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1、视景仿真在航空航天训练器上的应用作者：P. M. CAREY, C.Eng., P.Eng.本文基于 1965 年在魁北克地区蒙特利尔工学院所做的一次报告及其在 电子与无线电工程师学会加拿大分区的论文集复印件。摘 要本文对最近出现的视景仿真技术进行了简介。此类装置的用途是创造出一个人造的外界环境副本，并在地面飞行训练器上为飞行员展示动态视角影像。视觉模拟器的设计需要考虑三个通常并不相关的领域，即：电子学、光学和心理学。本文简述了视景仿真领域的影响因素和一些设计理念。也同时表明了该领域当前发展状况并假设了其未来的发展。1.基于仿真的训练仿真训练是一个用于训练飞行员/宇航员在航空器/航天器进行作业
2、的步骤，使用地基机电综合训练器进行。由于使用真实运载工具进行训练任务，耗费巨大且部分项目无法实施，模拟训练变得相当必要。例如，当我们进入超音速飞行时代，今日的商业喷气式飞机将会很快被替换。典型的超音速运输机造价约3000万美元，每操作一小时花费约9000美元。如果此事项需要在常规飞行的训练中考虑，那么在训练宇航员进行宇宙飞行的过程中就更加需要考虑。通过周密的训练，显著提高宇航任务的成功概率是可行的。视景训练器只是全部训练装置的一部分。视景仿真指从运输工具窗口所看到的对外部环境的人工复制。本文仅讨论视景仿真在训练设施上的应用。2.行为注意事项在宇宙航行中，由于太空舱载荷的限制，充分利用人的自然能
3、力极为重要。由于大脑有具有必要的感知能力和感知传感器，身体具有执行器，有能力执行综合控制操作，一个宇航员自身就是一个高效的电脑。训练期可被视作为了执行多种多样的日常活动而对这个人类电脑系统的编程。因此，训练过程的重要性是显而易见的，由于训练宇航员在接收到任何外部信息的组合时本能地进行正确的操作与其密切相关。一项对人类行为的研究表明人的所有行动都要靠两个过程的结合：（1）反射或本能反应；（2）推理，例如在给定的情境中推导出该做什么。人的推理能力使人有别于其他动物，但在飞行中，所做的行动必须是基于反射，因为在高速运动的运载器中没有时间来进行推理。人生来就有一系列反射行为并可通过训练来增加新的反射行
4、为。这就是模拟器被用来训练的学习过程。3.闭环回路链接起心理学，光学和电子学飞行员和模拟器可被视为图1所示的闭环系统。注意循环中包括与电子系统结合的飞行员。让我们深入这个循环内部，以直观视角来分析它。我们假设显示包括一个呈现在飞行员面前的模拟跑道，而飞行员正透过模拟的飞行器窗口看着这一切。他的眼睛向大脑反映着外部的环境信息。大脑视觉中枢对信息进行分析并做出决定，得到一个功能命令，反馈到大脑运动中枢，这就是他手脚受控运动的原理。图1.视觉仿真器的闭环回路这些控制有其附属的传感器，将电信号形式的位置信息反馈到飞行电脑中，依次分析数据和计算实际飞行器在此种情景下会做何种反应。信息随后被以伺服控制信号
5、的形式反馈回来，到影像产生器，构建出演示中原始的图像。通过这种持续的闭环过程，飞行员可以借助视觉提示，驾驶飞行器到跑道上。视觉提示的正确度是很重要，由于飞行员在模拟器的其他感觉通道上也接收到了其他线索，这些线索必须是关联的。例如，他能在仪器上读到飞行器的位置信息。他也能感受到模拟的飞行器运动，这必须同视觉图像所表现出的相对运动一致。飞行员视觉能力差异的重要性与其飞行器距外界物体的距离相反，这决定了可视数据的变化速率。因此，除了飞行器自身的翻滚运动带来的影响，对一个太空中的宇航员而言，视野的改变会相对地慢。相反地，对一个飞行器中的飞行员而言，当近地飞行时，环境变化显得相当地快，视觉提示也相当敏感
6、。4.传统飞行器的视觉模拟提供传统飞行器的模拟器基本上有两个主要目标：（1）军用拦截机（2）商业客机在这些基础需求之下有四个主要过程要求视觉训练：（1）普通的飞行和搜索（2）空对地攻击（3）空对空攻击（4）起飞和降落的视觉飞行规则。对商业客机而言，显然只有起飞和降落的训练的需要会继续存在。时至今日，一台有视觉功能的模拟器还没法取代在真实飞行器上进行的所有训练。从经济上考虑，我们需要在训练器和实际飞行器之间建立一种平衡。然而在未来，预期中训练器将在这种平衡中发挥更多的作用，原因是操作飞行器过于昂贵且超音速客机的出现将给模拟技术带来显著的影响。5. 宇宙航行训练与飞行器项目比较，经济考虑相较于技术
7、进步对太空任务训练的限制少。若不计成本，由于在很多情景下无法以其他方式来进行训练。对太空模拟器的典型要求如下：（1）环绕地球，月球或其他行星的轨道任务。（2）从轨道前往目的行星的着落地，降落并重返。（3）在地球，月球与其他行星间的大气外飞行。（4）在航行中与其他运载器近距离接触，即在轨或星际航行中的交会对接。在一般情况下，一次太空任务中会遭遇到的全部视觉景象由以下部分构成：（1）包括太阳在内的星球背景，由于距离太远，在一次任务中在视觉上并不会发生变化。（2）地形参考，例如星球的表面。（3）一个局部的影像，例如在交汇对接任务中的一个目标运载工具。上述的（2）和（3）都要在三维坐标系中选择并在观察
8、者视野范围内变动。所有的三个图像必须协调移动来模拟观察者所在运载工具进行六个自由度的姿态改变。除非人类能进行更多的轨道和空间飞行之时，否则关于大气层外的视觉环境的知识无法完善。利用人造卫星和高空气球，一系列有用的实验已经被实施。粗略的结论是地球表面和天空与十万英尺之上（的区域）是完全不同的：（1）在地平线上方五度左右，天空显现出丰富的暗色彩，从白到深蓝色再到暗蓝紫色。（2）黑暗天空和其下方明亮的白云的尖锐对比使天空变得更黑，确切说是像消失了一样。（3）在日出时分，地平线变得无法分辨（4）靠近地平线方向的地形色彩开始模糊，就想一副褪了色的蜡笔画。（5）给人印象最为深刻的是地球表面的单调，从高海拔
9、观察，最高的山峰和最深的大坑完全像是平的一样。（6）地球表面云的形成十分显著。（7）在一天之中，外表和演示都发生着显著的变化。（8）在地球大气层之外，天体的外观改变。阳光不再是分散的，而是强烈的，具有方向性。恒星更加明亮且不再闪烁。6.现有技术我们可以把视觉模拟器定义为一个用来与人眼接口进行连接的动态演示设备。将视觉信息传递给观察者的丰富技术，都可以分为两类：（1）串行数据传输（2）并行数据传输广义上讲，“串行数据传输”包括电视系统领域，通过一个被电子束或光束扫描的显示屏和作为结果产生的信息信号代表了对视觉内容的连续分析。这种被称为“并行数据传输”系统基本上包括同时处理整个视域光学系统领域，例
10、如，一张幻灯片投射至屏幕。在这两种基本方法中，一般认为光学系统提供更高的分辨率并较为容易进行色彩复制。然而光学系统是无法改变的且通常并不能提供持续的展示。另一方面，电视系统具有高适用性，可以提供任意数量的演示并可以在它们之间方便地切换。然而，这种方式也有总体效果受带宽和噪声因素限制的缺点。同样，彩色显示器不容易得到。然而，可以断定未来大多数基本视觉仿真器将以电视系统作为基础，因此成为本文的主要研究对象。在正常的光线条件下，人眼可以将对面方向成一分夹角的两个点分辨开。眼无法在整个视野中达到这个程度的分辨率，只有在正好映入视网膜中央凹坑的那个部分才可以。为了在视野的各个区域都达到这个分辨率，必须把
11、眼睛转到相应方向去。因此，虽然眼睛能在一个210 8单元的球形环境中分辨出相邻的两个点，在任意特定视角能分辨出的数量大大减少，并且这些会有间隔来适应远离视网膜中心凹坑带来的分辨率快速降低。另一方面，电视提供了一种排列图像单元的格式来避免播放速度快于眼睛的接收速度所造成的闪烁。在几乎所有看电视情境下都有一系列的错配出现，分辨率无法满足视网膜中心凹坑的需要却比视网膜剩下部分高太多。7.系统观念我们现在着手勾勒出一个典型的视觉模拟器的操作原理。可以看出一个视觉系统由以下几个必要的部分组成，分别是：（1）一个存储器，存储任务地区地形的视觉信息（2）一个图形产生器，它包含数据的解析系统，可以根据观察者在
12、地形上的模拟运动从存储区读取视觉信息。它也包括一个透视图像创建器，可以根据飞行器的姿态，从存储中提取数据，得到一个动态透视图像。（3）一个显示器，使计算出的透视图像能以从窗口往外看的视角反馈给飞行员。（4）一个多路转接器，既可用于让多个显示器呈现一个图形产生器产生的图像，也可以让多个图形产生器产生的图像投影在一块显示屏上。图2.视觉仿真器的模块布局需要注意的是，对众多的子系统的操作都在飞控电脑的控制之下。运载器在地形上方的运动是由三个侧位信号指定的，这些信号通过飞行控制系统控制着数据解析系统。透视图像发生器受三个旋转伺服系统控制，具体给出运载器在三轴坐标系中的姿态。显示屏的处理方式是光学方式，
13、让图像出现在观察者前方正确的距离处，以此来提供正确的视差提示，与飞行器的窗口和仪表盘相一致。7.1地形存储存储视觉信息的方式大体上有两种：（1）真实模型（2）胶片根据对表现性能的不同要求，两种方式各有其用途。胶片的优势在于能提供一个很小的柔性系统且能快速地从一边变化到另一边。然而，其局限于对地形的二维复制，因此常被用来进行轨道飞行或高海拔侦查飞行的训练。低空的地形浮雕效应非常显著，真实模型系统能给低空飞行提供更多的真实性，多被用作起飞和降落的模拟。在交会对接任务中，目标的三维效果是一个很重要的提示要素，真实模型也被用作此任务中的目标飞行器。由于有潜力得到高分辨率，相关的电子系统也很经济，图形储
14、存的使用正受到越来越多的注意。图3是地形幻灯片的一个例子。这其实是以一英寸对五十英里比例尺呈现的一片月球表面区域。这种影响最初被用来在某些情况下模拟距地面一百英里高度。在这个高度下，分辨率降到一个让人难以接受的水平。这张当前所能得到的最好的图由加州利克天文台的一台150英寸的天文望远镜拍摄，但对于地球上拍摄得的月球图像的使用仅限于靠近地图中心的一小块区域。这张月球表面图像在漫游者计划中被一台电视摄像机拍摄下来，最高分辨率的图片可以在月球表面一个小区域内达到大约一英尺的分辨率。俄罗斯将一台电视摄像机送到了月球环绕轨道，在远端中继传输了图片，虽然这些图片的分辨率水平对于模拟目的而言完全无法接受。我
15、们可以大致得出结论，即图像存储对模拟月球轨道任务没有明显的贡献。图3.地形存储按大约(1 mm=2 05 nm)的比例尺来表现月球上某区域无论以何种方式从轨道高度来模拟地球地形，采用图像存储是最实用的方式。必须考虑到一次完整的双子星任务计划包括16个轨道，每条轨道上需运行90分钟。由于地球进动，飞船飞越有6000英里宽的地表，覆盖了整个赤道地区。地表面积大约有1.5亿平方英里，只有胶片才是存储如此大量视觉数据的可行方式。真实模型存储方式被广泛用于模拟起降训练中飞机场的地形，或者空战和集结训练中的目标飞行器。这是因为它具有提供双眼效应的天赋，这在此类训练中是一个很关键的要素。7.2.图像产生基本
16、上，使用图像存储器的同时允许使用飞点扫描器或者光学扫描系统，而使用真实模型则允许使用电视摄像头。在所有使用电视的场景中，遇到的问题基本都是带宽限制，光斑大小和信噪比。在使用飞点扫描仪的情景中，扫描电子管被加上了一个根据飞行器姿态确定的非线性光栅。这个光栅与现实光栅同步，以此来引进透视变形计算。摄像机系统的主要无问题是镜头的成像光学。有必要根据飞行器的运动移动电视摄像头并改变镜头使整个区域都能被清晰反映。无论使用飞点扫描器还是电视摄像机，演示的效果是相同的。在每种情况下，镜头都有一定程度的退化。在使用电视摄像机的情况下，这是由镜头焦距不合适造成的，在使用飞点扫描仪的情况下，这是由光点尺寸有限造成的。为了根据运载器飞过的地形提取正确的数据，摄像机会在地形模型上移动，或是飞点扫描器的电子束滑动。在两种情景下，观察者都能感受到在模拟的地形上产生的明显的横向移动。在空间任务的交会对接时，摄像机对准目标飞行器的模型，根据模拟运动对其进行伺服控制。电视系统不可避免地受分辨率限制。通常，为了增加分辨率必须选用一个较低的光斑亮度，就要采
