Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор технических решений и постановка задачи 14
1.1 Обзор существующих проектных решений в области создания бортовых средств индикации на ЖК-панелях 14
1.1.1 Состав и назначение функциональных модулей МФЦИ (аппаратное обеспечение) 17
1.2 Методы и способы кодирования геоинформационных данных и аэронавигационной информации 19
1.2.1 Режимы индикации геоинформационных данных на борту летательного аппарата 21
1.2.2 Принцип формирования изображения в бортовых средствах индикации на жидкокристаллических панелях 24
1.2.3 Виды параметров МФЦИ как объекта проектирования 27
1.3. Методы и средства автоматизированного проектирования бортовых средств индикации 28
1.4 Постановка задачи проектирования средств автоматизации выбора параметров МФЦИ 33
1.5 Выводы 34
Глава 2 Структурная модель данных и комплекс алгоритмов генерации проектных решений в области создания геоинформационных данных и аэронавигационной информации 36
2.1 Алгоритмы автоматизированного формирования загрузочных компонентов МФЦИ 36
2.2 Алгоритмы автоматизированного конфигурирования индикационных кадров МФЦИ 49
2.3 Структура геоинформационных данных, загружаемых в МФЦИ для индикации на экране цифровой карты местности 55
2.4 Оценка координат цветности элементов изображения при визуализации геоинформационных данных и аэронавигационной информации 58
2.5 Выводы 60
Глава 3 Решение оптимизационных задач выбора параметров и исследования физических свойств бортового средства индикации на основе ЖК – панели 61
3.1 Алгоритм решения проектной задачи выбора параметров бортового средства индикации на основе ЖК-панели 61
3.2 Алгоритм решения оптимизационной задачи исследования физических свойств бортового средства индикации 72
3.3 Оценка влияния пиксельной структуры экрана средства отображения бортовой информации на точность визуализации местоположения объекта на цифровой карте местности 79
3.4 Выводы 89
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 90
4.1 Оценка влияния уровня внешней освещенности на контраст индицируемого изображения для пилотажно-навигационной информации 90
4.2 Исследование распределения яркостного контраста изображения для геоинформационных данных и аэронавигационной информации 96
4.2.1 Методика и результаты оценки распределения значения яркостного контраста изображения МФЦИ для индицируемых геоинформационных данных и аэронавигационной информации при различных углах наблюдения 103
4.3 Оценка значений координат цветности индицируемого изображения для цветовой палитры МФЦИ 109
4.4 Результаты оценки коэффициентов диффузного и зеркального отображения образцов МФЦИ 111
4.5 Выводы 113
Заключение 115
Список литературы 116
- Методы и способы кодирования геоинформационных данных и аэронавигационной информации
- Структура геоинформационных данных, загружаемых в МФЦИ для индикации на экране цифровой карты местности
- Алгоритм решения оптимизационной задачи исследования физических свойств бортового средства индикации
- Методика и результаты оценки распределения значения яркостного контраста изображения МФЦИ для индицируемых геоинформационных данных и аэронавигационной информации при различных углах наблюдения
Методы и способы кодирования геоинформационных данных и аэронавигационной информации
Информационная потребность экипажа ЛА зависит от режима полета и сложившихся условий полета. В различных полетных ситуациях оказывается информативным отображение пространственной информации различной природы. Для повышения безопасности и надежности полетов летательных аппаратов необходимо реализовать на борту функцию визуализации изображения, которая будет совмещать наглядное графическое изображение и пилотажно навигационную, метеолокационную и другие виды информации. Такой метод совмещения изображений позволит проводить пилотирование «вслепую», полагаясь только на результаты измерений навигационных приборов. Это позволит значительно снизить риски при перелетах в условиях плохой видимости (плохие метеоусловия и т.п.). Помимо прочего, наглядное отображение карты местности снижает информационную нагрузку на экипаж и обеспечивает возможность сохранения необходимой концентрации внимания пилотов на весь период полета.
Цифровая карта местности представляет собой векторизованное преобразование исходного бумажного носителя, сохраненное в электронном виде в формате массива данных и команд. Векторизация может осуществляться также путем обработки геодезических и тахеометрических снимков, полученных с использованием приборов системы глобального спутникового позиционирования.
Цифровая карта местности состоит из набора различных слоев и объектов слоя. В состав слоев входят: рельеф суши, растительность, грунты и лавовые покровы, гидрография, гидротехнические сооружения, дорожная сеть, дорожные сооружения, населенные пункты (кварталы), промышленные и социальные объекты, названия и подписи, границы ограждения, и т.д.
В объекты слоя входит: аэропорты и аэродромы, болота, водопады, городские поселения, грунтовые проселочные дороги, железные дороги, леса, мосты, маяки, линии электропередач, и т.д.
Формат хранения массива данных и команд — DFX (Drawing Exchange Format) или SXF (Storage and eXchange Format), что позволяет непосредственно обрабатывать массив картографической информации в различных САПР.
Привязка геоинформационных объектов к слоям цифровой карты местности осуществляется по следующей системе отношений: - по принадлежности к определенному виду пространственной информации (аэронавигационной, оперативно-тактической, план полета, результаты навигационных расчетов и т.д.); - по принадлежности к определенному элементу (слою) пространственной информации (рельеф, гидрография, населенные пункты, дорожная сеть и т.д.); - по размеру объекта (большой, средний, малый); - по характеру влияния объектов на режим полета (радиомаяки ближней навигации, препятствия, визуальные ориентиры); - по времени года. Формат хранения массива цифровой карты местности представляет собой последовательность информационных слов, содержащих параметры данных и команд (Таблица 1.2).
При пилотировании ЛА навигационная и оперативно-тактическая информация отображается на средствах бортовой индикации в режиме совмещения (одновременного отображения) с геоинформационными данными (рис. 1.3).
В процессе движения ЛА над местностью изображение цифровой карты на средствах бортовой индикации непрерывно смещается, а в процессе разворота ЛА цифровая карта местности также поворачивается в направлении движения ЛА. Формируемые в МФЦИ мнемокадры должны обладать объективными, свежими данными, адаптированными к обстановке, то есть предоставлять только актуальную информацию для оценки складывающейся навигационно-тактической обстановки и принятия рациональных решений членами экипажа.
Примеры информационных кадров, отображаемых на бортовом средстве индикации а) аэронавигационная информация, б) геоинформационная информация и аэронавигационная информация в режиме совмещения.
В процессе синтеза изображений МФЦИ обеспечивает отбор подлежащих отображению объектов по следующим основным критериям: - по принадлежности к определенному виду пространственной информации (элементы топогеодезической, аэронавигационной, оперативно-тактической информации, элементы плана полета, фактические навигационные элементы полета, результаты навигационных расчетов, результаты пространственного моделирования и т.п.); - по принадлежности к определенному элементу (слою) пространственной информации (рельеф, гидрография, населенные пункты, дорожная сеть, растительный покров, промышленные и социально-культурные объекты, заданный маршрут, радиотехнические средства обеспечения полетов и т.п.); по значимости объектов (крупные, средние, мелкие); по характеру влияния объектов на полет (препятствия, визуальные ориентиры, радиолокационные ориентиры, радиомаяки системы ближней навигации и т.п.); по связи характера влияния объектов на полет с сезонностью (всесезонные, летние, зимние) и с условиями естественного освещения (круглосуточные, дневные, ночные). Основными характеристиками качества отображения геоинформационных данных являются: - читаемость - различимость элементов и деталей цифровой карты местности; - наглядность - возможность зрительного восприятия пилотом пространственных форм (размеров объектов и их размещения на цифровой карте местности); - объективность карты - соответствие местности состоянию отображаемых цифровых данных; - точность - соответствие местоположения отображаемых объектов на цифровой карте местности положению этих объектов в действительности в зоне полета. Читаемость геоинформационных данных достигается за счет использования принципа послойного разделения данных, отбора актуальных слоев цифровой карты, подлежащих отображению и выбора подходящего масштаба отображения.
Наглядность геоинформационных данных достигается за счет различных способов отображения объектов и ориентации мнемокадра карты местности в системе координат средства бортовой индикации.
Структура геоинформационных данных, загружаемых в МФЦИ для индикации на экране цифровой карты местности
Решение задачи выбора параметров МФЦИ на этапе проектирования ПНК выполняется с использованием критерия оптимальности Парето, когда разработчику предъявлено множество моделей МФЦИ, характеристики которых заданы в технической документации. Критерий Парето состоит в отказе от поиска единственного (наилучшего) проектного решения и соглашении о том, что предпочтение одного проектного решения (альтернативы) перед другим можно отдавать, только если первая альтернатива оказывается лучше второй по всем сравниваемым параметрам [61, 70]. Если предпочтения хотя бы по одному параметру расходятся с предпочтениями по-другому, то такие альтернативы оказываются несравнимыми. В результате попарного сравнения альтернатив худшие по всем параметрам альтернативы отбрасываются, а оставшиеся, несравнимые между собой (недоминируемые), принимаются. Выбор МФЦИ разработчиком ПНК в этом случае может быть произведен равновероятно из числа моделей МФЦИ, входящих в множество Парето [7, 15].
Основным недостатком решающего правила на основе критерия Парето в данном случае является невозможность учета специфических требований к ПНК в требованиях к МФЦИ, в связи с чем разработчик ПНК вынужден осуществлять выбор МФЦИ и оптимизацию ПНК на основе переговорного множества моделей МФЦИ с фиксированными параметрами.
Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритма, основанного на процедуре лексикографической оценки, для решения проектной задачи выбора параметров бортового средства индикации на этапе проектирования МФЦИ.
Предложенные способы кодирования геоинформационных данных и аэронавигационной информации позволяют загружать в МФЦИ цифровую карту местности и индицировать ЦКМ в режиме совмещения с навигационно-тактической обстановкой и визуализацией подстилающего рельефа местности и выводить на экран МФЦИ во время полета. Так же предложены критерии отбора подлежащих отображению объектов на цифровой карте местности.
Рассмотрен принцип формирования изображения в МФЦИ. Основной проблемой обеспечения качества визуализации является проблема выбора координат цветности x, y элементов изображения, устойчивых для восприятия пилотом в условиях воздействия прямой солнечной засветки ЖК-панели МФЦИ. Рассмотренная схема графического представления систем координат цвета, используемых в процедуре выбора цвета цветовой палитры МФЦИ, описывает действующие правила однозначного преобразования в отношениях программист-измерительная аппаратура. Для сокращения времени и оптимизации процесса выбора цветов, входящих в состав цветовой палитры МФЦИ, используется цветовое пространство в координатах x, у.
Процессы автоматизации конфигурирования загрузочных компонентов аэронавигационной информации и геоинформационных данных позволяют оперативно подготавливать полетные задания, создавать данные программирования ЦКМ и осуществлять процедуры занесения этих данных в изделия авионики техническими средствами РМО и программными средствами САПР. Глава 2 Структурная модель данных и комплекс алгоритмов генерации проектных решений в области создания геоинформационных данных и аэронавигационной информации
САПР, входящая в состав РМО, позволяет планировать маршрут полета ЛА, выбрать фрагмент ЦКМ в пределах заданного маршрута, определять аэропорт взлета и аэропорт посадки ЛА из базы данных аэронавигации и др. Оператору САПР доступны следующие функции:
Команды меню «Полетное задание» в САПР выполняют функцию управления созданием и редактированием проекта полетного задания. Алгоритм создания проекта полетного задания приведен на рис. 2.1. Процедура создания проекта полетного задания начинается с выбора оператором РМО данных из базы данных аэронавигационной информации. База АНИ взаимодействует с САПР и предназначена для хранения и автоматизированного использования основных типов данных, опубликованных в сборниках аэронавигационной информации. В частности, в базе АНИ содержатся данные промежуточных пунктов маршрута, радиомаяки, координаты аэродромов и др.
Аэронавигационные данные включают информацию по организации воздушного пространства, воздушным трассам и их оборудованию, аэродромам и их оборудованию, опасным и ограничительным зонам и т.п. В САПР база АНИ представлена подразделами: аэродромы, внеаэродромные радиотехнические средства, трассы, зоны, полигоны, препятствия.
Алгоритм решения оптимизационной задачи исследования физических свойств бортового средства индикации
Параметры ранжированы по предпочтению. Наличие обратных связей в алгоритме предполагает итерационный путь достижения наилучшего значения для каждого параметра. Для наглядности представления принципа построения алгоритма рис 3.1 целесообразно его рассмотреть на примере алгоритма рис. 3.2 для решения задачи выбора оптических параметров МФЦИ [55, 56].
Релевантными оптическими параметрами МФЦИ, влияющими на визуальные характеристики восприятия наблюдателем изображения, являются: неравномерность яркости изображения по полю ЖК-панели; яркость цветов и оттенков, заданных в цветовой палитре МФЦИ цифровыми кодами RGB; яркостной контраст изображения, индицируемого на ЖК-панели МФЦИ; цветовой контраст изображения, индицируемого на ЖК-панели МФЦИ; цветовой охват воспроизводимых на ЖК-панели цветов и оттенков; - коэффициенты диффузного и зеркального отражения.
Неравномерность яркости изображения ЖК-панели обусловлена технологическим разбросом яркости свечения источников заднего или бокового подсвета белого спектра свечения (газоразрядные лампы, светодиоды). Рис. 3.1. Алгоритм решения проектной задачи выбора параметров бортового средства индикации на основе ЖК-панели Визуально неравномерность яркости воспринимается наблюдателем за счет наличия существенной разницы в яркости изображения в различных участках экрана. Опытным путем и испытаниями на подтверждение ресурса изделия установлено, что снижение яркости в центре ЖК-панели свойственно экранам с газоразрядными лампами подсвета.
Неравномерность яркости по краям ЖК-панели свойственна как экранам с газоразрядными лампами подсвета, так и с подсветом на основе светодиодов. В большинстве случаев неравномерность яркости по краям панели проявляется за счет несовершенства конструктивного исполнения изделия, при котором отдельные части жидкокристаллической матрицы оказываются на разном расстоянии от источника подсвета, в результате чего эти части имеют повышенную (пониженную) яркость изображения.
На рис. 3.1 пунктиром выделена группа параметров, входящих в «Технические требования», которые целесообразно рассмотреть подробно (рис. М- измеренное яркомером значение яркости цвета в i-ой точке ЖК-панели. Как правило, для оценки неравномерности яркости изображения измерения производятся в одном цвете — белом, индицируемом на всей площади экрана.
Число точек, в которых производится измерение яркости, определяется желаемым уровнем точности представления оценки неравномерности яркости ЖК-панели. Достаточно грубая оценка неравномерности яркости ЖК-панели с диагональю экрана 10 дюймов может быть получена на основе пяти измерений: в центре экрана и в четырех углах экрана. 1. Введение внешнего светофильтра 2. Рагидизация ЖК-панели 3. Изменение палитры
Рис.3.2. Алгоритм решения проектной задачи выбора оптических параметров бортового средства индикации, выполненного на базе ЖК-панели. Приемлемым для практического использования в авиационной промышленности считается ЖК-панель, у которой неравномерность яркости изображения не превышает 10-20%. Для образцов, обладающих большим значением неравномерности яркости, требуется замена модуля подсвета ЖК-панели, т.к. компенсировать неравномерность яркости подсвета в изделии не представляется возможным.
Яркостной контраст изображения определяется отношением яркости цвета Lц, воспринимаемого наблюдателем, к яркости цвета фона L ф. Количественная оценка значения яркостного контраста изображения определяется по формуле: - яркость изображения в цвете, LФ - яркость фона при одном и том же уровне внешней освещенности.
Цвет фона в авиационной промышленности черный, реже — серый. Важно заметить, что яркостной контраст — это характеристика восприятия наблюдателем одного определенного цвета, поэтому контраст изображения для белого цвета, воспринимаемого наблюдателем на черном фоне, отличается от контраста синего цвета на том же черном фоне, от контраста для красного, зеленого цвета и т.д.
Приемлемой для практического использования в авиационной промышленности считается ЖК-панель, обеспечивающая индикацию изображения во всех цветах со значением яркостного контраста, превышающем 2 (при уровне внешней освещенности экрана до 75 кЛк), и с уровнем собственной яркости изображения в белом цвете, превышающим 700 кд/м2. Методика и результаты экспериментальной оценки контраста изображения с различными отображаемыми цветами для нескольких моделей МФЦИ, в которых установлены ЖК-панели различных изготовителей, приведены в [27].
Исследование влияния цветового контраста на характеристики восприятия наблюдателем изображения в авиационной промышленности получило свое развитие в связи с введением в средства индикации режима отображения совмещенных кадров. Актуальными для практического применения сегодня являются режимы совмещения [45-49]: - пилотажно-навигационной и картографической информации; - пилотажно-навигационной информации и информации от бортовой метеорологической станции; - пилотажно-навигационной информации и информации от системы раннего предупреждения близости земли и др.
В отличие от яркостного контраста изображения, цветовой контраст характеризует способность наблюдателя воспринимать информацию не на фоне одного фиксированного цвета (черного), а на фоне цвета, который изменяется в процессе полета. В частности, в процессе полета ЛА над зонами болотистой местности, перемежающейся с участками суши, значение счетчика текущей барометрической высоты полета, отображаемого белым цветом, может попеременно индицироваться на фоне зеленого цвета болота или на фоне светлосерого цвета суши в режиме совмещения изображений «навигация и картография». Таким образом, изменение цвета фона изображения связано с динамическим обновлением на экране МФЦИ цифровой карты местности, соответствующим скорости и направлению движения ЛА. Как в случае индикации параметра в белом цвете на зеленом фоне, так и в случае индикации параметра в белом цвете на светло-сером фоне средство отображения должно обеспечивать устойчивое восприятие наблюдателем значения текущего полетного параметра.
Количественная оценка значения цветового контраста определяется по формуле: где Ьц - измеренная яркость цвета, воспринимаемого наблюдателем на фоне цвета с измеренной яркостью ХЦ .
Приемлемым для практического использования в авиационном приборостроении считается ЖК-панель и цветовая палитра МФЦИ, обеспечивающие индикацию изображения во всех используемых цветах со значением цветового контраста, превышающем 2 (при уровне внешней освещенности экрана до 75 кЛк). Повышение значения цветового контраста изображения МФЦИ возможно за счет: - введения внешнего светофильтра, конструктивно располагаемого перед ЖК-панелью в направлении наблюдателя; - выполнения процедуры рагидизации [1, 36,], т.е. нанесения на поверхность ЖК-панели специализированной пленки на клеевой основе, обладающей частотно-избирательными, антибликовыми и антиотражающими свойствами; - специализированного подбора компонентов RGB цветовой палитры МФЦИ для всех паросочетаний цветов, обладающих максимально возможной цветовой разницей [25, 28]. В ряде случае может быть применен специализированный технический прием, заключающийся в отображении значения полетного параметра с контуром черного цвета, визуально подчеркивающим границы символа в заданном цвете.
Цветовой охват ЖК-панели является важнейшей характеристикой цветовоспроизведения бортового средства индикации. Цветовой охват [10, 13, 14] определяется геометрическим местом точек на цветовом графике XY-цветового пространства, внешний периметр которых аппроксимируется фигурой треугольного вида. Точки, вписанные в треугольник цветового охвата, характеризуются координатами цветности изображения, которые потенциально могут быть воспроизведены на ЖК-панели, примененной разработчиками в МФЦИ.
Методика и результаты оценки распределения значения яркостного контраста изображения МФЦИ для индицируемых геоинформационных данных и аэронавигационной информации при различных углах наблюдения
Для определения компонентов кода RGB цветов, используемых при индикации пилотажно-навигационных параметров и геоинформационных данных во всех режимах эксплуатации аппаратуры, была проведена серия экспериментов. Оценке подлежала цветовая палитра, используемая в программном обеспечении МФЦИ. На индикаторе МФЦИ отображались фрагменты рабочих кадров изображений, формируемых в режиме имитации работы пилотажно-навигационного комплекса. Цветовая палитра соответствовала требованиям руководства 25-11А по сертификации систем электронной индикации самолетов.
Как показали эксперименты, МФЦИ в режиме индикации предложенной первоначально разработчиками и соответствующей руководству 25-11А цветовой палитры не отвечает требованиям нормативной документации к средствам отображения по значению яркостного контраста.
С целью определения значений кодов компонентов RGB цветов, устойчивых к уровню внешней засветки, была разработана специализированная программа для модификации кодов RGB в цветовой палитре. Уникальные коды RGB цветов, соответствующие требованиям нормативной документации по значению яркостного контраста и полученные в результате серии экспериментов, впоследствии были преобразованы в (x, y)-координаты цветности и сформировали палитру, внедренную сегодня в МФЦИ.
Результаты преобразований RGBxy приведены на рис. 4.4 отдельно для цветов, используемых для отображения значений аэронавигационной информации (рис. 4.4,а), и цветов, используемых для отображения геоинформационных данных (рис. 4.4,б). В общем случае это две различных цветовых палитры, т.к. цвета, используемые в режиме совмещения изображения на МФЦИ не должны сливаться на одном средстве индикации. Пунктирной линией на рис. 4.4 выделена видимая человеческим глазом часть цветов и оттенков на (x,y)-плоскости.
В процессе разработки МФЦИ следует учитывать не только яркостной контраст и яркость в различных цветах, но и коэффициент зеркального отражения и коэффициент диффузного отражения экрана. Коэффициент зеркального отражения представляет собой способность тела зеркально отражать падающее на них излучение. Количественно определяется отношением зеркально отраженного потока излучения к падающему потоку. Коэффициент диффузного отражения представляет собой способность тел диффузно отражать падающее на них излучение. Количественно определяется отношением диффузно отраженного потока излучения к падающему потоку. Оптическая схема для измерения коэффициента диффузного отражения ЖК-экрана МФЦИ приведена на рис. 4.5. Рис. 4.5. Схема для измерения коэффициента диффузного отражения ЖК-экрана: 1 – экран; 2 – вертикальное направление; 3 – горизонтальное направление; 4 – нормаль к экрану; 5 – яркомер; 6 – стабилизированный источник света; 7 – молочный рассеиватель; 8 – диффузный отражатель. Оси устройств 5 и 6 лежат в одной горизонтальной плоскости с нормалью 5. где LДЭ – отсчет по яркомеру 5, сфокусированному на экран 1, освещенный источником света 6 с молочным рассеивателем; LДО – отсчет по яркомеру 5, сфокусированному на диффузный отражатель 8, установленный вблизи экрана 1 и освещенный источником света 6 с молочным рассеивателем; RДО – аттестованный коэффициент диффузного отражения диффузного отражателя 8. где LЗЭ – отсчет по яркомеру 5, сфокусированному на изображение молочного рассеивателя 7, сформированное за счет зеркального отражения от экрана 1; LЗО – отсчет по яркомеру 6, сфокусированному на изображение молочного рассеивателя 7, сформированное за счет зеркального отражения от зеркала 8, установленного вблизи экрана 1; RЗО – аттестованный коэффициент отражения зеркала 8.
Для проведения сравнительных оценок светотехнических параметров различных моделей индикаторов МФЦИ, выполненных с использованием жидкокристаллических панелей фирм SEXTANT, SHARP, NEC, была проведена серия экспериментов. В эксперименте оценивались значения коэффициента зеркального отражения и коэффициента диффузного отражения ЖК-панелей. Результаты оценок коэффициента диффузного отражения приведены в Таблице 4.4.
Результаты измерения яркости фона изображения при внешней освещенности Е и оценки коэффициентов отражения ЖК-экранов МФЦИ.
В ходе серии экспериментов определен коэффициент яркостного контраста изображения при различной внешней освещенности для основных цветов, отображаемых на экране МФЦИ.
Результаты экспериментов показывают, что достаточным по обеспечению заданного значения 2:1 яркостного контраста изображения среди анализируемых образцов МФЦИ можно считать индикатор, характеристики которого приведены на рис. 4.2,в. Наибольший разброс по числу визуально ненаблюдаемых градаций относится к МФЦИ, характеристики которого приведены на рис. 4.2,а. Образцы с характеристиками рис. 4.2,б и рис. 4.2,г могут использоваться в авионике после доработки их программного обеспечения в части специального подбора цифровых кодов цветовой палитры.