的变化。
3)最终利用标识点对畸变校正结果输出的动态符号进行位置监控，G通道为正常畸变校正的数据结果，B通道或者R通道带有与之相对应的标识信息。由于已经第一步在进行标识的同时已经将位置映射的查找表进行了存储，可以方便利用已存储的查找表对畸变后位置信息进行逆畸变。
S106、将逆畸变后动态符号特征点的位置信息以飞机基准符中心坐标原点转化为极坐标信息后，将动态符号角度信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行对比，对动态符号的显示正确性进行监控。
动态符号逆畸变实现的硬件框图如图4所示。
对于静态符号的监控：
S107、在畸变校正后对静态符号显示区域进行逆畸变处理，得到真实显示区域位置信息。
静态符号逆畸变处理的流程如下：
1)畸变校正几何校正如图3所示，原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定。在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据位于当前高度静态符号所占的区域内，则对双线性插值的结果进行标记。同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储。
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过高斯滤波反走样。由于反走样和像源时序转换算法的特殊性(不会更改像素位置，只影响灰度)，因此不会影响到已标识点像素位置的变化。
3)由于已经将静态符号位置映射的查找表进行了存储，可以方便利用已存储的查找表对畸变后静态符号位置信息进行逆畸变，位置信息逆畸变后会得到静态符号的像素真实位置区域信息。
S108、将静态符号真实显示区域内像素值二值化处理。
像素二值化即设定一个阈值，根据阈值将画面的像素值分为两大部分：大于阈值的像素点均赋值为1，小于阈值的像素点均赋值为0；
对于平显显示画面，阈值设置可在像素灰度值150左右。
S109、采用模板匹配的方法将待测的二值化处理后静态符号显示区域(S)与已知存储的图像模板(T)对比，使用如下公式计算两者之间相似度：
相识度最高(D(i,j)值最小)即为识别出的静态符号数值。
模板匹配法是一种被广泛应用的数字识别算法，该算法的关键是对所要识别的所有数字进行模板构建，之后将图像中的数字与所有的数字模板一一进行比较，计算出图像中数字与每个模板的相似度，根据所计算出的相似度结果进行识别。其中相似度最高的模板即为所要识别数字的结果。
图像模板T与待测图S比较，通常可以将其视为二维数组。在FPGA的识别过程中，利用异或门来判别实现，从而进一步大幅度地提高了识别的速度。比较T和S的内容，若两者一致，则T和S之差为零，可用以下测度来衡量T和S的相似度。
S110、将静态符号数值信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行数值正确性对比，对静态的显示正确性进行监控。
Claims (2)
1.一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，其特征在于包括下述步骤：
S101、对HUD显示画面中显示符号提炼出需要进行监控的符号；
需要进行监控的符号需要根据系统安全性分析过程确定，系统安全性分析过程依据SAE ARP 4761标准进行；符号为飞机起飞或着陆阶段的关键符号；
S102、将需要进行监控的符号分为动态符号和静态符号；
动态符号指显示位置在整个画面中可变，静态符号指显示区域固定，对于动态符号的监控，进入步骤S103-S106，对于静态符号的监控，进入步骤S107-S110；
S103、在HUD画面生成时在RGB三个通道中任选一个无有效数据传输通道中增加动态符号中心位置的特征标示点；如某平显视频传输通道中RGB三个通道仅使用了G通道传输字符图像，R通道与B通道是无有效数据传输的，利用R通道或B通道增加动态字符的中心位置特征点用以标记动态字符在平显画面坐标系下的位置；
S104、特征标示点在图像生成后随有效数据通过数据传输路径至畸变校正单元，同样与有效视频数据经过畸变校正过程；
特征标示点与有效视频数据经过同样的数据传输和处理流程；
S105、在畸变校正单元后提取出特征标示点畸变后位置信息，进行逆畸变处理，得出画面位置坐标；对特征标示点进行逆畸变处理的流程如下：
1)原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定，在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据对应的无有效数据的B或者R通道有特征信息，则对双线性插值的结果进行标记,同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储；
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过反走样和像源时序转换的流程；
3)利用标识点对畸变校正结果输出的动态符号进行位置监控，G通道为正常畸变校正的数据结果，B通道或者R通道带有与之相对应的标识信息；由于进行标识的同时已经将位置映射的查找表进行了存储，利用已存储的查找表对畸变后位置信息进行逆畸变；
S106、将逆畸变后动态符号特征点的位置信息以飞机基准符中心坐标原点转化为极坐标信息后，将动态符号角度信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行对比，对动态符号的显示正确性进行监控；
S107、对于静态符号的监控，在畸变校正后对静态符号显示区域进行逆畸变处理，得到真实显示区域位置信息；静态符号逆畸变处理的流程如下：
1)原始图像d点与校正c之间的映射关系由查找表确定，在畸变校正运算过程中，如果判断出原始图像中d点左上角坐标(x,y)数据位于当前高度静态符号所占的区域内，则对双线性插值的结果进行标记，同时将此位置映射所使用的查找表参数进行存储；
2)对于已标识双线性插值结果的像素值，依次经过高斯滤波反走样；
3)由于已经将静态符号位置映射的查找表进行了存储，利用已存储的查找表对畸变后静态符号位置信息进行逆畸变，位置信息逆畸变后得到静态符号的像素真实位置区域信息；
S108、将静态符号真实显示区域内像素值二值化处理；
像素二值化即设定一个阈值，根据阈值将画面的像素值分为两大部分：大于阈值的像素点均赋值为1，小于阈值的像素点均赋值为0；
S109、采用模板匹配的方法将待测的二值化处理后静态符号显示区域S与已知存储的图像模板T对比，图像模板T与待测图S比较，视为二维数组，在FPGA的识别过程中，利用异或门来判别实现，比较T和S的内容，若两者一致，则T和S之差为零，使用如下公式计算T和S的相似度：
相识度最高(D(i,j)值最小)即为识别出的静态符号数值；
S110、将静态符号数值信息进行输出，与监控模块中总线解析后的数据进行数值正确性对比，对静态的显示正确性进行监控。
2.根据权利要求1所述的一种民机平视显示器显示画面安全性监控的方法，其特征在于：
所述S108步骤中对于平显显示画面，阈值设置为像素灰度值150。
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