面向民航应用的增强现实全息再现质量提升方法研究

Augmented reality (AR) is widely used in landing vision enhancement, airborne vision enhancement, and flight helmet in civil aviation. Especially in landing vision enhancement applications, AR technology can improve pilots environmental awareness, enhance flight safety, improve flight punctuality, and reduce airline operating costs. Holographic display technology is considered as the most promising AR display solution because it can provide all three-dimensional information perceived to human eyes. However, there are still some problems restricting the practicality of AR holographic display, such as the quality of reconstruction, the speed of hologram generation, and the perspective of reconstruction. This project aims at civil aviation applications with focusing at the technical difficulties and practical problems of reconstruction quality in AR holographic display, and carries out research on the improvement of reconstruction quality, specifically: to explore the mechanism of ringing artifacts phenomenon and aliasing phenomenon affecting the quality of holographic reconstruction; to propose simple and fast methods of ringing artifacts suppression; to explore effective ways to improve the quality of holographic reconstruction by using aliasing phenomenon; and to construct a prototype system of AR holographic display, to verify the feasibility and visual enhancement effect of the system in the landing scene of civil aviation. The implementation of this project will provide an effective solution to the technical difficulties in AR holographic display, and provide a useful reference for the practical application of AR holographic display system in civil aviation.

增强现实(AR)在民航的着陆视觉增强、机载视觉增强、飞行头盔等方面应用广泛，特别是在着陆视觉增强应用中，AR技术可以提高飞行员环境感知能力、增强飞行安全，提高航班正点率、降低航空公司运营成本。全息显示技术由于能够提供人眼感知的所有三维信息，被认为是最具前景的AR显示解决方案。但是，目前仍有再现质量、全息图生成速度和再现视角等问题制约着AR全息显示的实用化。本项目拟面向民航应用，针对AR全息显示中再现质量的技术难点和实用化问题，开展再现质量提升研究，具体为：探明振铃现象、混叠现象对全息再现质量的影响机理；提出抑制振铃现象的简单、快速方法；探索利用混叠现象来提升全息再现质量的有效途径；构建AR全息显示原型系统，并验证该系统在模拟民航着陆场景中的可行性及其视觉增强效果。本项目的实施将为AR全息显示中的技术难点问题提供有效的解决方案，为AR全息显示系统在民航中的应用提供有益的参考。

本项目从全息再现质量问题的中的难点问题出发，通过分析全息再现中的振铃现象与物体高频信息分布、混叠现象与全息面记录信息的分布之间的关联性，进而探明该现象的成因，提出多种具有算法简单，计算速度快的全息再现质量提升方案，以此解决全息再现质量问题的技术难点，在项目执行期间取得了一系列进展：1)采用光学傅里叶变换的全息计算方法；2)自适应权重迭代的质量提升方法；3)柱面全息去遮挡的质量提升方法；4)球面自衍射迭代的质量提升方法；5) 360度全息显示的光学实现方法；6) 扩大垂直视角的锥面全息显示方法；7) 垂直视角扩大的光学360度全息显示；8)面向民航着陆场景的视觉增强原型系统研究。项目组顺利完成了：1) 发表学术SCI论文33篇；2)国际会议口头报告4次；3)申请国家发明专利8项；4)培养研究生18人；5）参加国际学术会议5次。总体来说，项目组顺利完成了既定的各项科研任务和学术指标。. 增强显示(augmented reality, AR)技术最终目标是为用户呈现一个虚实融合的世界，而民航着陆视觉增强是其中一个典型应用。为了加强飞机在雨、雪、雾、霾等复杂气象环境下的飞行能力来减少飞机飞行事故，急需利用AR技术来增强飞行员对周边环境的感知能力，而显示技术是 AR系统的关键技术之一。全息显示技术由于能提供人眼感知的所有三维信息，被认为是最具前景的 AR 显示解决方案。这种真三维显示技术，能够更加高效和安全地帮助飞行员同时操作飞机和对外部环境进行交互，减少发生飞行事故几率。因此，面向民航应用的增强现实全息显示具有极大的应用前景和研究价值。通过本项目的研究，我们解决了增强现实全息显示中图像再现质量不高，全息图计算速度慢等技术难点，为AR全息显示系统在民航中的应用提供有益的参考。