eng
Выпуск #6/2021
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Солдатенко, М. А. Завьялова, В. С. Бартош
Разработка оптических схем формирования комфортной визуальной обстановки в области тренажеростроения
Разработка оптических схем формирования комфортной визуальной обстановки в области тренажеростроения
Просмотры: 1225
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.6.526.539
В статье рассматриваются основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки. Установлены требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Представлены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения для неподвижного наблюдателя.
В статье рассматриваются основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки. Установлены требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Представлены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения для неподвижного наблюдателя.
Теги: distortion field of view projection systems virtual simulators visual simulation визуализация обстановки виртуальные тренажеры дисторсия проекционные системы угол поля зрения
Разработка оптических схем формирования комфортной визуальной обстановки в области тренажеростроения
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Солдатенко , М. А. Завьялова , В. С. Бартош
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия
В статье рассматриваются основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки. Установлены требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Представлены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения для неподвижного наблюдателя.
Ключевые слова: визуализация обстановки, виртуальные тренажеры, проекционные системы, угол поля зрения, дисторсия
Статья поступила: 12.08.2021
Статья принята: 08.09.2021
Введение
В технической и научной литературе представлено большое количество информации по устройствам визуализации обстановки, которые применяются в сфере развлечений, архитектурном и промышленном дизайне, тренажёростроении и других областях. В данной работе рассматривается более узкая задача визуализации информации в смотровых окнах или иллюминаторах. Такие устройства применяются, например, в тренажерах космических кораблей, подводных аппаратов, специальных транспортных средств и т. п., где положение наблюдателя весьма ограничено, с другой стороны, нет возможности или запрещено использовать устройства визуализации на голове человека (специальные очки, шлемы, оккуляры и т. д.). Эти особенности ограничивают выбор конструкций и оптической схемы устройств визуализации. Одним из критически важных параметров для устройства формирования изображения является размер поля зрения. Чем шире оно будет, тем больший «эффект присутствия» будет формироваться в тренажере.
Основные принципы построения формирователей изображения
По принципу построения оптической схемы можно выделить следующие две группы методов: экранные, где между наблюдателем и источником изображения нет никакой оптической схемы, и проекционные, в которых в формировании визуальной обстановки для наблюдателя используются элементы, обладающие оптической силой (зеркала, линзы).
Экранные методы можно разделить по источнику изображения, которым может быть либо светорассеивающий или просветный экран, освещаемый проектором, либо один или несколько дисплеев (мониторов).
Для имитации визуальной обстановки с широким полем зрения (вплоть до 360°) используют экраны различной формы (плоские, сферические, тороидальные), которые освещаются несколькими LCD- или DLP-проекторами. При этом поля проекторов приходится достаточно точно калибровать [1] для минимизации эффектов, наблюдаемых в области перекрывающихся зон.
При использовании дисплеев также можно получать достаточно большие поля зрения, совмещая их друг с другом. Однако в силу конструктивных особенностей – наличия рамки у большинства дисплеев – на формируемой картине будут видны стыки.
Все перечисленные экранные методы обладают определенными недостатками. Во-первых, визуальная обстановка создается на определенном ограниченном расстоянии. Это не дает задействовать стимулы аккомодации глаза. Оператор видит, что картина находится где-то вблизи. Поэтому при синтезе дальней зоны стараются располагать экраны по возможности дальше от оператора (от 2 до 10 м), где этот визуальный дискомфорт уже не ощущается.
Во-вторых, при близком расположении экрана / дисплея не будет наблюдаться эффект параллакса, когда при смещении головы наблюдателя будут возникать ошибки в определении пространственного расположения близко и далеко расположенных предметов. В ряде случаев такая ситуация может быть достаточно критичной, поскольку у обучаемых создается неверное представление об управлении транспортным средством.
В ряде ситуаций это может приводить к серьезным последствиям. Экранные методы находят широкое применение в авиатренажерах, где вся синтезируемая обстановка обычно находится в дальней зоне (на бесконечности), а возможности перемещения наблюдателя сильно ограничены тесной кабиной [2–8].
В проекционных методах между источником изображения (экраном, дисплеем, слайдом, шаблоном и т. п.) устанавливается оптическая система, которая создает, как правило, мнимое изображение на конечном или бесконечном расстоянии от оператора [9–11]. При этом в таких системах существует возможность изменения видимой дальности до синтезируемой картины путем изменения расстояния между оптической системой и источником изображения. Также есть возможность создания нескольких планов (ближнего и дальнего) путем комбинирования с помощью призм и полупрозрачных зеркал нескольких источников изображения. В качестве основного оптического элемента для коллимации излучения в тренажерной технике широко используются вогнутые зеркала (как правило, сферической формы). Источник изображения при этом размещают в фокусе сферического зеркала: F = R / 2. Основная проблема при использовании такого варианта состоит в том, что источник изображения при этом находится между зеркалом и наблюдателем (рис. 1а).
Для широкоугольных схем (поле зрения больше 30°) это представляет существенную проблему, поэтому здесь используют два пути: либо проецируют в эту область промежуточное изображение через полупрозрачное зеркало (рис. 1b), либо делают внеосевую оптическую схему (рис. 1c).
Такой вариант построения проекционной оптической системы может обеспечить достаточно широкое поле зрения (в пределах 30–60°). При использовании вместо сферического зеркала тороидального, в фокусе которого установлен также тороидальный просветный экран, можно достичь широкого панорамного обзора до 180°, но по другой координате будут те же 30–60° [9–11].
Вместо зеркальной оптической схемы также используются и линзовые оптические схемы. В этом случае, если экран устанавливается в фокальной плоскости некоторого объектива, наблюдатель видит бесконечно удаленный от него объект. Поле зрения может достигать при этом достаточно больших величин (до 90–120°). Но при этом и увеличиваются диаметры оптических элементов.
При высоких требованиях к качеству изображения для исправления аберраций требуется использовать многолинзовые оптические схемы из разных марок стекол. Поэтому линзовые схемы чаще применяют для монокулярного наблюдения. Этим обстоятельством объясняется тот факт, что наибольшее распространение получили зеркальные проекционные схемы, так как зеркала большого формата гораздо легче изготовить, а сами зеркала не вносят хроматических аберраций. Но при этом, внеосевые широкоугольные зеркальные схемы вносят существенные искажения (астигматизм и кому). Поэтому при их использовании требуется анализировать качество формируемого изображения и находить баланс между величиной поля зрения и значениями аберраций.
Требования к качеству формируемого изображения
Требования к качеству изображения весьма разнообразны и зависят от задачи, решаемой с помощью оптической системы. Полного исправления всех аберраций нельзя получить даже в сколь угодно сложной системе. Поэтому остаточные аберрации допускаются, их величины определяются назначением системы и приемником изображения.
В телескопических системах (дальний предмет – дальнее изображение), работающих с глазом, хорошее качество изображения должно быть в центре поля, а на краю поля допускается ухудшение качества изображения, т. к. рассматриваемое изображение всегда можно привести в центр поля. Поскольку приемником изображения является глаз, то допустимые значения аберраций должны быть меньше или соизмеримы с разрешающей способностью глаза. В таблице приведены допустимые значения аберраций зрительных труб. Приводимые значения получены из многолетних практических наблюдений [12–15]. Ими удобно пользоваться при оценке допустимого качества систем, работающих с таким приемником изображения как глаз.
При оценке внеосевых аберраций зрительных труб и соответственно окуляров, нужно учитывать условия работы. Так, в биноклях и зрительных трубах, удерживаемых в руках, человек, видя края поля изображения за счет периферийного зрения и отметив там некоторое движение, поворачивает голову вместе с биноклем и переводит «подозрительный» участок в центр. В таких случаях края поля изображения окуляра воспринимаются периферическим зрением и могут обладать большими аберрациями.
В приборах, размещаемых стационарно, например в танковых панорамах, стереотрубах и т. п., перевод крайних зон поля изображения в центр занимает существенное время, поэтому наблюдатель вынужден рассматривать края поля изображения, поворачивая глаз.
В фотообъективах (дальний предмет – ближнее изображение) требования к качеству изображения очень разнообразны и во многом зависят от рабочего спектрального диапазона, приемника изображения и назначения системы. В качестве требований к качеству изображения могут выступать: разрешающая способность в лин. / мм в центре поля и на краю, частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) с указанием частоты и требуемого контраста. В инфракрасных системах может задаваться диаметр кружка рассеяния с заданной концентрацией энергии в нем.
В проекционных системах (ближний предмет – ближнее изображение), если они рассчитываются в обратном ходе лучей, требования к качеству изображения приблизительно такие же, что и в фотографических системах.
Качество изображения в плоскости экрана можно оценить по углу, под которым наблюдатель видит кружок рассеяния. Если угол составляет 1–2′, то качество изображения можно считать удовлетворительным.
Таким образом, из приведенных требований к визуальным приборам видно, что основным критерием качества оптической системы, формирующей визуальную обстановку, считается разрешение по всему полю зрения, которое должно достигать предела разрешающей способности человеческого глаза 1–2′. При этом для формирователя изображения как стационарной системы нельзя накладывать разные требования к разрешению на краю и в центре поля зрения. Разрешение по всему полю должно стремиться к 2′.
Дисторсия для визуальных приборов обычно ограничивается значением 2–5%, при которых человек не замечает существенных геометрических искажений. Для представленных выше вариантов оптических схем систем синтеза визуальной обстановки обычно дисторсия значительно превышает указанный порог. В этом случае необходимо компенсировать дисторсионные искажения путем формирования соответствующей цифровой визуальной модели.
Зеркальная проекционная система
В качестве первого варианта формирования изображения рассматривалась оптическая схема с внеосевым расположением экрана, показанная на рис. 1в. В ней в качестве основного элемента используется наклонное вогнутое сферическое зеркало, в фокальную область которого установлен просветный сферический экран. В качестве источника изображения используется LCD- или DLP-проектор. При этом необходимо использовать для проектора объектив, который позволяет строить изображение небольшого размера (~0,5 м).
При расчете подобной оптической схемы определяющее значение имеют габаритные ограничения по расположению всех оптических элементов. В результате в программном пакете для расчета оптических систем Zemax Оptical Studio [16] был получен вариант схемы, представленный на рис. 2.
Полученные основные характеристики оптической схемы: диаметр иллюминатора 250 мм, угол поля зрения: ±26°, габаритный размер большого сферического зеркала ∅1 100 мм, радиус кривизны сферического зеркала R = 1400 мм, габаритный размер просветного экрана ∅480 мм, дисторсия: 18,5% (несимметричная). Качество изображения в этой оптической схеме определяется исключительно сферическим зеркалом. Хроматические аберрации отсутствуют. Определяющую роль для разрешения играет астигматизм, увеличивающийся с ростом угла падения лучей на поверхность зеркала. Поэтому при расчете данного варианта необходимо уменьшать этот угол. Пятна рассеяния рассчитанной зеркальной проекционной системы приведены на рис. 3.
Необходимо отметить, что в этом варианте отсутствует сильная зависимость от смещения глаза наблюдателя. При смещении наблюдателя в сторону относительно оптической оси разрешение ухудшается незначительно (см. рис. 4).
Из рис. 4 видно, что данная оптическая схема обладает достаточно низким разрешением (2–7′), которое также сильно зависит от направления взгляда. Дальний от иллюминатора край зеркала будет выглядеть размытым. Вид дисторсионных искажений представлен на рис. 5.
Основными достоинствами такого формирователя изображения являются относительная простота конструкции и возможность синтеза визуальной обстановки на расстоянии от 2 м до ∞. При этом необходимо отметить следующие недостатки: ограниченное поле зрения (до ±26°), общая несимметричность картины по качеству, астигматизм на одном из краев приводит к падению разрешения (до 6–8′), большая несимметричная дисторсия (18,5%).
Линзовая проекционная система
В качестве реализации формирователя изображения рассматривалась линзовая оптическая схема. В этом случае перед иллюминатором устанавливается линзовая сборка, в фокусе которой располагается светорассеивающий экран, освещаемый одним или несколькими проекторами.
При расчете данной оптической схемы определяющее значение для качества изображения имеют характеристики линзового объектива. Для минимизации хроматизма необходимо использовать как минимум две марки стекол.
Данный вариант оптической схемы был рассчитан в программном пакете Zemax Оptical Studio [16]. В качестве основного критерия оптимизации использовался минимум геометрического кружка рассеяния для наблюдателя за иллюминатором. Также дополнительными критериями были максимальная величина поля зрения, габариты и масса оптических элементов, величина дисторсии.
В результате расчета был получен вариант оптической схемы, представленный на рис. 6.
Получены следующие основные характеристики оптической схемы: угол поля зрения ±50°, габаритный размер проекционного экрана ∅5 м, расстояние до экрана 2,7 м, радиус кривизны проекционного экрана ∅12 м, размер наибольшей линзы 320 мм, количество линз 2 шт, марки стекол: LAK33, SF15 (каталог Schott), дисторсия не более 22% (симметричная).
Качество изображения для глаза, расположенного на оптической оси, можно считать практически идеальным. Геометрические искажения и хроматические аберрации намного меньше дифракционного предела (диаграммы точек рассеяния приведены на рис. 7а). При смещении глаза наблюдателя происходит некоторое ухудшение качества изображения за счет хроматизма увеличения (см. рис. 7b).
Так как этот вариант оптической схемы имеет большой запас по качеству изображения, то при необходимости можно отказаться от использования сферического экрана ввиду сложности изготовления и использовать плоский. В этом случае разрешение снизится всего на 17%. Также разрешение изображения можно улучшить на 22% за счет применения асферической поверхности на первой линзе.
Для иллюстрации качества формируемой картины были рассчитаны серии графиков, представленных на рис. 8 и показывающих зависимость разрешения от смещения глаза наблюдателя (Rгл) для разных углов зрения (α). Графики кривизны поля и дисторсии приведены на рис. 9. Из рисунка 8 видно, что данная оптическая схема обладает хорошими характеристиками по разрешению (1–4′) при большом поле зрения (до 100°). Для оптимального использования возможностей оптической системы при таком соотношении разрешения и поля зрения необходимо использовать как минимум проектор с разрешением 8K UltraHD (7 680 × 4 320), что позволит синтезировать визуальную обстановку с разрешением в 0,8–1,4′. При использовании двух проекторов с разрешением 4K UltraHD (3 840 × 2 160) разрешение будет порядка 1,4–1,6′.
При реализации данной схемы существует возможность формирования визуальной обстановки на расстоянии от 2 м до ∞; обеспечение максимального угла обзора (100°), близкого к зрению человека (130–160°); получения высокого разрешения по всему полю зрения (1–3′), близкого к разрешению глаза человека. Так же отмечается меньшая по сравнению с первой схемой чувствительность к смещению головы наблюдателя.
К недостаткам можно отнести большую симметричную дисторсию (22%), которую возможно минимизировать программным образом, и большие общие габариты стенда.
Заключение
В работе рассмотрены основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки в смотровых окнах или иллюминаторах. Представлены основные требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Приведены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения.
В первом варианте используется вогнутое сферическое зеркало в фокусе которого установлен просветный сферический экран. Данный вариант достаточно прост в реализации, но показано, что имеются определенные недостатки: ограниченное поле зрения (до ±26°) и общая несимметричность картины по качеству изображения. Во втором линзовом варианте достигается существенно лучшие характеристики по качеству изображения при большем поле зрения (до ±50°).
Полученные результаты могут быть использованы в современной тренажерной технике, поскольку позволяют создавать устройства синтеза визуальной обстановки, формирующие окружающую обстановку для глаз человека, достаточно близкую к естественной, что, несомненно, повышает визуальный комфорт при работе операторов.
REFERENCES
Xizuo Liu, Yan Lin, Xiaogang Xu, Liang Ma. Multi-Projector Calibration Based on Virtual Viewing Space. International Journal of Virtual Reality. 2019; 19(3): 16–30. DOI:10.20870/IJVR.2019.19.3.2918.
Teaching and Testing in Flight Simulation Training Devices (FSTD). https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/206904_EASA_EHEST_HE_10.pdf.
Serikbaj A. T., SHolanov K. S. Aviatrenazher na baze parallel’nogo manipulyatora. Sbornik trudov Karagandinskogo tekhnicheskogo universiteta. 2020; 3(80): 135–137.
Серикбай А. Т., Шоланов К. С. Aвиатренажер на базе параллельного манипулятора. Сборник трудов Карагандинского технического университета. 2020; 3(80): 135–137.
Sparko A. L., Bürki-Cohen J., Go T. H. Transfer of training from a full-flight simulator vs. A high level flight training device with a dynamic seat. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference. Canada. 2010. DOI:10.2514/6.2010–8218.
Zivan L., Tischler M. B. Development of a full flight envelope helicopter simulation using system identification. Journal of the American Helicopter Society. 2010; 55(2): 0220031–0220315. DOI:10.4050/JAHS.55.022003.
Schubert E., Lehmann O., Hüttig G. Evaluation the influence of noise abatement procedures to pilot’s workload and safety by using an airbus A330/340 full flight simulator. International Congress on Noise Control Engineering. INTERNOISE. 2005; 1: 582–591.
Beechey R., Lagace G., Ruckel P., Nigus S., Sammur, N. Development of the AH‑1Z full flight simulator for the us marine corps. Annual Forum Proceedings – AHS International. USA. 2011; 2: 974–1001.
Oberhauser M., Dreyer D., Convard T., Mamessier, S. Rapid integration and evaluation of functional HMI components in a virtual reality aircraft cockpit. Advances in Ergonomics in Design. Springer. 2016; 17–24. DOI: 10.1007/978-3-319-41983-1_2.
Mulligan R. The Super Seasprite Simulator Visual – An Unwise Choice? URL: http://www.simulationaustralasia.com/files/upload/pdf/research/24–10.pdf (accessed:16.08.21).
Joseph D., Burch T., Connolly R. Comparison of Display System Options for Helicopter Aircrew Tactical Training Systems. Interservice / Industry Training, Simulation and Education Conference. I/ITSEC 2002; 1.
Oberhauser M., Dreyer D., Mamessier S., Convard T., Bandow D., Hillebrand, A. Bridging the gap between desktop research and full flight simulators for human factors research. 12th International Conference, EPCE 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-20373-7_44.
Baholdin A. V., Romanova G. I., Cukanova G. I. Teoriya i metody proektirovaniya opticheskih sistem. Part I.–SPb: NIU ITMO. 2011. 104 p.
Бахолдин А. В., Романова Г. И., Цуканова Г. И. Теория и методы проектирования оптических систем. Ч. I.–СПб: НИУ ИТМО. 2011. 104 с.
Grammatin A. P., Romanova G. E., Balacenko O. N. Raschet i avtomatizaciya proektirovaniya opticheskih sistem. Ucheb. posobie. – SPb: NIU ITMO. 2013. 128 p.
Грамматин А. П., Романова Г. Э., Балаценко О. Н. Расчет и автоматизация проектирования оптических систем. Учеб. пособие. – СПб: НИУ ИТМО. 2013. 128 с.
Zapryagaeva L. A., Sveshnikova I. S. Raschet i proektirovanie opticheskih sistem. – M.: Logos. 2000. 581 p.
Запрягаева Л. А., Свешникова И. С. Расчет и проектирование оптических систем. – М.: Логос. 2000. 581 с.
GOST 19795-82 Proektory izmeritel’nye. Obshchie tekhnicheskie usloviya. Vveden 01.01.1984. – M.: Izdatel’stvo standartov, 1988.
ГОСТ 19795-82 Проекторы измерительные. Общие технические условия. Введен 01.01.1984. – М.: Издательство стандартов, 1988.
ZEMAX. URL: http://www.zemax.com.
АВТОРЫ
Петр Сергеевич Завьялов, к. т. н., директор КТИ НП СО РАН,
zavyalov@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Евгений Владимирович Власов, научный сотрудник, КТИ НП СО РАН,
vlasov@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Алексей Владимирович Солдатенко, конструктор, КТИ НП СО РАН,
tok9_11@mail.ru; Новосибирск, Россия.
Марина Андреевна Завьялова, к. т. н., научный сотрудник, КТИ НП СО РАН,
mzav@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Василий Станиславович Бартош, ведущий инженер, ИАиЭ СО РАН,
vas@sl.iae.nsk.su; Новосибирск, Россия.
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Солдатенко , М. А. Завьялова , В. С. Бартош
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск, Россия
В статье рассматриваются основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки. Установлены требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Представлены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения для неподвижного наблюдателя.
Ключевые слова: визуализация обстановки, виртуальные тренажеры, проекционные системы, угол поля зрения, дисторсия
Статья поступила: 12.08.2021
Статья принята: 08.09.2021
Введение
В технической и научной литературе представлено большое количество информации по устройствам визуализации обстановки, которые применяются в сфере развлечений, архитектурном и промышленном дизайне, тренажёростроении и других областях. В данной работе рассматривается более узкая задача визуализации информации в смотровых окнах или иллюминаторах. Такие устройства применяются, например, в тренажерах космических кораблей, подводных аппаратов, специальных транспортных средств и т. п., где положение наблюдателя весьма ограничено, с другой стороны, нет возможности или запрещено использовать устройства визуализации на голове человека (специальные очки, шлемы, оккуляры и т. д.). Эти особенности ограничивают выбор конструкций и оптической схемы устройств визуализации. Одним из критически важных параметров для устройства формирования изображения является размер поля зрения. Чем шире оно будет, тем больший «эффект присутствия» будет формироваться в тренажере.
Основные принципы построения формирователей изображения
По принципу построения оптической схемы можно выделить следующие две группы методов: экранные, где между наблюдателем и источником изображения нет никакой оптической схемы, и проекционные, в которых в формировании визуальной обстановки для наблюдателя используются элементы, обладающие оптической силой (зеркала, линзы).
Экранные методы можно разделить по источнику изображения, которым может быть либо светорассеивающий или просветный экран, освещаемый проектором, либо один или несколько дисплеев (мониторов).
Для имитации визуальной обстановки с широким полем зрения (вплоть до 360°) используют экраны различной формы (плоские, сферические, тороидальные), которые освещаются несколькими LCD- или DLP-проекторами. При этом поля проекторов приходится достаточно точно калибровать [1] для минимизации эффектов, наблюдаемых в области перекрывающихся зон.
При использовании дисплеев также можно получать достаточно большие поля зрения, совмещая их друг с другом. Однако в силу конструктивных особенностей – наличия рамки у большинства дисплеев – на формируемой картине будут видны стыки.
Все перечисленные экранные методы обладают определенными недостатками. Во-первых, визуальная обстановка создается на определенном ограниченном расстоянии. Это не дает задействовать стимулы аккомодации глаза. Оператор видит, что картина находится где-то вблизи. Поэтому при синтезе дальней зоны стараются располагать экраны по возможности дальше от оператора (от 2 до 10 м), где этот визуальный дискомфорт уже не ощущается.
Во-вторых, при близком расположении экрана / дисплея не будет наблюдаться эффект параллакса, когда при смещении головы наблюдателя будут возникать ошибки в определении пространственного расположения близко и далеко расположенных предметов. В ряде случаев такая ситуация может быть достаточно критичной, поскольку у обучаемых создается неверное представление об управлении транспортным средством.
В ряде ситуаций это может приводить к серьезным последствиям. Экранные методы находят широкое применение в авиатренажерах, где вся синтезируемая обстановка обычно находится в дальней зоне (на бесконечности), а возможности перемещения наблюдателя сильно ограничены тесной кабиной [2–8].
В проекционных методах между источником изображения (экраном, дисплеем, слайдом, шаблоном и т. п.) устанавливается оптическая система, которая создает, как правило, мнимое изображение на конечном или бесконечном расстоянии от оператора [9–11]. При этом в таких системах существует возможность изменения видимой дальности до синтезируемой картины путем изменения расстояния между оптической системой и источником изображения. Также есть возможность создания нескольких планов (ближнего и дальнего) путем комбинирования с помощью призм и полупрозрачных зеркал нескольких источников изображения. В качестве основного оптического элемента для коллимации излучения в тренажерной технике широко используются вогнутые зеркала (как правило, сферической формы). Источник изображения при этом размещают в фокусе сферического зеркала: F = R / 2. Основная проблема при использовании такого варианта состоит в том, что источник изображения при этом находится между зеркалом и наблюдателем (рис. 1а).
Для широкоугольных схем (поле зрения больше 30°) это представляет существенную проблему, поэтому здесь используют два пути: либо проецируют в эту область промежуточное изображение через полупрозрачное зеркало (рис. 1b), либо делают внеосевую оптическую схему (рис. 1c).
Такой вариант построения проекционной оптической системы может обеспечить достаточно широкое поле зрения (в пределах 30–60°). При использовании вместо сферического зеркала тороидального, в фокусе которого установлен также тороидальный просветный экран, можно достичь широкого панорамного обзора до 180°, но по другой координате будут те же 30–60° [9–11].
Вместо зеркальной оптической схемы также используются и линзовые оптические схемы. В этом случае, если экран устанавливается в фокальной плоскости некоторого объектива, наблюдатель видит бесконечно удаленный от него объект. Поле зрения может достигать при этом достаточно больших величин (до 90–120°). Но при этом и увеличиваются диаметры оптических элементов.
При высоких требованиях к качеству изображения для исправления аберраций требуется использовать многолинзовые оптические схемы из разных марок стекол. Поэтому линзовые схемы чаще применяют для монокулярного наблюдения. Этим обстоятельством объясняется тот факт, что наибольшее распространение получили зеркальные проекционные схемы, так как зеркала большого формата гораздо легче изготовить, а сами зеркала не вносят хроматических аберраций. Но при этом, внеосевые широкоугольные зеркальные схемы вносят существенные искажения (астигматизм и кому). Поэтому при их использовании требуется анализировать качество формируемого изображения и находить баланс между величиной поля зрения и значениями аберраций.
Требования к качеству формируемого изображения
Требования к качеству изображения весьма разнообразны и зависят от задачи, решаемой с помощью оптической системы. Полного исправления всех аберраций нельзя получить даже в сколь угодно сложной системе. Поэтому остаточные аберрации допускаются, их величины определяются назначением системы и приемником изображения.
В телескопических системах (дальний предмет – дальнее изображение), работающих с глазом, хорошее качество изображения должно быть в центре поля, а на краю поля допускается ухудшение качества изображения, т. к. рассматриваемое изображение всегда можно привести в центр поля. Поскольку приемником изображения является глаз, то допустимые значения аберраций должны быть меньше или соизмеримы с разрешающей способностью глаза. В таблице приведены допустимые значения аберраций зрительных труб. Приводимые значения получены из многолетних практических наблюдений [12–15]. Ими удобно пользоваться при оценке допустимого качества систем, работающих с таким приемником изображения как глаз.
При оценке внеосевых аберраций зрительных труб и соответственно окуляров, нужно учитывать условия работы. Так, в биноклях и зрительных трубах, удерживаемых в руках, человек, видя края поля изображения за счет периферийного зрения и отметив там некоторое движение, поворачивает голову вместе с биноклем и переводит «подозрительный» участок в центр. В таких случаях края поля изображения окуляра воспринимаются периферическим зрением и могут обладать большими аберрациями.
В приборах, размещаемых стационарно, например в танковых панорамах, стереотрубах и т. п., перевод крайних зон поля изображения в центр занимает существенное время, поэтому наблюдатель вынужден рассматривать края поля изображения, поворачивая глаз.
В фотообъективах (дальний предмет – ближнее изображение) требования к качеству изображения очень разнообразны и во многом зависят от рабочего спектрального диапазона, приемника изображения и назначения системы. В качестве требований к качеству изображения могут выступать: разрешающая способность в лин. / мм в центре поля и на краю, частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) с указанием частоты и требуемого контраста. В инфракрасных системах может задаваться диаметр кружка рассеяния с заданной концентрацией энергии в нем.
В проекционных системах (ближний предмет – ближнее изображение), если они рассчитываются в обратном ходе лучей, требования к качеству изображения приблизительно такие же, что и в фотографических системах.
Качество изображения в плоскости экрана можно оценить по углу, под которым наблюдатель видит кружок рассеяния. Если угол составляет 1–2′, то качество изображения можно считать удовлетворительным.
Таким образом, из приведенных требований к визуальным приборам видно, что основным критерием качества оптической системы, формирующей визуальную обстановку, считается разрешение по всему полю зрения, которое должно достигать предела разрешающей способности человеческого глаза 1–2′. При этом для формирователя изображения как стационарной системы нельзя накладывать разные требования к разрешению на краю и в центре поля зрения. Разрешение по всему полю должно стремиться к 2′.
Дисторсия для визуальных приборов обычно ограничивается значением 2–5%, при которых человек не замечает существенных геометрических искажений. Для представленных выше вариантов оптических схем систем синтеза визуальной обстановки обычно дисторсия значительно превышает указанный порог. В этом случае необходимо компенсировать дисторсионные искажения путем формирования соответствующей цифровой визуальной модели.
Зеркальная проекционная система
В качестве первого варианта формирования изображения рассматривалась оптическая схема с внеосевым расположением экрана, показанная на рис. 1в. В ней в качестве основного элемента используется наклонное вогнутое сферическое зеркало, в фокальную область которого установлен просветный сферический экран. В качестве источника изображения используется LCD- или DLP-проектор. При этом необходимо использовать для проектора объектив, который позволяет строить изображение небольшого размера (~0,5 м).
При расчете подобной оптической схемы определяющее значение имеют габаритные ограничения по расположению всех оптических элементов. В результате в программном пакете для расчета оптических систем Zemax Оptical Studio [16] был получен вариант схемы, представленный на рис. 2.
Полученные основные характеристики оптической схемы: диаметр иллюминатора 250 мм, угол поля зрения: ±26°, габаритный размер большого сферического зеркала ∅1 100 мм, радиус кривизны сферического зеркала R = 1400 мм, габаритный размер просветного экрана ∅480 мм, дисторсия: 18,5% (несимметричная). Качество изображения в этой оптической схеме определяется исключительно сферическим зеркалом. Хроматические аберрации отсутствуют. Определяющую роль для разрешения играет астигматизм, увеличивающийся с ростом угла падения лучей на поверхность зеркала. Поэтому при расчете данного варианта необходимо уменьшать этот угол. Пятна рассеяния рассчитанной зеркальной проекционной системы приведены на рис. 3.
Необходимо отметить, что в этом варианте отсутствует сильная зависимость от смещения глаза наблюдателя. При смещении наблюдателя в сторону относительно оптической оси разрешение ухудшается незначительно (см. рис. 4).
Из рис. 4 видно, что данная оптическая схема обладает достаточно низким разрешением (2–7′), которое также сильно зависит от направления взгляда. Дальний от иллюминатора край зеркала будет выглядеть размытым. Вид дисторсионных искажений представлен на рис. 5.
Основными достоинствами такого формирователя изображения являются относительная простота конструкции и возможность синтеза визуальной обстановки на расстоянии от 2 м до ∞. При этом необходимо отметить следующие недостатки: ограниченное поле зрения (до ±26°), общая несимметричность картины по качеству, астигматизм на одном из краев приводит к падению разрешения (до 6–8′), большая несимметричная дисторсия (18,5%).
Линзовая проекционная система
В качестве реализации формирователя изображения рассматривалась линзовая оптическая схема. В этом случае перед иллюминатором устанавливается линзовая сборка, в фокусе которой располагается светорассеивающий экран, освещаемый одним или несколькими проекторами.
При расчете данной оптической схемы определяющее значение для качества изображения имеют характеристики линзового объектива. Для минимизации хроматизма необходимо использовать как минимум две марки стекол.
Данный вариант оптической схемы был рассчитан в программном пакете Zemax Оptical Studio [16]. В качестве основного критерия оптимизации использовался минимум геометрического кружка рассеяния для наблюдателя за иллюминатором. Также дополнительными критериями были максимальная величина поля зрения, габариты и масса оптических элементов, величина дисторсии.
В результате расчета был получен вариант оптической схемы, представленный на рис. 6.
Получены следующие основные характеристики оптической схемы: угол поля зрения ±50°, габаритный размер проекционного экрана ∅5 м, расстояние до экрана 2,7 м, радиус кривизны проекционного экрана ∅12 м, размер наибольшей линзы 320 мм, количество линз 2 шт, марки стекол: LAK33, SF15 (каталог Schott), дисторсия не более 22% (симметричная).
Качество изображения для глаза, расположенного на оптической оси, можно считать практически идеальным. Геометрические искажения и хроматические аберрации намного меньше дифракционного предела (диаграммы точек рассеяния приведены на рис. 7а). При смещении глаза наблюдателя происходит некоторое ухудшение качества изображения за счет хроматизма увеличения (см. рис. 7b).
Так как этот вариант оптической схемы имеет большой запас по качеству изображения, то при необходимости можно отказаться от использования сферического экрана ввиду сложности изготовления и использовать плоский. В этом случае разрешение снизится всего на 17%. Также разрешение изображения можно улучшить на 22% за счет применения асферической поверхности на первой линзе.
Для иллюстрации качества формируемой картины были рассчитаны серии графиков, представленных на рис. 8 и показывающих зависимость разрешения от смещения глаза наблюдателя (Rгл) для разных углов зрения (α). Графики кривизны поля и дисторсии приведены на рис. 9. Из рисунка 8 видно, что данная оптическая схема обладает хорошими характеристиками по разрешению (1–4′) при большом поле зрения (до 100°). Для оптимального использования возможностей оптической системы при таком соотношении разрешения и поля зрения необходимо использовать как минимум проектор с разрешением 8K UltraHD (7 680 × 4 320), что позволит синтезировать визуальную обстановку с разрешением в 0,8–1,4′. При использовании двух проекторов с разрешением 4K UltraHD (3 840 × 2 160) разрешение будет порядка 1,4–1,6′.
При реализации данной схемы существует возможность формирования визуальной обстановки на расстоянии от 2 м до ∞; обеспечение максимального угла обзора (100°), близкого к зрению человека (130–160°); получения высокого разрешения по всему полю зрения (1–3′), близкого к разрешению глаза человека. Так же отмечается меньшая по сравнению с первой схемой чувствительность к смещению головы наблюдателя.
К недостаткам можно отнести большую симметричную дисторсию (22%), которую возможно минимизировать программным образом, и большие общие габариты стенда.
Заключение
В работе рассмотрены основные принципы, достоинства и недостатки формирователей изображения для устройств визуализации обстановки в смотровых окнах или иллюминаторах. Представлены основные требования к качеству формируемого изображения при работе с наблюдателем. Приведены два варианта построения проекционных оптических систем, обеспечивающих достаточно широкое поле зрения.
В первом варианте используется вогнутое сферическое зеркало в фокусе которого установлен просветный сферический экран. Данный вариант достаточно прост в реализации, но показано, что имеются определенные недостатки: ограниченное поле зрения (до ±26°) и общая несимметричность картины по качеству изображения. Во втором линзовом варианте достигается существенно лучшие характеристики по качеству изображения при большем поле зрения (до ±50°).
Полученные результаты могут быть использованы в современной тренажерной технике, поскольку позволяют создавать устройства синтеза визуальной обстановки, формирующие окружающую обстановку для глаз человека, достаточно близкую к естественной, что, несомненно, повышает визуальный комфорт при работе операторов.
REFERENCES
Xizuo Liu, Yan Lin, Xiaogang Xu, Liang Ma. Multi-Projector Calibration Based on Virtual Viewing Space. International Journal of Virtual Reality. 2019; 19(3): 16–30. DOI:10.20870/IJVR.2019.19.3.2918.
Teaching and Testing in Flight Simulation Training Devices (FSTD). https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/206904_EASA_EHEST_HE_10.pdf.
Serikbaj A. T., SHolanov K. S. Aviatrenazher na baze parallel’nogo manipulyatora. Sbornik trudov Karagandinskogo tekhnicheskogo universiteta. 2020; 3(80): 135–137.
Серикбай А. Т., Шоланов К. С. Aвиатренажер на базе параллельного манипулятора. Сборник трудов Карагандинского технического университета. 2020; 3(80): 135–137.
Sparko A. L., Bürki-Cohen J., Go T. H. Transfer of training from a full-flight simulator vs. A high level flight training device with a dynamic seat. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference. Canada. 2010. DOI:10.2514/6.2010–8218.
Zivan L., Tischler M. B. Development of a full flight envelope helicopter simulation using system identification. Journal of the American Helicopter Society. 2010; 55(2): 0220031–0220315. DOI:10.4050/JAHS.55.022003.
Schubert E., Lehmann O., Hüttig G. Evaluation the influence of noise abatement procedures to pilot’s workload and safety by using an airbus A330/340 full flight simulator. International Congress on Noise Control Engineering. INTERNOISE. 2005; 1: 582–591.
Beechey R., Lagace G., Ruckel P., Nigus S., Sammur, N. Development of the AH‑1Z full flight simulator for the us marine corps. Annual Forum Proceedings – AHS International. USA. 2011; 2: 974–1001.
Oberhauser M., Dreyer D., Convard T., Mamessier, S. Rapid integration and evaluation of functional HMI components in a virtual reality aircraft cockpit. Advances in Ergonomics in Design. Springer. 2016; 17–24. DOI: 10.1007/978-3-319-41983-1_2.
Mulligan R. The Super Seasprite Simulator Visual – An Unwise Choice? URL: http://www.simulationaustralasia.com/files/upload/pdf/research/24–10.pdf (accessed:16.08.21).
Joseph D., Burch T., Connolly R. Comparison of Display System Options for Helicopter Aircrew Tactical Training Systems. Interservice / Industry Training, Simulation and Education Conference. I/ITSEC 2002; 1.
Oberhauser M., Dreyer D., Mamessier S., Convard T., Bandow D., Hillebrand, A. Bridging the gap between desktop research and full flight simulators for human factors research. 12th International Conference, EPCE 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-20373-7_44.
Baholdin A. V., Romanova G. I., Cukanova G. I. Teoriya i metody proektirovaniya opticheskih sistem. Part I.–SPb: NIU ITMO. 2011. 104 p.
Бахолдин А. В., Романова Г. И., Цуканова Г. И. Теория и методы проектирования оптических систем. Ч. I.–СПб: НИУ ИТМО. 2011. 104 с.
Grammatin A. P., Romanova G. E., Balacenko O. N. Raschet i avtomatizaciya proektirovaniya opticheskih sistem. Ucheb. posobie. – SPb: NIU ITMO. 2013. 128 p.
Грамматин А. П., Романова Г. Э., Балаценко О. Н. Расчет и автоматизация проектирования оптических систем. Учеб. пособие. – СПб: НИУ ИТМО. 2013. 128 с.
Zapryagaeva L. A., Sveshnikova I. S. Raschet i proektirovanie opticheskih sistem. – M.: Logos. 2000. 581 p.
Запрягаева Л. А., Свешникова И. С. Расчет и проектирование оптических систем. – М.: Логос. 2000. 581 с.
GOST 19795-82 Proektory izmeritel’nye. Obshchie tekhnicheskie usloviya. Vveden 01.01.1984. – M.: Izdatel’stvo standartov, 1988.
ГОСТ 19795-82 Проекторы измерительные. Общие технические условия. Введен 01.01.1984. – М.: Издательство стандартов, 1988.
ZEMAX. URL: http://www.zemax.com.
АВТОРЫ
Петр Сергеевич Завьялов, к. т. н., директор КТИ НП СО РАН,
zavyalov@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Евгений Владимирович Власов, научный сотрудник, КТИ НП СО РАН,
vlasov@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Алексей Владимирович Солдатенко, конструктор, КТИ НП СО РАН,
tok9_11@mail.ru; Новосибирск, Россия.
Марина Андреевна Завьялова, к. т. н., научный сотрудник, КТИ НП СО РАН,
mzav@tdisie.nsc.ru; Новосибирск, Россия.
Василий Станиславович Бартош, ведущий инженер, ИАиЭ СО РАН,
vas@sl.iae.nsk.su; Новосибирск, Россия.
Отзывы читателей
