武装直升机光电系统的人机交互Word文档格式.docx

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并可快速调阅刚刚经历的某一区域画面和视频。

（2）图像增强、去抖、超分辨率技术的应用

LockheedMartin公司的TSS（TargetSightSystem）系统，应用图像增强技术、视频去抖技术和超分辨率技术改善了图像质量，大大增加了探测距离，如图5所示。

从图5我们看出，采用了图像增强去抖和超分辨率技术后获得了非常精细的图像，所使用的是热像仪也就是640x512InSb。

图5LockheedMartin公司TSS系统图像处理前后对比

图6LockheedMartinTSS系统FLIR从大视场到最小视场的图像

在最小视场打开了图像增强去抖和超分辨率的功能，从而获得了精细的坦克图像

图7LockheedMartinAN/AAQ-39光电系统显示的炸弹爆炸红外图像

采用了图像增强和去抖技术清晰地显示了爆炸瞬间的细节，提高了事后评估能力

（3）多光谱融合技术的应用

多光谱融合技术是指将不同类型光电传感器获取的同一景物图像进行几何配准，然后采用一定的算法将各图像中所含的信息优势或互补性有机结合起来，产生新的图像，提高了光电系统的识别探测能力。

如图8所示，为LockheedMartinAN/AAQ-39光电系统通过融合红外和TV图像，获得了红外激光指示器的清晰图像。

图8LockheedMartinAN/AAQ39通过融合技术清晰显示出红外激光指示器

如图9到图11所示，为LockheedMartinVNsignt光电传感器，通过融合技术，将电视和热像图像融合到一起，使得在热像视频中能看到了灯光，而灯光等信息对机组人员来说是非常重要的。

图9LockheedMartinVNsight夜视图像，由于没有使用融合技术，因而看不到光线

图10LockheedMartinVNsight夜视图像，使用了融合技术，我们看到了村庄的灯光

图11LockheedMartinVNsight夜视图像，使用了融合技术，我们看到了车辆的大灯

（4）视频跟踪技术

视频跟踪技术由简单的单目标跟踪发展到：

多目标的跟踪、感兴趣区域的跟踪、目标地理位置信息的实时精确计算。

为火力打击提供精确的单个、多个目标的指示和位置信息，以及保持对感兴趣区域的稳定侦查。

图12LockheedMartin公司SniperPod的单目标跟踪

图12LockheedMartin公司SniperPod的多目标跟踪

图13LockheedMartinSniperPod的场景跟踪，场景跟踪保持了对感兴趣区域的持续跟踪

图13LockheedMartinSniperPod对目标地理位置信息的实时精确计算和标注

小结：

光电传感探测技术、图像处理技术、信息融合技术的发展和应用，使得当今的光电系统“侦、打、评”等能力获得了质的飞跃。

其复杂而强大的功能迫切需要更为方便而功能强劲的人机交互来支持，而目前这种单画面显示和简单手柄的人机交互方式大大妨碍了人机功效和态势感知能力的提高。

这个过程可以形象地用手机的发展过程来比喻：

“单一电话功能的手机随着网络技术的发展已经演变为功能强大操作复杂但事实又很简单的智能手机”。

下一节详细介绍国外在这方面的应用情况。

1.3国外战机的人机交互技术

上一节我们介绍了光电系统的功能随着图像处理技术、光电传感器技术、信息融合技术的发展和应用，功能越来越强大，为了提高人机功效，要求人机交互系统更高效方便快捷。

人机交互是一种涉及多学科的软硬件系统工程，这里我们仅从人机交互硬件设备方面介绍国外的应用情况。

（1）触摸屏的使用

如图14所示，LockheedMartin公司在F35战机中使用了触摸屏进行人机交互。

显著提高了人机功效。

图14LockheedMartinF35光电系统中使用了触摸屏进行人机交互操作

（2）语音识别技术用于人机交互

语音识别技术用于人机交互已经在多种型号的战机上获得应有。

美国的JSF系列战机座舱里就大量使用了语音控制（VIC）技术。

如图15。

图15BoeingJSF战机座舱的语音直接控制

图16是F35座舱的语音识别用于人机交互。

图16F35座舱语音识别

欧洲台风战机将语音识别技术应用于人机交互系统，直接的语音输入允许飞行员使用语音实现模式选择、数据登陆、光电系统的控制等等，提供24个原来需要指尖控制的指令。

如图17所示。

图17EuroflighterTyphoon的声控手柄VTAS（VoiceThrottle&

Stick）

据有些评论，语音识别不如触摸屏操作快捷，但作为系统登陆等操作还是比较方便的。

（3）显控一体化多功能显示器

为了提高人机功效，LockheedMartin公司开发了一款专门用于光电系统人机交互的多功能显示和控制系统TEDAC（TADSElectronicDisplayandControlSystem），如图18、19、20所示。

其采用双手柄多功能操作键并与显示器紧密耦合在一起，提高人机交互效率了。

TEDAC成功应用于Apaches武装直升机。

取代了显示显示器HDD和ORT直视光学系统。

显著提高了人机功效和态势感知能力。

图18LockheedMartinTEDAC系统外观一

图19LockheedMartinTEDAC系统外观二

图20LockheedMartinTEDAC系统安装在座舱中代替下视显示器（HDD）

人机交互技术的发展，使得光电系统的人机功效和态势感知能力大大增加。

1.4国外战机光电系统的系统结构

我们再次回顾一下目前国内机载光电系统的结构，如图21。

图21国内机载光电系统的结构图

在图21中，三个组件显示器、光电吊舱和操作手柄的功能如下：

显示器：

显示来自观瞄球的视频，显示器并不去理会和控制视频的内容，来什么显示什么。

光电吊舱：

主要有三大功能：

（1）稳定平台：

为光电传感器和激光器等设备提供一个稳定平台，平台可以按指令进行转动控制，以实现目标的搜索。

（2）光电传感器：

一般备用可变视场的电视和热像传感器，还有可能携带激光器用于测距和目标照射。

（3）图像处理：

视频跟踪、图像增强、电子稳像、画中画图像处理功能等。

操作手柄：

平台的转动控制、传感器切换、视场切换、目标捕获与跟踪、其他功能的使能和禁止等控制。

随着图像处理技术、信息融合技术、人机交互技术的发展和应用，图21的系统结构存在如下一些问题：

（1）缺少一个独立的、专门负责图像处理、信息融合、人机交互任务的组件。

（2）图像处理和信息融合技术的应用需要更多的信息，而不仅仅是单纯的视频信号，还需要诸如RADAR、GPS、GIS等信息，而且这些处理技术对运算能力要求极高，如果把这些工作看作为观瞄球的一个附加功能，显然不是很适宜。

（3）观瞄球，作为一个专业设备，其任务重心及技术发展方向应该是稳瞄技术、光电探测技术等。

而图像处理、信息融合、人机交互则是另外的专业和技术方向，把这些任务交由专业设备来完成，符合专业分工的科学规律。

“菜农种菜，但做菜需厨师。

”

基于上述原因，国外的光电系统结构已演变为图22所示。

图22国外机载光电系统的结构

在图22中，三个组件人机交互组件、图像处理及信息融合人机交互组件、观瞄球组件的功能如下：

人机交互组件：

负责显示、控制人机交互任务。

图像处理及信息融合人机交互组件：

实现视频拼接、信息融合、视频记录即时回顾、视频跟踪、图像增强、去抖、超分辨率等处理、多光谱融合等功能。

观瞄球：

稳定平台、光电探测传感器等。

图像处理及信息融合人机交互组件，可以作为单独设备存在，也可以以模块形式，存在于人机交互组件或观瞄球中。

图23和图24为LockheedMartin公司的CEEU（AdvancedSignalProcessingElectronicsUinit：

高级信号处理电子单元）。

其主要功能有单、多目标的跟踪、辅助目标识别算法（AiTR：

AidedTargetRecognition）、XR和SANUC（SceneAssistedNon-UniformityCorrection）增强图像处理算法、MPEG4和JPEG2000图像压缩算法。

通过这些技术，做到最先看到、最快理解、准确决策。

图23LockheedMartinCEEU设备外观及内部结构

图24LockheedMartin公司CEEU人机交互界面

图25和图26是LockheedMartin公司在F35上应用的功能强大的SniperPod以及其内部的信号处理单元。

图25LockheedMartinF35上悬挂的SniperPod

图26LockheedMartin公司SniperPod内部的信息处理单元

图27和图28为LockheedMartin公司为Marine公司的AH-1ZCobra武装直升机制作的TSS光电火控系统及其内部结构。

图27LockheedMartin公司的TSS光电火控系统

图28LockheedMartin公司的TSS内部组件：

左上：

为集成探测器及制冷组件；

右上：

惯性测量元件；

左下：

为热像仪；

右下：

信号处理单元

图29为LockheedMartin为Apaches武装直升机设计的TADS电子显示和控制系统，将显示、人机交互、图像处理集成于一体。

图29LockheedMartin公司的TEDAC

图像处理及信息融合人机交互组件不应是显示器或观瞄球的附加功能，随着其功能越来越强大且其对外交链接口清晰，它常常作为一个功能组件或独立存在于航电系统中、或存在于观瞄球中、或存在于显示器中。

2.图像处理及信息融合人机交互组件

前文详细介绍了国外战机：

图像处理及信息融合技术及应用，人机交互技术的硬件技术及应用。

这一节介绍图像处理及信息融合人机交互组件对外的交链关系，以及人机交互软件技术。

2.1图像处理及信息融合人机交互组件对外的交链关系

组件与其它设备的交链关系如图30所示。

图30与其它设备的交链关系

（1）与显示器的交链关系：

●视频信号：

显示器担负着视频和一些交互信息如菜单、软键的显示，由这些信息组成的视频显示内容由本组件产生，视频的传输可以是LVDS、DVI/HDMI标准等。

●操控命令：

显示器上可能有操作键、触摸屏、手柄等，通过通讯接口如USB、RS422/232等和通讯协议送给本组件，由本组件响应这些操作命令。

（2）与观瞄球的交链关系：

观瞄球的各种光电传感器如热像仪、CCD等的视频信号。

视频传输采用SDI、GigE、LVDS标准。

●控制与状态：

如控制观瞄球转动等控制命令，以及传感器的指向方位俯仰角等状态信息反馈。

（3）与其它信息源的交链关系：

如雷达目标信息、电子地图、GPS等信息。

可见图像处理及信息融合人机交互组件对外交链关系明确清晰。

其本身的任务和功能也非常清晰明确。

2.2人机交互技术

人机交互就是人如何向机器发布命令，机器如何向人展示信息。

人机交互技术的强调的是人的智能，把人而不是技术放在人机交互的中心位置。

总是期望操作直接、方便和自然，符合人的直觉，让人以最少的思考和操作来完成任务。

现代人机交互的特点可以归纳如下：

观察点（Viewpoint）：

是操作者做观察的起点。

导航（Navigation）：

指操作者改变观察点的能力。

操作（Manipulation）：

指操作者对其周围对象起作用的能力。

人机交互设备：

（1）触摸屏

触摸屏是大家所熟知的命令输入设备，用于自然的命令输入：

常见的点击、长按、横滑、拖动等，并且由单指手势发展出全套的多手指手势。

（2）按钮

按钮无论如何还是一个经典设计，无论我们已经到了什么时代。

物理按钮能提供无以伦比的可信赖感，如目前职能手机的home键，在任意时刻为用户提供了准确无误的返回到起点的方式。

按钮本身也是能够提供很多有趣的交互。

以往我们只觉得按钮按一下就完了。

但现在又赋予了它单击、双击、长按三重生命。

（3）操作手柄

给我们提供直接、精确、符合人的习惯的操作方式，如控制观瞄球的转动等。

显示界面的设计：

（4）结构设计

结构设计也成概念设计，是界面设计的骨架。

通过对用户研究和任务分析，制定出显示界面的整体架构。

显示体系的逻辑分类和语词定义是操作人员易于理解和操作的重要前提。

（5）交互设计

交互设计的目的是使产品让用户能简单使用。

任何产品功能的实现都是通过人和机器的交互来完成的。

因此，人的因素应作为设计的核心被体现出来。

交互设计的原则如下：

1）有清楚的错误提示。

误操作后，系统提供有针对性的提示。

2）让用户控制界面。

“下一步”、“完成”，面对不同层次提供多种选择，给不同层次的用户提供多种可能性。

3）同一种功能，同时可以用操作手柄和触摸屏等。

提供多种可能性。

4）允许工作中断。

可以中断正在进行的操作，去响应操作者更为重要的操作，完成后回来仍能够继续刚才的操作。

5）使用用户的语言，而非技术的语言。

6）提供快速反馈。

给给操作人员心理上的暗示，避免操作人员焦急。

7）方便退出。

如是按一个键完全退出，还是一层一层的退出。

提供两种可能性。

8）导航功能。

随时转移功能，很容易从一个功能跳到另外一个功能。

9）让用户知道自己当前的位置，使其做出下一步行动的决定。

（6）视觉设计

在结构设计的基础上，参照目标群体的心理模型和任务达成进行视觉设计。

包括色彩、字体、页面等。

视觉设计要达到用户轻松操作之目的。

视觉设计的原则如下：

1）界面清晰明了。

允许用户定制界面。

2）减少短期记忆的负担。

让计算机帮助记忆。

3）依赖认知而非记忆。

如图标的记忆、下拉菜单列表中的选择

4）提供视觉线索。

图形符号的视觉的刺激；

GUI（图形界面设计）：

Where、What、NextStep。

5）提供默认（default）、撤销（undo）、恢复（redo）的功能。

6）提供界面的快捷方式。

7）尽量使用真实世界的比喻。

尊重用户以往的使用经验。

8）完善视觉的清晰度。

条理清晰；

图片、文字的布局和隐喻不要让用户去猜。

9）界面的协调一致。

如界面按钮排放、肯定与否定操作等一致性。

10）同样功能用同样的图形。

11）色彩与内容。

3．总结

本文提出了集图像处理、信息融合、人机交互三个功能于一体的“图像处理信息融合和人机交互功能组件”的概念。

其意义主要有以下几方面：

（1）该组件负责的任务和功能是非常明确的，且与其它设备的交链关系清晰，完全可以作为一个标准化的组件，或作为一个设备独立存在、或安装于显示器中、或安装于观瞄吊舱中。

（2）图像处理、信息融合和人机交互对提高武装直升机光电系统的态势感知能力和技战水平的意义目前被国内外广泛接受、认可并获得广泛应用。

而图像处理、信息融合人机交互等技术和应用牵扯多学科和多专业理论和工程知识，目前国内这些功能的实现只是作为观瞄吊舱的辅助性功能来对待和实现，显然这样做不利于这些技术的应用和发展，也不符合专业分工原则。

提出这一概念，会大大促进图像处理、信息融合和人机交互技术在光电系统的应用水平。

（3）这一概念的提出，其意义不仅在于提升了图像处理、信息融合和人机交互技术在武装直升机光电系统的地位，而且这种开放的、模块化、标准化的系统设计理念，也为更多有实力的专业院所和公司从事这方面产品的研究开发工作带来了可能，这样势必形成一种技术竞争局面，为该产品及其技术的进步提供了强劲动力。