基于虛擬現實場景利用三維VR技術對“突發天氣狀況,云況觀測”進行的沉浸式培訓

趙玉琨

民航重慶空管分局 重慶 渝北 401120

引言

沉浸理論在1975年由美國芝加哥大學心理學教授Mihalyi Csikszentmihalyi首先提出。“沉浸”是 學習、工作時的最佳體驗,“沉浸式教學法”是指教育教學工作者在施教過程中巧妙運用多種教學手段,以學生的主體體驗為主,從其興趣點出發,進入 一種“沉浸”體驗的學習狀態,達到自主學習目的。

一、3維VR技術在氣象培訓中的應用設想

隨著現代互聯網技術的快速發展,尤其是現在5G網絡的普遍推廣,現代信息技術越來越多的應用到新老員工的培訓教學之中,新的培訓演練模式改變了傳統培訓中許多不足,不但能夠讓員工更好的鞏固培訓教材的知識點,更能夠改變傳統的工作學習思維方式,盡早的演練各種復雜的天氣情況從而在未來的工作中規避風險。本論文根據民航重慶空管分局探測室的實際情況,希望引入最新3維VR沉浸式交互技術,實現人和計算機模擬環境的多元化智能交互,進而進一步模擬各種天氣狀況,以及各類云狀、云況,教員通過全息投影便可查知佩戴3D眼鏡培訓的員工處理各種突發情況的應變能力,進一步提高員工的自主性思考,結果可為構建具有民航特色的現代化天氣、云狀虛擬場景奠定基礎。

首先借助VR引擎在虛擬環境中構建可視的外部三維視景,如地形地物(重慶江北機場、跑道、燈光、塔臺、導航臺站、城市、村莊、山川、河流、樹木、鐵路、公路等)、天氣現象(雨、雪、霾、霧、冰雹等),云狀(層積云、淡積云、積雨云等)、實況風速、氣壓等為觀測員營造近似真實的觀測環境。

通過前期根據江北機場實況營造的虛擬現實場景,使氣象員佩戴VR頭顯設備所看到的正前方視景和轉動頭部所看到的視景,與站在觀測平臺看到的真實影像一致。使其具有較強的真實感,為在虛擬環境下完成特情處置奠定良好基礎。

在氣象觀測過程中,觀測員可自行選擇或由教員選擇啟動預先設定的特情程序。特情一旦啟動,氣象觀測員即可在頭顯中觀察到各種天氣要素的發生變化,以及出現相應特情顯示,觀測人員需要根據出現的情況,臨場做出處置,從而達到模擬練習,精準規避風險的目的。

在傳統的氣象觀測技能比拼中,有一項是看云圖(電腦照片)識別,明顯發現大家對日常工作中常見的云類較為熟知,而平日少見的云類,云狀記憶比較模糊,確實大家對于少見的云類還停留在圖片等二維平面,如果工作中偶爾遇到此類云狀,很容易影響決斷的時間,如果運用了虛擬現實技術,我們變可以日常三維還原各類云狀、云況,是氣象觀測員對于云類識別的技能提升一個檔次。

二、完善虛擬場景的搭建與天氣模擬軟件模型構建

那么虛擬現實場景的搭建需要的設備如下:

1.VR頭顯設備。可采用例如:HTC VIVE套裝,包含定位器、頭顯及手柄(備用)。

2.專用PC。建議電腦配置:

GPU:NVIDIA?GeForce?GTX 970、AMD Radeon?R9 290同等或更高配置

3.數據手套。選用超感自主研發多交互智能手套Miiglove。

4.可接收藍牙的投影儀或者電視

三、虛擬現實場景的搭建同樣需要天氣模擬軟件模型構建

1.構建天氣系統仿真軟件,用于支持氣象員識別各種機場可能發生的天氣現象,以及識別各類云高、云狀。

2.構建視景庫軟件,用于支持各種天氣環境下所需室外外真實景象使觀測員在訓練中獲得視覺上的參照信息,達到身臨其境的效果;

3.構建燈光、音響、通訊軟件,用于支持特情中的各種顯示及音效。

4.構建航電系統軟件,用于支持飛行中平顯、多功能顯示器、儀表的相關顯示;

5.構建質量評估軟件,用于支持訓練過程記錄和回放,客觀評定特情處置成績。

6、軟件與硬件的匹配性與實際一致。

四、關于沉浸式氣象觀測教學培訓的研究

3維VR沉浸式交互技術優勢在于,VR-虛擬現實技術是一種新的信息傳達工具,其具備三個特性:交融性、交互性和構想性,相較于傳統的多媒體和3D顯示課件,可以提供更加優秀的視聽覺真實感和實時操作反饋。3維VR沉浸式交互技術除了傳統的3D顯示外,重點的演進變化特征在于:雙眼3D主動式鏡片,使得雙眼的可視面積更大,可以達到人體眼球標準的可視角;帶頭部追蹤的隨動顯示,使得頭部轉動可以和視角轉動同步,帶來強烈的沉浸體驗;具備手部動作追蹤,使得使用者可以用手部動作同步獲得交互;立體聲可以隨著頭部轉動而變化聲音大小。因此,與普通虛擬仿真技術類課件相比,此技術應用于民航氣象培訓時其具有如下優勢:帶有頭部交互的3維視角,使得員工可觀察到天氣狀況的各個視角,儀器展現的天氣特征與細節更加容易被掌握;手部互動的操作感比鼠標鍵盤更加真實;身臨其境的場景感,加深了受訓員工們的理解和記憶。

結論

對于空管系統氣象探測新員工的培訓,仍停留在看圖學習,文字解讀天氣現象的階段,員工很難在放單前遇到各種復雜天氣狀況,以及正確的識別各種云狀,為加強新老員工對于突發天氣狀況的了解,特通過引進三維VR設備開展對“突發天氣狀況,云況觀測”的沉浸式培訓,通過學習這種全新的技術,讓受培訓的氣象員工們身臨其境 的感受各種天氣狀況的變化,以便日后工作更好的對于突發 天氣狀況進行應急。