基于CAVE系統(tǒng)與ZSPACE桌面展示平臺的飛機虛擬維修實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)

卿華 胡進

摘 要 針對多機型航空機務(wù)培訓(xùn)院校裝備教學(xué)條件建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)和困難，提出基于“CAVE系統(tǒng)”與“ZSPACE桌面展示平臺”的飛機虛擬維修實驗室建設(shè)解決方案，闡述實驗室組成、難點及解決辦法。從實際使用運行情況來看，取得較好訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞 CAVE；桌面平臺；虛擬維修；實驗室

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0042-04

1 引言

現(xiàn)代飛機科技含量越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、造價越來越昂貴。對于承擔(dān)殲強、轟炸、運輸、教練和直升機等多種機型機務(wù)人員培訓(xùn)任職教育院校，期望利用實裝開展裝備維修訓(xùn)練面臨諸多困難：一是新型飛機首先滿足部隊訓(xùn)練需要，院校一般難以同步配備，即使配備，其數(shù)量有限，也不能滿足培訓(xùn)需求；二是轟炸、運輸?shù)却笮惋w機對訓(xùn)練場地配套設(shè)施建設(shè)要求高，裝備教學(xué)場所擴容難，且花費大；三是現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)龐大，技術(shù)保密，模擬訓(xùn)練裝備開發(fā)費用高。所以，針對多機型航空維修保障訓(xùn)練需求，急需探索多機型裝備教學(xué)條件建設(shè)的新路子。

2 解決方案

面對多機型維修訓(xùn)練條件建設(shè)難題，綜合考慮仿真效果、培訓(xùn)員額和經(jīng)費效益等因素，提出基于“CAVE系統(tǒng)”與“ZSPACE桌面展示平臺”相結(jié)合的飛機虛擬維修實驗室建設(shè)解決方案。即將飛機數(shù)字模型取代實體原型進行飛機原理構(gòu)造教學(xué)和維修保障科目程序訓(xùn)練，面向機、軍、特、電等航空機務(wù)各專業(yè)學(xué)員，既有滿足多人協(xié)同訓(xùn)練的CAVE沉浸式訓(xùn)練系統(tǒng)，又有滿足單人的便攜式桌面訓(xùn)練平臺，統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一開發(fā)、統(tǒng)一管理。

其中，CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）

系統(tǒng)[1-2]是一種基于立體投影的沉浸式虛擬交互系統(tǒng)，它是以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)，把高分辨率的立體投影顯示技術(shù)、多通道視景同步技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等完美地融合在一起的沉浸式虛擬環(huán)境。典型的CAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是由3個面以上（含3面）硬質(zhì)背投影墻組成的高度沉浸的虛擬演示環(huán)境，配合三維跟蹤器，使人能完全沉浸在計算機創(chuàng)造的三維圖形世界里，從而獲得帶有震撼性的身臨其境的沉浸感受。其優(yōu)點是沉浸感強，缺點是成本相對較高，只能滿足5～8人同時使用。

為解決30人左右教學(xué)班人員培訓(xùn)需要，實驗室配套多臺ZSPACE桌面展示平臺。ZSPACE平臺是由加州Infinitez公司開發(fā)專門用于單人單桌的交互式展示平臺，主要由帶位置追蹤的3D顯示屏、立體眼鏡、操作光筆和圖形工作站等組成。與傳統(tǒng)的桌面三維視景系統(tǒng)不同，它可以跟蹤用戶的頭轉(zhuǎn)動和手的動作，實時調(diào)整用戶看到的3D圖像，利用光筆可以實現(xiàn)對飛機數(shù)字模型的操作和維護過程的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

3 詳細(xì)設(shè)計

飛機虛擬維修實驗室除了通用教學(xué)基本設(shè)施外，實驗室總體設(shè)計如圖1所示，主要由三通道CAVE立體投影系統(tǒng)、ZSPACE桌面展示平臺、總控系統(tǒng)和Quazar3D集成開發(fā)環(huán)境四部分組成。

CAVE投影系統(tǒng) CAVE投影系統(tǒng)硬件主要由立體投影顯示系統(tǒng)、幾何校正模塊、渲染管理工作站和位置跟蹤交互系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

1）立體投影顯示系統(tǒng)。實驗室選擇了雙機被動立體投影方案。被動立體也稱光學(xué)偏振顯示技術(shù)，是指通過兩臺投影機經(jīng)偏振化方向互相垂直偏振鏡片后，同時把兩個經(jīng)過特殊處理的圖像或影片同步放映顯示三維立體效果的圖像。被動立體投影的優(yōu)勢在于亮度高、立體感強、3D眼鏡價格便宜。投影機選用型號：NEC PX750U+。分辨率：1920×1200（16：10）。投影幕布采用3面C型布置，單面投影幕有效尺寸：3200 mm×2000 mm。以上配置實現(xiàn)了8000流明亮度及大屏幕下像素顆粒邊長1.67 mm，較好保證了圖像的亮度、清晰度。

2）幾何校正模塊。被動立體每通道由兩臺投影機投射的畫面疊加而成。為實現(xiàn)兩臺投影機畫面的完全重合，左右視差的準(zhǔn)確性依據(jù)通道間圖像的自然拼接。每臺投影機配備了大視電子MG200純硬件幾何校正模塊。該模塊內(nèi)部硬件采用大視電子的第二代高精度及高保真調(diào)整技術(shù)、非線性多濾波器技術(shù)和紋理補償技術(shù)，能夠?qū)斎氲膱D像信號進行實時的弧形、桶形、球面和其他多異形圖像校正，可完全保證畫質(zhì)的完美。

3）渲染管理工作站。因飛機模型數(shù)據(jù)量大，為提高虛擬維修系統(tǒng)的運行速度，系統(tǒng)采用基于Windows平臺的千兆分布式圖形工作站集群架構(gòu)，它包括一個管理節(jié)點工作站和三個圖形渲染工作站。管理節(jié)點工作站主要運行虛擬維修仿真軟件，三臺渲染節(jié)點工作站用于分布式圖形渲染與展示。圖形工作站均選擇HP Z820系列圖形工作站。

4）位置跟蹤交互系統(tǒng)。為實現(xiàn)CAVE系統(tǒng)中對場景和三維模型的漫游、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、隱藏和操作等交互功能，實驗室配備了ART位置跟蹤系統(tǒng)、Flystick漫游手柄和帶有頭部跟蹤的立體眼鏡等跟蹤交互系統(tǒng)。其中，ART位置跟蹤系統(tǒng)是德國生產(chǎn)的一種光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，是一種基于反射式的捕捉系統(tǒng)。當(dāng)ART的攝像機發(fā)出的紅外光打到反光球表面上時，反光球會反射同樣波長的紅外光給攝像機，從而捕捉攝像機可以確定每個反光球的2D坐標(biāo)，經(jīng)過ART的控制軟件處理便可以得到它的3D坐標(biāo)[3-4]。獲得人體頭、手等部位的三維坐標(biāo)后，再經(jīng)編程設(shè)計，就可使場景發(fā)生相應(yīng)變化。Flystick漫游手柄內(nèi)嵌了被動式的反光球，集成了5個按鈕和一個操縱桿的交互設(shè)備，可完美實現(xiàn)虛擬維修的交互、漫游功能。

ZSPACE桌面展示平臺 ZSPACE桌面展示平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主控機（講師）和教學(xué)機（學(xué)生）組成，通過網(wǎng)絡(luò)交換機把所有設(shè)備連接一起，組成封閉的局域網(wǎng)。在每一個機位配備獨立的圖形工作站和ZSPACE展示交互系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機與講師機相連。講師機位安裝集中控制管理軟件和虛擬維修交互展示內(nèi)容，整個培訓(xùn)過程既可以實現(xiàn)集中統(tǒng)一培訓(xùn)，也可以實現(xiàn)學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)[5]。