Brevet FR3009414A1 — publié le 20150206

Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle conforme d'une cartographie de terrain Le domaine de l'invention est celui de la représentation cartographique synthétique et tridimensionnelle représentée en vue conforme. On entend par représentation conforme une représentation cartographique qui se superpose parfaitement au terrain effectivement vu par 5 l'observateur. La superposition optique est assurée par un système optique qui projette l'image synthétique vers l'oeil de l'observateur. Ce système optique comporte un mélangeur ou combineur optique qui assure la superposition de l'image sur le paysage extérieur. Ce type de représentation est particulièrement utilisé en aéronautique de façon à assurer le pilotage par 10 mauvaise visibilité ou de nuit. Un système de représentation cartographique est représenté sur la figure 1. Ce système comporte une base de données représentative du terrain survolé, des moyens permettant de déterminer la position et l'orientation du système optique affichant l'image cartographique, un 15 générateur d'images CE et le système optique de projection D. Le générateur d'images CE assure trois fonctions principales qui sont le calcul du point de vue, la sélection de la zone de terrain à afficher et le calcul de l'image à afficher en fonction du point de vue. Un des points délicats de cette représentation tridimensionnelle 20 est qu'elle doit être suffisamment complète et précise pour donner une bonne représentation du terrain survolé qui puisse être utile au pilotage et à la navigation et suffisamment discrète pour ne pas saturer l'image naturelle du paysage. Différentes solutions ont été proposées. 25 Une première solution pour représenter un terrain 3D compatible d'un système de visualisation tête haute est décrite dans le brevet US 8 264 498 intitulé « System, apparatus, and method for presenting a monochrome image of terrain on a head-up display unit ». Dans cette représentation, l'intensité lumineuse du terrain est modulée en fonction des 30 paramètres d'éclairage obtenus en positionnant une source lumineuse ponctuelle ou omnidirectionnelle virtuelle au-dessus du terrain survolé. Cette représentation surcharge fortement l'affichage et ne répond pas correctement au besoin de superposition de l'image synthétique avec la vue réelle. Une deuxième solution consiste à afficher le terrain à l'aide d'un carroyage simple comme représenté en figure 2. La perception de la distance se fait uniquement par la taille des éléments géométriques du carroyage qui sont représentés en traits blancs sur la figure 2. En effet, sous l'effet de la perspective, plus leur distance est grande par rapport au point de vue affiché, plus les éléments géométriques sont petits à l'écran. Ce type d'affichage n'est pas adapté pour l'affichage de terrain très éloigné de l'observateur. Le brevet US 7 098 913 intitulé « Method and system for providing depth cues by attenuating distant displayed terrain » propose une solution pour améliorer la représentation consistant à assombrir le terrain éloigné du point de vue. Cette technique permet de mieux appréhender la distance du terrain mais cela ne résout pas le problème de saturation de l'image. Une troisième solution qui est une variante de la solution précédente consiste à modifier la taille des éléments géométriques à partir d'une certaine distance. Par exemple, on ne retient qu'un point de la grille d'élévation sur deux. A titre d'exemple, la figure 3 illustre ce type de représentation graphique. On réussit bien à limiter le nombre d'éléments affichés à l'écran, mais on supprime une grande partie des éléments permettant d'améliorer la perception de la profondeur du terrain. En fait, la représentation d'un terrain synthétique 3D par du carroyage est bien adapté pour du terrain proche du point de vue. Une quatrième solution consiste à présenter le terrain en surlignant les lignes de crête. On entend par ligne de crêtes les limites hautes entre les parties cachées et les parties visibles du paysage. Les lignes de crêtes ne représentent pas nécessairement une suite de points dont l'altitude est maximale localement. Elles sont donc fonction non seulement du terrain mais aussi de la position de l'observateur. Les lignes de crêtes doivent donc être recalculées en permanence en fonction de la position du porteur. Ceci permet de donner une information subjective de la conformation du terrain sans surcharger l'image. Une telle représentation est figurée en figure 4. Cette représentation du terrain par les lignes de crêtes permet de limiter fortement la densité d'informations affichée à l'écran. Elle donne une vision subjective de l'environnement, notamment pour le terrain éloigné. Cependant, elle ne donne qu'une information extrêmement réduite du terrain proche du point de vue. Il est possible d'utiliser simultanément deux des représentations graphiques citées ci-dessus. Ainsi, on peut représenter le terrain proche sous forme de carroyage et le terrain éloigné sous forme de lignes de crêtes comme on le voit sur la figure 5. Entre la représentation du terrain sous la forme d'un carroyage et la représentation sous la forme de lignes de crêtes, la transition est assurée par un principe de fondu enchainé basé sur la distance du terrain. Jusqu'à une distance proche de la distance définie précédemment, le terrain est représenté dans les deux modes. Puis au fur et à mesure que l'on s'approche d'une distance prédéfinie, le tracé sous forme de carroyage s'estompe tandis que la représentation en ligne de crêtes s'accentue. Cette dernière solution permet de diminuer effectivement l'information à l'écran et paraît adaptée pour afficher les informations de terrain se situant en arrière-plan mais engendre des artefacts d'affichages. Ces artefacts sont, par exemple, l'apparition et/ou la disparition soudaine des lignes de crêtes quand on se trouve proche du point de vue, l'absence d'informations de terrain potentiellement pertinentes comme les vallées ou les talwegs. Par conséquent, cette dernière représentation ne fournit pas encore un niveau optimal de perception du terrain. Comme les figures 2, 3, 4 et 5 le montrent, les différentes représentations cartographiques selon l'art antérieur ne permettent pas de diminuer significativement le nombre de données affichées à l'écran sans diminuer la perception de la profondeur du terrain. Le procédé de représentation cartographique selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il affiche non pas simplement les lignes de crête mais, de façon plus générale, les ruptures de pente. On obtient une représentation réaliste du terrain, facilement compréhensible et qui occupe un espace limité. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de représentation synthétique tridimensionnelle conforme d'un terrain, ledit procédé étant mis en oeuvre dans un système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule, ledit système d'aide comprenant au moins un système de navigation, une base de données cartographiques et un système de visualisation permettant la superposition d'images synthétiques sur l'extérieur, caractérisé en ce que le dit procédé comporte les étapes suivantes : Etape 1 : Calcul, pour une portion de terrain déterminée des ruptures de pente dudit terrain, une rupture de pente correspondant à une variation d'orientation du terrain ; Etape 2 : Calcul, pour une position déterminée du véhicule, de la portion de terrain vue à travers le système de visualisation ; Etape 3 : Calcul de la position conforme des ruptures de pente visibles pour ladite position déterminée du véhicule et pour ladite portion de terrain ; Etape 4: Affichage par le système de visualisation desdites ruptures de pente visibles, le rendu des ruptures de pente étant fonction de 15 l'importance de la variation de l'orientation du terrain. Avantageusement, l'étape 3 est suivie des sous-étapes suivantes : Etape 3.1 : Calcul de la normale aux ruptures de pente ; Etape 3.2 : Calcul, pour chaque rupture de pente, d'un vecteur directeur dont l'origine est localisée au niveau de la rupture de pente et le 20 sommet au niveau de la position déterminée du véhicule ; Etape 3.3 : Calcul de l'angle d'inclinaison entre la direction de la normale aux ruptures de pente et la direction du vecteur directeur ; Etape 3.4: Modulation du rendu des ruptures de pentes en fonction dudit angle d'inclinaison ; 25 Avantageusement, la modulation du rendu des ruptures de pentes est une modulation d'intensité fonction de l'angle d'inclinaison, plus l'angle d'inclinaison est faible, plus le rendu a une luminance faible. Avantageusement, les étapes 2 et 4 comportent les sous-étapes suivantes : 30 Etape 2.1 : Calcul, pour une distance déterminée à partir de la position déterminée du véhicule, d'une représentation du terrain sous forme de carroyage, c'est-à-dire d'un quadrillage régulier disposé sur le terrain ; Etape 4.1 : Affichage par le système de visualisation dudit carroyage jusqu'à la distance déterminée, l'affichage étant mixte et comprenant une première représentation sous forme de carroyage et une seconde représentation des ruptures de pente. L'invention concerne également un système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule, ledit système d'aide comprenant au moins un 5 système de navigation, une base de données cartographiques et un système de visualisation permettant la superposition d'images synthétiques sur l'extérieur du véhicule, ledit système comportant des moyens de calcul électroniques agencés de façon à mettre en oeuvre le procédé de représentation synthétique tridimensionnelle conforme d'un terrain défini ci-10 dessus. Avantageusement, le véhicule est un aéronef et le système d'aide au pilotage et à la navigation est le système avionique dudit aéronef. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente le synoptique d'un système de représentation cartographique ; Les figures 2, 3, 4 et 5 représentent des représentations 20 cartographiques tridimensionnelles d'un terrain selon l'art antérieur ; La figure 6 représente les étapes principales du procédé de représentation cartographique selon l'invention ; La figure 7 représente le principe de la représentation cartographique selon l'invention ; 25 La figure 8 représente une première représentation cartographique issue du procédé selon l'invention ; La figure 9 représente une seconde représentation cartographique « mixte » issue du procédé selon l'invention. 30 Pour être mis en oeuvre, le procédé de représentation graphique selon l'invention nécessite un système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule. Dans son application principale, le procédé est mis en oeuvre dans un aéronef de façon à fournir au pilote la meilleure représentation possible du paysage extérieur. Le système d'aide au pilotage est le système avionique embarqué de l'appareil. De tels systèmes existent aujourd'hui sur tous les aéronefs modernes. Ils doivent comporter : - Un système de navigation permettant de déterminer la position et l'attitude de l'aéronef. A titre d'exemples, ces systèmes de navigation 5 comportent des centrales inertielles et/ou des systèmes de type « GPS », acronyme signifiant « Global Positioning System »; - Une base de données cartographiques du terrain survolé ; - Un calculateur électronique CE permettant de faire, entre autres, du traitement de données et des calculs de représentation graphique 10 et mettant en oeuvre le procédé d'affichage selon l'invention ; - Un système de visualisation D comportant préférentiellement un dispositif de visualisation dit « See-Through Displays». Ces dispositifs peuvent être des écrans transparents ou des viseurs « Tête Haute », encore appelés « Head-Up Displays ». 15 Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes : Etape 1 : Calcul, pour une portion de terrain déterminée des ruptures de pente dudit terrain, une rupture de pente correspondant à une variation de l'orientation du terrain ; 20 Etape 2 : Calcul, pour une position déterminée du véhicule, de la portion de terrain vue à travers le système de visualisation ; Etape 3 : Calcul de la position conforme des ruptures de pente visibles pour ladite position déterminée du véhicule et pour ladite portion de terrain ; 25 Etape 4: Affichage par le système de visualisation desdites ruptures de pente visibles, le rendu des ruptures de pente étant fonction de l'importance de la variation de l'orientation du terrain. Ces étapes sont représentées en figure 6. L'étape 1 est illustrée en figure 7. Cette figure 7 représente une vue dans un plan de coupe (x, z) 30 d'un terrain. Les ruptures de pentes RP correspondent à des variations rapides de l'orientation du terrain. On peut distinguer trois types de rupture de pente. Le premier type correspond à une variation rapide de la pente sans inversion de la pente, le second type correspond à une inversion haute de la pente, la rupture de pente correspond dans ce cas au passage d'une crête. 35 Enfin, le troisième type de pente correspond à une inversion basse de la pente, la rupture de pente correspond dans ce cas au passage d'un talweg. Sur la figure 7, les ruptures de pente sont représentées par des traits gras. On pourrait représenter, dans le système de visualisation, l'ensemble des ruptures de pente visibles, indépendamment de leur 5 importance. On comprend que, lorsque le terrain est particulièrement accidenté, le nombre de ruptures de pentes peut être important et gêner l'observation du paysage extérieur. Aussi, il est préférable que le rendu des ruptures de pente soit fonction de l'importance de la variation déterminée d'orientation de la pente. Plus précisément, la modulation du rendu des 10 ruptures de pentes est une modulation d'intensité fonction du degré de variation de l'orientation du terrain, plus la variation est faible, plus le rendu a une luminance faible. Il est également possible d'améliorer encore cette présentation graphique en indexant le rendu des ruptures de pente sur l'angle 15 d'inclinaison par rapport au point d'observation. Plus précisément, l'étape 3 est alors suivie des sous-étapes suivantes : Etape 3.1 : Calcul de la normale aux ruptures de pente. Les normales aux ruptures de pente sont représentées par des flèches sur la figure 7 ; 20 Etape 3.2 : Calcul, pour chaque rupture de pente, d'un vecteur directeur dont l'origine est localisée au niveau de la rupture de pente et le sommet au niveau de la position déterminée du véhicule ; Etape 3.3 : Calcul de l'angle d'inclinaison entre la direction de la normale aux ruptures de pente et la direction du vecteur directeur ; 25 Etape 3.4: Modulation du rendu des ruptures de pentes en fonction dudit angle d'inclinaison. A titre d'exemple, on obtient alors une représentation graphique telle qu'illustrée en figure 8. Sur cette représentation, les ruptures de pente sont figurées en blanc sur fond noir. Dans un dispositif de visualisation, les 30 ruptures de pente sont figurées par des tracés lumineux colorés sur fond transparent de façon à masquer au minimum la vision de l'extérieur. Généralement, elles apparaissent de couleur verte. On peut voir sur la représentation de la figure 8 que non seulement les lignes de crête C apparaissent nettement, mais également le creux des vallées ou talwegs T. Sous l'effet de la perspective, le nombre de ruptures de pente représentées augmente avec la distance au véhicule. Les zones situées à courte distance comportent moins de rupture de pentes visibles. Aussi, il peut être intéressant de compléter la représentation graphique sous forme de ruptures de pente par une représentation du terrain sous forme de carroyage. Plus précisément, les étapes 2 et 4 comportent alors les sous-étapes suivantes : Etape 2.1 : Calcul, pour une distance déterminée à partir de la position déterminée du véhicule, d'une représentation du terrain sous forme 10 de carroyage, c'est-à-dire d'un quadrillage régulier disposé sur le terrain ; Etape 4.1 : Affichage par le système de visualisation dudit carroyage jusqu'à la distance déterminée, l'affichage étant mixte et comprenant une première représentation sous forme de carroyage et une seconde représentation des ruptures de pente. 15 A titre d'exemple, on obtient alors une représentation graphique telle qu'illustrée en figure 9 qui représente le même terrain que celui de la figure 8 mais complété au premier plan par une représentation sous forme de carroyage. On obtient ainsi une représentation tridimensionnelle conforme du terrain parfaitement lisible et parfaitement adaptée selon la proximité du 20 terrain. REVENDICATIONS1. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle conforme d'un terrain, ledit procédé étant mis en oeuvre dans un système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule, ledit système d'aide comprenant au moins un système de navigation, une base de données cartographiques et un système de visualisation (D) permettant la superposition d'images synthétiques sur l'extérieur, caractérisé en ce que le dit procédé comporte les étapes suivantes : Etape 1 : Calcul, pour une portion de terrain déterminée des ruptures de pente dudit terrain, une rupture de pente correspondant à une 10 variation déterminée de l'orientation du terrain ; Etape 2 : Calcul, pour une position déterminée du véhicule, de la portion de terrain vue à travers le système de visualisation ; Etape 3 : Calcul de la position conforme des ruptures de pente visibles pour ladite position déterminée du véhicule et pour ladite portion de 15 terrain ; Etape 4: Affichage par le système de visualisation desdites ruptures de pente visibles, le rendu des ruptures de pente étant fonction de l'importance de la variation déterminée de l'orientation du terrain. 20 2. Procédé de représentation d'un terrain selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape 3 est suivie des sous-étapes suivantes : Etape 3.1 : Calcul de la normale aux ruptures de pente ; Etape 3.2 : Calcul, pour chaque rupture de pente, d'un vecteur directeur dont l'origine est localisée au niveau de la rupture de pente et le 25 sommet au niveau de la position déterminée du véhicule ; Etape 3.3 : Calcul de l'angle d'inclinaison entre la direction de la normale aux ruptures de pente et la direction du vecteur directeur ; Etape 3.4: Modulation du rendu des ruptures de pentes en fonction dudit angle d'inclinaison. 30 3. Procédé de représentation d'un terrain selon la revendication 2, caractérisé en ce que la modulation du rendu des ruptures de pentes est unemodulation d'intensité fonction de l'angle d'inclinaison, plus l'angle d'inclinaison est faible, plus le rendu a une luminance faible. 4. Procédé de représentation d'un terrain selon l'une des 5 revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes 2 et 4 comportent les sous-étapes suivantes : Etape 2.1 : Calcul, pour une distance déterminée à partir de la position déterminée du véhicule, d'une représentation du terrain sous forme de carroyage, c'est-à-dire d'un quadrillage régulier disposé sur le terrain ; 10 Etape 4.1 : Affichage par le système de visualisation dudit carroyage jusqu'à la distance déterminée, l'affichage étant mixte et comprenant une première représentation sous forme de carroyage et une seconde représentation des ruptures de pente. 15 5. Système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule, ledit système d'aide comprenant au moins un système de navigation, une base de données cartographiques et un système de visualisation permettant la superposition d'images synthétiques sur l'extérieur du véhicule, caractérisé en ce que ledit système comporte des moyens de calcul électroniques 20 agencés de façon à mettre en oeuvre le procédé de représentation synthétique tridimensionnelle conforme d'un terrain selon l'une des revendications précédentes. 6. Système d'aide au pilotage et à la navigation d'un véhicule 25 selon la revendication 5, caractérisé en ce que le véhicule est un aéronef et que le système d'aide au pilotage et à la navigation est le système avionique dudit aéronef.