摘要：當(dāng)前飛行模擬器采用的視景顯示系統(tǒng)大都基于投影器和投影技術(shù)的投影系統(tǒng)，故介紹一種新型、以LED（LightEmittingDiode）技術(shù)為核心的LED球幕顯示系統(tǒng)及應(yīng)用。在解決了圖形通道劃分、燈板排布、圖像分割和幾何變形、高灰度控制驅(qū)動、全彩顏色匹配、非均勻度校正等技術(shù)問題后，LED技術(shù)和顯示方法得以在球形屏幕中使用。LED球幕顯示系統(tǒng)以超大視場、高分辨率、高亮度、高對比度和易維護等優(yōu)勢，展示出其在飛行模擬器視景系統(tǒng)領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器視景顯示系統(tǒng)投影系統(tǒng)LED球幕

ApplicationofLEDDomeDisplayTechnologyinFlightSimulators

ZHANGRuiguangQINLangHANPanLEIBo

93147UnitofthePeople'sLiberationArmy，Chendu，SichuanProvince，610092China

Abstract：Thecurrentvisualdisplaysystemsusedinflightsimulatorsaremostlytheprojectionsystemsbaseonprojectorsandprojectiontechnology，soanewLED（LightEmittingDiode）domedisplaysystemwithLEDtechnologyasthecoreanditsapplicationareintroduced.Aftersolvingtechnicalproblemssuchasgraphicschanneldivision，lightpanelarrangement，imagesegmentation，geometricdeformation，high-graycontroldrive，full-colorcolormatchingandnon-uniformitycorrection，LEDtechnologyanddisplaymethodscanbeusedindomescreens.Withtheadvantagesofthesuperlargefiledofview，highresolution，highbrightness，highcontrastandeasymaintenance，theLEDdomedisplaysystemshowsitsgoodapplicationprospectinthefieldofthevisualsystemofflightsimulators.

KeyWords：Flightsimulator;Visual;Displaysystem;Projectionsystem;LEDdome

飛行模擬器（FlightSimulator）自20世紀(jì)30年代誕生以來，已在全世界航空工業(yè)和民用航空中得到了廣泛應(yīng)用，成為航空技術(shù)發(fā)展和航空產(chǎn)品研制不可或缺的手段。但與真實飛行相比，當(dāng)前模擬器的視景顯示系統(tǒng)依然存在視場小、分辨率低、亮度低、對比度低等不足，影響飛行員在模擬飛行的視覺真實感。

隨著以LED（LightEmittingDiode）技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品出現(xiàn)和飛速進步，特別是小間距LED的出現(xiàn)，其無邊框、小間距特點，以及高分辨率、高亮度、高顏色還原性等特性，使其在視景顯示系統(tǒng)中應(yīng)用成為可能。本文基于小間距LED技術(shù)和視景顯示系統(tǒng)的研究與實踐，介紹了LED球幕顯示系統(tǒng)原理、組成，以及實現(xiàn)，通過其在飛行模擬器中的成功應(yīng)用，產(chǎn)生了一種新型的視景顯示系統(tǒng)。

1飛行模擬器的視景系統(tǒng)

一般來說，飛行模擬器由模擬座艙系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、視景系統(tǒng)等系統(tǒng)組成[1]。視景系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分，給飛行員提供模擬場景的視覺畫面，為飛行員在地面營造在真實世界中飛行的視覺感受。視景系統(tǒng)的質(zhì)量和性能與在地面營造飛行員在空中一樣的心理狀態(tài)有直接關(guān)系。視景系統(tǒng)呈現(xiàn)圖像畫面的豐富程度和細(xì)節(jié)程度，不僅直接關(guān)系到飛行員感受的真實性，而且還決定了其能夠模擬的飛行任務(wù)覆蓋度[2-3]。衡量一個視景顯示系統(tǒng)質(zhì)量和性能高低，除了取決于模擬對象（飛行器）本身的特點外，主要還與視場、分辨率、亮度、對比度、圖像更新率等主要技術(shù)指標(biāo)相關(guān)。

2LED球形屏幕技術(shù)

LED球幕實際上就是多個LED顯示屏，而LED顯示屏是以LED（發(fā)光二極管）為基本元件組成的新型顯示器件，是一種主動式顯示方式和技術(shù)[4-6]。

將LED技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用于飛行模擬器的視景顯示，需解決以下8個問題：（1）選用全彩色發(fā)光器件，以保證顯示圖像的色彩足夠豐富和真實；（2）燈珠小間距排列，以消除燈珠間距的視覺影響；（3）高刷新率圖像驅(qū)動，以避免出現(xiàn)飛行仿真過程中拖尾現(xiàn)象；（4）低亮度，高灰度顯示，以避免高亮度光線對飛行員眼睛的刺激，也更好地展示顏色細(xì)節(jié)；（5）從燈珠、燈板到整個屏幕的亮度、色度進行一致性校正，以避免出現(xiàn)色彩斑駁；（6）控制燈板間縫隙，以保證視景圖像的連續(xù)性；（7）合理劃分圖像通道，以正確匹配視景計算機的輸出信號；（8）球面圖像映射處理，以保證視景圖像幾何形狀不失真。

2.1燈珠

燈珠是LED顯示系統(tǒng)的基本元器件，在飛行模擬器的LED顯示系統(tǒng)中，選用LED燈珠為表面貼裝全彩器件，灰度16384級，其色域范圍可達110%NTSC?？杀ＷC整個顯示屏的顏色灰度自然不失真。燈珠采用全黑基板，黑色啞光封裝，具有對比度高、無鏡面反射、高可靠性、長壽命和寬視角等優(yōu)點。為保證LED燈珠顏色和亮度的一致性，燈芯按照波長進行分檔篩選，盡量消除發(fā)光強度的差異。

2.2燈板

燈板是球形顯示屏的基本組成部件，LED球幕由多個燈板組合拼接而成。若干燈珠按一定間距排列在PCB板上可以組成燈板。目前，燈珠排列的間距已經(jīng)可以做得很小，飛行模擬器的顯示系統(tǒng)中采用小于1.5mm的間距，在觀察距離大于2m時，可基本不影響飛行員的視覺感受。

根據(jù)燈板的加工工藝和屏幕球形形狀保證來選擇燈板尺寸。為保證球幕中圖像的連續(xù)性和控制圖像變形，采用柔性燈板是較好的選擇。即利用PCB板的彎曲特性，在燈珠的排布和布線上充分考慮變形影響，燈板可以在一定程度上彎曲，安裝后的燈板達到球形形狀，這樣燈板上的圖像在球幕的徑向方向變形就可以非常小，達到肉眼幾乎觀察不到的效果。

為保證整個球幕內(nèi)視景圖像的一致性，每張燈板都必須進行亮度和色度的校正，校正后的參數(shù)存貯在燈板的芯片中（如圖1所示）。

2.3球幕

燈板在球體內(nèi)以一定方式緊密排列成球形，形成一個連續(xù)的整體屏幕[7-9]。燈板在球幕中有多種排列方式，按經(jīng)緯度劃分為其中一種典型排列方法（如圖2所示）。

2.4圖像校正和處理

圖形校正和處理系統(tǒng)作為整個球幕顯示系統(tǒng)的顯示處理核心，可對視景計算機輸出的多路通道視頻信號進行實時同步處理。圖形校正和處理系統(tǒng)設(shè)備的作用是將視景計算機輸出的平面圖形根據(jù)飛行員眼位進行幾何校正，幾何校正后的圖像能在球形屏幕上正確顯示。同時，圖像校正設(shè)備完成相鄰?fù)ǖ篱g邊緣圖像的像素處理，保證整個球形屏幕各通道間圖像顯示的連續(xù)性和完整性（如圖3所示）。

3LED球幕顯示系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)和達到的性能

本文研究和介紹一種5m直徑的LED球幕顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)除模擬座艙下部和進出通道之外，球幕內(nèi)其他位置都是顯示視景圖像的屏幕，非常適合飛行模擬器對視景顯示的高要求。LED球幕顯示系統(tǒng)采用的是以LED技術(shù)為核心的系統(tǒng)，主要由LED燈板屏幕、視頻接收系統(tǒng)、視頻發(fā)送系統(tǒng)、圖形校正系統(tǒng)、通風(fēng)散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

LED球幕顯示系統(tǒng)各系統(tǒng)組成和功能主要體現(xiàn)在以下方面。（1）LED燈板屏幕：由多達2000多塊的燈板按照一定規(guī)律拼接組成整個球幕，呈現(xiàn)整個顯示系統(tǒng)的圖像。（2）視頻接收系統(tǒng)：將控制端通過以太網(wǎng)傳輸過來的視頻信號進行截取和緩存，然后驅(qū)動LED燈板實現(xiàn)LED屏的顯示驅(qū)動。由于LED燈板分布于整個顯示屏，因此，視頻接收設(shè)備也分布于整個顯示屏。（3）視頻發(fā)送系統(tǒng)：將前端處理好的視頻信號進行接口轉(zhuǎn)換，即將視頻信號轉(zhuǎn)換為千兆以太網(wǎng)信號，并以以太網(wǎng)方式將視頻數(shù)據(jù)輸出給LED屏幕端的視頻接收設(shè)備。（4）圖形校正系統(tǒng)：將視景計算機輸出的平面圖形進行幾何校正，校正為球形幕能正常顯示的圖形。同時，處理每個通道間邊緣圖像，以及通道與通道之間的關(guān)系，保證整個球形屏幕圖像顯示的連續(xù)性和完整性。（5）散熱系統(tǒng)：在球幕結(jié)構(gòu)底部和頂部布置風(fēng)機，通過風(fēng)機強制將燈板和其他設(shè)備產(chǎn)生的熱量排出到球幕外，同時也給球幕內(nèi)的封閉空間進行空氣交換，以保證人體的舒適。（6）供電系統(tǒng)：將220V交流信號轉(zhuǎn)變成5V直流電壓信號，并通過匯流排的方式傳輸給LED顯示模組和燈板進行供電。

（1）維護簡單。系統(tǒng)所有部件都可以原位更換，不需要調(diào)試，大大降低了對維護人員的專業(yè)技術(shù)要求。燈板采用前維護方式，當(dāng)有燈珠或燈板損壞情況，通過工裝夾具從顯示屏前端取出單元箱體，然后將更換的新燈板直接安裝回原來的位置。前維護方式具有簡單易操作的優(yōu)點，非常方便用戶后期維護。

（2）全國產(chǎn)化設(shè)計和生產(chǎn)。LED球幕顯示系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和集成完全由國內(nèi)廠家完成，而且是全球首臺套系統(tǒng)，所有零部件設(shè)計、加工和制造都在國內(nèi)完成，為完全自主可控的技術(shù)和產(chǎn)品。

4結(jié)語

LED球幕顯示技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)方法是一種全新的模擬器視景顯示技術(shù)和系統(tǒng)，不僅打破了國外對投影器關(guān)鍵芯片和技術(shù)的壟斷，實現(xiàn)了模擬器高端顯示系統(tǒng)的國產(chǎn)化，而且在視場、分辨率、亮度、對比度等關(guān)鍵性能指標(biāo)上全面超過了投影系統(tǒng)。目前，LED球幕顯示技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)方法已經(jīng)被成功應(yīng)用于飛行模擬器中，成為全球第一個LED球幕系統(tǒng)在飛行模擬器中的應(yīng)用，飛行員給予了較高的評價。目前該系統(tǒng)也是全球最高性能的視景顯示系統(tǒng)，在飛行模擬器，特別是戰(zhàn)斗機、直升機的飛行模擬器中具有明顯優(yōu)勢，是我國在模擬器視景顯示技術(shù)方面的一個跨越式發(fā)展，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。

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