CN108520672A - 一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，其特征在于：屏幕显示单元由上下两层共八块大屏幕液晶显示器、一体式大型钢构支架组成，八块大屏幕液晶显示器分上下两层以视点为中心采用球面布置方式摆放，按照电视3D成像效果的水平和垂直角度要求，其通过多屏幕立体成像***，使多个大屏幕液晶显示器组成一个大型的显示装置，并且每个显示器需要承担原画面中部分画面的显示任务，进而当所有显示器都显示出图像后，这多个显示器显示的画面就能拼接成一个完整的画面。

Description

一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***

技术领域

本发明涉及一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，属于虚拟现实领域。

技术背景

随着国内经济和工业的快速发展，各行各业特别是军事领域都对本领域的技能人才产生了大量需求。传统的技能人才培训方式都是采用实训方式，这种方式存在诸多缺点。比如，工程装备、特种车辆、舰船、航空器等领域驾驶员培训通常存在成本高、危险性大、且场地受限等诸多不良因素。而近几年，随着虚拟现实技术的飞速发展，使得模拟仿真***成为了一种应用在专业领域培训驾驶人员的新型方式，它具有危险系数小、成本低以及培训效果优良等优点。

传统的2D平面显示***会丢失仿真图像的距离等信息，驾驶员很容易对虚拟环境中的近景产生视觉误差，而且视野内容受限，这大大影响了模拟仿真***的培训效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，其通过多屏幕立体成像***，使多个大屏幕液晶显示器组成一个大型的显示装置，并且每个显示器需要承担原画面中部分画面的显示任务，进而当所有显示器都显示出图像后，这多个显示器显示的画面就能拼接成一个完整的画面。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，包括屏幕显示单元、通信电缆单元和计算机处理单元；其特征在于：屏幕显示单元是一体化液晶显示器幕墙，它由上下两层共八块大屏幕液晶显示器、一体式大型钢构支架组成，八块大屏幕液晶显示器分上下两层以视点为中心采用球面布置方式摆放，按照电视3D成像效果的水平和垂直角度要求，此种布置方式可保证驾驶员在距离显示器中心1.5～3.5m的任意位置，均可观测到立体的虚拟场景，保证了驾驶员正常坐姿下，观测到最佳的3D立体图像输出效果；

计算机处理单元采用多通道技术，本***为每块大屏幕液晶显示器都配备一台高性能图形工作站，每台图形工作站在设置了对应的大屏幕液晶显示器的投影矩阵等参数后，借助OpenGL引擎可以生成对应显示器的高清图像并实时传输给显示器，多台图形工作站之间采用CIGI网络协议实现时钟同步，可以保证工作站之间的同步性；

通信电缆单元主要包含高清晰度多媒体接口连接线，高清晰度多媒体接口连接线可以将图形工作站的高清图像实时传输给显示器。

显示器的投影矩阵主要由显示器的视变换矩阵和透视矩阵决定，它们是本发明求解的量。

具体驾驶模拟的步骤如下：

首先取驾驶员人眼位置，定义为视点O，在视点处建立空间坐标系O，并设置为原点，在选定的四块显示器中心分别建立坐标系O₁、O₂、O₅、O₆，定义显示器的长宽分别为w、h，它们的数值通过实际测量显示器的尺寸得出，在显示器的投影矩阵由显示器的视变换矩阵和透视矩阵决定，它们是求解的量；选取一块显示器求解显示器中心坐标系的空间位置和姿态，其他显示器的求解由于计算原理相同，将在说明书中提到，选定O₂；

该显示器是竖直朝下摆放，通过测量l_cen得到它与x方向的夹角α₂：

其中l_cen为上方中间两个显示器的横向距离。

其中x₂、y₂分别为O₂的x方向坐标和y方向坐标，l_view为上方中间两个显示器交线到视点的距离，

通过测量h_tt、h_td可以得到z₂：

其中h_tt为上方中间两显示器交线上边缘点的到地距离，h_td为下边缘点的到地距离，h_view为视点的到地距离，z₂为O₂的z方向坐标；

接下来计算O₂的空间旋转矩阵，也就是计算出O₂的三个基向量坐标，对O₂建立详细的空间坐标模型，本模型对8块显示器都适用，在本步骤中我们将用到的变量命名为P0₂，P1₂，P2₂，其中， 分别为O₂的三个基向量，P0₂，P1₂，P2₂为显示器的三个顶点。平行于 平行于 为显示器法向量，由空间几何关系我们可以算出：

其中为P0₂的坐标，为P1₂的坐标， 为P2₂的坐标。

然后可以求得显示器的次法向量切向量法向量依次为：

显示器的中心坐标x₂、y₂、z₂、决定了2号显示器的空间位置和姿态，借助已经成熟的图形学公式就可以求出2号显示器的视变换矩阵M₂和透视矩阵P₂。

通过得到的视变换矩阵M₂和透视矩阵P₂设置计算机处理单元中的2号图形工作站后，OpenGL引擎可以生成对应显示器的高清图像并实时传输给显示器。

本发明的积极效果是采用8块大屏幕液晶显示器，分上下两层以视点为中心采用球面布置方式摆放，按照电视3D成像效果的水平和垂直角度要求，此种布置方式可保证驾驶员在距离显示器中心1.5～3.5m的任意位置，均可观测到立体的虚拟场景。保证了驾驶员在正常坐姿下，观测到最佳的3D立体图像输出效果。多屏幕立体成像***可以给驾驶人员带来更好的现实感和沉浸感，达到更好的训练效果。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2为显示器编号示意图。

图3为多个显示器中心坐标系示意图。

图4为单个显示器尺寸示意图。

图5为单个显示器坐标系建模空间示意图。

图6为屏幕显示单元侧视图。

图7为屏幕显示单元俯视图。

图8为5号显示器俯视图。

图9为5号显示器侧视图。

其中：1、一体式大型钢构支架，2、屏幕显示单元，3、通信电缆单元，4、计算机处理单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示，一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，包括屏幕显示单元2、通信电缆单元3和计算机处理单元4；其特征在于：屏幕显示单元2是一体化液晶显示器幕墙，它由上下两层共八块大屏幕液晶显示器、一体式大型钢构支架1组成，八块大屏幕液晶显示器分上下两层以视点为中心采用球面布置方式摆放，按照电视3D成像效果的水平和垂直角度要求，此种布置方式可保证驾驶员在距离显示器中心1.5～3.5m的任意位置，均可观测到立体的虚拟场景，保证了驾驶员正常坐姿下，观测到最佳的3D立体图像输出效果；

计算机处理单元4采用多通道技术，本***为每块大屏幕液晶显示器都配备一台高性能图形工作站，每台图形工作站在设置了对应的大屏幕液晶显示器的投影矩阵等参数后，借助OpenGL引擎可以生成对应显示器的高清图像并实时传输给显示器，多台图形工作站之间采用CIGI网络协议实现时钟同步，可以保证工作站之间的同步性；

通信电缆单元3主要包含高清晰度多媒体接口连接线，高清晰度多媒体接口连接线可以将图形工作站的高清图像实时传输给显示器。

显示器的投影矩阵主要由显示器的视变换矩阵和透视矩阵决定，它们是本发明求解的量。

具体运算方法如下：

如图2，上下八块显示器依次被标号成1-8号显示器。由于显示器是左右对称摆放的，所以我们这里只给出一侧显示器的计算方法。我们选定左侧1、2、5、6号显示器为计算对象。

如图3所示，在视点处建立空间坐标系O，并设置为原点。在选定的四块显示器中心分别建立坐标系O₁、O₂、O₅、O₆。如图4所示，定义显示器的长宽分别为w、h，它们的数值通过实际测量显示器的尺寸得出。接下来分别求解O₁、O₂、O₅、O₆的空间位置和姿态。

1.计算2号显示器的参数

各个测量量的示意详见图6，图7。

该显示器是竖直朝下摆放，通过测量l_cen得到它与x方向的夹角α₂：

其中l_cen为上方中间两个显示器的横向距离。

其中x₂、y₂分别为O₂的x方向坐标和y方向坐标，l_view为上方中间两个显示器交线到视点的距离。

通过测量h_tt、h_td可以得到z₂：

其中h_tt为上方中间两显示器交线上边缘点的到地距离，h_td为下边缘点的到地距离，h_view为视点的到地距离，z₂为O₂的z方向坐标。

接下来计算O₂的空间旋转矩阵，也就是计算出O₂的三个基向量坐标。对O₂建立详细的空间坐标模型。本模型对8块显示器都适用，在本步骤中我们将用到的变量命名为P0₂，P1₂，P2₂。其中 分别为O₂的三个基向量，P0₂，P1₂，P2₂为显示器的三个顶点。平行于 平行于 为显示器法向量。由空间几何关系我们可以算出：

其中为P0₂的坐标，为P1₂的坐标， 为P2₂的坐标。

由于每个显示器的P0，P1，P2坐标都不相同，但是通过P0，P1，P2计算显示器的视变换矩阵和透视矩阵的原理是相同的，我们将在第3步统一给出计算公式。

2.计算1、5、6号显示器的参数

它们的计算方法与1相同，在这里简单叙述。各个测量量的示意详见图6，图7，图8，图9。

对于1号显示器，它是竖直朝下摆放，α₁为它与x方向的夹角。通过测量l_side，使用1中计算方法可推导出O₁、P0₁、P1₁、P2₁的坐标，其中l_side为上方外侧两个显示器的横向距离。

对于6号显示器，它绕y旋转一定角度摆放。α₆为它与z方向的夹角。通过测量h_dt、h_dd，使用1中计算方法可推导出O₆、P0₆、P1₆、P2₆的坐标，其中h_dt、h_dd分别为下方中间两显示器上边缘和下边缘的到地距离。

对于5号显示器，它的空间位置复杂，如图8，图9，将其投影至xy平面进行如下分析。因为下方外侧显示器的上边缘与上方外侧显示器的下边缘是结合的，所以：

α₅＝α₁

其中α₅为它的长与x方向的夹角，然后测量l_ds，h_dst，h_dsd，l_dview，l_ds可以得到：

d＝h·sinβ₅

其中β₅为它与z方向的夹角，h_dst为下方外侧显示器的上边缘点的到地距离，h_dsd为下边缘点的到地距离，l_dview为下方外侧两个显示器下边缘连线到视点的垂直距离，l_ds为下方外侧两个显示器的横向距离。接下来使用1中计算方法可推导出O₅、P0₅、P1₅、P2₅的坐标。

3.计算每块显示器的视变换矩阵和透视矩阵

如图5所示，在前2步我们已经求得了每块显示器的中心坐标x、y、z以及显示器顶点P0，P1，P2的坐标。然后可以求得显示器的次法向量切向量法向量依次为：

然后对依次进行归一化处理，得到

求得视变换矩阵M

接下来计算透视矩阵P，在透视投影中，存在远近裁减面，设远、近裁剪面到视点的距离为near、far，然后计算出透视投影的缩放因子scale：

然后计算视锥体的边界条件l、r、b、t：

将计算得到的l、r、b、t、near、far代入透视矩阵得到：

Claims (2)

1.一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，包括屏幕显示单元、通信电缆单元和计算机处理单元；其特征在于：屏幕显示单元是一体化液晶显示器幕墙，它由上下两层共八块大屏幕液晶显示器、一体式大型钢构支架组成，八块大屏幕液晶显示器分上下两层以视点为中心采用球面布置方式摆放，按照电视3D成像效果的水平和垂直角度要求，此种布置方式可保证驾驶员在距离显示器中心1.5～3.5m的任意位置，均可观测到立体的虚拟场景，保证了驾驶员正常坐姿下，观测到最佳的3D立体图像输出效果；

计算机处理单元采用多通道技术，本***为每块大屏幕液晶显示器都配备一台高性能图形工作站，每台图形工作站在设置了对应的大屏幕液晶显示器的投影矩阵等参数后，借助OpenGL引擎可以生成对应显示器的高清图像并实时传输给显示器，多台图形工作站之间采用CIGI网络协议实现时钟同步，可以保证工作站之间的同步性；

通信电缆单元主要包含高清晰度多媒体接口连接线，高清晰度多媒体接口连接线可以将图形工作站的高清图像实时传输给显示器；

显示器的投影矩阵主要由显示器的视变换矩阵和透视矩阵决定，它们是本发明求解的量。

2.根据权利要求1所述的一种具有多屏幕立体成像的驾驶模拟仿真***，其特征在于所述的驾驶模拟仿真***的具体驾驶模拟的步骤如下：

首先取驾驶员人眼位置，定义为视点O，在视点处建立空间坐标系O，并设置为原点，在选定的四块显示器中心分别建立坐标系O₁、O₂、O₅、O₆，定义显示器的长宽分别为w、h，它们的数值通过实际测量显示器的尺寸得出，在显示器的投影矩阵由显示器的视变换矩阵和透视矩阵决定，它们是求解的量；选取一块显示器求解显示器中心坐标系的空间位置和姿态，其他显示器的求解由于计算原理相同，将在说明书中提到，选定O₂；

该显示器是竖直朝下摆放，通过测量l_cen得到它与x方向的夹角α₂：

其中l_cen为上方中间两个显示器的横向距离。

其中x₂、y₂分别为O₂的x方向坐标和y方向坐标，l_view为上方中间两个显示器交线到视点的距离，

通过测量h_tt、h_td可以得到z₂：

其中h_tt为上方中间两显示器交线上边缘点的到地距离，h_td为下边缘点的到地距离，h_view为视点的到地距离，z₂为O₂的z方向坐标；

接下来计算O₂的空间旋转矩阵，也就是计算出O₂的三个基向量坐标，对O₂建立详细的空间坐标模型，本模型对8块显示器都适用，在本步骤中我们将用到的变量命名为P0₂，P1₂，P2₂，其中， 分别为O₂的三个基向量，P0₂，P1₂，P2₂为显示器的三个顶点。平行于 平行于 为显示器法向量，由空间几何关系我们可以算出：

其中为P0₂的坐标，为P1₂的坐标， 为P2₂的坐标；

然后可以求得显示器的次法向量切向量法向量依次为：

显示器的中心坐标x₂、y₂、z₂、决定了2号显示器的空间位置和姿态，借助已经成熟的图形学公式就可以求出2号显示器的视变换矩阵M₂和透视矩阵P₂。

通过得到的视变换矩阵M₂和透视矩阵P₂设置计算机处理单元中的2号图形工作站后，OpenGL引擎可以生成对应显示器的高清图像并实时传输给显示器。