CN114463233A - 一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统,包括外部飞行海洋环境可视化模块、海况信息可视化模块、光电图像增强模块和激光增强显示模块;外部飞行海洋环境可视化模块重建虚拟飞行环境,海况信息可视化模块数字化显示海况信息和海浪信息,光电图像增强模块实现光电图像信息与三维地理信息融合显示,激光增强显示模块利用激光测距机对目标进行激光测距后,结合惯导数据和光电位姿数据解算出目标的地理信息,构造静态障碍物数据库,并使用OpenGL对目标进行高亮标注。本发明通过与光电系统的有效结合、优势互补,能够显著提高黑夜、雾等低能见度条件下近海海域直升机飞行作业能力。
Description
技术领域
本发明属于机载信息处理、机载光电系统技术,综合视景技术领域,涉及一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统。
背景技术
近年来,直升机在近海勘测、海上营救等方面的作用愈加重要,由于海洋环境的特殊性,海面经常伴随有海雾、海风、海浪等恶劣飞行海况,另外,海上环境海天一体的特点,导致海面缺乏显著的定位参照物,一定程度上使飞行员处于紧张状态,从而制约着直升机的作业效能。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是:提供一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统,能够提供清晰的、不受限于外部气象环境的三维飞行视图,为飞行员提供一种综合态势信息,辅助直升机近海作业、安全飞行。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于:至少包括外部飞行海洋环境可视化模块、海况信息可视化模块、光电图像增强模块、激光增强显示模块和飞行仪表辅助模块。
所述海洋环境可视化模块,用于重建虚拟飞行环境,包括三维海洋飞行环境和二维电子海图。所述三维海洋飞行环境使用OpenGL和GLSL进行重建,利用快速傅里叶变换算法重建海洋海浪效果,为了避免三维场景中冗余的色彩信息对障碍物识别的影响,本模块对场景进行灰度化单色处理,旨在形成一种高对比度、无杂波的背景信息。重建后的三维场景与惯导数据进行融合显示,实时呈现与当前飞行视点一致的虚拟飞行视点。所述二维电子海图,是一种预设的多源信息集合,利用离线障碍物数据库构建,具备显示预规划飞行路径、海礁、海滩和海岸线等信息,可供辅助直升机低空飞行作业,同时也可供海上作业单元与直升机单元进行协同工作。
所述海况信息可视化模块,包括数字化海况信息和海浪信息,所述数字化海况信号,通过独立的飞行信息模块显示,包括风力、温度、湿度、激光允许状态、预设障碍物开启状态和融合模式,风力、温度和湿度信息的通过气象卫星及温度湿度传感器获取。风力的显示包括风速和风向;温度的显示采用标准摄氏度,精度0.1℃;湿度采用百分比显示。所述海浪信息,用于表征由于海风或者直升机转子下洗气流引起的海浪信息,使用简洁的线条符号表示海浪的方向和强度。
所述光电图像增强模块,用于实现光电图像信息与三维地理信息融合显示,主要涉及一种基于视点的配准融合算法,配准融合算法分为三步:位置配准、视场配准和图像融合。位置配准步骤:以机载光电设备在世界坐标系下的位置坐标作为视点配准基点,与机载导航数据构成负反馈系统,修正场景中三维虚拟视点位置,使其与视点配准基点一致。视场配准步骤:以光电图像作为输入,计算光电图像的纵横比率r0,通过计算当前三维场景视场的纵横比r1与光电图像r0的比例因子,调整三维场景的投影矩阵,确保融合后三维场景不会出现变形失真。最后使用图像融合算法完成对三维场景图像和光电图像的融合。
所述激光增强显示模块,旨在利用激光测距机对目标进行激光测距后,结合惯导数据和光电位姿数据解算出目标的地理信息,构造静态障碍物数据库,并可使用OpenGL对目标进行高亮标注。所述激光增强显示模块包括激光测距状态显示模块和目标障碍物标注模块。所述激光测距状态显示模块,包括激光测距状态、测距距离值、目标经度和目标纬度,在激光测距过程中,该模块以数字化字符的形式为飞行员提供当前目标的地理信息,同时为障碍物标注模块提供数据输入。所述障碍物标注模块,指在三维场景中通过三维符号呈现激光测距机定位的目标障碍物,具体的步骤为:障碍物标注模块接收激光测距后解算出的目标经度和纬度后,考虑地理垂直基准面的影响,利用射线相交算法解算目标在三维世界中精确的海拔高度,目标的经度、纬度和高度组成一组空间坐标,利用OpenGL完成对目标的绘制,并更新障碍物数据库。
所述飞行仪表辅助模块包括俯仰指示器、方位指示器、滚转指示器、高度指示器、地速显示、空速显示、垂直速度显示、视场中心水平线、滚转视场中心水平线、十字线和告警提示字符。在飞行过程中,飞行仪表辅助模块接收组合导航系统和光电稳瞄系统伺服数据,驱动飞行仪表实时运动。告警提示字符默认处于消隐状态,在高度指示器高度显示小于指定阈值时,高度指示器高度值显示字符颜色呈红色高亮状态,此时告警字符WARNING以特定频率闪烁,并结合语音系统予以提示。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,通过与光电系统的有效结合、优势互补,能够显著提高黑夜、雾等低能见度条件下近海海域直升机飞行作业能力。
附图说明
图1为近海作业增强型合成视觉系统的组成图;
图2为海况信息可视化显示效果示意图;
图3为光电增强效果示意图;
图4为激光增强显示效果示意图;
图5为飞行仪表示意图;
图6为一种近海作业增强型合成视觉系统效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明针对背景技术中的现象,构建了一种新型增强型合成视觉系统,用于解决近海海上视觉线索受限情况下的飞行导航和作业任务,涉及海域地理信息构建,海浪、海风等海况可视化显示画面构建,电视/热像/激光传感器数据增强显示,虚拟飞行参照物保形显示,飞行仪表叠加等。
如图1所示,本实施例适用于近海作业的增强型合成视觉系统至少包括三维海洋环境可视化模块101、海况信息可视化模块102、光电图像增强模块103、激光增强模块104和飞行仪表辅助模块105。
图2为海洋环境可视化模块显示实例,所述海洋环境可视化模块,用于重建虚拟三维飞行环境,包括三维海洋环境201和二维电子海图202。
所述的三维海洋环境201,在WGS84坐标系下,使用OpenGL和GLSL着色语言构建三维地球数据库,利用快速傅里叶变换模拟海洋表面海浪效果。本实例的三维海洋环境具有两种显示模式:彩色和灰度,彩色模式适合于外部能见度良好的情况下,灰度模式适用于视觉线索受限的情况下,用户可根据实际情况通过按键选择不同的显示模式。利用导航数据和光电吊舱的姿态角数据构造视点变换级联矩阵,与三维环境中的虚拟视点进行矩阵运算,驱动三维虚拟视点与当前飞行视点保持一致,实时呈现外部虚拟三维飞行环境,形成一种沉浸式的三维环境。
所述的二维电子海图202,是一种预设的多源信息集合,利用离线障碍物数据库构建,具备显示预规划飞行路径、海礁、海滩和海岸线等信息,可供辅助直升机低空飞行作业,同时也可供海上作业单元与直升机单元进行协同工作。
所述的海况信息可视化模块,包括数字化海况信息203和海浪信息204。
所述数字化海况信息203,是一种综合信息显示面板,包括风力、温度和湿度,上述信息通过气象卫星及温度、湿度传感器获取。风力WIND的显示包括速度和方向,形如2.5m/sNW,风速为2.5m/s,NW表示西北风,字体为Calibri,颜色为绿色;温度TEMP的显示采用标准摄氏度,精度0.1℃,显示形如19.8℃;湿度HUMIDITY采用百分比显示,形如12%。激光允许状态Laser,默认为不允许OFF状态,当激光允许状态为允许ON时,可进行激光测距操作。预设障碍物状态Preset,默认状态为打开ON状态,此时系统会显示预设的障碍物信息,在能见度良好的情况下,如果预设障碍物显示与光电传感器图像信息不一致,容易造成视觉混乱,可通过按键关闭预设障碍物显示。系统融合模式FUSION,表示当前场景显示模式,包括:3D、3D+TV、3D+IR、3D+LASER,飞行员通过综合显示器周边按键选择不同的模式。
所述海浪信息204,使用简洁的线条符号表征由于海风或者直升机转子下洗气流引起的海浪信息(海浪方向和强度)。具体的线条符号意义为:在线框圆形的周边以文本的形式显示东向E、西向W、南向S、北向N,一个箭头符号在圆的内周随动,指示海浪的实际方向;三条平行的正弦波符号表示海浪的强度,正弦波的幅值随海浪的强度值变化。
图3为光电图像增强模块实例,光电图像增强模块通过配准融合算法能够将光电小视场图像301与三维场景大视场图像302进行融合显示。光电图像包括电视和夜视,电视图像与夜视图像是光轴一致的,所以两者的配准融合过程相似,只需考虑物理安装尺寸的偏移向量。首先以机载光电设备在世界坐标系下的位置坐标作为视点配准基点,与机载导航数据构成负反馈调节系统,修正场景中三维虚拟视点位置,使其与视点配准基点一致。其次以光电图像作为输入,计算光电图像的纵横比率r0,通过计算当前三维场景视场的纵横比率r1与光电图像r0的比例因子,调整三维场景的投影矩阵,确保三维场景不会出现变形失真。最后使用图像融合算法完成对三维场景图像和光电图像的融合。
图4为激光增强模块实例,所述激光增强模块包括激光测距状态显示401和目标障碍物标注406。所述激光测距状态显示401,用于显示当前激光测距机工作状态,包括:激光正在测距状态402,激光测距距离403,目标经度404和目标纬度405。默认状态下,激光测距状态显示401处于消隐状态。激光测距时,激光正在测距状态402将以固定频率闪烁,表示激光正在测距中,并在Distance便签后显示当前目标距离值,系统将利用测距距离值和机载惯导数据解算出目标在世界坐标系下的目标经度404和目标纬度405。所述的目标障碍物标注模块406,接收激光测距解算出的经度B和纬度L后,在考虑地理垂直基准面的前提下,利用射线相交算法,解算出目标在地表的精确高度H,构造三维空间坐标(B、L、H),利用OpenGL绘制出当前位置的障碍物符号,障碍物以折线的符号表示,夹角为30度,颜色为黄色。在光电设备可视条件下,基于测距结果构造障碍物数据库。在三维场景中,动态解算当前视点与视口范围内障碍物的距离值,并在折线符号正上方以数字字符显示距离值407,颜色为红色,当障碍物距离载机位置小于指定阈值时,障碍物折线符号将由黄色变为红色,用于凸显目标障碍物的威胁程度。
图5为飞行仪表辅助模块显示实例,所述飞行仪表辅助模块为飞行状态符号集,包括方位指示器501、滚转指示器502、俯仰指示器503、俯仰角度值504、滚转角度值505、视场中心水平线506、十字线507、滚转视场中心水平线508、高度指示器509、地速显示510、空速显示511、垂直速度显示512和告警提示字符513和514。
飞行仪表模块接收机载导航数据,驱动飞行仪表动态实时呈现当前飞行姿态,便于飞行员及时对飞机进行操控。
方位指示器501表示当前载机的方位角度,范围为-180度~180度,0度指向正北方向,东半球范围为0度~180度,西半球范围为-180度~0度,方位刻度条正中下方的三角形指示当前方位的在刻度条中所处的位置,方位刻度条正中上方的气泡形状中的数值指示当前的方位角度值。
滚转指示器502、滚转角度值505和滚转视场中心水平线508组合在一起表征载机的滚转状态,其中滚转指示器502表示载机滚转的方向,滚转视场中心水平线508表示载机滚转的实际位置,滚转角度值505表示当前载机的滚转角。
俯仰指示器503和俯仰角度值504组合表示当前载机的俯仰角度。
视场中心水平线506,表示当前三维场景的水平参照线。
十字线507处于三维场景的几何中心,表示当前三维场景虚拟视点的位置。
高度指示器509接收无线电高度计数据,表征当前载机距离地表的垂直距离,高度指示器509中气泡的数值表示当前载机的无线电高度。
地速显示510表示当前飞行的地速,显示为GS 160,其中GS为Ground Speed的缩写,数字160为当前地速速度,单位为km/h。
空速显示511表示当前飞机的空速,显示为AS 160,其中AS为Air Speed,数字160为当前空速速度,单位为km/h。
垂直速度显示512表示当前飞机的垂直速度,显示为VS 30,其中VS为VerticalSpeed,数字30表示当前垂直速度,单位为km/h。
告警提示字符513和告警状态标志514组合在一起,表征当前飞行高度的告警信息,告警提示字符513用WARNING表示,颜色为红色,默认状态下处于消隐状态,在高度指示器509数据小于指定阈值时,告警提示字符513和状态标志514以特定频率闪烁,并结合语音系统予以告警提示。
图6为一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统的运行实例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,包括外部飞行海洋环境可视化模块、海况信息可视化模块、光电图像增强模块和激光增强显示模块;外部飞行海洋环境可视化模块重建虚拟飞行环境,海况信息可视化模块数字化显示海况信息和海浪信息,光电图像增强模块实现光电图像信息与三维地理信息融合显示,激光增强显示模块利用激光测距机对目标进行激光测距后,结合惯导数据和光电位姿数据解算出目标的地理信息,构造静态障碍物数据库,并使用OpenGL对目标进行高亮标注。
2.如权利要求1所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,还包括:飞行仪表辅助模块,接收飞行过程中组合导航系统和光电稳瞄系统伺服数据,驱动飞行仪表实时运动。
3.如权利要求2所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述外部飞行海洋环境可视化模块重建的虚拟飞行环境包括三维海洋飞行环境,三维海洋飞行环境使用OpenGL和GLSL进行重建,利用快速傅里叶变换算法重建海洋海浪效果,对场景进行灰度化单色处理,重建后的三维场景与惯导数据进行融合显示,实时呈现与当前飞行视点一致的虚拟飞行视点。
4.如权利要求3所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述外部飞行海洋环境可视化模块重建的虚拟飞行环境还包括二维电子海图,利用离线障碍物数据库构建,显示预规划飞行路径、海礁、海滩和海岸线信息,辅助直升机低空飞行作业、以及供海上作业单元与直升机单元进行协同工作。
5.如权利要求4所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述海况信息通过独立的飞行信息模块显示,包括风力、温度、湿度、激光允许状态、预设障碍物开启状态和融合模式,风力、温度和湿度信息通过气象卫星及温度湿度传感器获取;风力的显示包括风速和风向;温度的显示采用标准摄氏度,精度0.1℃;湿度采用百分比显示。
6.如权利要求5所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,用于表征由于海风或者直升机转子下洗气流引起的所述海浪信息,使用线条符号表示海浪的方向和强度。
7.如权利要求6所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述光电图像增强模块采用基于视点的配准融合算法进行光电图像信息与三维地理信息融合显示,配准融合算法分为三步:位置配准、视场配准和图像融合;位置配准步骤:以机载光电设备在世界坐标系下的位置坐标作为视点配准基点,与机载导航数据构成负反馈系统,修正场景中三维虚拟视点位置,使其与视点配准基点一致;视场配准步骤:以光电图像作为输入,计算光电图像的纵横比率,通过计算当前三维场景视场的纵横比与光电图像纵横比率的比例因子,调整三维场景的投影矩阵,确保融合后三维场景不出现变形失真;最后使用图像融合算法完成对三维场景图像和光电图像的融合。
8.如权利要求7所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述激光增强显示模块包括激光测距状态显示模块和目标障碍物标注模块;激光测距状态显示模块显示激光测距状态、测距距离值、目标经度和目标纬度,在激光测距过程中,该模块以数字化字符的形式为飞行员提供当前目标的地理信息,同时为障碍物标注模块提供数据输入;目标障碍物标注模块在三维场景中通过三维符号呈现激光测距机定位的目标障碍物。
9.如权利要求8所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述障碍物标注模块接收激光测距后解算出的目标经度和纬度后,考虑地理垂直基准面的影响,利用射线相交算法解算目标在三维世界中精确的海拔高度,目标的经度、纬度和高度组成一组空间坐标,利用OpenGL完成对目标的绘制,并更新障碍物数据库。
10.如权利要求9所述的适用于近海作业的增强型合成视觉系统,其特征在于,所述飞行仪表辅助模块包括俯仰指示器、方位指示器、滚转指示器、高度指示器、地速显示、空速显示、垂直速度显示、视场中心水平线、滚转视场中心水平线、十字线和告警提示字符;告警提示字符默认处于消隐状态,在高度指示器高度显示小于指定阈值时,高度指示器高度值显示字符颜色呈红色高亮状态,此时告警字符WARNING以特定频率闪烁,并结合语音系统予以提示。
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