机载三维数字地图应用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 08 日 作者简介：吴佳彬（1990），男，汉族，浙江桐乡人,硕士研究生，工程师,从事图形图像产生技术。-32-机载三维数字地图应用研究 吴佳彬 航空工业苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215151 摘要：摘要：随着座舱显示系统的发展，三维数字地图模块成为机载显示设备中不可或缺的组件，本文对地图数据实时绘制、三维场景构建、矢量绘制、字符叠加、测地计算、地图操作及地形感知与告警等技术进行研究，对融合毫米波雷达的 TAWS 进行模拟与分析，实现低硬件需求的地图数据实时绘制和复杂任务构建，最终实施效果良好。该方法可以为实现低硬件需求的地图数据实时绘制和复杂任务构建提供借鉴。关键词：关键词：场景构建；融合毫米波雷达；TAWS；低硬件需求 中图分类号：中图分类号：N91 0 引言 三维数字地图技术应用于机载显示设备，具备地图数据加载、地图模型构建、地图应用开发与验证等功能1。三维数字地图技术研究内容广泛，包括三维地图库的解析、加载与更新，地图数据实时绘制，三维场景的构建，矢量绘制，字符加载和绘制、符号正态标注、自动防拥、测地计算、地图导航、地图漫游、地形感知与告警系统（TAWS），融合毫米波雷达的 TAWS等2。本文对机载三维数字地图应用进行研究，实现低硬件需求的地图数据实时绘制和复杂任务构建。1 地图数据实时绘制 三维数字地图中大场景渲染和大数据量的绘制对CPU 和 GPU 要求苛刻，因此实现高效的地图绘制显得尤为重要3。三维数字地图共涉及三种数据：地形（DEM）数据，纹理（DOM）数据和障碍数据，由于三维数字地图涉及的数据量巨大，内存无法一次调入，需利用访问速度较慢的外存，在进行地图数据实时绘制时，数据从内存到显卡是即时模式，速度较快，但从外存到内存数据传输较慢，成为海量数据绘制的一个瓶颈，因此设计有效的数据模型结构和组织装载算法，对于海量数据绘制意义重大。海量数据绘制采用基于视点的连续细节层次模型（LOD 模型）,对三角形面片进行聚簇，从而对地形网格进行简化，使得简化后的三角形网格和原始网格在给定的视点进行观察几乎无差别，通过调度当前视点下需要绘制的几何和纹理数据，实现地形可视化4。基于外存的处理算法关键是重新组织数据，使得数据在外存模式下的访问频率尽可能低，其主要方法是文件的组织结构与数据的访问模式一致，保证按照不同的层次逐层访问同层或邻层的数据，具有良好的连续性。地形及纹理数据通过节点索引的方式进行分层管理，便于 LOD 模型统一调度。2 三维场景构建 三维场景在飞行员视角下进行构建和显示5，其中关键技术包含基于视椎体模型的视角构建和基于网格的三维场景构建。2.1 基于视椎体模型的视角构建 图 1 视椎体平面 场景飞行员视角设计，决定飞行员从显示器上看到数字地图视景的显示范围。沿着飞行员视线的方向可以构造一个棱锥体视觉区域，通过一个远平面和一个近平面截割，形成一个去了锥头的棱台体，该棱台体为飞行员的可见区域范围。其中远平面和近平面又成为远视截面和近视截面，棱台体称为视锥体，远视截面与近截视平面决定了可见范围的纵深，用水平视中国科技期刊数据库 工业 A 角和垂直视角，确定飞行员视角区域大小。如图 1所示。2.2 基于网格的三维场景构建 三维场景构建首先将地形数据进行正四边形网格化排列，网格上的点确认经纬度和高度，因此将三维地形形成一张“高低起伏”的网格，地形数据与 LOD模型绑定，遍历进行显示，其核心是将三维网格地形进行三角形化，对三角形进行渲染。如图 2 所示。三维地形网格顶点处理三角形化光栅处理纹理过滤片段着色纹理影像光栅操作片段处理 图 2 三维场景构建实现 3 矢量绘制 矢量图源瓦片化矢量点元素图元线元素图元面元素图元矢量输出分层绘制 图 3 矢量绘制实现 二维矢量图源先经过瓦片化处理成与地形块一致小块数据，将每块数据按照不同图层分类构造。将瓦片矢量数据与地形块捆绑和LOD模型同时或单独渲染。遍历可见范围内的每块每层数据送到绘制队列，调用图形 API 接口进行绘制，输出矢量图像到显示器上。流程如下图 3 所示。4 字符叠加 字符叠加包含字符的加载和绘制、正态标注和自动防拥。4.1 字符加载和绘制（1）字符加载 字体状态包含字体个数、坐标位置、颜色、纹理坐标、已有字体个数、已有坐标个数等，分配字符数据信息、位置信息、颜色信息、纹理坐标信息内存空间，将字体大小磅值转换到像素值，同时生成一块指定大小的纹理数据，读取 freetype 库加载字体数据，设置字体大小，选择字符表。实现流程如图 4 所示。初始化字体状态初始化边框纹理宽=1024像素纹理高=1024像素字体高度=字号转换到像素个数新建纹理ID设置纹理参数为纹理分配空间是否使用大纹理？纹理宽=512像素纹理高=512像素生成字体2D纹理纹理赋值是否 图 4 字符加载实现 33中国科技期刊数据库 工业 A（2）字符绘制 如果字符不可见，则将字符个数和顶点总数设置为 0，并直接返回。如果顶点总数等于 0，则将字符个数清零并返回。对每个顶点的坐标数据、颜色数据、纹理坐标数据进行反字节序处理。获取视口信息，保存模视矩阵，设置正交投影和远近裁剪面，设置模型矩阵为当前矩阵。根据输入控制深度测试是否开启，设置字符渲染状态。开启顶点数组。将数据送入显存并绘制数据。将顶点个数和字符个数清零，关闭顶点数组，恢复模型视图矩阵。实现流程如图 5 所示。开始是否可见？位置坐标数是否为0？定义屏幕坐标数组是否是否获取屏幕坐标设置正视投影矩阵字符数为0坐标数为0字符数为0开启深度测试（可选）打开纹理状态绘制文字四边形投影矩阵 图 5 字符绘制实现 4.2 正态标注 正态正态标注功能基于二维场景和三维场景下的字符显示，包含各类显示要素，在飞行任务中，飞行员在进行地图旋转或飞行姿态变化时会对地图画面进行旋转操作，为了便于飞行员观看，此时需要将文字保持水平显示。4.3 自动防拥 自动防拥功能基于二维矢量数据，在俯视视角下，根据当前地图比例尺控制地图要素显示，避免要素显示拥挤。设置比例尺的边界点，基于该边界时控制要素显示，如 1：A，1：B，1：C 等，其中，ABC，自动防拥实现流程如图 6 所示。量程切换开始当前比例尺大于A当前比例尺小于A且大于B结束当前比例尺小于B且大于C.显示省级、地级市等要素显示县区等要素显示村、乡镇等要素.图 6 自动防拥设计流程 自动防拥设计的核心为边界值的选取和要素的显示，边界值即要素显示的量程范围，可按照实际效果调整；要素的显示考虑飞行过程中要素的关键程度（对要素的关键程度分级），关键程度高的要素适应量程范围大，关键程度低的要素适应量程范围小，避免飞行员接收冗余信息。5 测地计算 测地计算包含两种功能，一是给定地图任意两个点的经纬度坐标，计算两点之间的大圆前行方位角和大圆距离，二是给定大圆前行方位角和大圆距离，计算目标点的经纬度。5.1 方位角和距离计算 为了便于运算，对所有经纬度数据必须归一化处理，即将两点的经纬度坐标转换为弧度，通过公式计算前行方位角和前行距离，如图 7 所示。34中国科技期刊数据库 工业 A 给定两点坐标经纬度值由度转换为弧度通过公式计算两点前行方位角方位角由弧度转为度方位角0？方位角规范到0360得到前行方位角是否通过公式计算两点间的单位距离单位距离转换为实际距离得到前行距离 图 7 方位角距离计算 5.2 目标经纬度计算 给定起始点经纬度、前行距离和方向角起始点经纬度由度转换为弧度赋值地球半径单位化距离纬度-90或者90？纬度规范到-9090经度规范到-180180是否方向角转为弧度计算目标点的经纬度目标点的弧度转换为度经度-180或者180？是得到目标经纬度否 图 8 目标经纬度计算 在给定起始点的条件下，根据前行方位角和前行距离计算目标点的经纬度，将前行方位角控制在（0,360）之间，将经纬度和前行方位角换算成弧度，通过公式计目标点经纬度，将计算出的目标点经纬度控制在纬度：（-90,90）经度：（-180,180）之间。如图 8 所示。6 地图操作 地图操作建立在地图模型之上，包括地图旋转，地图漫游和地图导航。6.1 地图旋转 地图旋转实时接收飞行姿态数据，选择随航向方向向上或按真北向上，对地图进行旋转。实现流程如图 9 所示。设置地图旋转中心开始结束实时接收周期数据设置默认旋转方向按真北方旋转飞行姿态真北向上或航向向上？真北向上航向向上实时获取航向按航向方旋转 图 9 地图旋转实现 6.2 地图漫游 地图漫游功能基于二维矢量数据和 DOM，控制/拖动地图显示区域，能一次性显示某一区域的所有地图信息，实现飞行员对全局的预览，该功能需接收事件性数据作出响应。设计流程如图 10 所示。35中国科技期刊数据库 工业 A 移动地图开始结束计算移动后中心位置与实际位置偏差控制显示区域控制显示要素 图 10 地图漫游实现 地图漫游设计的关键为地图移动的快速响应，常规显示过程中的区域通常随着飞机位置进行缓慢移动，加载数据较少，但是漫游时区域移动迅速，新的显示区域通常需要加载大量数据，可能会引起加载缓慢和显示不及时，因此需设计地图预加载功能。地图预加载区域超过实际显示区域，在进行漫游时或显示比例尺小时（比例尺小场景切换快）可以迅速响应。6.3 地图导航 地图导航功能基于二维矢量数据、DOM 和任务数据，实时接收飞行过程中的周期性导航数据，建立导航轨迹，显示飞行路线，实时计算飞行距离和飞行时间。实现流程如图 11 所示。设置目标点开始结束实时接收周期数据路径显示更新当前位置更新路径飞行姿态 图 11 地图导航实现 7 地形感知与告警系统 TAWS 为地形感知与告警系统，涉及 DEM 数据，DOM数据和障碍数据等多种数据类型，飞行过程中实时接收周期性数据（载机位置、气压高度、航向等）来确定潜在的撞地危险，以地形彩带图与地形剖面图的形式生成告警画面6。7.1 TAWS TAWS 设计如图 12 所示。设置撞地阈值开始结束实时接收周期数据路径显示更新当前位置、高度及航线显示地形彩带飞行姿态位置信息发送生成地形剖面地形、障碍数据 图 12 TAWS 设计流程 TAWS 设计的核心为地形彩带图和地形剖面图的生成，地形彩带图无需绘制新的画面，在原有的地形区域（包含二维和三维视角）上进行色彩渲染即可，结合载机高度、地形高度、距离、飞行速率综合得出潜在撞地威胁程度，通过“绿-黄-红”颜色等级进行地形区域渲染，形成直观的地形彩带图，根据视角不同，地形彩带图分为二维地形彩带和三维地形彩带；地形剖面图需进行额外绘制，对地形进行纵向预览，形成直观的垂直导航图，并同彩带图相同进行颜色区域渲染，标注潜在撞地信息。二维及三维 TAWS 显示如图 13和图 14 所示。图 13 二维 TAWS 显示 36中国科技期刊数据库 工业 A 图 14 三维 TAWS 显示 7.2 融合毫米波雷达的 TAWS 由于 TAWS 中数据并不是实时数据，是在地面进行预加载的地形数据和障碍数据，在实际飞行过程中，需要获取准确最新的数据信息，因此，TAWS 结合毫米波雷达进行使用，毫米波雷达输出大量的测距和方位信息，根据距离和方位计算障碍坐标信息，实时生成障碍画面7，设计如图 15 所示。设置撞地阈值开始结束实时接收周期数据路径显示更新当前位置、高度及航线显示地形彩带仿真激励环境生成地形剖面毫米波雷达数据地形、障碍数据等数据融合 图 15 融合毫米波雷达的 TAWS 流程设计 融合毫米波雷达的 TAWS 设计的核心为数据融合8，数据融合源为两种数据：来自雷达的毫米波测距数据和存储于本地的地形及障碍数据，根据数据来源，融合情况如表 2 所示。表 1 数据融合情况 数据状态 地形及障碍数据有效 地形及障碍数据失效 毫米波雷达数据有效 融合 TAWS 显示 毫米波 TAWS 显示 毫米波雷达数据失效 TAWS 显示 TAWS 无效 毫米波雷达故障可能会导致雷达数据失效，惯导或本地电子盘失效可能会导致地形及障碍数据失效，因此 TAWS 有三种显示方式，当毫米波雷达数据失效时方案由 TAWS 显示；当地形及障碍数据失效时，此时的告警系统完全由毫米波雷达支持，根据雷达测距数据建立三维数据模型，形成地形彩带告警画面；当数据都正常时将毫米波雷达数据与地形障碍数据进行融合，形成告警画面，数据融合方案如图 16 所示。毫米波雷达数据地形、障碍数据库三维节点模型更新三维节点模型构建近景模型建立远景模型构建结合飞行实时数据进行距离运算纠正原有地形数据距离和方位信息近景模型重建地形彩带显示地形剖面显示计算障碍点坐标 图 16 数据融合设计流程 由于毫米波雷达探测范围有限，因此在距离视点较远的区域，TAWS 仍由本地数据单独支持，数据融合在飞行位置移动中实时进行，实施效果如图17所示（毫米波雷达数据为随机模拟数据）。图 17 融合毫米波雷达的 TAWS 37中国科技期刊数据库 工业 A 8 结论 本文介绍了三维数字地图技术，对其涉及的关键技术及应用进行分析研究。对地图数据实时绘制、矢量绘制、字符加载、测地计算、地图操作等技术进行研究，实现了低系统负载的实时地形绘制系统；并且实时采集毫米波雷达数据，融合毫米波雷达数据构建TAWS 系统，实现了复杂任务构建，实施效果良好，在机载航空领域具有广阔的应用前景。参考文献 1项杰,靳媛媛,李爱光.OSG 中三维场景构建的关键技术J.地理空间信息,2012,10(1):43-46.2任晓娟.基于多信息源的三维地图生成D.上海:上海交通大学,2011.3郭佳.基于 OSG 的飞行仿真系统视景平台的研究与开发D.沈阳:沈阳航空工业学院,2011:7-21.4李思,崔晨风,张浩.基于 OSG 平台的坝区三维模拟系统设计J.水资源和水工程学报,2013,24(4):85-87.5许逸飞,李博.一种机载三维数字地图模块的设计与实现J.航空计算技术,2018,9(5):185-186.6赵楠喆,胡士强.TAW 测试系统的飞行仿真激励技术J.计算机仿真,2014,9(9):56-60.7卢再奇,付强,李为民.一种毫米波雷达数据采集与处理系统设计J.数据采集与处理,2002,6(2):192-195.8陈凤.基于 DSP 的多功能毫米波雷达数据处理分机设计与实现D.成都:电子科技大学,2011.9 李 德 胜,孙 一 杰,张 国 良.一 种 面 向 动 态 环 境 的 多 层 代 价 地 图 更 新 算 法 J.无 线 电 工程,2022,52(07):1284-1290.10张兴国,周英迪,罗霄月等.多摄像机协同的室内实时地图构建方法J.测绘科学,2022,47(01):188-195.11 林 沛 杨,夏 益 民,蔡 述 庭 等.基 于 视 觉 SLAM 的 多 机 器 人 协 作 地 图 构 建 J.实 验 技 术 与 管理,2022,39(02):87-94.12屈航,嵇启春,段中兴.改进 Deeplab V3+网络在视觉 SLAM 三维地图构建应用J.小型微型计算机系统,2022,43(10):2174-2178.38