用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统及背投球幕

摘要

本发明公开了一种背投球幕，包括由内至外依次设置的投影成像层、加筋增强层、防眩光层，所述背投球幕底部具有底部开口、与底部开口连通设有侧部进口，所述底部开口、侧壁进口的大小设置为满足背投球幕的垂直视场为130°、水平视场为300°的要求，所述背投球幕的直径为3.5m。一种用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统，包括：背投球幕、视景生成模块、图像校正融合模块、多个投影仪。本发明具有背投成像，超大视场角技术，水平视场300度，垂直视场130度，满足多机种空域作战需求，满足系统平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

说明书

技术领域

本发明涉及飞行模拟器的视景技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统及背投球幕。

背景技术

视景系统是用来模拟飞行员的视野，将飞行器之外的包括气象等所有与飞行任务有关的景象全景式呈现在飞行员面前，帮助飞行员判断出飞机飞行的速度、位置、飞行高度、飞行姿态等，并根据计算机成像模拟飞行状况经屏幕显示出来，帮助飞行员实现飞行训练的专门性系统。飞行模拟器视景仿真系统虽是模拟系统，但对飞行员的实际操作能力的养成提供了前期技能训练手段，因此对于飞行员专业素养的培养和飞行经验的成长具有重要意义。目前的视景仿真系统存在成像幕形式落后，传统采用显示屏拼接、柱幕、正投球幕方式实现训练环境仿真；且视场角小，不适合仿真大场景空域作战，沉浸感弱的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种背投球幕，背投成像(双曲面表面成像，外投内看)，超大视场角技术，水平视场300度，垂直视场130度。

本发明还有一个目的是提供一种用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统，背投成像背投球幕直经3.5m，超大视场角技术，且大视场背投系统平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种背投球幕，包括：由内至外依次设置的投影成像层、加筋增强层、防眩光层，所述背投球幕底部具有底部开口、与底部开口连通设有侧部进口，所述底部开口、侧壁进口的大小设置为满足背投球幕的垂直视场为130°、水平视场为300°的要求。

优选的是，所述背投球幕的直径为3.5m。

优选的是，所述加筋增强层的制备包括以下步骤：土坯按照标准3.5m半球进行表面处理，得对接固定形成刮膜的一对半球刮膜；依托刮膜的外表面制作一对对接固定形成阴模的半球阴模；依托阴模的内表面制作一对对接固定形成阳模的半球阳模；可转动架设阳模，采用模外浇注工艺，获得加筋增强层。

优选的是，对所述加筋增强层内表面交替采用内竖向喷投和内水平喷投进行投影成像层的制作，对所述加筋增强层外表面交替采用外竖向喷投和外水平喷投进行防眩光层的制作。

一种用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统，包括背投球幕、视景生成模块、与所述视景生成模块连接的图像校正融合模块、与所述图像校正融合模块连接的多个投影仪，其中：

设计背投球幕的几何中心为眼点；

所述图像校正融合模块利用视锥融合技术，基于背投球幕尺寸、眼点位置、投影仪光学参数、背投球幕亮度衰减率，在满足水平视场为300°、垂直视场为130°，平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

所述视景生成模块用于实时接收交互信息，根据接收的信息输出多通道的视景图像；

图像校正融合模块接收输出的多通道的视景图像进行融合校正后发送至对应投影仪，并通过投影仪投影到背投球幕上

优选的是，所述投影仪为LCOS系列4K6021Z激光工程投影仪，其投影比为1.89:1、亮度为6000流明亮度、分辨率为4096：2160。

优选的是，所述图像校正融合模块确定投影仪的个数为8个，上层为3个，下层为5个，各投影仪相对于球幕的空间位置包括安装位置和朝向，具体的：

各投影仪安装位置设置为：以眼点为原点，眼点水平朝前方向为Z轴正向，眼点水平朝左方向为X轴正向，眼点竖直向上方向为Y轴正向；下层5个投影仪沿Y轴的移动距离均为0.5m，沿X轴移动的距离分别为-3.5m、-3m、3m、3.5m、0m，对应沿Z轴移动的距离分别为2.0m、-2.5m、-2.5m、2.0m、3.5m；上层3个投影仪沿Y轴的移动距离均为3.5m，沿X轴移动的距离分别为1m、-1m、0m，对应沿Z轴移动的距离分别为-0.5m、-0.5m、0.5m；

各投影仪朝向设置为：垂直于球幕的球面，且延长线经过球心。

优选的是，所述视景生成模块包括仿真管理服务器、与仿真管理服务器连接的5台视景渲染计算机，每台视景渲染计算机支持输出2通道的视景图像，每台视景渲染计算机内均放置视景数据库；

所述仿真管理服务器用于实时接收交互信息，并转换为控制信息，所述仿真管理服务器将控制信息同步传输至每个视景渲染计算机，每个视景渲染计算机接收控制信息后进行解析，根据解析的结果结合视景数据库同步输出2通道的视景图像。

优选的是，每台视景渲染计算机配套安装同步卡。

优选的是，还包括通过底架安装的遮光房，设于遮光房内的支架、5个下支撑架、悬臂支撑架，所述底架、支架、5个下支撑架、悬臂支撑架彼此不接触，其中，所述背投球幕通过法兰座安装于所述支架上；5个位于下方的投影仪一一对应安装于5个下支撑架上，3个位于上方的投影仪安装于所述悬臂支撑架上。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、背投成像(双曲面表面成像，外投内看)，背投球幕直经3.5m，在制作过程中，通过刮膜、阴模、阳模的依次制备，保证背投球幕内表面的光滑性以及直径的控制，进一步通过模外浇注，利于大尺寸(3.5m)背投球幕的形成，进而提高背投球幕自身支撑强度，采用不同轨迹交替多次喷涂，提高喷涂均匀度，喷涂后可保证全视场增益均匀，目视观察无可见颜色、亮度不一致现象，无太阳效应；

第二、视场大(超大视场角技术，水平视场300度，垂直视场130度)，满足多机种空域作战需求；采用LCOS系列4K6021Z激光工程投影仪，满足单通道4K+视景画面输出，清晰度高，且大视场背投系统平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

第三、遮光房、球幕、位于上方投影仪、位于下方的投影仪物理间隔设置，避免共振对投影画面的影响，且整体装置采用模块化、轻量化设计，设计过程中充分考虑拆卸、吊装、运输、安装以及维修的便利性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的其中一种技术方案所述背投球幕的结构示意图；

图2为本发明的其中一种技术方案所述喷涂轨迹的示意图；

图3为本发明的其中一种技术方案所述喷涂轨迹的示意图；

图4为本发明的其中一种技术方案所述用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统的示意框图；

图5为本发明的其中一种技术方案所述投影仪俯视布局图；

图6为本发明的其中一种技术方案所述遮光房的结构示意图；

图7为本发明的其中一种技术方案所述下支撑架、悬臂支撑架的结构示意图。

附图标记具体为：背投球幕1；侧部进口2；眼点3；遮光房4；下支撑架5；悬臂支撑架6；投影仪7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种背投球幕，包括由内至外依次设置的投影成像层、加筋增强层、防眩光层，所述背投球幕1底部具有底部开口、与底部开口连通设有侧部进口2，所述底部开口、侧壁进口的大小设置为满足背投球幕1的为130°、水平视场为300°的要求。在上述技术方案中，所述背投球幕1内设有座舱系统，驾驶人员通过侧部进口2进出，以使用座舱系统，采用这种方案，所述背投球幕1包括由内至外依次设置的投影成像层、加筋增强层、防眩光层，实现外投内看，同时通过底部开口的设置，满足背投球幕1安装稳定性的同时，不影响背投球幕1的垂直视场，通过侧部进口2的设置，满足驾驶人员进出的同时，不影响水平视场要求。

在另一种技术方案中，所述背投球幕1的直径为3.5m，采用这种技术方案，提供一种大尺寸背投球幕1。

本发明提供一种背投球幕的制作方法，所述加筋增强层的制备包括以下步骤：

土坯按照标准3.5m半球进行表面处理，得对接固定形成刮膜的一对半球刮膜；

依托刮膜的外表面制作一对对接固定形成阴模的半球阴模；

依托阴模的内表面制作一对对接固定形成阳模的半球阳模；

可转动架设阳模，采用模外浇注工艺，获得加筋增强层，其中，加筋增强层为环氧树脂增强材料。具体的：所述加筋增强层的制备包括以下步骤：

S1、模具的制作

制作刮模，土坯按照标准3.5m半球进行表面处理(确保外表面光滑、圆度标准)，得一对外直径为3.5m的半球刮膜；

依托刮膜的外表面制作一对内直径为3.5m的半球阴模，一对半球阴模对接固定形成阴模；

依托阴模的内表面制作一对外直径为3.5m的半球阳模，一对半球阴模对接固定形成阳模，其中，每个半球阴模的球口处外周、每个半球阳模的球口处内周均设连接件，用于固定一对半球阴模、一对半球阳模；

S2、背投球幕加筋增强层的制作

可转动架设阳模，采用模外浇注工艺，通过温度和转速的控制，使加筋增强层材料有热固性流体固化成热固性制品，切割脱模(阳模)后获得加筋增强层，其厚度优选为5mm，其中，加筋增强层的材料具体为环氧树脂增强材料，在切割脱模前对加筋增强层的外表面进行打磨，在切割脱模后对加筋增强层的内表面进行打磨；

加筋增强层按照图纸要求进行底部开口、侧部进口2的切割，切割后底部剖面加装法兰座，法兰座的设置便于背投球幕的固定，以及增加强度，防止变形，底部开口的大小设置为切割后满足垂直视场为130°(-40°，90°)，侧部进口2的大小设置为切割后满足水平视场(HFOV)为300°(-150°，150°)；采用这种方案，通过刮膜制作阴模，进而通过阴模制作阳模，保证阳模外表面的光滑，以及直径的控制，进一步通过模外浇注，利于大尺寸(3.5m)背投球幕的形成。

在另一种技术方案中，如图2-3所示，对所述加筋增强层内表面交替采用内竖向喷投和内水平喷投进行投影成像层的制作，对所述加筋增强层外表面交替采用外竖向喷投和外水平喷投进行防眩光层的制作。在上述技术方案中，背投球幕投影成像层的制作，包括以下步骤：

将背投球幕的加筋增强层通过法兰座安装于一台转盘工装上，该转盘工装通过一台电机驱动转动，转盘工装的转动同步带动位于其上的背投球幕转动；

在转盘工装上位于背投球幕加筋增强层内部空间内设置伸缩支撑架，所述伸缩支撑架顶端安装转向喷头，其中，所述转向喷头的转动角度为水平向上扩张90°，水平向下扩张40°；

调控伸缩支撑架，使所述转向喷头位于所述背投球幕加筋增强层中心点处，对所述背投球幕加筋增强层内表面交替采用内竖向喷投和内水平喷投方式进行投影成像层的制作，投影成像层厚度不超过0.08mm；

其中，内竖向喷投具体为：控制所述转向喷头在转动角度范围内往复转动，在进行一次沿转动角度范围内的转动时控制转盘工装静止，当一次沿转动角度范围内的转动结束时，控制转盘工装转动预定角度，以带动加筋增强层转动预定角度，控制转向喷头进行下一次沿转动角度范围内的转动，以使喷头的轨迹为沿竖向设置，预定角度根据实际情况确定，目的在于实现喷涂全覆盖的同时，均匀喷涂；

内水平喷投具体为：控制所述转向喷头在转动角度范围由上至下、或由下至上间隔预定角度调整转向喷头角度，每调整一次角度，控制转盘工装旋转以带动加筋增强层旋转，旋转角度为周向360°，以使喷投的轨迹为沿周向设置，其中，喷头角度的一次调整大小根据实际情况确定，目的在于实现喷涂全覆盖的同时，均匀喷涂；

背投球幕防眩光层的制作包括以下步骤：

将伸缩支撑架安装于背投球幕加筋增强层外侧，对所述背投球幕加筋增强层外表面交替采用外竖向喷投和外水平喷投进行防眩光层的制作；

其中，外竖向喷投具体为：控制所述转向喷头在转动角度范围内往复转动，同步控制伸缩支撑架升降，以使转向喷头在每个角度时均垂直朝向加筋增强层喷涂，在进行一次沿转动角度范围内的转动时，所述伸缩支撑架在高度方向完成一次伸长或缩短的操作，实现一次沿竖向的喷涂，在该过程中控制转盘工装静止，当一次一次沿竖向的喷涂结束时，控制转盘工装转动预定角度，以带动加筋增强层转动预定角度，控制转向喷头、伸缩支撑架进行下一次沿竖向的喷涂，以使喷头的轨迹为沿竖向设置，预定角度根据实际情况确定，目的在于实现喷涂全覆盖的同时，均匀喷涂；

外水平喷投具体为：控制所述转向喷头在转动角度范围由上至下、或由下至上间隔预定角度调整转向喷头角度，每调整一次角度，同步控制伸缩支撑架高度，以使所述转向喷头垂直朝向加筋增强层，每调整一次角度后，控制转盘工装旋转以带动加筋增强层旋转，旋转角度为周向360°，以使喷投的轨迹为沿周向设置，其中，喷头角度的一次调整大小根据实际情况确定，目的在于实现喷涂全覆盖的同时，均匀喷涂；

在其中一具体技术方案中，背投球幕参数如下表1-2所示：

表1 光学性能参数

表2 物理性能参数

采用这种方案，采用不同轨迹交替多次喷涂，提高喷涂均匀度，喷涂后可保证全视场增益均匀，目视观察无可见颜色、亮度不一致现象，无太阳效应，喷涂后涂层牢固，用H铅笔直划涂层不脱落，长期(不小于5年)使用无龟裂或脱落现象。

如图4所示，本发明提供一种用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统，包括视景生成模块、与所述视景生成模块连接的图像校正融合模块、与所述图像校正融合模块连接的多个投影仪、背投球幕，其特征在于，设计背投球幕的几何中心为眼点3；

所述图像校正融合模块利用视锥融合技术，基于背投球幕尺寸、眼点3位置、投影仪光学参数、背投球幕亮度衰减率，在满足水平视场为300°、垂直视场为130°，平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

所述视景生成模块用于实时接收交互信息，根据接收的信息输出多通道的视景图像；

图像校正融合模块接收输出的多通道的视景图像进行融合校正后发送至对应投影仪，并通过投影仪投影到背投球幕上。

在上述技术方案中，基于背投球幕尺寸、眼点3位置、投影仪光学参数、背投球幕亮度衰减率，在满足水平视场为300°、垂直视场为130°，平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

使用过程中，通过图像校正融合模块进行光路设计，而后获得投影仪个数、各投影仪相对于球幕的空间位置，各投影仪的视场角安装投影仪，确定投影仪的安装，所述视景生成模块用于实时接收交互信息，根据接收的信息输出多通道的视景图像；图像校正融合模块接收输出的多通道的视景图像进行融合校正后发送至对应投影仪，并通过投影仪投影到背投球幕上；采用这种技术方案，背投成像(双曲面表面成像，外投内看)，背投球幕直经3.5m；视场大(超大视场角技术，水平视场300度，垂直视场130度)，满足多机种空域作战需求；且系统平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

在另一种技术方案中，所述投影仪为LCOS系列4K6021Z激光工程投影仪，其投影比为1.89:1、亮度为6000流明亮度、分辨率为4096：2160(投影仪光学参数)；

如图5所示，所述图像校正融合模块确定投影仪的个数为8个，上层为3个，下层为5个，图5中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧分别代表通道1、2、3、4、5、6、7、8对应的投影仪所在位置，其中：

以球幕中心为原点，水平朝左为X轴正向，穿透纸张的水平朝里为Z轴正向，竖直向上为Y轴正向，各投影仪位置如下表3所示：

表3 投影仪位置

各投影仪朝向设置为：垂直于球幕的球面，且延长线经过球心；

各投影仪的相机视场角(各通道相机视场角)如下表4所示：

表4 背投球幕各通道相机视场角

其中，Pitch值为俯仰角的值，其向上为正方向；Heading值为偏航角ψ，其向右为正方向；Roll值为翻滚角；Pitch、Heading、Roll表示对构成成像画面的相机位置的调整，其以眼点3正对前方为原始方位，均记为0。在上述技术方案中，投影仪选用佳能的LCOS系列4K6021Z激光工程投影仪，其具有4K高分辨率(4096*2160)和6000流明亮度，经过与背投球幕实际测试，佳能6021Z是最新技术投影仪中表现最佳，选配支持曲面投影RS-SL06UW超广角镜头能够同时满足背投全球幕全视场亮度、平均分辨率、对比度、球面周边二次对焦功能(边缘对焦技术，空间对焦技术)关键指标要求。所述图像校正融合模块确定投影仪的个数，每个各投影仪相对于球幕的空间位置，各投影仪的视场角具体方法为：

建模生成背投球幕基础模型，直径3.5米，水平视场角300°、垂直视场角130°(-40°～+90°)。

在仿真模拟视景中，图像校正融合模块采用视锥融合方式(非像素融合)，根据眼点3位置，调整图像的透视关系，同时按照水平视场为300°、垂直视场为130°，平均分辨率＜3弧分/光学线对，系统亮度＞100cd/m

在另一种技术方案中，所述视景生成模块包括仿真管理服务器、与仿真管理服务器连接的5台视景渲染计算机，每台视景渲染计算机支持输出2通道的视景图像，每台视景渲染计算机内均放置视景数据库；

所述仿真管理服务器用于实时接收交互信息，并转换为控制信息，所述仿真管理服务器将控制信息同步传输至每个视景渲染计算机，每个视景渲染计算机接收控制信息后进行解析，根据解析的结果结合视景数据库同步输出2通道的视景图像。在上述技术方案中，所述视景生成模块(视景生成工作站)采用5+1的分布式渲染架构，即包括一台仿真管理服务器、与仿真管理服务器连接的5台视景渲染计算机，每台视景渲染计算机支持两个通道的视景显示输出，具体的视景渲染计算机参考配置如下表5所示：

表5 视景渲染计算机的参考配置

视景生成模块在进行视景生成过程中，采用同步控制，避免校正融合后的整体画面出现连续平滑的问题，同步控制其中一个体现为软同步，具体为：仿真管理服务器、视景渲染计算机之间通过以太网连接，每台视景渲染计算机均放置完全相同的包括静态场景和动态实体模型的视景数据库，视景数据库主要包含地形高程数据、各种纹理贴图以及实体模型等数据，仿真管理服务器接收交互信息(包括交互信息包括用户的交互操作信息、仿真实体数据信息、视景渲染计算机的数据信息(视景画面交互信息)等)，所述仿真管理服务器等待各个通道发送反馈同步请求，收集到所有请求后以组播的形式同步发送，即所述仿真管理服务器将控制信息同步传输至每个视景渲染计算机，采用这种方案，同步控制，避免校正融合后的整体画面出现连续平滑的问题。

在另一种技术方案中，每台视景渲染计算机配套安装同步卡。在上述技术方案中，仿真管理服务器硬件配置上相比于视景渲染计算机只需要单张显卡即可，并且不需要同步卡，其它与视景渲染计算机相同；采用这种方案，实现同步控制中的另一个体现硬同步，实现每个视景渲染计算机同步输出2通道的视景图像，在软同步的同时结合硬同步的技术，提高同步效果。

在另一种技术方案中，如图6-7所示，还包括通过底架安装的遮光房4，设于遮光房4内的支架、5个下支撑架5、悬臂支撑架6，所述底架、支架、5个下支撑架5、悬臂支撑架6彼此不接触，其中，所述背投球幕通过法兰座安装于所述支架上；5个位于下方的投影仪7一一对应安装于5个下支撑架5上，3个位于上方的投影仪7安装于所述悬臂支撑架6上。在上述技术方案中，底架、支架的骨架高度均为330㎜，均采用矩形钢管焊接而成，均喷涂黑色无光漆，周边采用玻璃钢蒙皮，蒙皮整体喷蓝色漆面，底部安装有调平螺栓，上表面铺设地板，地板上铺设有无异味、阻燃性无光黑色环保地胶；遮光房4为钢结构复合玻璃钢，制备过程中采用40×40㎜，壁厚为2㎜的镀锌方管焊接成网状骨架，骨架四周覆设5㎜厚的玻璃钢板；配合所述悬臂支撑架6设置有爬梯，当有登顶需求时可进行登顶维护操作，且悬臂支撑架6上部计有平台，方便维护人员通过爬梯到达平台后对顶部投影系统(包括投影仪7)进行维护；采用这种方案，遮光房4、球幕、位于上方的投影仪7、位于下方的投影仪7分别通过底架、支架、下支撑架5、悬臂支撑架6物理间隔设置，避免维护、走动引起的共振对投影画面的影响，进一步通过爬梯和平台的设置便于对顶部设备的维护；底架、支架、下支撑架5、悬臂支撑架6物采用模块化、轻量化设计，设计过程中充分考虑拆卸、吊装、运输、安装以及维修的便利性。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明用于空战对抗模拟训练的大视场背投系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。