半实物仿真数据采集与处理系统
一. 系统概述
本系统为一套半实物仿真数据采集与处理系统，该系统以无缝柱面大屏幕投影为主要的仿真载体，以多通道视景同步技术、数字图像边缘融合技术、多通道亮度和色彩平衡技术和多通道视景同步技术为支撑，将前端的建模图形工作站信号通过边缘融合及曲面矫正系统显示到一个超大幅面的多通道环形投影幕墙上，形成一个实时无缝无变形的一体化三维模拟仿真图像，同时要交互的三维虚拟世界高度逼真地浮现于参与者的眼前，从而为使观看者和参与者提供一个团体式参与，集体观看，具有高度临场感的投入型半实物仿真环境。
它是一套集数据采集与处理功能于一身的、以柱面无缝大屏幕投影显示为主要载体的半实物仿真系统。
二. 系统总体功能与用途
仿真可视化技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性的、涉及众多学科的高新实用技术，是在计算机图形与计算机仿真技术，人机接口技术，多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的一门交叉技术。它生成的环境是类似现实的、逼真的三维场景，它改变了传统的人机交互现状，使用户可以走进计算机模拟的仿真环境，并操纵场景中的对象，并且它的图形渲染是“实时”的。这种“实时性”实现了在虚拟场景中的人机“互动性”。近年来随着硬件设备的更新换代，虚拟现实技术的发展解决了其海量数据及设备昂贵的应用瓶颈，开辟了人机交流的新领域，有利通过虚拟空间展现历史的，现在的、未来的、全方位的交互仿真实景，自从仿真可视化技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益，并成为21世纪最具应用前景的三大技术之一。
传统意义上的导弹演练，特别是大规模的演习，存在着它的特点，资金和物资消耗很大，人员与财产的安全性很难得到充分的保证。而且在演习环境下，对各种天气条件、战场态势与对应的指挥流程、对策等都能够进行有效的反复练习，而且这些演练环境在本质上与实战条件存在差别，这种差别使得实战中的有些问题不能得到充分的验证。
随着三维视景仿真技的迅速发展，现在通过建立视景仿真系统来对真实环境进行仿真已成为可能。其中多通道仿真显示系统便是典型的应用范例，它可利用多台高亮度、高分辨率的投影机，采用融合和非线性失真校正、三维立体、多通道颜色亮度一致性控制技术，模拟出具有高沉浸感和真实感的三维立体虚拟试验环境平台。在这个虚拟试验环境平台上利用交互式仿真软件、建模软件、及虚拟场景驱动软件等，可将武器系统、作战平台、各种战术方案以及作战指挥人员在视景环境中联系起来，完成各种军事训练、演习、武器装备的试验、各种战术思想验证的工作。
三. 系统方案的建设依据
通过采用科学、合理、先进的视景仿真系统配置，将开发环境及开发水平上升到一个新的台阶，建立一个使参与者具有身临其境的沉浸感和完善的交互能力的信息环境。根据仿真可视化与大屏幕控制与指挥系统的定义、内涵、性质和要求，一个完备的仿真可视化大屏幕仿真系统的结构组成、功能构成和技术构成应该包括一下几个方面：
1) 从系统组成结构上分，一个切实可行的完整的仿真可视化系统须包括以下几个部分：
- 视景仿真应用软件开发平台和运行平台
- 高性能图像生成和处理系统 IG(IMAGE GENERATOR)
- 具有立体感的多视窗多通道大屏幕投影系统
- 6自由度仿真交互系统
- 集成管理控制系统
2) 从系统应用功能上分类，一个切实可行的完整的仿真可视化系统应具备以下功能：
- 二次开发功能
- 立体显示功能和6自由度交互功能
- 立体音效输出功能
- 多路画中画显示功能
3) 通常，对一个完善的大屏幕控制与指挥系统而言，其必须具备以下几种成熟的核心技术做支撑：
- 数字图像边缘融合与无缝拼接技术
- 通道间的色彩与亮度平衡技术
- 数字几何矫正（即非线性失真矫正）技术
- 多通道视景同步控制技术
- 外部信号采集和多路画中画显示功能
根据上述系统组成和技术要求，我们对系统进行了总体规划和设计。
四. 系统技术功能规划
- 整个系统须为一个3通道的无缝大屏幕仿真投影环境，整体系统同时支持三通道立体投影显示和非立体投影显示，支持多通道仿真软件的实时同步渲染和显示。
- 投影环境采用柱面正投影方式，安装环境设计科学合理，符合计算机三维图形学原理。
- 整个投影屏幕具有高分辨率、高亮度、高清晰度和对比度等特点，色彩还原真实，图像失真小，亮度均匀一致，显示清晰，画面稳定，单屏周边无眩光。在在室内正常的办公环境下能显示清晰明亮的图形、图像效果。
- 系统支持仿真内容显示的同时，应该支持所有第三位Windows软件的大屏幕整体实时应用，并至少支持2路的画中画显示功能
- 系统采用全数字信号进行图像输入和输出的传输，以确保整个系统的稳定性。
- 系统采用先进的硬件图像边缘融合技术，通道间图像亮度、色彩一致，实现无缝一体化实时投影显示, 调试后的系统，工作站的显示器图像不得出现明显的融合痕迹。
- 系统采用先进的硬件图像曲面几何矫正技术，调试后的系统，主工作站显示器图像不出现变形失真。
- 系统可采用终端控制方式通过局域网方便地对整个大屏幕系统显示的虚拟场景进行应用操作 实时交互以及第三方模拟系统设备的接入应用，保证系统的简单易用。
- 系统硬件能够通过中央控制显示屏进行集中控制与管理，方便应用。
五. 总体系统设计
系统为一套三通道柱面仿真投影系统，其中每个通道的显示输出分辨率为1400X1050，显示信号源由一台工作站提供，以降低系统的二次开发难度和使用便捷性，工作站的信号源经过图像边缘融合与几何校正后形成一幅一体化的无缝图像投影显示在柱面投影大屏幕上，从而形成一个多通道柱面投影仿真环境。
系统环境参数为：屏幕半径：4米；屏幕弧度：120度；通道数量：3；每通道画面比例：4：3；图像融合区域25%；弧长：8.6米；幕高度：2.6米。
系统结构与流程示意图：
从硬件系统平台构建结构来看，系统以中央控制系统为指挥调度中心，接受建模图形工作站、台式PC机或其他音视频源的输出信号，将经过图像边缘融合与结合校正后的仿真图像以全数字的方式传递到投影系统，在无缝拼接柱幕上生成无缝一体化的立体（补色立体模式）或非立体图像。
六. 系统组成与功能构成
由北京黎明视景科技开发有限公司为北京航天自动控制研究所承建的半实物仿真数据采集与处理系统，系统主要包括建模图形工作站、3D投影系统、中央控制系统三大部分。其中3D投影系统包括3D 仿真投影机、硬质柱面漫反射仿真投影幕、边缘融合及曲面矫正系统、3DP MegaWall MCM融合带生成卡、系统软件Compact Control；中央控制系统包括无线中央控制系统、三维环绕立体声音响系统、信号传输系统(DVI-D全数字光纤电缆和数字信号分配器)。其中各部分各司其职，协同工作共同构成一套完整的多通道虚拟现实仿真投影系统。各部分功能如下：
- 1.建模图形工作站采用美国HP公司HP XW8600,主要用以生成三维可视化图形场景，同时提供满足三通道投影系统所需要的显示分辨率，将生成三维场景数据实时的传送至3D投影系统。
- 2.3D投影系统中投影机采用比利时Barco公司生产的亮度为6000ANSI流明3片DMD投影机Barco RLM R6+ Performer，用于高亮度、高对比、高分辨率、高色彩还原度的多通道拼接仿真图像投影显示，同时具备1-2路的RGB和Video画中画采集显示功能。（指标配置见本报告附件）
- 3.图像边缘融合与几何校正系统采用挪威3D-Percetion公司的3DP CompactUTM Zer0和MegaWall MCM无缝多视窗系统。该系统在整个系统中的功能主要是实现多通道柱面投影屏幕图像的边缘融合与曲面几何校正，经过该系统的融合与校正处理后的图像最终可以形成一个无缝无变形的一体化柱面图像，所以对于柱面多通道投影系统而言，该系统在整个系统中是至关重要的，他直接决定整个系统的功能和可用性。
- 4.中央控制系统中的智能中央控制系统采用美国Crestron公司的CrestronCP2作为系统的主要中央控制设备，它是本系统中的管理中心，如投影机可以由中央控制系统的控制主机控制，所有操作都通过中央控制系统的触摸屏完成，这就使得大型系统的使用操作变得非常简单快捷。
- 5.立体音响系统拟采用美国 JBL公司的ES80三维环绕立体声音响系统，为系统提供实时逼真的三维音效。
- 6.信号传输系统(DVI-D全数字光纤电缆和数字信号分配器，其主要功能是提供超高的工作带宽，实现建模工作站到投影机之间高分辨率图像的无损、实时和稳定地信号传输。
- 7.柱面仿真投影幕采用北京黎明视景公司的Powerwall 120高级玻璃钢无缝一体化漫反射仿真投影硬幕，尺寸：2.6米，长8.5米；弧度120度、半径4米。其主要功能是作为可视化仿真成像的载体，能保证一体化无缝成像及多人同时观看。
- 8.同时，系统中还集成了网络通讯系统（网络集线器、光线传输系统）、高负载不易变形和不易发生物理位移的高性能安装吊架系统等，为总体系统的高性能和稳定性提供了有效保障。
七. 系统主要设备的选型依据
1)建模图形工作站
建模图形工作站为三维可视化展示环境提供高性能高可靠的硬件支持，将从硬件上可以满足实现导弹从发射、飞行到落地全过程的三维场景高性能展示的系统能力，同时可以满足进行大地形数据的渲染管理、海洋效果渲染管理、特殊效果渲染管理、多通道渲染管理的众多图形渲染要求的处理速度，为指挥决策提供直观的可视化依据。
本项目中建模图形工作站选用美国HP公司的仿真与投影显示工作站HP Z800；负责整体大屏幕系统的仿真数据集群实时渲染的计算和信号输出。1台渲染输出节点，1台显示和交互控制节点。由于3D数据渲染的计算量交大，所以工作站系统配置较一般的计算机要高的多。技术指标如下：
- 英特尔® 至强®双3.0GHz中央处理器
- 4GB 1333MHz ECC Registered标配内存
- 300G HDD 7200 RPM
- DVD光驱：HP 16X DVD+/-RW DL LightScribe
- 专业立体图形子系统 Quadro FX4600
- 22”专业版液晶显示器
2)高亮度投影机
多通道无缝拼接投影系统最重要的技术指标之一是屏幕间的颜色一致型。颜色不一致，即使画面拼接的再完美也毫无意义，用户会感觉观看的画面并不是一个整体画面，会严重影响整个系统的效果。
一般的商用投影机，在保证各个投影机直接的颜色一致性时，大都采用的是投影机的黑白平衡的调整。但由于投影机的颜色曲线是非线性的采用黑白平衡的调试方式，只能保证投影机在颜色曲线的两端（全黑和全白）是基本一致，但中间大部分区域不能很好的保持颜色的一致性，而且日常现实的图像的颜色决大多是在此区域。所以长期以来，控制室大屏幕的颜色一致性一直是一个困扰投影机厂家的难题。
由于多通道可视化仿真投影显示应用是投影技术要求最苛刻，应用方式最高端的，技术要求最高的应用模式，所以应该选用业内集成最高端的投影技术—DLP技术的投影机，众所周之DLP技术是目前为止广泛应用，成熟可靠领先的投影技术，该种技术的投影机将提供高亮度、高分辨率、高色彩还原度和高对比度的图像与画质，而且不同的应用对显示系统有不同的需求，如在虚拟现实应用最广泛的仿真行业，由于投影机模拟显示的是实际视景内容，如飞行模拟器要求逼真的图像和实体分辨显示，以及持续的实时性能，则要求投影机图像尽可能地提供高的全景抗混叠能力和实时性能。所以本方案中采用三片DLP显示技术，具有多项针对多通道系统优化的专业仿真投影机。
据本项目需求，我们采用Barco公司的Barco RLM R6+ Performer投影机，该投影系统处于世界领先地位，可满足尖端的仿真应用需求，如飞行仿真，具有高亮度、高对比度和良好的色彩还原度、高分辨率、短余辉和优异的动态性能。可满足无缝的多通道色彩显示输出。该系统将采用3台Barco RLM R6+ Performer投影机的信号以一幅巨大的无缝的方式进行投影成像显示，将仿真工作站或外部信号显示在大屏幕上，生成高分辨率巨幅图像，从而提供一个团体式参与，集体观看，具有高度临场感的投入型监控与显示环境。
Barco RLM R6+ Performer主要技术指标如下：
- 引擎全密封的三片DLP技术，防尘设计。
- 亮度：6000 ANSI流明；
- 单机最高对比度：1,250:1
- 单机真实分辨率：1400X1050
- 具有输入信号分辨率和刷新率自适应功能
- 灯泡：2x250瓦超高压汞灯
- 其它：
- (1). 密封的高对比度DLP引擎
- (2). 画中画功能，最多可同时显示4路信号源窗口
- (3). 信号源无缝切换
- (4). 革新的智能双灯技术
Barco RLM R6+ Performer技术规格表：
| 序 号 | 项 目 | 指 标 说 明 |
|---|---|---|
| 1 | 亮度 | 6,000 ANSI流明 |
| 2 | 亮度均匀性 | >90% (整屏范围内) |
| 3 | 分辨率 | 1,400x1,050(自然)；1,600x1,200（最大） |
| 4 | 镜头 | TLD HB (1.6-2.0:1)，具有“即装即用”特性；实际投射率为1.45-1.85:1 |
| 5 | 镜头位移 | 水平(50%)；垂直(95%) |
| 6 | 对比度 | 1250:1(使用TLD镜头可达1600:1) |
| 7 | 灯泡 | 2x250瓦超高压汞灯；最大寿命：1,500小时 |
| 8 | 密封DLP™核心 | 标准具有 |
| 9 | 遮光闸 | 标准具有 |
| 10 | 数字放大 | 标准具有 |
| 11 | 信号源切换 | 标准含有无缝切换特性并具有渐变效果 |
| 12 | 画中画 | 最多同时可显示4个信号源(2个数据、1个视频和1个SDI) |
| 13 | 多通道边缘融合 | 标准含有ScenergiX功能 |
| 14 | 输入接口 | 固定输入： (1). 1个多功能5-电缆输入(BNC)； (2).1个多复合视频输入(BNC) (3).1个S-Video输入(4-针 DIN)； (4). 1个DVI输入； (5). 1个D15芯模拟RGB输入； (6). 1个SDI/HDSDI环路输入 |
| 15 | 最大功耗 | 700瓦 |
| 16 | 噪音级 (@ 20℃) | < 43 dB(A) |
| 17 | 环境温度 | 最大40℃ |
| 18 | 重量 | 投影机：25 kg；框架：5 kg |
| 19 | 尺寸 | 705 x 707.8 x 316.5 mm |
3)图像边缘融合机
图像边缘融合与几何校正技术的诞生源于虚拟仿真用户为了消除图像拼接的缝隙，获得更好的图象显示质量以及观察时的舒适感和临场感，追求一种1：1视觉感受和具有沉浸感的虚拟仿真显示环境，特别是在虚拟现实系统中该项技术的应用尤为普遍，在一个同步的多通道虚拟三维投影显示系统中，一个好的边缘融合与几何几何校正技术能投射出一个无缝一体化的巨幅立体投影影像，如此巨大的立体视景环境，能为参与者提供一种无以名状的虚拟仿真感受，从而将参与者带入一个神奇的虚拟世界。
对于一个多通道视景仿真系统，采用数字边缘融合、几何校正、亮度调谐、对比度调谐、色彩平衡和物理拼接等多种手段能使多个通道的投影机投射出来的图像消除拼接部分的边缘阴影，形成一个无缝一体化的巨幅立体投影影像，该影像是一个亮度相同、色彩一致、无任何拼接痕迹的整体视景画面，使整个投影屏幕达到一个一体化全景效果，从而使参与者全身心投入到虚拟世界中，三维视觉不再受图像拼缝等外界因素的干扰。而在上述的多种手段中，基于硬件的数字边缘融合与几何校正技术则是目前业界公认的最有效的图像边缘融和与几何校正手段。
3DP公司边缘融合几何校正系统（含Megawall系统）一直是业界公认的专业性图像无缝拼接技术的应用典范（该技术也是3DP公司第一个发明的），该公司的图像无缝拼接技术已经在全球范围的专业领域被成功地实践了15年之多，其稳定的性能，兼容性，专业性，易用性以及功能多样性确实是世界一流的，全球范围内没有能与之抗衡的同类产品。同样，该系统产品在中国专业领域占据了90%多的市场份额，比如:中国空军海军飞行模拟仿真系统以及其他各专业科研单位。因此本项目中我们采用挪威3DP公司的CompactUTM Megawall图像边缘融合与几何校正系统。
CompactUTM Megawall功能技术指标：
- 生成重叠区:3DPerception Megawall为两路输入生成重叠区
- 几何校正:图形通过3DPerception专利几何校正技术进行调整
- 边缘融合:为生成无缝图像.3Dperception Megawall使用边缘融合及色彩匹配技术
- 无缝图像:两个输入图像被三通道无缝地投影在屏幕上
- 扩展性:Megawall系统自单一单元至多单元系统具有极强的扩展性.
| 输入信号： | 信号格式：模拟RGB或DVI-D（RGBHV、RGBS、RGSB） 信号接口：DVI-1 |
| 输出信号： | 信号格式：模拟RGB或DVI-D（RGBHV） （每通道10比特） 信号接口：DVI-I |
| 输出输入分辨率 | 1024×768 1280×1024 1400×1050 1600 ×1200 1920×1028 |
| 处理延迟： | 50us-12ms（典型为250线期） |
| 非线性变形： | 全数字采样图像重组 |
| 边缘融合： | 全方向数字式 |
| 色彩平衡： | 数字式 |
| 原色校正： | 3×3矩阵式原色校正 |
| 数码放大延迟： | 50us-12ms |
| 重量： | 12KG |
| 尺寸： | 19寸4U的机箱 |
| 电源功率： | 350w |
4)柱面投影屏幕
在视景仿真应用领域中，柱幕较平面幕有更大的视和沉浸感，会使用户产生强烈的沉浸感，应用效果比平面幕好很多，所以绝大多数视景仿真用户均会采用柱面环形投影幕，柱幕按幕面材质又分为软幕和硬幕两种。
软幕的基材一般选用帆布等纺织品，材质柔软、可折叠，运输和保存十分方便。软幕安装是采用尼龙绳或弹簧在框架上绷紧，弧形软幕会有一个致命的缺陷，从侧面看幕面并不是平直的而呈外凸弧形形状，投影时会影响投影机聚焦，并且垂直方向会使得投影图像产生变形，另一个致命缺点是当室内有轻微气流时屏幕会产生飘动，到时投影画面割裂，效果不好，目前在多通道视景仿真领域已经不采用软幕。
另一种是硬幕，传统的硬幕一般采用PC工程材料或环氧树脂板制成，本身具有一定强度，但是，基于这种材料的硬幕有个致命的问题是热胀冷缩系统较大，特别是对于一些大型的大是尺寸的硬幕，当温差变化交大时就会出现起鼓现象、
目前最好的硬幕材料为高级玻璃钢材料的优质硬幕，其强度大、韧性好，即使做成弧形，其平直度仍然十分好，且阻燃、防潮、热胀冷缩系数低，长期使用不变形、因此在多通道视景仿真系统中推荐使用玻璃钢硬幕。
专业屏幕制造商中，美国的Stewart Filmscreen公司、Barco公司和Mechdyne公司是最著名的，但是其产品价格非常昂贵，尤其是大尺寸硬幕价格惊人。国产柱幕在实际应用中完全不比进口产品差，但是价格便宜相当多，并且外观美观、经济实用。柱幕的框架为铝合金结构，屏幕基材由高级玻璃钢制成，表面喷涂专业屏幕漆，增益1.0左右，不会出现光线强度随观察角度不同而变化的情况，非常适合仿真系统环境。
所以投影幕布采用北京黎明视景公司生产的无缝一体化高级玻璃钢硬质柱面投影幕， 主要技术规格：
- 漫反射硬幕，高级玻璃钢基材。
- 半径4米、弧度120度、幕高：2.6米。
- 阻燃、防潮、无热胀冷缩
- 铝合金框架结构；面无缝一体化、长期无变形；
- 平直度≤2毫米/每平方米
- 涂层抗脱落技术，幕面可清洗
- 增益1.0，图像亮度均匀，无“太阳效应”
- 半增益视角大于160°，保证在各个角度观看屏幕亮度一致
5)中央控制系统
一个完整的大型仿真可视化系统包括很多组成部分，如软硬件开发平台、多通道三维投影显示系统、音响系统、矩阵系统等等，每个部分又包括很多产品和设备，这些产品设备之间需要相互连接、相互依赖，彼此之间协同工作。然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够系统工作，就需要进行管理，中央控制系统便是承担该项工作的载体，有了集成管理控制系统，上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程。
中央控制系统是大型仿真系统中的管理中心，所有设备都有中央控制系统的控制主机控制，所有操作都通过中央控制系统的触摸屏完成，特别是多通道投影系统中的多台投影机就需要集中控制与管理，这就使得大型系统的使用操作变得非常简单快捷。
在目前众多的中央控制系统中，Crestron中央控制系统应用最为广泛，技术与性能最为成熟，因此在本系统中我们采用Crestron中央控制系统中最为经济的一款Crestron CP2
Crestron CP2的重点是采用最新的257M，32位Motorola ColdFire处理器，外加本身所带36MB的内存，CP2可以运行最复杂的控制，处理如视像会议及演示系统所需的大量资料控制应用。CP2使用了一个有优先顺序的多工/多线程作业系统。CP2不但具有高性能和扩展空间，还具有极快速度、强大记忆体和集成控制能力，百分百相容快思聪的网路设备、触摸屏和无线遥控设备。具有8个红外接口，8个数字IO接口，8个独立弱电继电器，3个双向RS-232接口。系统配置如下：
- 系统构成：中央控制系统主机 无线液晶触摸屏
- 标准配件：32位摩托罗拉处理器、外加本身所带的36MB记忆体、8个30V/1A的弱电继电器
- 输入端口：视频输入端口 3个RS232/422/485控制接口、8个模拟或数字的I/O口、1个4芯标准Crestron网络接口
- 输出端口：视频输出端口 8个IR/单向RS232控制接口、1个计算机DB9接口
- 电力规格：电力输入 电压220V、50HZ
- 电力输出：参数纠错8路弱继电器口控制
