VR 仿生系統在艇員控制訓練中的應用

徐志立

(北京青年政治學院 電子政務研究所，北京 100102)

0 引 言

虛擬現實VR 技術是計算機技術、互聯網技術和傳感器技術的有機結合，是一門多學科綜合的新型技術，近年來成為國內外的研究熱點。虛擬現實技術又包括計算機圖形學、圖像處理技術、人機工程、傳感器技術、并行運算技術等，通過采集各類傳感信號，為用戶渲染一種實時的圖形環境，使用或在該圖形環境中具有與場景的交互功能。用戶與場景的交互通常包括鼠標鍵盤、VR 眼鏡、數據手套等。目前，虛擬現實技術已經在各個領域得到非常廣泛的應用，尤其是在交互性的大型游戲、工業系統的仿真、汽車與艦船等工業產品的虛擬裝配等領域。此外，利用虛擬現實技術的環境渲染功能，虛擬駕駛與虛擬控制平臺已經逐漸發展成熟，并成為當前的熱點研究。

艦艇的控制過程非常復雜，由于艦艇在航行時需要同時控制和監測動力系統、電力系統、雷達、導航與通信系統等，因此，對操作人員有較高的要求。目前艦艇操作人員的主要訓練方法是實踐訓練，這種訓練方法不僅要消耗大量的時間，還具有非常高的成本，且訓練效果也不盡如人意。本文研究的主要目的是提高艦艇操作人員的訓練效率，降低訓練成本和周期。本文基于虛擬現實技術，設計一種艦艇操作人員的虛擬控制訓練系統，并從原理和組成上進行詳細的介紹。

1 基于VR 仿生系統的艇員控制訓練系統的設計

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術最早是由美國人蘭尼爾提出的，將虛擬現實技術定義為用計算機技術形成一個三維場景，用戶利用自己的視覺，聽覺甚至嗅覺來與該虛擬場景進行信息的交互，信息的交互利用某些技能和設備。虛擬現實技術的核心包括以下兩方面：

1）建模技術

建模技術是虛擬場景的基礎，建模首先需要分析三維場景所需要的模型數據，通過提取模型數據，并在三維軟件中建立相關模型，從而構建逼真的虛擬場景。虛擬場景的建模可以分為非接觸式視覺建模和規則的CAD 建模，其中，非接觸式視覺建模針對的虛擬環境更加復雜，而CAD 建模針對的虛擬環境有更高的規律性。

2）圖像生成技術

圖像生成技術是虛擬現實技術的核心，也是當前虛擬現實技術的研究重點，圖像生成的刷新率直接決定了虛擬場景的逼真程度，也決定了虛擬場景中，人與場景的交互響應時間。通常圖像生成技術的刷新頻率至少要高于15 幀/s，某些世界領先的圖像生成技術，刷新率可達60 幀/s[1]。

虛擬現實技術的服務器主要包括Login 服務器[2]、VR 服務器、WEB 服務器和協調服務器4 種，圖1 為虛擬現實技術原理圖。

圖 1 虛擬現實技術原理圖Fig. 1 Principle diagram of virtual reality technology

1.2 虛擬仿真訓練系統的主體設計

本文針對艦艇操作人員設計的虛擬控制訓練系統，由多個計算機組成，分別負責不同的功能，計算機之間通過局域網相連，與艇員的交互節點形成一個閉環的系統。圖2 為艇員虛擬控制訓練系統結構圖。

圖 2 艇員虛擬控制訓練系統結構圖Fig. 2 Structure diagram of virtual control training system for crew

虛擬控制訓練系統的計算機包括操縱計算機、模型處理計算機和虛擬場景計算機，分別負責操縱與運算控制功能、模型處理功能和虛擬場景的渲染功能等。

1）操縱計算機

操縱計算機主要的功能是進行運算控制，同時也具有航跡顯示、通信、人機交互等功能，通過大量數據的分析和推算，模擬艦艇控制臺的多項功能，比如艦艇的起動、停止等。

2）模型處理計算機

虛擬系統中的3D 模型在該計算機中完成數據提取和建模，常用的建模軟件以3DS MAX 和UG 為主[4]，主要是因為該類三維設計軟件不僅具有良好的建模功能，還同時具有動態仿真與模擬裝配等功能，可以滿足艦艇虛擬控制系統的模型處理需求。

3）虛擬場景計算機

虛擬場景計算機主要負責圖像的實時生成、虛擬場景的持續渲染等，形象地將艦艇控制模擬系統呈現給受訓人員，虛擬場景計算機采用數字顯示面板和虛擬儀表盤等工具，將當前艦艇的運行狀態以指針或者信號燈的方式顯示，提高了虛擬場景的人機交互性能。

三維建模軟件市場上有多種，比如3DS MAX，CREO，Maya 等。其中，在艦船工業領域應用最廣的三維建模軟件是3DS MAX，同時結合Photoshop 進行模型的材質渲染，該軟件具有較高的建模效率和較強的曲面建模功能。本文選取3DS MAX 進行艦艇控制虛擬系統的建模，并結合XNA 開發工具[5]進行虛擬控制系統的開發。

圖3 為XNA 場景開發工具的技術體系架構。

圖 3 XNA 場景開發工具的主體架構Fig. 3 Principal architecture of XNA scenario development tool

2 基于VR 仿生系統的艇員控制訓練系統應用

2.1 工作流程

本文在設計艦艇虛擬控制仿真訓練系統時，針對受訓人員的掌握程度設計了多種訓練模式。其中，艦艇操縱過程的碰撞檢測以及在該場景下的艦艇控制是訓練的重點。

在該艦艇虛擬控制訓練系統中，允許受訓人員采用多種方式與虛擬場景交互，并需要從虛擬場景中提取具有價值的碰撞監測信號，進一步做出適當的艦艇控制操作，防止碰撞事故的發生。

虛擬場景中碰撞信號如下：

在該碰撞信號作用下，艦艇虛擬控制訓練系統的工作流程如圖4 所示。

通過構建VR 仿生系統，艇員可以在上艇前進行大量的VR 仿生訓練，通過近乎于真實的模擬艦艇航行中的實際情況，提升艇員的訓練效率和效果，為培養合格的艇員提供輔助。以虛擬碰撞為例，通過場景渲染，讓艇員真實感受到艦艇碰撞后的情景，并模擬艇員在進行操作后所出現的狀況，有利于提升艇員在艦艇操作過程中的應急能力。

2.2 硬件設備

圖 4 基于VR 的艇員控制訓練系統工作流程Fig. 4 Workflow of crew control training system based on VR

在基于仿生系統的艇員虛擬控制訓練系統中，為實現艇員的日常訓練所需的功能，必須要配置相應的虛擬場景感應設備和信號采集與傳輸設備，主要包括VR 頭盔顯示器和SCXI 信號調理系統。

1）VR 頭盔顯示器

VR 頭盔顯示器是一種頭戴式顯示器，這種顯示器將人體的聽覺、視覺等進行引導，使用戶產生一種置身虛擬環境之中的感覺。

Vive 頭盔顯示器采用2.4 in OLED 屏幕，成像率達到了1 020 P，屏幕具有90 Hz 的刷新率，能夠滿足艇員在虛擬訓練過程的艦艇操作場景變換所需。

同時，為了滿足虛擬現實頭盔在實際應用時的空間感和視角變化，Vive 頭盔采用了六軸陀螺儀[6]進行空間定位和運動行為的捕捉。在Vive 頭盔顯示器的前端內置了紅外激光顯示陣列，陣列的激光發射循環為10 ms，頭盔中的光敏器件通過接收激光發射器的信號，向VR 頭盔的處理器發送運動軸的轉動信號，補償受訓人員的運動軌跡和位置。

2）SCXI 信號接收與調制系統

基于VR 仿生系統的艇員虛擬控制訓練系統需要同時采集、分析和處理大量的數據信號，為逼真模擬艇員在艦艇控制過程的場景，需要建立三維虛擬模型與受訓主體之間的信號傳輸通道，形成一個閉環的信號反饋回路。

艇員虛擬控制訓練系統的傳感器包括物理傳感器和模擬傳感器2 種，物理傳感器又包括電偶傳感器、壓力傳感器、紅外線傳感器、電阻式測溫計等。本文在設計艇員虛擬控制訓練系統時，選用SCXI 信號接收與調制系統進行信號的采集和處理，將模擬信號轉換為虛擬訓練系統可以識別的數字信號。艇員虛擬控制訓練系統的模擬信號含有一些干擾信號，比如硬件設備自身的噪聲、圖像噪聲等，SCXI 信號接收與調制系統可以自適應調節信號的輸入范圍，通過調制電路和濾波電路進行信號的放大和噪聲過濾，滿足艇員虛擬控制訓練系統的信號傳輸精度。

2.3 場景視覺形成

在使用基于仿生系統的艇員虛擬控制訓練系統時，艇員的視角與虛擬現實頭盔現實的立體三維視角需要一個轉換過程，這個過程伴隨著六軸陀螺儀的運動方位控制過程。

艇員虛擬控制訓練系統的視覺投影原理圖如圖5所示。

圖 5 艇員虛擬控制訓練系統的視覺投影原理圖Fig. 5 Visual projection vrinciple of crew virtual control training system

在虛擬現實系統中，對于給定的三維物體造型，解算出其立體視覺圖像對便于立體觀察是很重要的。通常采用的方法是按照攝像模型沿不同的視點方向分別進行投影。

對于艇員視角的某一平面點（x，y）來說，在投影平面的坐標為，如下式：

d 為顯示平面上點距投影平面的距離。這種映射關系是一種標準的投影算法。

當視點為空間視點p（x，y，z）時，將視點在虛擬控制系統的左右兩成像平面上移動，分別移動至處，則對于左側成像平面的視點投影為：

3 結 語

為了提高艦艇操縱人員的訓練效率，降低訓練周期和成本，本文基于VR 技術，設計了一種艦艇虛擬控制訓練系統。使用VR 仿生系統對艇員進行訓練是未來的發展趨勢，同時隨著顯示技術和信息處理技術的不斷進步，VR 仿生系統的功能也必將越來越完善，更加有利于應用于各類訓練場景，使得模擬艦艇操作場景更加逼真。