虛擬交互設(shè)備在民機三維虛擬培訓中的應用研究

薛 婧

上海飛機客戶服務有限公司，上海 200000

虛擬交互設(shè)備在民機三維虛擬培訓中的應用研究

薛 婧

上海飛機客戶服務有限公司，上海 200000

本文以將虛擬交互設(shè)備應用于三維虛擬培訓為目的，針對多投影沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，基于ART跟蹤交互設(shè)備與Virtools軟件，研究了立體眼鏡、跟蹤攝像頭和三維手柄等交互設(shè)備的設(shè)備特點、配置安裝、校準方法、軟件部署等方面的內(nèi)容，提出了一種將虛擬交互設(shè)備引入三維虛擬培訓系統(tǒng)的方法。

三維；虛擬現(xiàn)實；虛擬交互；民機培訓

隨著三維數(shù)字樣機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在民用飛機領(lǐng)域，應用三維虛擬交互仿真的方式替代真實飛機/物理模型的傳統(tǒng)培訓，已經(jīng)逐漸成為一種趨勢。可以通過構(gòu)建基于多通道立體投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行虛擬培訓。波音公司采用了多種虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)用于飛行仿真、機務訓練、全機防爆等多種科目的人員培訓工作。空客公司在Airbus漢堡維護培訓中心，已建立兩套虛擬現(xiàn)實設(shè)備專用于維護培訓。國內(nèi)北京航空航天大學、飛機研究院所等單位等對于虛擬交互設(shè)備的應用均取得了不少研究成果，提出了許多有價值的新理論和新方法，但是國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與國外發(fā)達國家相比還有一定差距。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

當前的虛擬培訓系統(tǒng)大致可以分為桌面式、頭盔/眼鏡式、多通道投影式幾種。本文的研究將基于多通道投影式虛擬培訓系統(tǒng)，研究將交互設(shè)備應用于民機培訓的技術(shù)。多投影沉浸式虛擬培訓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分成三大部分：圖形生成系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)以及用戶交互系統(tǒng)，如圖1所示。其中用戶交互系統(tǒng)是實現(xiàn)用戶與虛擬培訓場景交互的人機界面。虛擬交互設(shè)備可分為多種：跟蹤器、交互手柄、數(shù)據(jù)手套等。為了實現(xiàn)人與計算機之間的交互，需要使用這些交互設(shè)備把用戶指令輸入計算機，同時把虛擬過程中的反饋信息提供給用戶。

圖1

2 跟蹤交互設(shè)備配置與校準

2.1跟蹤交互設(shè)備硬件

1）立體眼鏡。3D立體眼鏡有多種立體成像方式，主要有被動立體、主動立體等，現(xiàn)在新型的立體眼鏡是Infitech光譜立體眼鏡能夠提供舒適度和立體感非常強的立體場景。

2）跟蹤設(shè)備。跟蹤設(shè)備通過獲取眼位或手部跟蹤點，實現(xiàn)人的移動與虛擬場景移動的一致性。目前德國ART公司的光學跟蹤系統(tǒng)是精度較高的跟蹤系統(tǒng)，是通過紅外攝像頭對光敏點的識別來獲取位置信息的。

3）交互控制設(shè)備。交互控制設(shè)備有很多種，三維手柄、數(shù)據(jù)手套等均屬于虛擬交互控制設(shè)備。本文研究基于Flysticks 手柄。Flysticks是ART公司推出的手持式交互輸入設(shè)備，多達6個按鍵和一個方向控制搖桿，可實現(xiàn)控制導航、虛擬物體的拾取、菜單選擇和其他特性。

2.2跟蹤交互設(shè)備的配置與安裝

虛擬交互設(shè)備的配置主要是跟蹤設(shè)備的布置，如紅外跟蹤攝像頭的個數(shù)及安裝位置都需要與實際的投影系統(tǒng)相匹配，需要通過計算跟蹤范圍，布置攝像頭位置，以使跟蹤交互區(qū)域覆蓋虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的整個活動區(qū)域。虛擬交互設(shè)備的安裝包括攝像頭的安裝、攝像頭與控制器的連接、與交互主機的線路連接等。

2.3跟蹤交互設(shè)備校準

跟蹤交互設(shè)備校準對位置跟蹤的準確性進行調(diào)校，以確保位置跟蹤的精度。A.R.T跟蹤交互設(shè)備的校準可使用其自帶的DTrack軟件和空間校準套件進行，校準過程分為空間校準和眼位校準兩部分。

1）空間校準。打開校準軟件，將帶有坐標系的校準套件放在工作區(qū)域中心的地面上，根據(jù)實際情況調(diào)整XY軸的方向，站在坐標原點的工作人員開始使用T型校準工具繞原點旋轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，完成校準后，查看校準結(jié)果，正常情況下為85%以上為合格。

2）眼位校準。在彈出的“Body Calibration”對話框中選擇“Body”選項右側(cè)的下拉箭頭，會出現(xiàn)之前設(shè)定好的人體套件列表，選擇頭部跟蹤套件，與此同時，另一個工作人員身著相應的套件站立在工作區(qū)域的坐標原點位置，單擊“Calibrate”，開始檢測，檢測完成后就完成了眼位校準。

3 軟件部署

在沉浸式三維虛擬交互系統(tǒng)中實現(xiàn)立體場景顯示、虛擬漫游與虛擬交互，需要對外接跟蹤交互設(shè)備進行軟件的接入與校準，即在虛擬交互應用軟件中建立接入跟蹤交互設(shè)備的接口，并進行模型校準，使得真實物理空間的坐標與虛擬交互場景的坐標進行精確匹配。

在本文中選定達索公司的Virtools軟件作為虛擬交互應用軟件。Virtools軟件的VR Pack作為沉浸式的虛擬現(xiàn)實應用的解決方案，全面支持虛擬現(xiàn)實外圍配備以及集群式PC。Virtools中，首先需要在VRPack環(huán)境中建立跟蹤交互設(shè)備的接口，可在VRPack VRNRSamplesVRBaseSample.cfg文件中配置交互設(shè)備的種類和運行方式。其后在軟件中進行外接跟蹤交互設(shè)備的校準，可以使用VRPackCalibrationvrpnCalib. cmo校準模型，移動接收器并記錄小坐標軸沿大坐標軸的移動方向，根據(jù)記錄結(jié)果在VRPackSystemConfig VRDevice.cfg文件中添加相應的內(nèi)容的方式進行校準。最后可以使用控制點保持在理論上的空當位置的方法校準平移和旋轉(zhuǎn)的偏移量。因為跟蹤設(shè)備要在VRPack中應用配置，所以需要將校準過程中生成的代碼添加到VRPackVRNRConfigNavigationTrackingSystem VRNR_Tracking_VRPN.cfg文件中。

4 結(jié)論

本文對虛擬交互設(shè)備的分類、設(shè)備的配置安裝、設(shè)備校準及軟件部署等做了研究。虛擬設(shè)備在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，虛擬設(shè)備應用得當，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才能發(fā)揮其應有的作用。目前，我們實現(xiàn)了虛擬設(shè)備的硬件設(shè)備引入，為進一步的虛擬培訓內(nèi)容開發(fā)應用打下了基礎(chǔ)。

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TP3

A

1674-6708（2016）171-0108-01

薛婧，工程師，上海飛機客戶服務有限公司，主要從事飛行模擬訓練設(shè)備開發(fā)、虛擬培訓仿真等工作。