1、毕业论文开题报告航海技术船舶操纵模拟器的误差分析一、选题的背景与意义航海专业是一门理论和实践结合十分紧密的特殊专业，它要求船舶操作者不仅要有扎实的理论基础，更要求操作者必须具备一定的实践操作技能。同时，随着世界航运事业的快速发展，船舶逐渐趋于多样化、大型化、智能化，这些都从客观上要求相关院校或相关培训机构在重视提高学员的科技理论水平同时，必须加强学员实际操作能力的培养。IMO一直鼓励在航海教育和培训中使用模拟器，1978年海员培训、发证和值班标准国际公约（简称STCW公约）中强调了航海模拟器的作用，就其在航海教学培训中的应用作出详细的规定，并允许将接受模拟器训练的时间折算成海上经历的时间。从2
2、0世纪60年代最初的单功能航海模拟器至20世纪90年代末的综合（HYBRID）航海模拟器或多功能（MULTIMISSION）船舶操纵模拟器，为了充分发挥航海模拟器的综合训练功能，人们将雷达/ARPA、ECDIS、导航定位设备、视景显示等集为一体，使其能够完成更高要求的航海模拟训练。航海模拟器是现代高科技的产物。大型船舶操纵模拟器是航海模拟器中最复杂、功能最全、科技含量最高的一种。自从20世纪90年代问世以来,就受到世界各航海国的高度重视。国内外有关厂商，先后研制并开发出不同型号和功能的大型船舶操纵模拟器。为培养高素质的航海人才，减少或缩短海上实训时间发挥着越来越重要的作用，并取得了很好的经济效
3、益和社会效益。但是，模拟器毕竟是一种模拟的环境和模拟的设备，与真实海上的环境和实船上的设备相比还存在着一定的差距，而且其功能与实船相比也还存在不全之处，这些都有待于改进和完善。本文以新的STCW公约对船舶操纵模拟器的要求为依据，综合前人的研究成果，对大型船舶模拟器的电子海图，视景生成和罗经技术方面的不足和缺陷，进行进一步的研究以及提出一些合理化建议。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题主要内容1、本文的背景和实际意义2、目前新的STCW公约对船舶操纵模拟器的要求3、船舶操纵模拟器的发展现状及研究成果31总结国内外对航海模拟器电子海图部分的研究成果32对电子海图部分存在的不足和缺陷进行分析33根
4、据研究中发现的不足或者缺陷提出合理化建议4、船舶操纵模拟器的视景生成技术及罗经技术存在的不足41总结目前国内外船舶操纵模拟器的视景生成已有的技术和成果42总结目前船舶操纵模拟器的罗经技术的发展和改善43对视景生成和罗经的误差发面提出一些合理化建议5、论文总结拟解决的问题综合目前大型船舶操纵模拟器视景生成，电子海图，罗经技术中可能存在的一些关键性误差进行分析和改正，并以此为基础对目前的大型船舶模拟器中存在的误差提出一些合理化的解决意见。三、研究的方法与技术路线1、通过图书馆和网络收集大量与本文有关的资料并进行科学的筛选，以作参考。2、对收集到的资料进行整理，总结船舶操纵模拟器视景生成，电子海图，
5、罗经技术中具体的相关技术。3、在对相关技术的总结的基础上，找出其中存在的不足和缺陷并提出一些合理化的建议4、对视景生成，电子海图，罗经技术进行具体解释，对在实际应用中可能出现的问题提出解决方案。四、研究的总体安排与进度2010年11月18日下达毕业论文任务2010年12月4日完成中外文资料收集2010年12月10日完成外文翻译、文献综述2010年12月23日完成开题报告2011年2月18日完成论文初稿2011年4月28日完成论文定稿2011年5月8日完成论文第一次答辩2011年5月中旬完成论文第二次答辩2011年5月中旬所有材料上传到系统2011年9月完成论文第三次答辩五、主要参考文献1杨秉唯
6、国内外船舶通信导航自动化设备简介期刊论文上海造船200022周立鑫,万林,石爱国,蔡烽,杨宝璋一种舰船操纵模拟器的设计期刊论文系统仿真学报200233赵月林等,新的STCW公约对航海模拟器的要求大连海事大学学报1996VOL2245104张秀凤，洪碧光，金一丞船舶操纵模拟器在船舶安全通航评估中的应用J中国航海2003（3）24265SAMARJSINGH莫琦海运教育与培训以及操船模拟器的国际展望期刊论文航海教育研究200116任鸿翔,金一丞,尹勇,航海模拟器视景的建模J大连海事大学学报，2001，27（4）20237廖河树,大型船舶操纵模拟器的系统组成及分析J中国航海2003（2）8118兰培
7、真,金一丞,邱志雄,等,船舶操纵模拟器环幕投影误差分析J,系统仿真学报,2004,1647527539兰培真,邱志雄,金一丞,等船舶操纵模拟器罗经设置研究J,中国航海,20041121510施朝健,蔡存强SMUIV型综合船舶操纵模拟器的研制J,上海海运学院学报,1998,194323711叶敏贤,船舶操纵模拟器视景系统的参数选择J青岛远洋船员学院学报,20033192212DETNOESKEVERITASSTANARDFORCERTIFICATIONOFMARITIMESIMULTORSYSTEMSSSETNORSKEVERITASAS，200013INTERNATIONALMARITIMEO
8、RGANIZATIONINTERNATIONALCONVENTIONONSTANDARDSOFTRAINING，CERTIFICATIONABDWATCHKEEPINGFORSEAFARERS，1978，ASAMENDEIN1995S，LONDON，UK毕业论文文献综述航海技术船舶操纵模拟器的误差分析1、研究背景大型船舶操纵模拟器的研制成功，为航海人员培训、系统分析、科学研究、工程设计和海事分析等提供了一个可供船舶操纵的虚拟的海上航行环境，这在航海领域具有很高的科学价值与经济效益。同时，随着世界航运事业的快速发展，船舶逐渐趋于多样化、大型化、智能化，这些都从客观上要求相关院校或相关培训机构在重
9、视提高学员的科技理论水平同时，必须加强学员实际操作能力的培养。IMO一直鼓励在航海教育和培训中使用模拟器，1978年海员培训、发证和值班标准国际公约（简称STCW公约）中强调了航海模拟器的作用，就其在航海教学培训中的应用作出详细的规定，并允许将接受模拟器训练的时间折算成海上经历的时间。本课题的研究目的在于通过对船舶操纵模拟器的视景生成、电子海图以及罗经技术在模拟器系统中存在的误差进行研究，从而提出一些解决方法和合理化建议。2、国内外研究历史及现状近年来,国外对船舶操纵模拟器进行了比较广泛的研究,尤其是一些著名船级社、模拟器厂商和航海教育培训机构对航海模拟器提出一些基本的技术性能要求,并制定出相
10、应的标准。20世纪60年代最初的航海模拟器只能提供面向某单一功能的训练，航海界称之为单功能航海模拟器；20世纪70年代中期至20世纪80年代，随着航运事业迅猛发展，这一时期的模拟器主要基于雷达、ARPA和其他导航定位设备，称为部分功能（PARTTASK）航海模拟器。我国很多航海学院20世纪80年代初引进的模拟器就是属于这种类型。它只能通过提供雷达、ARPA和导航设备的信息来模拟船舶的航行与定位等训练科目。由于它们无任何视景可供参考，所以在训练中具有一定的局限性；进入20世纪90年代,随着计算机技术的飞速发展，人们应用计算机图形图象技术，研制了具有显示夜景或能显示全景（白天与夜间视景）功能的船舶
11、操纵模拟器。这种模拟器可以直观地模拟和显示船舶在海上或港内航行及操作情景，便于受训人员接受真实感强、训练项目多的船舶航行、避碰、定位及靠离泊位等方面的操作；20世纪90年代末至今，为了充分发挥航海模拟器的综合训练功能，人们将雷达/ARPA、ECDIS、导航定位设备、视景显示等集为一体，成为综合（HYBRID）航海模拟器或多功能（MULTIMISSION）船舶操纵模拟器，它可用于更多更高水平的综合航行训练，它是迄今为止，系统最复杂、科技含量最高、用途最广泛的航海模拟器。该模拟器对于从事航海科学研究、海事模拟分析、港口建设工程设计模拟论证及航海教育与培训等,将发挥越来越重要的作用。目前，已投入使用
12、并具有三维视景的典型航海模拟器包括挪威NORCONTROL公司的NORVIEW系列；美国SA公司的船舶分析全功能操纵模拟器；英国船商有限公司的UTPRO97；大连海事大学研制的“大型船舶操纵模拟器”；上海海运学院研制的“SMUIV”型船舶操纵模拟器；海军大连舰艇学院研制的“舰船综合航海操纵模拟器”等。从国内外航海模拟器发展的趋势及国际海事组织（IMO）对航海模拟器的要求来看，未来的船舶操纵模拟器在视景和船舶运动数学模型的逼真度将是研究的重点和高新技术引入的主要领域。上述这些研究工作对今后在我国完善船舶操纵模拟器技术标准，提高船舶操纵模拟器的模拟精度，都必将起到积极的促进作用。3、研究现状评述及
13、有待解决的问题尽管国内外的专家学者对船舶操纵模拟器的视景生成，电子海图以及罗经技术方面都进行了比较广泛和深入的研究，但就目前的情况看，这些研究在处理模拟器实际操作的过程中存在着一些误差和不足，以至于模拟器模拟船舶间环境时出现不协调和不确定性，本课题就是基于这些不足和误差，对其进行进一步的改进，来缩小这些看得见的误差，更好的完善船舶操纵模拟器在实时模拟状态下的虚拟环境。4、课题研究的意义1为船舶操纵模拟器使用者在使用其模拟特殊环境时的视景生成系统更协调，流畅2使模拟器使用者所测得的数据更贴近现实，使每次的模拟实行对学生或者训练者都更加逼真，可研究度更高。这样模拟训练才更有参考价值实际的意义。（3
14、）在新兴的电子海图方面，可以使使用者无纸化操作，在模拟操作过程中更准确的进行定位和查取碍航物以及各种有助于航行的措施。5、参考文献资料目录清单1杨秉唯国内外船舶通信导航自动化设备简介期刊论文上海造船200022周立鑫,万林,石爱国,蔡烽,杨宝璋一种舰船操纵模拟器的设计期刊论文系统仿真学报200233赵月林等,新的STCW公约对航海模拟器的要求大连海事大学学报1996VOL2245104张秀凤，洪碧光，金一丞船舶操纵模拟器在船舶安全通航评估中的应用J中国航海2003（3）24265SAMARJSINGH莫琦海运教育与培训以及操船模拟器的国际展望期刊论文航海教育研究200116任鸿翔,金一丞,尹勇
15、,航海模拟器视景的建模J大连海事大学学报，2001，27（4）20237廖河树,大型船舶操纵模拟器的系统组成及分析J中国航海2003（2）8118兰培真,金一丞,邱志雄,等,船舶操纵模拟器环幕投影误差分析J,系统仿真学报,2004,1647527539兰培真,邱志雄,金一丞,等船舶操纵模拟器罗经设置研究J,中国航海,20041121510施朝健,蔡存强SMUIV型综合船舶操纵模拟器的研制J,上海海运学院学报,1998,194323711叶敏贤,船舶操纵模拟器视景系统的参数选择J青岛远洋船员学院学报,20033192212DETNOESKEVERITASSTANARDFORCERTIFICATI
16、ONOFMARITIMESIMULTORSYSTEMSSSETNORSKEVERITASAS，200013INTERNATIONALMARITIMEORGANIZATIONINTERNATIONALCONVENTIONONSTANDARDSOFTRAINING，CERTIFICATIONABDWATCHKEEPINGFORSEAFARERS，1978，ASAMENDEIN1995S，LONDON，UK本科毕业论文（20届）船舶操纵模拟器的误差分析目录0引言21航海模拟器概述211航海模拟器的发展和现状212船舶操纵模拟器中的误差类型3121船舶操纵模拟器的视景生成误差3122船舶操纵模拟器的圆
17、柱面环幕投影误差3123船舶操纵模拟器中的罗经的设置3124电子海图的显示误差32航海模拟器视景生成误差的分析和校正421模拟器视景生成的误差分析和校正4211对视景生成误差实验的分析4212法方程法求解讨论4213对实验结果及精度分析422圆柱面透视投影的成像原理5221投影仪的成像与放像6222三维成像的几何原理623圆柱幕透视投影误差分析与校正模型7231圆柱幕透视投影误差分析与校正的思路7232圆柱幕透视投影误差分析模型8233圆柱幕投影误差校正103罗经测向的误差分析和校正1231罗经设置的分析1232罗经位置的选择124电子海图的误差分析和校正1541电子海图的基本要求和要素154
18、2基本点的直角坐标的误差1543墨卡托海图投影计算方法的误差1744实数型直角坐标系转换为屏幕坐标的转换误差1745要素基本点显示误差的综合估算175结束语18致谢错误未定义书签。参考文献19摘要本文对航海模拟器投影屏幕采用圆柱幕投影技术所产生的系统误差进行了分析和校正，以此为基础对模拟器中罗经位置的设定进行了系统分析并列出了罗经设置范围，解决了模拟器中罗经设置的难题，缩小了因采用圆柱幕产生的系统误差并对电子海图显示精度的进一步提高和优化做出了一定的贡献。在建立了圆柱面环幕透视投影变换模型和圆柱面透视投影误差纠正模型后，求出模拟器环幕透视投影可能产生的最大误差及所需的误差纠正值。分析结果表明，
19、对船舶操纵模拟器所作的误差校正满足航海模拟器对视景的误差要求。关键词船舶操纵模拟器；透视投影；罗经测向；误差校正；视景系统ABSTRACTTHISARTICLEANALYSISSANDCALIBRATESTHEERRORSONNAVIGATIONALSIMULATORPROJECTORSCREENUSINGCYLINDRICALCURTAINSYSTEM,ANDUSESTHISASTHEBASISTOANALYSISTHECOMPASSLOCATIONANDSETSASCOPEOFELECTRONICNAVIGATIONCHARTSANDTHEWAYSMEANTOIMPROVEACCURACY
20、THESEANALYSISSOLVESTHEPROBLEMOFTHECOMPASSSETTING,NARROWSTHEPROBLEMARISINGFROMTHEUSEOFCYLINDRICALCURTAINSYSTEMERRORSANDIMPROVESACCURACYOFTHEELECTRONICCHARTDISPLAYTOFURTHERENHANCEANDOPTIMIZEMADESOMECONTRIBUTIONSCORRECTTHEERRORSOFPERSPECTIVEPROJECTIONALSOADETAILEDANALYSISOFTHEBIGGESTERRORINCURREDBYTHEP
21、ERSPECTIVEPROJECTIONISPRESENTEDINTHISPAPERTHERESULTOFTHEANALYSISSHOWSTHATTHEERRORCORRECTIONMADEMEETSTHEREQUIREMENTSOFVISUALSYSTEMINSHIPHANDLINGSIMULATORKEYWORDSSHIPMANEUVERINGSIMULATORPERSPECTIVEPROJECTIONCOMPASSAZIMUTHMEASURINGERRORCORRECTIONVISUALSYSTEM120引言航海模拟器研发是近二十几年来国际海运界普遍关注的课题。它经历了从简单到复杂，从单
22、一到综合的过程，尤其重要的是20世纪80年代以来，CGI（计算机成像）视景生成技术的采用，使航海模拟器经历了从无视景，仅凭仪器操作到有视景，能创建一种逼真的环境这样一种变革。随着计算机技术、信息工程与自动化等技术的迅猛发展，计算机仿真技术特别是虚拟现实技术等也得到了快速发展【1】。大型船舶操纵模拟器的研制成功，为航海人员培训、系统分析、科学研究、工程设计和海事分析等提供了一个可供船舶操纵的虚拟的海上航行环境，这在航海领域具有很高的科学价值与经济效益。真实的视景画面，通过视觉的感受，使操作者身临其境。对不同种类、不同吨位的实船模型的船舶操纵、避碰、靠离泊、进出港，以及一定海域不同海况、天气、能见
23、度条件和昼夜变化下的船舶操纵、避碰和望远镜功能等的模拟，使受训者或使用者能够更真实地对船舶航行状况和航行环境有更具体的感知。本文综合前人的研究，并以此为基础，对船舶操纵模拟器视景生成中的三维视景生成及环幕投影技术进行研究，剖析其原理并提出改进，对现存问题提出解决方案，使航海模拟器视景生成更加真实、更加先进。在此基础上，培训、科研和海事研究人员能够更真实地对实际环境进行模拟，得出更符合实际的数据并在实际应用中得到更精确地分析结果，指导实际操作。1航海模拟器概述11航海模拟器的发展和现状根据国际海事组织IMO对航海模拟器的定义，航海模拟器是一种能部分模仿真实情况专门为满足某些特定目的而设计，以便让
24、操作者在一个可控制的安全环境中通过操作来实践和或显示其能力的装置。航海模拟器主要用于航海教学与培训，同时在系统分析、科学研究、工程设计和海事分析等领域也发挥了较大的作用。IMO一直鼓励在航海教学与培训中使用模拟器，在1995年7月1日通过的重新修订的1978/95年国际海员培训、发证和值班公约STCW中多次强调了航海模拟器的作用，并将雷达和ARPA模拟器培训列为船舶驾驶员必须参加的强制性专业培训项目，还允许将接受模拟器训练的时间部分折算成海上经历的时间【2】。我国海事局也为航海模拟器训练制定了相应的标准，并将雷达标绘、ARPA操作列入强制培训科目，同时还将应用船舶操纵模拟器进行超大型船舶的操作
25、训练列入培训计划。世界上许多国家在多功能航海模拟器B级的开发研制上都有长足的发展，具有全功能的航海模拟器A级也在部分国家相继出现，比如英国，美国，挪威，日本等。就国内而言，在航海模拟器的开发研制上也有新的发展。多功能航海模拟器B级在上海、青岛、大连等航海院校都已经成功。1998年上海海运学院研制成功SMUW船舶综合操纵模拟器。系统经上海市科技情报所查新和交通部组织的专家鉴定，认为“主要技术性能达到九十年代国际同类设备的先进水平。”专家认为“该系统的研制成功，填补了我国航海院校基于PC机的大型船舶综合操纵模拟器制造的空白，结束了在这个领域长期依赖进口的局面。”今后，航海模拟器的研制开发将继续朝着
26、更高程度上的仿真发展，视景系统也将在如何更逼真地提供船舶环境上进行不断的更新，以达到操作人员在实际船舶上所得到的较高程度的仿真感觉。312船舶操纵模拟器中的误差类型根据STCW公约的要求，航海模拟器应该具有足够的行为真实性，能够模拟船上的有关设备的操作性能，达到合乎培训目标的物理真实水平，使受训人员能够获得合乎培训目标要求的技能。但是，在现有的航海模拟器中仍然有着多种误差的存在。比如，视景生成误差、罗经位置设置以及电子海图的显示精度误差等。本文主要对视景生成中的圆柱面环幕投影误差进行详细的分析并提出校正的方法。121船舶操纵模拟器的视景生成误差当我们利用船舶操纵模拟器进行模拟训练时，要求计算机
27、显示器给出海上视景的实时显示。然而，当人们在屏幕上真实地再现某一具体视景而且没有足够的资料能提供各种建筑物的尺寸及相对位置数据，又不太可能去实地测量地形及建筑物的大小时，三维视景的显示将有很大困难，这就涉及到三维信息的获取。为了更真实的显示海上的实时场景，我们必须将二维图像变换成为三维信息来实现对模拟器视景部分的真实再现【3】。那么，当实景图像有二维变换成为三维信息时，由于图像平面的分辨率总是有限的，二维投影值也是经过量化而得到的，必定存在着误差，所以通过公式所计算出来的三维坐标也就存在着误差。它产生的误差因素主要表现在照相机与被测物体的远近关系，照相机投射线夹角的大小以及在提取图像二维坐标时
28、使用的设备是否支持高图像分辨率。122船舶操纵模拟器的圆柱面环幕投影误差投影屏幕采用圆柱幕所产生系统误差分析和校正。航海模拟器中通常采用的是多通道宽视场角大屏幕环幕投影视景系统，当一幅图像投影到平面幕上的时候，我们观测它并没有产生变形，一旦将图像投影到柱面幕上的时候，同样是这幅图像将产生变形，这也就是投影平面由平面幕换为柱面幕时产生了误差。本文第二章对采用圆柱幕的视景系统的误差进行了详细的分析和校正。123船舶操纵模拟器中的罗经的设置在船舶操纵模拟器中，由于视点的水平位置设置在舵轮所在的水平位置上，在舵轮位置处整个视景系统的投影关系是正确的，在此处设置罗经进行物标方位的观测可以得到正确的方位角
29、。但在实际中，将罗经设置在舵轮位置处势必影响其他设备的正常运行和一些工作的开展，所以要将罗经放置在其他地方，但在模拟器系统中，由于投影成像面与视点的距离很近，罗经位置稍偏离视点，即可产生较大的方位角误差，这时再使用罗经进行物标方位测量，所得到的方位角就不正确了。为了减少这种因位置的变化而产生的误差，我们必须重新寻找合适的罗经设置位置，从而保证受训者所测得方位角的正确性。本文第三章对罗经的设置方位进行分析并采用合适的方法进行了校正，并生成了罗经位置选择参考表。124电子海图的显示误差电子海图的显示精度是指显示在ECDIS屏幕上的海图信息的位置精度。保证电子海图的显示精度是对ECDIS的一个基本要
30、求。在显示电子海图时，要素的地理坐标经过海图投影后再转化为屏幕坐标，使用标准的计算机图形生成算法把海图要素显示在屏幕上。因此两要素之间以及船舶与要素之间的相对位置关系的误差可以根据它们的基本点的显示误差进行估算。电子海图的显示精度误差包括基本点的直角坐标的误差、使用快速墨卡托海图投影4计算方法的误差、实数型直角坐标系转换为屏幕坐标的转换误差等。本文第四章对诸多显示精度误差进行了分析和校正。2航海模拟器视景生成误差的分析和校正21模拟器视景生成的误差分析和校正由于模拟器视景生成的图像平面的分辨率总是有限的，二维投影值也是经量化而得到的，必然存在着误差，所以通过视见变换矩阵所计算出来的三维坐标也就
31、存在着误差。我们通过针孔照相机模型对实验中可能存在的误差进行了误差估计。为了尽量使实验误差降低，需采取一些措施比如把照相机放置在距被测物较近的位置，照相机投射线的夹角越大，误差越小，但如果夹角取得过大，将会使被测物某些部分未被拍摄到，因而造成特征信息的丢失，为此一般取夹角为30左右。为尽量使用图像分辨率高的设备提取物体图像的二维投影坐标。这样所获得的源图形才能满足实验的误差要求。211对视景生成误差实验的分析选用规则的铁制长方体为参照物，利用其上至少6个顶点的坐标求解T阵，为实验该算法的可行性，被测物体应选用凸多面体。为提高精准，二维坐标的输入采用全电子式数字化仪，其输出数据精度为01MM。先
32、对被测物体及参照物进行拍照，每隔30左右拍摄一张，将拍好的照片固定在数字化仪台板上，顺序读取二维投影坐标，记住照片号和顶点号，存入数据文件，然后由公式求解被测物体的顶点三维坐标，并顺序存入数据文件。212法方程法求解讨论在求解矩阵和三维坐标时，均将最小二乘问题化为求解法方程，求解过程中增加了对舍入的敏感性；而系数都是由测量获得，因而必定带有误差或某种不确定性，从而也就会引起解的误差或不确定性。由表1和表2可以看出，两者数据只是第8个参考点的X坐标稍微变化，而表3和表4所示的输出尺寸变化很大，且误差很大。由此得出如下结论由于误差的影响，由法方程法求得的最小二乘解的精度很低，而且求得的T阵和三维坐
33、标数据随着系数阵的微小变化而有十分大的扰动，需要对摄影精度进行估算。以提高实验结果的精度，减小误差。表1参照物顶点坐标（变动前）表2参照物顶点坐标（变动后）顶点号XYZ顶点号XYZ10002081240308120518040051585633281205180663528124076352008631005168900010081240110812051801200515813633281205180146352812401563520016635005168表3输出尺寸（MM）（变动前）表4输出尺寸（MM）（变动后）序号长宽高序号长宽高116936151491456521872715186
34、144913973610509972114149769299210246真值5194111420135673705351284723529976518131933241189282610382448159271811570真值5194111420213对实验结果及精度分析5根据正直摄影估计公式22222212222222212212/XPYPYYPXMKKMMKKYFMKMMKKZFMKM（21）其中1K为平均摄影距和摄影基线比，1/MKTB，B为摄影基线长；2K为像点的摄影比例尺分母，2/MKTF，F为摄影主距，MT为平均摄影距；XM，YM，PM为像点坐标和视差的观测误差。在试验中，MT2M
35、，B052M，Y0063M，Z00425M，PM0075MM，YMZM005MM，F80MM008M。将以上数据代入（21）得理论估计误差为XM721MM，YM399MM，ZM284MM试验中对一个长方体进行测试，平均摄影距约为2M，摄影线夹角为30，每个点出现次数为3，用正交化方法求得X，Y，Z方向上各边的计算值。由实际值和计算值的误差可得X，Y，Z方向上的均方误差分别为421/21/4XIIE5826MM421/21/4YIIE0992MM（22）421/21/4ZIIE2535MM将求得的均方误差和理论计算值相比较编可以看出，用正交化方法求解及实验时采用一系列措施之后，实验结果的精度是符
36、合要求的。实验结果同时表明，随着距离的增大，其实验误差增大，减小误差的办法是缩小摄影点和目标点的距离；随着投射角的增大，其实验误差减小；随着方程个数的增多，解的精度提高，其实验误差减小。22圆柱面透视投影的成像原理图1投影成像的流程如图1，三维物体通过成像计算机进行透视投影变换生成二维图像，然后通过投影仪投影在屏幕上。我们知道，目前计算机成像系统都假设投影面为一与视线垂直的平面，若是投影仪将这样的成像计算机生成的图像直接投影到一个平面幕上，图像不会产生变形设定投三维物体成像计算机二维图像投影仪屏幕6影仪在屏幕的中心线上，但是将图像投影到圆柱幕上或球面幕上就会引起变形，并且各个投影仪通道衔接处的
37、图像将呈现明显的不连续【4】，如图2所示。显然，需要对原图象进行几何校正，以获得不变形的视景图形，进而分析利用模拟器视景进行测向定位的各种误差起因及校正方法。图2投影到圆柱面成像221投影仪的成像与放像透视投影是在三维空间中取一点，称为投影中心观察点或者视点，再定义一个面不经过投影中心，称为投影面，从投影中心向物体上各点发出射线，这些射线称为投影线。投影线相交于投影平面，形成一个物体的像，称为原三维物体在二维投影平面上的投影，这就是一个成像的过程。而我们要讨论的是投影仪的放像从投影仪向投影平面投出光线，在屏幕上得到物体的像，在人的视觉中感觉，物体在光线的延长线上【5】。以图3为例，从透视投影中
38、心OC观测物点PO，连接OC与PO。的射线与投影平面相交，交点为1P，1P即为像点，而投影仪从OC点向投影平面放像，得到像点1P，但是让观测者感觉1P点在物点PO处。显然，投影仪放像与透视投影成像具有明显的相似之处。所以我们在这可以借用透视投影成像的原理来讨论投影仪放像。图3成像平面222三维成像的几何原理从三维物体到二维物体图像的成像模型，如图3所示，以视点OC为原点X，Y，Z轴构成右手系，Z轴垂直指向成像平面I。由光学几何可知，来自物点PO的光线通过透视中心，而落到成像平面I上，亦即将物点PO与视点OC的连线与成像平面I上的交点即是成像点1P。这种从物点PO到像点1P的变化即为透视变化【6
39、】。当知道了物点PO的距离，就可唯一地确定物点PO的位置，推导的公式应该是由图3可得出关系式透视中心（视点）OCYXZP1（XP1,，YP1，ZP1）P0（XP0,，YP0，ZP0）像点物点IF计算机多个投影仪通道投影7OCPAOCPO1（23）其中A为某个常数，OCP1为从OC点指向点1P的矢量。改写上式，有ZYXAZPOYPOXPO000（24）整理后，可由物点坐标算出像点1P的坐标ZPOFXPOX，ZPOFYPOY，FZ（25）或由像点的坐标推算得物点坐标XFZPOXPO，YFZPOYPO，ZPOZPO（26）然而对于单幅透视图像，从图像点到实景三维对应点没有直接逆变换公式，因为ZPO是
40、未知的。但是当以个镜像的任何两个透视投影，只要是属于同一个视点，就可以被二维同质变换矩阵所联系，本文研究的圆柱面环幕投影图像皆可通过该变换而得到【7】。23圆柱幕透视投影误差分析与校正模型231圆柱幕透视投影误差分析与校正的思路我们利用投到平面幕I上的任意一条水平直线再投到柱面幕上的图形变化作分析，很显然，如果一条水平线投影在柱面幕上，仍然保持与柱面幕的圆周边成圆周平行，那么可以说这条水平边没有变形，因此比较直观，再者整个平面幕图像也可以看作是无数条水平直线组成的【8】。常见的航海模拟器是有七个投影仪组成的7通道270度宽视场角环幕投影视景，如图4。若不加校正投影一整幅图像，在每个投影通道的柱
41、面幕上都将显示带有变形的那一部分图像而且投影通道拼接处图像是不连贯的。为了分析变形产生的原因，得出校正的办法，假设在视点观察由投影仪打出的水平垂直网格，水平线在柱面幕上的投影始终与柱面幕的圆周边成圆周平行，我们认为该水平边没有变形，同样的，垂直线在柱面幕上的投影始终保持铅垂，全部水平线与铅垂线的相对位置始终与原始水平垂直网格保持一致，也就是说从视点观察时，改水平垂直网格投影在柱面幕上仍然是一组水平垂直网格，则图形得到了正确的几何校正【9】。8图4多通道投影图232圆柱幕透视投影误差分析模型如图5，OC为（投影中心）视点，以视点OC为原点，建立222节中所描述的坐标系。柱面幕半径为R，视点与平面
42、幕距离为COS2FR，平面幕的高为H，宽为W。现已知物点坐标为0,00,OPPPPXYZ，五点在平面幕I和圆柱幕J上的像点分别为1P和2P，设它们的坐标为1,111,PPPPXYZ和2,222,PPPPXYZ，0P为物点0P在XOCZ平面上的投影，为0OCP与OCZ的夹角，因为在三维的显示中，落在视见体之内的物体经投影将落于窗口内部被显示，否则不被显示，所以22；平面K为过物点和X轴的一个平面，为平面K与水平面XOCZ的夹角，同上，22。图6中，平面R为过直线L平行于XOCZ面得平面的夹角，平面R与柱面幕的交线为N，2P点为2P点再平面R上的投影。图5误差分析图213IJ不连贯曲线QT连贯曲线
43、9图6误差分析图求出平面与平面幕和圆柱幕的交线显然平面K与平面幕I相交得到一条水平直线L，设其余柱面幕的交线为M，0OCP与L线的交点1,111,PPPPXYZ，即物点在平面幕上的像点【10】。由三维成像的几何原理（见图3）可知，当已知物点0100,PPPPXYZ可得到成于平面幕上的像点1P的坐标1001001/,/,PPPPPPPXFXZYFYZZF即00111COS,COS,COS222PPPPPXXXRYRZRZZ（27）我们已知角为K平面与XOCZ平面的夹角，则K面方程应解为010001TANPPPPYFYYZZFZ（28）00ARCTANPPYZ22而平面幕I方程可以表示为COS2Z
44、FR（29）上述两平面相交所得的直线段即是TANYZZF，22即10COSTAN2YR22平面K与圆柱面相交所得曲线段为TAN222YZXZR22（210）当0时，即0Y平面（XOCZ平面）与柱面幕相交得到一条圆弧X2Z2R2，此时直线投影到柱面幕上没有发生变形；当0时，显而易见方程的解为一个椭圆曲线段222221TANXYRR，SINSIN22RXR，22上式可改为222TANYRX，22，SINSIN22RXR（211）当0时，若0X则TANYR，在0X，ZR处取最大值；在SIN2XR，SIN2ZR处Y取最小值。当0时，若0X则TANYR，即当0X，ZR处为Y取最小值；在SIN2XR，SI
45、N2ZR处Y取最小值。综上可得一下结论直线投影在柱面幕上除了与平面幕的交点处图形不会发生变化，其余的因为是交线是条空间椭圆曲线，所以图形在0是向上凸起；在0时，图形向下凹。然而我们想要得到的曲线是平面1PYY与柱面X2Z2R2的交线N，这是条圆弧。从图6可以明显看出，投影到圆柱幕的图像M与N相比发生了形变，所以为了消除这种形变我们应当将曲线M上的任意一点校正到曲线N上相应的一点上去，如果对曲线M上的全部点作出了校正，当然也就对曲线M作了校正。233圆柱幕投影误差校正对于直线L上的像点1P与其相对应的在柱面幕上的是像点2P。根据232节的讨论2P点相对于1P而言发生了形变。如图5中，过2P点作平
46、面1PYY的投影得到2P点，这个点同样也落在平面1PYY与柱面X2Z2R2的交线N上，就是我们所要求的正确的点。所以我们要对2P向2P作校正，已知1P点坐标的公式。由像点1P求出像点2P点的坐标11由根据232中所述，可以推导出00022COSPPPZXZ（212）由三角形相似原理可以得出122211PPPPPPXYZXYZ（213）于是2P点的坐标可用以下公式计算22111222121PPPPPPPPPPZRCOSXXXZFZRCOSYYYZPFZRCOS（214）由公式（27）、（212）代入（214）式，便可求得2P点的坐标00000000000000000000222220002222
47、2222COSCOSCOSPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPXRZXRXXRZZXZXZYRZXRXYRZZXZXZRZZRXZ（215）由公式（215）可见1PX和1PZ的变换公式与Y值无关，因此对于平面幕I上的任意一条铅直直线，投影到圆柱幕面J上式仍为一条铅直直线，不会发生形变。而1PY的变换公式与X值有关，这样对于I上的一条水平直线，投影到柱面上时将变成一条曲线，因而需要校正【11】。也就是说将2P点校正到2P点，其坐标X与Z并没有发生变化，仅是Y值被做了校正，所需要的校正值为220221000PPPPFPPPRYYYYYZXZ（216）这样就可以将2P点校正到了2P点
48、上，2P点的坐标的计算可用下式12222020020100020022COS2COS22PPPPPPPPPPPPPPPPRXXXXZYYYYFRZZRZZZRXZ（217）在本章我们已经得到了平面I上的一点1P的误差校正模型M,XY，对于平面图像上的一点1P想要使之投影到柱面幕上的正确的位置，即不使图像产生变形的位置点，可以在1P坐标上加上个校正量M,XY，让它偏移到Q点坐标位置就可满足要求。3罗经测向的误差分析和校正31罗经设置的分析航海罗经是用来指示船舶航向和测定物标方位的重要的航海仪器，对航行在浩瀚无涯的海洋上的船舶来说，获取精确的航向读数对保障航行安全极为重要【12】。因此，作为为航海教学与培训提供虚拟海上航行环境进行船舶操纵训练的航海模拟器，有必要在系统中增加罗经测向定位功能，以完善船舶操纵模拟器的功能，完成航海教学与培训所必需的训练项目。32罗经位置的选择根据罗经测向原理，在船舶上用罗经进行测向时，方位线与物标高度无关，它是物点与视点在水平面上的投影点间的连线与真北方向所成的角度。根据模拟器视景成像原理，一个视景通道视见体内，从视点透视投影中心观测视见体内的物标所作的方位线均是准确的这里暂不考虑视景系统的场景建模所带来的误差，至于视景的大屏幕环幕投影所带来
