基于虛擬現(xiàn)實技術的光學測風訓練系統(tǒng)設計

昝興海,孫寶京,馬 林

(陸軍炮兵防空兵學院士官學校,遼寧 沈陽 110867)

1 系統(tǒng)需求分析

氣象探測中光學測風[1]作業(yè)由于具有操作便捷,作業(yè)靈活,便攜性強等優(yōu)點,在各氣象保障分隊得到廣泛應用。該作業(yè)通過操作光學測風經(jīng)緯儀跟蹤空中測風氣球,實時測定氣球的仰角和方位角,計算獲取各高度的風向風速信息,形成氣象保障產(chǎn)品。

光學測風采用人工跟蹤方式實現(xiàn)測量,作業(yè)時采用“軌跡法”進行探測,即以氣球的軌跡變化反映風的變化,其精度取決于操作人員對裝備的熟練程度和作業(yè)環(huán)境。實裝訓練時,氣球施放需要申請空域,訓練頻次受空域管制限制;氣球充灌需要氫氣保障和人員充放球協(xié)同配合,訓練的時機和強度受作業(yè)環(huán)境和條件限制,影響訓練效果;訓練過程中無法實時獲取跟蹤和觀測真值,導致訓練效果難以定量評價,訓練評定受評估方法限制。從而造成光學測風作業(yè)訓練效率低、效果差、不能定量評定訓練水平,且實裝訓練會帶來大量的人力資源和物資器材損耗。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及其在軍事訓練中的廣泛應用[2-8],為光學測風訓練提供了新的思路[9]。

光學測風訓練系統(tǒng)在無須施放氣球的情況下,通過構建虛擬訓練環(huán)境,取得與實裝訓練相同的訓練場景、跟蹤效果和訓練反饋,實現(xiàn)光學測風作業(yè)模式的模擬訓練,不僅能完成光學測風的基本操作訓練和戰(zhàn)術運用訓練,而且解決了無球訓練、定量評估等問題,能有效實現(xiàn)光學測風過程訓、考、評的有機統(tǒng)一。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)立足于光學測風保障模式的特點和流程,以實現(xiàn)氣象分隊訓練過程可視化、訓練場景定制化、訓練評估定量化為目標,主要用于氣象分隊的測風準備、測風實施、數(shù)據(jù)處理等全過程測風訓練,可實現(xiàn)以下功能:

1)訓練環(huán)境構建。可根據(jù)訓練需要,選擇不同訓練背景,自定義訓練時間、訓練地點、訓練天氣等,構建地面及空中訓練環(huán)境,提高光學測風訓練的針對性和適應性。其中，地面環(huán)境用于觀測地域的選擇、目標物角度測量等科目訓練;空中環(huán)境用于測風跟蹤實施訓練,是環(huán)境構建的重點。

2)氣球運動模擬。可根據(jù)歷史觀測資料或自定義軌跡模擬氣球在訓練場景中的軌跡變化及大小變化,實現(xiàn)光學測風的無球訓練。

3)實時姿態(tài)反饋。通過在測風經(jīng)緯儀實裝上改裝姿態(tài)傳感器及封閉交互式視景裝置,實時反饋裝備的仰角、方位角及刻度盤等數(shù)據(jù),對視景中的氣球及環(huán)境進行更新,獲得與實裝訓練一致的操作體驗。

4)訓練過程監(jiān)控。可通過管理終端對訓練場景進行定制管理,監(jiān)控訓練全程,實現(xiàn)訓練效果的可視化。

5)訓練效果評估。可對訓練過程、訓練結果進行定量評估。

2.2 系統(tǒng)結構

光學測風訓練系統(tǒng)由管理終端和訓練終端兩部分組成，總體結構如圖1所示。

圖1 光學測風訓練系統(tǒng)總體結構圖

訓練終端由測風經(jīng)緯儀模擬終端及數(shù)據(jù)處理終端組成,測風經(jīng)緯儀模擬終端在測風經(jīng)緯儀實裝基礎上加裝姿態(tài)傳感裝置、虛擬現(xiàn)實設備、數(shù)據(jù)采集設備及控制模塊等,數(shù)據(jù)處理終端采用實裝配套的便攜式處理平臺、計算器平臺或手工作業(yè)平臺。訓練時,根據(jù)管理終端設置,控制模塊在訓練終端測風經(jīng)緯儀主望遠鏡或輔望遠鏡目鏡端的虛擬現(xiàn)實顯示器中生成訓練場景,參訓人員觀測虛擬視景中氣球的軌跡變化,并通過定向傳動裝置、方位傳動裝置、俯仰傳動裝置實時跟蹤,數(shù)據(jù)采集裝置實時獲取測風經(jīng)緯儀的仰角、方位角,一方面將姿態(tài)反饋至控制模塊,通過管理終端對虛擬視景進行實時更新,對測風跟蹤訓練效果進行過程評估,另一方面將觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端,完成數(shù)據(jù)處理,并將處理結果以產(chǎn)品數(shù)據(jù)的形式反饋至管理終端進行結果評估。

管理終端為臺式計算機或服務器,部署有數(shù)據(jù)庫模塊、視景管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。其中，數(shù)據(jù)庫模塊用于歷史觀測資料、訓練資料等數(shù)據(jù)的存儲和管理,為虛擬仿真模型的構建及訓練效果評估提供數(shù)據(jù)支撐;視景管理模塊用于設置、渲染生成氣球運動虛擬訓練場景,并根據(jù)訓練終端的場景反饋、姿態(tài)反饋情況實時更新;系統(tǒng)管理模塊用于人員管理、視景模型管理、氣球運動軌跡模型管理、訓練評估管理等;訓練場景顯示器可全程顯示測風訓練跟蹤情況。

2.3 訓練流程

光學測風訓練既可以通過一對一方式進行。也可以通過一對多方式進行,在一對一模式下,一個管理終端對應一部訓練終端;一對多模式下,各子訓練終端通過管理終端的設定科目,統(tǒng)一進行訓練及考核，其訓練流程如圖2所示。

圖2 光學測風訓練系統(tǒng)訓練流程示意圖

管理員利用管理終端設置訓練場景、氣球軌跡等,生成虛擬訓練場景。參訓人員操作訓練終端,完成測風經(jīng)緯儀的架設、調平、裝定等準備工作,通過測風經(jīng)緯儀光學裝置觀察氣球運動軌跡,判斷測風經(jīng)緯儀姿態(tài)與視景中氣球坐標的偏差,調整實裝仰角及方位角,并通過測角裝置將仰角、方位角信息傳輸至管理終端,更新視景模型中氣球運動,觀測結束后，參訓人員通過數(shù)據(jù)處理裝置,獲取各高度上的層風、真風、彈道風等數(shù)據(jù)。管理終端全程監(jiān)控參訓人員的測風跟蹤情況,根據(jù)測風實施過程及測風結果對訓練效果進行定量評估。

3 硬件設計

3.1 硬件結構

光學測風經(jīng)緯儀主體由光學望遠鏡、定向裝置、測角裝置、水平裝置、照明裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、面板等部分組成。光學測風訓練系統(tǒng)立足于實裝,根據(jù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)反饋需求對測風經(jīng)緯儀主體進行加裝設計。具體包括:在主望遠鏡、輔望遠鏡目鏡端,加裝虛擬現(xiàn)實設備,用于虛擬訓練場景的顯示;在方位傳動結構、俯仰傳動結構、定向傳動結構中,加裝姿態(tài)傳感裝置,用于測風經(jīng)緯儀仰角、方位角的實時測量和姿態(tài)反饋,更新訓練視景;加裝控制電路模塊,改裝控制面板電路,用于信號、接口的控制,以及各功能按鍵和選擇開關的響應,以實現(xiàn)與視景的交互。光學測風經(jīng)緯儀結構及加裝示意圖如圖3所示。

3.2 信號反饋流程

根據(jù)功能響應的不同,控制系統(tǒng)中的信號分為DI信號、AD信號、視景信號及控制信號。仿真控制單元及信號反饋流程如圖4所示。

圖4 仿真控制單元及信號反饋流程圖

1)DI信號,為數(shù)字量輸入接口,主要用于各功能按鍵的電路響應,在實裝電路板的基礎上引出按鍵信號,設計電路板,加裝在測風經(jīng)緯儀腔內。

2)AD信號,為模擬量輸入接口,用于選擇開關以及方位、俯仰、定向調整轉螺的控制響應。其中選擇開關包括倍率選擇開關、進光狀態(tài)開關,倍率選擇開關用于模擬測風經(jīng)緯儀主望遠鏡和輔助望遠鏡的選擇切換,控制虛擬視景中氣球模型以及環(huán)境模型的縮放比例;進光狀態(tài)開關用于模擬測風經(jīng)緯儀進光反射鏡的開關,控制虛擬視景的亮度。在方位、俯仰、定向調整轉螺的傳動下,角度傳感器和編碼器產(chǎn)生脈沖信號,由控制系統(tǒng)驅動視景更新。

3)視景信號,通過VGA接口與控制系統(tǒng)、顯示器、管理終端進行交互,生成訓練視景,分別傳輸至管理終端訓練場景顯示器以監(jiān)控訓練過程,以及測風經(jīng)緯儀目鏡端虛擬現(xiàn)實設備顯示器以更新訓練視景。

4)控制信號,用于控制視景的更新以及通信傳輸?shù)?通過USB接口與管理終端進行交互。

4 軟件設計

4.1 軟件組成

光學測風訓練系統(tǒng)軟件由虛擬場景生成模塊、姿態(tài)反饋模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、訓練效果評定模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊等組成。

1)虛擬場景生成模塊。通過設置訓練時間、天空云量、氣候、氣球初始大小、氣球運動軌跡或氣球升速等,渲染生成虛擬場景,分別在訓練終端視景顯示器和管理終端訓練場景顯示器同步顯示。

2)姿態(tài)反饋模塊。根據(jù)光學測風經(jīng)緯儀的仰角、方位角姿態(tài)傳感器獲取的實時數(shù)據(jù),對訓練終端的視景及管理終端的訓練場景同步動態(tài)更新。

3)數(shù)據(jù)處理模塊。觀測結束后,通過光學測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲取測風結果數(shù)據(jù)。

4)訓練效果評定模塊。根據(jù)測風實施過程中各觀測時刻操作員跟蹤氣球誤差,獲取訓練過程評定數(shù)據(jù),根據(jù)測風數(shù)據(jù)處理結果,與真值比對獲取結果評定數(shù)據(jù),實現(xiàn)訓練效果的定量評估。

5)數(shù)據(jù)庫管理模塊。對光學測風訓練的視景數(shù)據(jù)、歷史觀測資料數(shù)據(jù)、訓練信息數(shù)據(jù)進行管理。

4.2 氣球運動軌跡模型

氣球是光學測風作業(yè)的跟蹤目標,如何逼真地模擬氣球相對于訓練環(huán)境的運動軌跡是虛擬仿真環(huán)境構建的關鍵。

為使光學測風訓練能夠真實地反映實際氣象條件,系統(tǒng)中基于高空探測裝備及光學測風經(jīng)緯儀歷史實裝探測數(shù)據(jù),反演氣球隨時間的軌跡變化。

各歷史探測數(shù)據(jù)以(Ei,Ai,ti,Hi)格式存儲在數(shù)據(jù)庫中,其中ti為某次實裝探測中第i組觀測數(shù)據(jù)的獲取時刻,Ei為ti時刻高空探測裝備天線仰角或測風經(jīng)緯儀觀測仰角,Ai為ti時刻高空探測裝備天線方位角或測風經(jīng)緯儀觀測方位角,Hi為ti時刻氣球高度,由此，可計算出該時刻氣球的空間位置坐標(xi,yi,Hi,ti)

其中,Li為ti時刻氣球與觀測點的空間距離,xi為ti時刻氣球在地面投影東分量,yi為ti時刻氣球在地面投影北分量。

視景中氣球的軌跡變化應為連續(xù)的,為防止觀測訓練過程中出現(xiàn)視覺上的氣球軌跡跳變,對于兩觀測時刻(ti,ti+1)區(qū)間內的氣球軌跡變化,可通過內插方法分別構建該區(qū)間上的東分量、北分量和高度坐標變化曲線。

4.3 視景模型

系統(tǒng)中的視景采用虛擬現(xiàn)實渲染生成,由Unity3D游戲引擎驅動,主要由環(huán)境模型、氣球模型、刻度模型構成。

光學測風作業(yè)模式采用人工跟蹤方式,其觀測能力與訓練環(huán)境,尤其是空中環(huán)境息息相關。為使虛擬訓練環(huán)境與實際環(huán)境盡可能保持一致,環(huán)境構建時,系統(tǒng)中融入天空背景模型[10-11],區(qū)分白晝及晴天、少云、多云、陰天。在白天,重點考慮日光、環(huán)境光對氣球模型的光線影響,以及云層對氣球的遮擋效果;在夜間,實裝觀測時，氣球下方通常懸掛測風燈籠或Led燈光等,以便于光學觀測,因此在虛擬環(huán)境構建中不僅要考慮月光對氣球模型的光線影響以及云層遮擋,同時應關注夜間星空對氣球的觀測干擾。環(huán)境模型由管理終端設置生成,并根據(jù)訓練終端測風經(jīng)緯儀仰角、方位角的姿態(tài)變化實時更新。

隨著氣球與觀測點空間距離的變化,氣球相對于人眼的視角也在不斷變化,視覺大小也在不斷變化,反映到虛擬訓練視景中即為氣球大小隨空間距離的變化,系統(tǒng)中根據(jù)氣球與觀測點的實時空間距離Li以及測風經(jīng)緯儀主、輔望遠鏡的放大倍率對視景中氣球大小進行比例縮放。

刻度是測風經(jīng)緯儀觀測視野的重要組成部分,分為上下兩組刻度,上刻度為仰角,下刻度為方位角,在方位調整轉螺、俯仰調整轉螺、定向調整轉螺的傳動下,刻度發(fā)生相應的變化。系統(tǒng)中,視景中的刻度采用虛擬現(xiàn)實技術構建,在方位、俯仰、定向角度傳感器及編碼器的作用下,進行實時更新。根據(jù)實裝特性,方位、俯仰調整轉螺更新整個虛擬視景,包括環(huán)境、氣球以及刻度,而定向轉螺只對刻度進行更新,且更新響應速度與實裝轉螺響應幾乎一致。

系統(tǒng)中構建的虛擬視景在訓練終端顯示器和管理終端顯示器中顯示如圖5,圖6所示。

圖5 訓練終端顯示器觀測視景

圖6 管理終端顯示器顯示視景

4.4 數(shù)據(jù)庫模型

光學測風訓練系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配置于管理終端,在邏輯上分為系統(tǒng)基礎庫、視景數(shù)據(jù)庫、歷史資料庫、訓練信息庫四個部分。

1)系統(tǒng)基礎庫。主要存放用戶信息、碼表信息和系統(tǒng)配置信息,是系統(tǒng)運行的基礎數(shù)據(jù)庫。

2)視景數(shù)據(jù)庫。主要存放環(huán)境數(shù)據(jù),如天空背景數(shù)據(jù)、云狀云量數(shù)據(jù)、日光數(shù)據(jù)、月光數(shù)據(jù)、星光數(shù)據(jù)等;氣球數(shù)據(jù),如氣球顏色、氣球大小等,是虛擬訓練環(huán)境構建及氣球模型構建的數(shù)據(jù)基礎。

3)歷史資料庫。主要存放高空氣象探測裝備歷史探測資料,如裝備信息、探測時間、探測地點、各時刻天線仰角方位角數(shù)據(jù)、各高度上的風向風速數(shù)據(jù)、探測產(chǎn)品數(shù)據(jù)等;光學測風經(jīng)緯儀歷史觀測資料,如觀測時間、觀測地點、規(guī)定時刻仰角方位角、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等,是虛擬訓練環(huán)境中氣球運行軌跡及氣球大小變化的數(shù)據(jù)基礎。

4)訓練信息庫。主要存放光學測風訓練場景設置數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、結果數(shù)據(jù),是訓練效果評估的數(shù)據(jù)基礎。

5 結束語

本文針對當前氣象分隊光學測風訓練效率低、環(huán)境單一、效果無法定量評估等問題,采用虛擬現(xiàn)實技術,構建多樣化的訓練環(huán)境,滿足復雜環(huán)境下的訓練需要，克服空域限制導致的訓練頻次、訓練強度受限等問題,可實現(xiàn)無球訓練,節(jié)約訓練經(jīng)費。通過對光學測風作業(yè)模式的全過程仿真訓練,實現(xiàn)訓、考、評有機統(tǒng)一，采用在實裝操作終端中嵌入硬件式結構、分布開放式訓練習題庫設計,滿足較好的可加裝性和拓展性需求,具有良好的軍事經(jīng)濟效益。