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1、华中科技大学 硕士学位论文 双目头盔显示器客观检查仪系统及程序设计 姓名：耿聪 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：陈海清 20070116 I 摘 要 为了满足现代航空或军事的需要，双目显示器应运而生。作为战车和战机驾驶员 配备，双目显示器作为一个系统平台，用以安装通信装置、听力增强装置、整体式夜 视/夜间机动性传感器、红外探测器、高分辨率显示器等装备。士兵通过显示器可对战 场进行全方位的了解，在各种复杂条件下都能捕捉到目标图像，并且查看自身机载的 火控信息和辅助指挥命令等。 本文设计的双目头盔显示器客观检查仪主要用于头盔显示器的调试、验收工作， 适用于双目头盔显示器。检查仪用图像
2、捕获装置来取代人眼的视觉观察功能，在参照 同一测试基准的前提下依次摄取理论上光轴应该互相平行的双目显示器中每个单目显 示器的显示画面，并将这些画面传输给图像处理/分析装置进行处理，最终在视频监视 器上显示出各单目画面和叠加后双目画面的显示状态，并给出所检测点的偏差值，供 分析、调试使用。 论文共分五章，第一章是绪论，介绍课题的来源和意义，国内外对双目头盔显示 器检查仪研究的现状及前景。第二章介绍了检查仪系统的总体设计思想和方法，测量 的原理和课题所要检测的参数。第三章具体介绍了系统的结构和组成仪器的精度等指 标。第四章详细介绍了系统检测软件设计方案、开发平台和设计流程。其中包括基于 串口通信的
3、工控机与运动控制器之间的通信控制程序，操作界面的设计，检查仪器测 试步骤的设计，以及使用较大篇幅介绍了图像处理的方法。第五章是系统的安装和调 试方法介绍以及对实际测量的数据进行分析。 该检查仪整体结构完整，布局合理；软件功能完善，电控操作实现了头盔姿态定 位自动化、智能化，实现了角度偏差的自动测量，使用操作方便，可以满足双目头盔 的测量使用要求并顺利通过验收。 关键词关键词：头盔显示器 光轴偏差 分划板 串口通信 II Abstract For the need of modern aerial and military using, the Helmet-Mounted Displays c
4、ome into being. To equip the drivers of chariot or airplane, the Helmet-Mounted Display assemble communication device, hearing assistant device，night vision device, infrared detector, high resolution ratio monitor display to put up a system platform. Soldiers can see the whole battlefield clearly, c
5、apture the target image in various complicated conditions, and look into onboard weapon information. The inspection system of Helmet-Mounted Displays is used to debug and acceptance test the Helmet-Mounted Displays. This inspection system uses video camera instead of eyes to capture images and analy
6、sis the aberration of two fields of view. It cinematize the two displays of Helmet in sequence which light axis should be parallel, and transmit the photos to image processing device to figure out objective and accurate deviation data to provide reference to producing workers. The measurement theory
7、 and methods are introduced, the system style design is also offered in the paper. The system of optical design, hardware design and software design are showed in details. The paper is divided into five chapters. The first chapter mainly introduces the source and meaning of the project, the present
8、condition and foreground of design of inspection system of Helmet-Mounted Displays all over the world. The second chapter introduces the overall design principles and methods. The measurement parameters and design of reticle are also referred. The third chapter shows the structure of the inspection
9、system, and introduces the instrumentations index and precision. The forth specifies design of application software project, development platform and excogitation process, including function model of communication between motion controllers and computer base on serial ports, interface of application
10、 software, inspect step of inspection system, and methods of images processing. The fifth chapter explains the system installation and debugs methods, analysis experimental results. The inspection system of Helmet-Mounted Displays has completeness structure and layout plausible. The functions of sof
11、tware are satisfactory. The electrical controlling can place the helmet automatically and intellective, measure the angle deviation convenient and quickly. The inspection system of Helmet-Mounted Displays fulfills the measurement of Helmet-Mounted Displays and passed the check for acceptance. Key wo
12、rds: Helmet-Mounted Displays (HMD) axis deflection reticle serial port communication 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保
13、留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题意义及研究背景 为了满足现代航空或军事的需要，双目显示器应运而生。作为战车和战机驾驶 员配备，头盔显示器系统不再单单是保护装置，并且作为一个系统平台，用以安装 通信装置、听力增强装置、整体式夜视/夜间机动
14、性传感器、红外探测器、高分辨率 显示器等装备12。 士兵通过显示器可对战场进行全方位的了解， 在各种复杂条件下 都能捕捉到目标图像，并且提供自身机载的火控信息和辅助指挥命令等。头盔内计 算机处理来自信息源的大量数据和图像，并将信息转换成相应的指令，对机上设备 和武器系统实施控制。显示器件(如图像增强器、透镜等光学器件)和电子器件(如阴 极射线管等)将符号、 数据与图像合成的信息构成虚拟现实环境在飞行员的眼前显示 出来3。飞行员就好像探身座舱外一样，能够看得更远、更清楚，能更快地发现目 标，并增强了姿态感知能力而不需要象以前那样低头去看仪表盘或是抬头看平视显 示器。无论他朝哪看，都能随时获得重要
15、的诸如武器瞄准线、目标鉴别、导航、飞 行状态以及威胁警报等重要信息，飞行员与其驾驶的飞机成一个整体，实现了信息 共享。头盔显示器提供的红外图像，使恶劣的天气和黑夜不再成为飞行员作战的障 碍，加大了视觉观察的范围，飞行员可以根据外界光线的强弱选择相应的工作模式， 因而飞机具备了全天候作战的能力4。在对地攻击行动中，头盔显示器与机载导航 系统相配合，可以适时修正飞机所在方位，并让飞行员通过红外图像找到要攻击的 地面目标，然后引导武器对目标实施打击5。特别是直升机大多在低空中行动，提 高生存力与侦察和攻击目标具有同等重要的作用，头盔显示器显示的信息能帮助飞 行员及进躲避地面障碍，使他们在各种气象条件
16、下安全飞行并对目标实施打击，增 加了战斗力。 如图 1-1 所示， 为美试验新式头盔(JFS)可取代战机传统平视显示器6， 飞行员面朝任何方向时都能看到座舱前部平视显示器上的信息，JSF 头盔系统在飞 行员面朝正前方时显示标准的 HUD 字符，在飞行员视线偏离中心线时，跟踪传感器 会通知显示器关闭某些信息或打开其它信息。 2 图 1-1 新式头盔(JFS) 由于它具有很多优点，更能满足现代战争的需要，所以它的发展受到了各国军方 的重视，目前，美、英、法等国家的综合头盔都有了很大突破，使飞机、战车作战发 挥出更大的威力。而头盔显示器的性能的检测就显得至关重要。一般的双目头盔显示 器的双目视场采用的是 100%全叠加视场， 双目显示画面分别来自于两个相同的独立像 源。只有通过一定的调试过程和双目视觉融合观察的判断，才能保证双目光轴的一致 性、保证双目显示画面的完全重合7。 而在未来的数字化战场上，士兵将不再是一个孤立的兵卒，而是数字化部队的主 要组成部分，同样也是数字化战场上不容忽视的重要作战
