CN111210515A - 一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统，能够保证画面的实时性，实现地形的高精度显示，适用于各种综合航电系统中综合显示单元中的机载视觉合成。该系统包括：数据接口模块、机载数据模块、以及地形渲染模块；其中，所述数据接口模块，用于通过数据接口单元接收来自机载设备的导航指示信息、速度指示信息、以及姿态指示信息；机载数据模块，用于存储包括地形、障碍物、机场信息的机载数据；所述地形渲染模块，用于根据导航指示信息确定飞机的当前位置，并从机载数据模块读取以当前位置为中心预设范围内的机载数据，计算生成3D图形与符号，并根据姿态指示信息进行渲染，将渲染计算生成的3D画面帧输出显示。
Description
技术领域
本发明涉及航空电子设备合成视觉技术领域，尤其涉及一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统。
背景技术
现代飞机上通常使用统一处理器对飞机上各种航空电子设备的信息进行统一处理，将功能相同或相近的设备组合在一个组件内，在显示器上综合显示相关的参数，并在各航空电子设备之间通过机载数据总线来传送有关信息，从而使整个飞机上所有航空电子设备的性能达到更高的水平，这样的系统称为综合航电系统。
综合航电系统中包括功能众多的机载设备，例如数据接口单元DIU、大气数据系统ADC、组合导航系统INS/GNSS、综合无线电系统CNS、平视显示单元HUD、以及座舱监视系统等。综合航电系统中的综合显示控制单元，作为航电系统中的主要人机交互设备，集成了大气航姿显示子系统、引擎燃油显示子、无线电导航子系统、无线电通信管理子系统、飞行计划和导航子系统、警告和故障显示子系统、电子飞行检查子系统和合成视觉子系统等。
其中，合成视觉系统(Synthetic Vision System，SVS)用于通过计算生成3D图像来表现外部视野，为飞行员提供直观的方式来理解他们的飞行环境。然而，现有的合成视觉系统所生成的画面延时较大，而且飞机前方近处地形精度较低，导致飞机在复杂地形下高速飞行的安全性较低，空难事故发生率较高。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统，能够保证画面的实时性，实现地形的高精度显示，适用于各种综合航电系统中综合显示单元中的机载视觉合成。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统，机载合成视觉系统包括：数据接口模块、机载数据模块、以及地形渲染模块；
其中，数据接口模块，用于通过数据接口单元接收来自机载设备的导航指示信息、速度指示信息、以及姿态指示信息；
机载数据模块，用于存储包括地形、障碍物、机场信息的机载数据；
地形渲染模块，用于根据导航指示信息确定飞机的当前位置，并从机载数据模块读取以当前位置为中心预设范围内的机载数据，计算生成地形、障碍物、机场的3D图形与符号，并根据姿态指示信息进行渲染，将渲染计算生成的3D画面帧输出至主飞行显示器PFD、多功能飞行显示器MFD、以及平视显示器HUD中的一者或者多者进行显示。
作为优选方案，地形渲染模块在生成3D地形图形时，将地形数据按照块来划分,以地块为渲染的基本数据结构。
作为优选方案，地形渲染模块包括地块分级单元，用于根据地块大小和顶点数量将地块设置成不同的级别，并根据地块的级别计算该地块是否加载的距离阈值；其中，距离飞机较远地块的顶点数少于距离飞机较近地块的顶点数；并将地块中心点设置为地块在海拔为0的高度上的经纬中心位置，并以中心点作为整个地块的位置。
作为优选方案，地块分级单元在相邻的两个地块级别不同时，给每个地块的四个边缘处都加上边带，边带沿着地块的边向地心方向延伸一定的距离。
作为优选方案，地形渲染模块包括地块管理单元，用于在飞机飞近一地点时，将该地点加载的地块由低级别地块逐渐替换成更高级别地块，加载高级别地块之前卸载低级别地块；当飞机飞离该地点时，将该地点加载的地块由高级别地块逐渐替换成更低级别地块，并且总是只加载该地点与飞机的距离小于距离阈值的所有地块中级别最高的地块。
作为优选方案，地块管理单元进一步用于实时维护位于飞机当前位置附近的九个形成九宫格形的0级别地块，并随着飞机位置的移动而动态加载和/或卸载相应数量的0级别地块，以使飞机周围保持9个0级别地块，并作为渲染队列的数据来源。
作为优选方案，地形渲染模块还包括地块加载单元，用于从地形数据文件中读取地形海拔信息，将地理坐标转换到地球坐标，生成以地球坐标表示的地块顶点网格，并生成地块顶点法向量，根据顶点法向量计算光照生成顶点颜色，将生成好地块加入渲染队列。
作为优选方案，地形渲染模块调用CPU计算生成地块顶点，并进行地块每个顶点地理坐标到地球坐标的转换计算，法向量计算，以及颜色计算；调用GPU对CPU发送的数据进行批量渲染；其中，在计算生成地块顶点时，进行地块可见性判断，并且当地块的可见性小于可见阈值时不生成该地块并不进行该地块的后续计算；在进行批量渲染时，在OpenGL渲染管线的图元装配环节，进行背面剔除与视锥体裁剪，将三角形背面与视锥体以外的图元剔除。
作为优选方案，地形渲染模块进行地块可见性判断包括选取地块包围体并基于视锥的进行检测；选取的包围体为：部分球壳状，其具有8个顶点，8个顶点的经纬度分别为地块西北，西南，东南，东北四个点的经纬度，所选包围体的高度有高低两个值，低值为海拔0m，高值取飞机的升限略大值8000m。
作为优选方案，基于视锥的检测时，用地块包围体的八个顶点对六个裁剪面进行逐一测试，如果所有顶点都在一个或多个裁剪面的外部，则地块包围体不可见，抛弃此地块。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过导航指示信息确定飞机的当前位置，并从机载数据模块读取以当前位置为中心预设范围内的机载数据，计算生成地形、障碍物、机场的3D图形与符号，并根据姿态指示信息进行渲染；仅根据飞机的地理坐标经纬高即可合成显示飞机周围地形环境的3D图像，通过大幅度降低渲染计算量，能够保证画面的实时性，实现地形的高精度显示，克服了低能见度下给飞行带来的不利因素。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基于地形实时渲染的机载合成视觉系统的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的地块分布示意图。
图3是根据本发明实施例的地形高度预警示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明实施例的基于地形实时渲染的机载合成视觉系统。该实施例的机载合成视觉系统包括：数据接口模块、机载数据模块、以及地形渲染模块。
其中，数据接口模块，用于通过数据接口单元接收来自大气机、ING/GNSS组合导航、无线电等机载设备的导航指示信息(包括经度、纬度、气压高度、无线电高度、选择高度等数据)、速度指示信息(包括空速、真空速、马赫数、地速、选择速度、升降速度等数据)、以及姿态指示信息(包括航向、俯仰角、滚转角、侧滑角、航迹、攻角等数据)。
机载数据模块，用于存储包括地形、障碍物、机场信息的机载数据，例如存储在系统的内置存储器中或者通过高速数据接口存储在诸如SD等外部存储介质中，并设置为从数据源定期更新。
地形渲染模块，根据导航指示信息确定飞机的当前位置，并从机载数据模块读取以当前位置为中心预设范围内的机载数据，计算生成地形、障碍物、机场的3D图形与符号，并根据姿态指示信息进行渲染，将渲染计算生成的3D画面帧输出至主飞行显示器PFD、多功能飞行显示器MFD、以及平视显示器HUD进行显示。
其中，在生成3D地形图形时，将地形数据按照块来划分，即地块Terrain Tile,以一个地块为渲染的基本数据结构，根据飞机的经度、纬度、高度以及飞机与地块的距离，采用动态加载飞机周围的地块的方式，减少OpenGL的draw调用频次，提高渲染效率。
根据本发明实施例的机载合成视觉系统中，地形渲染模块包括地块分级单元，用于根据地块大小和顶点数量将地块设置成不同的级别，并根据地块的级别计算该地块是否加载的距离阈值。距离飞机较远地块的顶点数少于距离飞机较近地块的顶点数。地块从0级别开始。0级别为最大地块，横向跨越1度经度，纵向跨越1度纬度。1级别的地块比0级别地块跨度小一倍，横向跨度为0.5度经度，纵向跨度为0.5度，1个0级别地块正好覆盖4个1级别的地块。1个1级别的地块正好覆盖4个2级别的地块。地块级别越高地块越小，精度越高，以此类推。如图2所示，距离视平面越进的地块包括的高级别的地块越多，地形精度也越高。级别相邻的地块为父子关系。所有级别的地块构成了一棵四叉树。这棵四叉树的根为一个0级别的地块。地块中心点设置为地块在海拔为0的高度上的经纬中心位置，当需要将地块视为一个整体时，以此中心点作为整个地块的位置，从而减小计算量。
当相邻的两个地块级别不同时，由于二者的顶点数不同，在边界处会出现缝隙。因此，地块分级单元进一步给每个地块的四个边缘处都加上边带，边带沿着地块的边向地心方向延伸一定的距离。
所述地形渲染模块还包括地块管理单元，用于在飞机飞近一地点时，将该地点加载的地块由低级别地块逐渐替换成更高级别地块，加载高级别地块之前卸载低级别地块；当飞机飞离该地点时，将该地点加载的地块由高级别地块逐渐替换成更低级别地块。由于任一地点都会存在多个级别的地块，因此总是只加载该地点与飞机的距离小于距离阈值的所有地块中级别最高的地块。
地块管理单元用于实时维护位于飞机当前位置附近的九个形成九宫格形的0级别地块，并随着飞机位置的移动而动态加载和/或卸载相应数量的0级别地块，以使飞机周围保持9个0级别地块，并作为渲染队列的数据来源。如此，每一时刻均维护着9棵四叉数，这九棵四叉数表示着当前飞机位置需要渲染的所有地块的信息，“九宫”(9个0级别的最大地块)随着飞机的位置变动动态扩展与回收，树的子节点(高级别的地块)随着飞机位置的靠近而创建，随飞机位置的远离而销毁，该9棵四叉数数据结构即作为渲染队列的数据来源。
所述地形渲染模块还包括地块加载单元，用于从地形数据文件中读取地形海拔信息，将地理坐标(经纬高)转换到地球坐标(XYZ)，生成以地球坐标XYZ表示的地块顶点网格，并生成地块顶点法向量，根据顶点法向量计算光照生成顶点颜色(也可由GPU来计算)，将生成好地块加入渲染队列。具体地，可以将相同图元、相同OpenGL状态的渲染单元，放到渲染队列中，每帧对渲染队列中的对象(例如地块)进行依次渲染，完成后，清空队列，从而避免频繁的OpenGL状态机切换而降低渲染效率。
上述机载合成视觉系统还可以包括地形高度预警模块，用于从地形数据获取将飞机前方预设距离地点的海拔高度，并与飞机当前海拔高度进行比较，在该地点的海拔高度大于飞机当前海拔高度时，将该地点通过警示色显示，例如图3中最高位置处的暗色区域。
地形渲染模块调用CPU计算生成地块顶点，并进行地块每个顶点地理坐标到地球坐标的转换计算，法向量计算，以及颜色计算；调用GPU对CPU发送的数据进行批量渲染；其中，在计算生成地块顶点时，进行地块可见性判断，并且当地块的可见性小于可见阈值时不生成该地块并不进行该地块的后续计算，从而大幅减小不必要的计算量；而在进行批量渲染时，在OpenGL渲染管线的图元装配环节，进行背面剔除与视锥体裁剪，将三角形背面与视锥体以外的图元剔除，以避免后续管线流程，从而减小计算量并提升效率。
具体地，地块可见性判断包括选取地块包围体并基于视锥的进行检测。由于场景中一个3D网格是否可见的判断，通常是通过对3D网格的包围体来计算的。包围体是3D网格模型的极大简化，用包围体代替3D网格的真实几何形状来计算其可见性。根据实际需求包围体可以为立方体，球体，等形状。对于地块，考虑到地理坐标与球坐标的转换计算的简洁性，选取适合的包围体为：部分球壳状，其具有8个顶点，8个顶点的经纬度分别为地块西北，西南，东南，东北四个点的经纬度，所选包围体的高度有高低两个值，低值为海拔0m，高值取飞机的升限略大值8000m。
基于视锥的检测时，用地块包围体的八个顶点对六个裁剪面(远、近、左、右、上、下截面)进行逐一测试，如果所有顶点都在一个或多个裁剪面的外部，则地块包围体不可见，抛弃此地块。具体地，对每一顶点，应用一个字节，字节的每一位都对应一个裁剪面，如果顶点在裁剪面外，则相应顶点对应的位赋值1，否则赋值0；若8个顶点输出码的逻辑与的结果非零，则包围体是离屏的，即地块不可见；若8个顶点输出码的逻辑与的结果为零，则表示至少有一个顶点在视锥体内，这种情况视为地块可见。若需要进一步优化，可考虑对此包围体内地块网格进行裁剪，当8个顶点输出码的逻辑或结果为零(即8个点全为0)，则所有点在视锥体内，则判定该地块可见。
在各种实施例中，机载数据模块所存储的地形数据文件可以采用美国国家航空航天局NASA的航天飞机雷达地形测绘使命SRTM航天飞机项目数据。格式为：单个文件覆盖一度精度与一度纬度，分辨率为1201x1201个点。不同级别的地块，大小不同顶点个数不同，与SRTM地形数据文件不存在点对点的一一对应关系。因此，在将地形数据读入生成大小各异的地块的顶点的海拔高度时，需要在周边几个海拔数据点的之间使用插值算法。并且，为了降低地形数据文件的打开读取关闭的频率，还设置有缓存单元，当地块要采样地形数据文件时，首先查看缓存单元中是否有已经缓存的地形数据。
在本申请所提供的上述实施例中，应该理解到，所揭露的软件平台，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，可以仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元、模块可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的单元(例如，各功能单元、处理器、存储器等)可以全部集成在一个单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于地形实时渲染的机载合成视觉系统，其特征在于，所述机载合成视觉系统包括：数据接口模块、机载数据模块、以及地形渲染模块；
其中，所述数据接口模块，用于通过数据接口单元接收来自机载设备的导航指示信息、速度指示信息、以及姿态指示信息；
机载数据模块，用于存储包括地形、障碍物、机场信息的机载数据；
所述地形渲染模块，用于根据导航指示信息确定飞机的当前位置，并从机载数据模块读取以当前位置为中心预设范围内的机载数据，计算生成地形、障碍物、机场的3D图形与符号，并根据姿态指示信息进行渲染，将渲染计算生成的3D画面帧输出至主飞行显示器PFD、多功能飞行显示器MFD、以及平视显示器HUD中的一者或者多者进行显示。
2.根据权利要求1所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块在生成3D地形图形时，将地形数据按照块来划分,以地块为渲染的基本数据结构。
3.根据权利要求1所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块包括地块分级单元，用于根据地块大小和顶点数量将地块设置成不同的级别，并根据地块的级别计算该地块是否加载的距离阈值；其中，距离飞机较远地块的顶点数少于距离飞机较近地块的顶点数；并将地块中心点设置为地块在海拔为0的高度上的经纬中心位置，并以中心点作为整个地块的位置。
4.根据权利要求3所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地块分级单元在相邻的两个地块级别不同时，给每个地块的四个边缘处都加上边带，边带沿着地块的边向地心方向延伸一定的距离。
5.根据权利要求1所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块包括地块管理单元，用于在飞机飞近一地点时，将该地点加载的地块由低级别地块逐渐替换成更高级别地块，加载高级别地块之前卸载低级别地块；当飞机飞离该地点时，将该地点加载的地块由高级别地块逐渐替换成更低级别地块，并且总是只加载该地点与飞机的距离小于距离阈值的所有地块中级别最高的地块。
6.根据权利要求5所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地块管理单元进一步用于实时维护位于飞机当前位置附近的九个形成九宫格形的0级别地块，并随着飞机位置的移动而动态加载和/或卸载相应数量的0级别地块，以使飞机周围保持9个0级别地块，并作为渲染队列的数据来源。
7.根据权利要求1所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块还包括地块加载单元，用于从地形数据文件中读取地形海拔信息，将地理坐标转换到地球坐标，生成以地球坐标表示的地块顶点网格，并生成地块顶点法向量，根据顶点法向量计算光照生成顶点颜色，将生成好地块加入渲染队列。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块调用CPU计算生成地块顶点，并进行地块每个顶点地理坐标到地球坐标的转换计算，法向量计算，以及颜色计算；调用GPU对CPU发送的数据进行批量渲染；其中，在计算生成地块顶点时，进行地块可见性判断，并且当地块的可见性小于可见阈值时不生成该地块并不进行该地块的后续计算；在进行批量渲染时，在OpenGL渲染管线的图元装配环节，进行背面剔除与视锥体裁剪，将三角形背面与视锥体以外的图元剔除。
9.根据权利要求8所述的机载合成视觉系统，其特征在于，所述地形渲染模块进行地块可见性判断包括选取地块包围体并基于视锥的进行检测；选取的包围体为：部分球壳状，其具有8个顶点，8个顶点的经纬度分别为地块西北，西南，东南，东北四个点的经纬度，所选包围体的高度有高低两个值，低值为海拔0m，高值取飞机的升限略大值8000m。
10.根据权利要求9所述的机载合成视觉系统，其特征在于，基于视锥的检测时，用地块包围体的八个顶点对六个裁剪面进行逐一测试，如果所有顶点都在一个或多个裁剪面的外部，则地块包围体不可见，抛弃此地块。
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