(57)【要約】【課題】汎用のソフトウェアを利用可能な構成を実現することにより、処理の高速化を実現できると共に、相対的な低コスト化及び設計変更の容易性を図ることができる地図画像生成装置を提供する。【解決手段】本実施形態の地図画像生成装置は、入力部と、複数の地図画像生成処理部と、画像出力部とを備えた構成である。前記入力部は、所定のフレーム周期で地図描画用の入力情報を入力する。前記複数の地図画像生成処理部は、前記入力部により入力される入力情報及び地図描画用の地図データに基づいて、負荷分散処理により前記フレーム周期に同期した地図画像データを生成する。前記画像出力部は、前記複数の地図画像生成処理部により生成される地図画像データを使用して、フレーム単位の地図画像を表示するための表示用データを出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のフレーム周期で地図描画用の入力情報を入力する入力手段と、
前記入力手段により入力される入力情報及び地図描画用の地図データに基づいて、負荷分散処理により前記フレーム周期に同期した地図画像データを生成する複数の地図画像生成処理手段と、
前記複数の地図画像生成処理手段により生成される地図画像データを使用して、フレーム単位の地図画像を表示するための表示用データを出力する画像出力手段と
を具備する地図画像生成装置。
【請求項２】
前記複数の地図画像生成処理手段により共用される前記地図データを格納する記憶手段と、
前記複数の地図画像生成処理手段のそれぞれのアクセスに応じて、前記記憶手段から読み出した前記地図データを前記複数の地図画像生成処理手段に転送する転送制御手段と
を有する請求項１に記載の地図画像生成装置。
【請求項３】
前記記憶手段は、予め前記地図データを保存する外部記憶装置と、前記外部記憶装置から読み出された前記地図データを一時的に保存するキャッシュメモリとを含み、
前記転送制御手段は、前記複数の地図画像生成処理手段のそれぞれのアクセスに応じて、前記キャッシュメモリにヒットした場合には、前記キャッシュメモリから読み出した前記地図データを前記複数の地図画像生成処理手段に転送する、請求項２に記載の地図画像生成装置。
【請求項４】
前記複数の地図画像生成処理手段はそれぞれ、非同期で動作するプロセッサ及び前記プロセッサにより実行される同一の地図描画用のソフトウェアにより構成されて、前記フレーム周期に同期した地図画像データを生成する、請求項１から３のいずれか１項に記載の地図画像生成装置。
【請求項５】
前記複数の地図画像生成処理手段は、フレーム同期に同期して動作するラウンドロビン構成であり、前記フレーム周期に同期したパイプライン処理により、前記地図画像データを生成する地図生成処理を実行する、請求項１から４のいずれか１項に記載の地図画像生成装置。
【請求項６】
前記複数の地図画像生成処理手段の異なる描画レートを調整し、前記複数の地図画像生成処理手段から前記フレーム周期に同期して出力される各地図画像データを、前記画像出力手段に転送するフレームサンプル処理手段を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の地図画像生成装置。
【請求項７】
前記入力情報は、ＧＰＳを使用する位置情報、磁北を示すデータ及び表示条件情報を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の地図画像生成装置。
【請求項８】
フレーム単位の地図画像を生成して表示する地図画像生成装置に適用する地図画像生成方法であって、
所定のフレーム周期で地図描画用の入力情報を入力する処理と、
前記入力情報及び地図描画用の地図データに基づいて、複数の地図画像生成処理の負荷分散処理により前記フレーム周期に同期した地図画像データを生成する処理と、
前記地図画像データを使用して、前記地図画像を表示するための表示用データを出力する処理と
を実行する地図画像生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば航空機に適用する地図画像生成装置及び地図画像生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば航空機には地図画像生成装置が搭載されている。地図画像生成装置は、ナビゲーション・システムを構成する要素であり、ディスプレイ上に自機の位置を地図上で認識できる地図画像を表示する装置である。
【０００３】
特に、航空機に搭載される地図画像生成装置は、描画フレームが数十Ｈｚ（例えば、１フレームが３０Ｈｚ）と高速であり、また、地図背景が回転する等、航空機特有の描画方式を採用しているため、地図画像の高い描画性能が要求される。さらに、近年では、ディスプレイの画面サイズの拡大に伴って、高精細の地図画像が要求されるために、地図画像生成装置の処理の高速化が推進されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４４４００号公報
【特許文献２】特開２０１３−７３３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地図画像生成装置の処理の高速化を図るためには、専用のハードウェア及び専用のソフトウェアによる構成が一般的である。具体的には、画像生成機能や選択重畳機能などを複数の基板に分割して実現する構成である。このような従来の構成では、相対的に高コスト化を招き、かつ、仕様変更や更新を行う際の装置の設計変更が困難である。
【０００６】
そこで、汎用のソフトウェアが利用可能な構成を実現することにより、処理の高速化を実現できると共に、相対的な低コスト化及び設計変更の容易性を図ることができる地図画像生成装置を提供するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の地図画像生成装置は、入力手段と、複数の地図画像生成処理手段と、画像出力手段とを備えた構成である。前記入力手段は、所定のフレーム周期で地図描画用の入力情報を入力する。前記複数の地図画像生成処理手段は、前記入力手段により入力される入力情報及び地図描画用の地図データに基づいて、負荷分散処理により前記フレーム周期に同期した地図画像データを生成する。前記画像出力手段は、前記複数の地図画像生成処理手段により生成される地図画像データを使用して、フレーム単位の地図画像を表示するための表示用データを出力する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に関する地図画像生成装置の構成を示すブロック図。
【図２】実施形態に関する地図画像生成処理を説明するためのタイミングチャート。
【図３】実施形態に関する帯域分割処理部の構成を示すブロック図。
【図４】実施形態に関するフレームサンプル処理部の構成を示すブロック図。
【図５】実施形態に関する地図画像生成処理を説明するためのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、実施形態を説明する。
［地図画像生成装置の構成］
図１は、本実施形態の地図画像生成装置１の構成を示すブロック図である。本装置１は、例えば航空機に搭載し、航空機用ナビゲーション・システムに含まれる地図画像生成装置として適用可能である。
【００１０】
図１に示すように、本装置１は、入力部１０と、帯域分割処理部１１と、フレームサンプル処理部１２と、画像出力部１３と、監視・制御部１４、複数の地図生成処理部１５-1〜１５-Nと、外部記憶装置１６とを有する。
【００１１】
入力部１０は、例えば航空機の操縦系に含まれる外部システムから入力情報１００を入力する。入力情報１００には、地図画像の描画命令以外に、ＧＰＳ（global positioning system）を使用した自機の位置情報（高度を含む）、磁北（方位磁針の北）を示すデータ及び地図画像の表示条件を示す情報が含まれる。ＧＰＳにより得られる情報には、経度、緯度、高度の３次元位置データからなる位置情報及び時刻データが含まれる。磁北を示すデータは、航空機のシンボルを、ディスプレイの画面上に表示する地図画像上に示すために使用される。表示条件とは、ディスプレイの画面上に表示する地図のスケールや、地図画像上に表示する地上の建物、河川、道路などの標記の指定等である。
【００１２】
帯域分割処理部１１は、入力部１０、地図生成処理部１５-1〜１５-N及び外部記憶装置１６の間のインターフェース（データ転送やアクセス）を制御する。フレームサンプル処理部１２は、複数の地図生成処理部１５-1〜１５-Nからの各出力データを入力し、異なる描画レートを調整する。画像出力部１３は、フレームサンプル処理部１２により調整される描画レートに基づいて、地図生成処理部１５-1〜１５-Nにより生成される地図画像データから、ディスプレイの画面上に表示するためのビデオデータ２００を作成して出力する。
【００１３】
監視・制御部１４は、装置全体の監視・制御を実行するコントローラであり、入力部１０、フレームサンプル処理部１２、画像出力部１３、及び地図生成処理部１５-1〜１５-Nに対して、それぞれの処理を同期させるためのフレームトリガ（信号）を出力する。
【００１４】
地図生成処理部１５-1〜１５-Nは同一構成であり、かつそれぞれがフレームトリガに同期して動作し、入力情報１００及び外部記憶装置１６に保存されている地図データに基づいて、航空機の自機の位置を含む地図画像データの生成処理を実行する。
【００１５】
具体的には、地図生成処理部１５-1〜１５-Nはそれぞれ、プロセッサ及びソフトウェアを格納したメモリが実装されたＣＰＵカード（個別の基板上に構成されるプロセッサシステム）から構成される。ソフトウェアは、汎用のＯＳ（operating system）及び汎用のウィンドウシステムが常駐しており、その上で動作する汎用の地図描画用のソフトウェアから構成される。汎用ＯＳ上のウィンドウシステムは、各ＣＰＵカード上に実装された独自のクロック源を持ち、独自の垂直同期周波数に従って描画を行う。即ち、ウィンドウシステムは独自の描画用クロックを有し、フレームトリガと非同期で動作する。通常、ウィンドウシステムの垂直同期周波数は６０〜７２Ｈｚとフレームトリガの周期よりも高速である。汎用の地図描画用のソフトウェアとしては、例えばＣＯＴＳ（Commercial Off-the-Shelf、（登録商標））と呼ばれるソフトウェアパッケージが周知である。
【００１６】
外部記憶装置１６は、例えばＳＳＤ（solid state drive）であり、ＧＩＳ（Geographical Information system）形式で、標高のデータを含み、例えば地球全体を範囲とする３次元地図データを格納する。なお、図１において、データバス１７は、例えばPCI Express（登録商標）バスを用いたＶＰＸバスである。また、データバス１８は、例えばPCI ExpressバスまたはＳＡＴＡ（登録商標）バスである。
［地図画像生成処理］
次に、本実施形態の地図画像生成処理を説明する。ここで、図２は、入力部１０、フレームサンプル処理部１２、画像出力部１３、及び地図生成処理部１５-1〜１５-Nのそれぞれの処理タイミングを示すタイミングチャートである。図３は、帯域分割処理部の具体的構成を説明するためのブロック図である。図４は、フレームサンプル処理部の具体的構成を説明するためのブロック図である。図５は、本装置１の地図画像生成処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【００１７】
以下、図２及び図５を参照して、本装置１の地図画像生成処理の順次説明する。
【００１８】
まず、図２に示すように、監視・制御部１４は、入力部１０、フレームサンプル処理部１２、画像出力部１３、及び地図生成処理部１５-1〜１５-Nに対して、それぞれの処理を同期させるためのフレームトリガを出力する。図２において、１フレームは例えば３０Hzである。画像出力部１３は、１フレーム毎に地図画像をディスプレイの画面上に表示するためのビデオデータ２００を出力する。
【００１９】
入力部１０は、フレームトリガに同期して、外部システムから地図画像の描画パラメータである入力情報１００を入力する（ステップＳ１）。入力情報１００は、前述したように、地図画像の描画命令以外に、自機の位置情報（高度を含む）、磁北（方位磁針の北）を示すデータ及び地図画像の表示条件を示す情報を含む。
【００２０】
入力部１０は入力した入力情報１００を、帯域分割処理部１１に転送する。帯域分割処理部１１は、地図生成処理部１５-1〜１５-N及び外部記憶装置１６の間のデータ転送やアクセスを制御する。即ち、帯域分割処理部１１は、地図生成処理部１５-1〜１５-Nからのアクセスに応じて、地図描画用の地図データの転送を調停し、順次、地図生成処理部１５-1〜１５-Nに出力する。
【００２１】
ここで、図３及び図５のステップＳ３〜Ｓ６を参照して、帯域分割処理部１１の構成及び処理内容を説明する。図３に示すように、帯域分割処理部１１は、バスプロトコル変換部３０、キャッシュメモリ３１、外部記憶装置スイッチ３２及びＦＩＦＯ（first-in-first-out）３３-1〜３３-Nを有する。
【００２２】
バスプロトコル変換部３０は、外部記憶装置１６に接続されるデータバス１８を介して転送されるシリアルデータをパラレルデータに変換するなどのインターフェース変換処理を行う。キャッシュメモリ３１は、外部記憶装置１６から読み出された地図データをキャッシュする。外部記憶装置スイッチ３２はバスアービタに相当し、外部記憶装置１６からの地図データの読み出し動作と、地図生成処理部１５-1〜１５-Nへの地図データの出力動作の切り替えを制御する。ＦＩＦＯ３３-1〜３３-Nは、地図生成処理部１５-1〜１５-Nへ出力する地図データを一時的に格納するバッファメモリである。
【００２３】
帯域分割処理部１１は、入力情報１００に基づいて、地図表示中心位置と周辺ブロックを認識し、地図生成処理部１５-1〜１５-Nに出力するための地図描画用の地図データを取得する処理に移行する（ステップＳ２）。即ち、帯域分割処理部１１は、フレームトリガに同期した地図生成処理部１５-1〜１５-Nからのアクセスに応じて、キャッシュメモリ３１内に地図描画用の地図データが存在するか否かを判定する（ステップＳ３）。初回のアクセスでは、キャッシュメモリ３１内には当該地図データは存在しないため（ステップＳ３のＮＯ）、帯域分割処理部１１は、外部記憶装置１６にアクセスして当該地図データを外部記憶装置１６から読み出す（ステップＳ４）。
【００２４】
帯域分割処理部１１は、外部記憶装置１６から読み出した地図データを、例えばＦＩＦＯ３３-1を介して地図生成処理部１５-1に出力する。ここで、帯域分割処理部１１は、外部記憶装置１６から読み出した地図データを、キャッシュメモリ３１に保存する（ステップＳ５）。
【００２５】
ここで、地図生成処理部１５-1〜１５-Nはそれぞれ、ほぼ同じ地図背景を描画することから、外部記憶装置１６に対するアクセスもほぼ同じ領域となる。即ち、地図生成処理部１５-1〜１５-Nは、地図データの共通部分データをアクセスする可能性が高い。このため、帯域分割処理部１１は、外部記憶装置１６から読み出した地図データを一旦キャッシュメモリ３１に保存することで、当該地図データをキャッシュメモリ３１から各地図生成処理部１５-2〜１５-Nに対して配信可能となる。
【００２６】
即ち、ステップＳ２の処理に戻って、フレームトリガに同期した次のアクセスでは、帯域分割処理部１１は、キャッシュメモリ３１にヒットするため（ステップＳ３のＹＥＳ）、キャッシュメモリ３１から当該地図データを読み出す（ステップＳ６）。従って、本実施形態の帯域分割処理部１１の構成であれば、フレームトリガに同期した地図生成処理部１５-1〜１５-Nからのアクセスに応じて地図データを取得する処理において、外部記憶装置１６に対するアクセス頻度を減少させることが可能となる。換言すれば、帯域分割処理部１１は、外部記憶装置１６のデータ転送速度を超えないような地図データのアクセス制御を実現できる。
【００２７】
具体的には、例えば、生成する地図サイズがＶＧＡ（video graphics array）であれば、１個の地図生成処理部により地図生成処理が可能であり、地図データの読み込みに必要な性能は数１０MB/secである。一方、ディスプレイの画面サイズの拡大に伴って、高精細の地図画像を生成する場合、フレーム時間は同一であるが地図サイズが大きくなる。このため、地図データの読み込みに必要な性能は数１００MB/secになる。このような各地図生成処理に対応するために、本実施形態の帯域分割処理部１１のキャッシュメモリ３１により、各地図生成処理の合計要求帯域を削減し、外部記憶装置の地図読み出し帯域を超過しないように制御することができる。
【００２８】
地図生成処理部１５-1〜１５-Nは、それぞれの地図描画用のソフトウェアがフレームトリガに同期して、帯域分割処理部１１から転送される地図データを使用して、新しい地図画像データを生成する地図生成処理を実行する（ステップＳ７）。ここで、本実施形態では、図２に示すように、地図生成処理部１５-1〜１５-Nは、それぞれがフレームトリガに同期して動作するラウンドロビン構成（round robin system）であり、４機能単位（４個のＣＰＵカード）構成とする。即ち、地図生成処理部１５-1〜１５-4はそれぞれ、地図描画用のソフトウェアがフレームトリガに同期して、地図生成処理（地図処理１、地図処理２、地図処理３、地図処理４）を実行し、画面出力データを生成する。即ち、地図生成処理部１５-1〜１５-4は、地図生成機能単位のパイプライン処理（負荷分散処理）により、フレームトリガに同期した地図生成処理を実行する。
【００２９】
図４に示すように、フレームサンプル処理部１２は、複数の地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）からの各画面出力データ110-1〜110-Nを入力し、異なる描画レートを調整するフレームサンプル処理を実行する（ステップＳ８）。即ち、フレームサンプル処理部１２は、ウィンドウシステムの垂直同期周波数とフレーム周期の差を吸収する。
【００３０】
ここで、図４を参照して、フレームサンプル処理部１２の構成及び処理内容を説明する。図４に示すように、フレームサンプル処理部１２は、フレームレート変換部４０-1〜４０-N、画面更新検出部４１-1〜４１-N、リングバッファ４２-1〜４２-N、及びチャネルセレクタ４３を有する。
【００３１】
フレームレート変換部４０-1〜４０-Nはそれぞれ、地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）の各描画レートとフレームレート間の違いを吸収し、地図画像データ（画面出力データ110-1〜110-N）を内部に取り込む。画面更新検出部４１-1〜４１-Nはそれぞれ、内部に取り込んだ地図画像データと以前のフレームデータとを比較することで、画面更新の有無を検出し、更新があった場合のみ地図画像データを出力するための検出処理を実行する。リングバッファ４２-1〜４２-Nはそれぞれ、各地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）の画像データ送信のタイミングのずれを吸収する。即ち、各地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）のクロック特性のばらつきを吸収するに、通常のバッファメモリではなく、可変長のリングバッファが有効である。チャネルセレクタ４３は、画面更新検出部４１-1〜４１-Nにより検出されたチャネルの地図画像データ１２０を、後段の画像出力部１３に転送する。
【００３２】
即ち、図２に示すように、フレームサンプル処理部１２は、地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）からの画面出力データ110-1〜110-Nを調整し、フレームトリガに同期した地図画像データ１２０を画像出力部１３に転送する。地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）はラウンドロビン構成によって、「フレーム時間×Ｎ段」の処理可能時間を有する。例えば、１フレームを３０Hzとした場合、処理可能時間は「33msec×４=132msec」となる。
【００３３】
換言すれば、Ｎ個の地図生成処理部１５-1〜１５-Nによるラウンドロビン構成において、地図画像生成処理時間を「フレーム時間×Ｎ」に増やすことができる。従って、広範囲なフレーム時間に対応できる地図画像生成装置が構築できる。地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）は汎用ＯＳ上で地図描画用のソフトウェアを実行しているため、各生成処理時間には相当の揺らぎを有する。この生成処理揺らぎを含めた処理時間が処理可能時間以内であれば、リアルタイムＯＳではなく、汎用ＯＳ上で地図描画用のソフトウェアをフレームトリガに同期して実行し、結果としてフレームトリガに同期した地図画像データ１２０を生成できる。
【００３４】
ここで、前述したように、フレームサンプル処理部１２は、地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）の各ウィンドウシステムの垂直同期周波数とフレーム周期の差を吸収する。このため、ウィンドウシステム上では、「（垂直同期周波数／フレーム周波数）×Ｎ」程度の間、同一の地図画像がディスプレイ上に連続して表示されている。この特徴を考慮して、フレームサンプル処理部１２は、パイプライン処理を実行する地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）から画面更新された画面出力データを抽出（検出）する。従って、地図処理時間が数十ｍｓｅｃのような「地図画像生成処理時間＞フレーム時間」の場合でも、各地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）は、結果として１フレーム毎の地図画像データ１２０を画像出力部１３に転送できる。
【００３５】
図２に示すように、画像出力部１３は、地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）によりフレームトリガに同期して生成された地図画像データ１２０から、１フレーム毎に地図画像をディスプレイの画面上に表示するためのビデオデータ２００を出力する（ステップＳ９）。この場合、前述したように、フレームサンプル処理部１２により、非同期に動作する地図生成処理部１５-1〜１５-N（１５-4）の異なる描画レートを調整するため、１画面の地図画像において更新の地図画像データ１２０のビデオデータ２００を出力できる。
【００３６】
以上のように本実施形態によれば、帯域分割処理部、フレームサンプル処理部、及びラウンドロビン構成の各地図生成処理部を有する構成により、汎用のソフトウェア（ＯＳ、ウィンドウシステム、地図描画用ソフトウェアを含む）を利用して、フレームトリガに同期した１フレーム毎の地図画像を生成してディスプレイに表示することができる。従って、地図生成機能を複数の機能毎に独立した専用のハードウェア基板として構成することなく、汎用のソフトウェアを利用可能な構成により、地図生成処理の高速化、相対的な低コスト化及び設計変更の容易性を実現することができる。
【００３７】
換言すれば、本実施形態の各地図生成処理部は、それぞれがフレームトリガに同期して動作するラウンドロビン構成であり、同一の汎用のソフトウェアを実行する各ＣＰＵカードにより構成されている。このような構成により、各地図生成処理部は、地図生成機能単位のパイプライン処理（負荷分散処理）により、フレームトリガに同期して各地図生成処理を実行することができる。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１…地図画像生成装置、１０…入力部、１１…帯域分割処理部、
１２…フレームサンプル処理部、１３…画像出力部、１４…監視・制御部、
１５-1〜１５-N…地図生成処理部、１６…外部記憶装置、
３０…バスプロトコル変換部、３１…キャッシュメモリ、
３２…外部記憶装置スイッチ、３３-1〜３３-N…ＦＩＦＯ、
４０-1〜４０-N…フレームレート変換部、４１-1〜４１-N…画面更新検出部、
４２-1〜４２-N…リングバッファ、４３…チャネルセレクタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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