VR技術(shù)在天氣雷達(dá)速調(diào)管更換中的應(yīng)用

王 龍，陳昌迪，馮婉悅，高 原，張葉杰

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象技術(shù)裝備保障中心，烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830002)

0 引言

CINRAD/CC型天氣雷達(dá)速調(diào)管是價格昂貴的微波電真空消耗器件[1]，其設(shè)計使用壽命在8000 h，正常情況下每年都應(yīng)該更換該器件。速調(diào)管的更換存在一定的技術(shù)難度及經(jīng)濟風(fēng)險，氣象部門基層雷達(dá)站的保障人員沒有更換該器件的資質(zhì)和經(jīng)驗，大部分的雷達(dá)都是由廠家的專業(yè)人員承擔(dān)更換速調(diào)管的工作。

在傳統(tǒng)更換速調(diào)管的作業(yè)培訓(xùn)過程中，由于保障人員理解能力的偏差導(dǎo)致掌握的程度不一致。理論知識培訓(xùn)結(jié)束后，實際操作訓(xùn)練也存在困難。且雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)帶有高壓，操作時要謹(jǐn)慎，操作過程中會造成一些貴重材料或者工具損耗，因此傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式成本高，效果不理想。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)包含網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機交互技術(shù)、計算機圖形學(xué)技術(shù)于一體。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對現(xiàn)實世界的行為活動進(jìn)行仿真，并對用戶的位置、姿態(tài)等做出實時響應(yīng)，借助一些交互設(shè)備可以使參與者以接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，從而使參與者和虛擬環(huán)境之間建立起實時的交互關(guān)系，產(chǎn)生與真實環(huán)境中相似的感覺體驗[2]。文章提出利用VR技術(shù)的特性，模擬一個虛擬空間使保障人員能夠身臨其境地對雷達(dá)速調(diào)管進(jìn)行測試、拆卸和安裝，當(dāng)雷達(dá)速調(diào)管出現(xiàn)故障時，保障人員經(jīng)過短暫的學(xué)習(xí)后能對速調(diào)管進(jìn)行更換。使用VR技術(shù)的培訓(xùn)方式，不管是在培訓(xùn)成本、培訓(xùn)效果還是在安全性方面相比于傳統(tǒng)方式都有明顯改進(jìn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)組成

雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)的組成包括3部分：1)虛擬環(huán)境產(chǎn)生器：該部分主要用于產(chǎn)生雷達(dá)機房3D場景的軟硬件環(huán)境，可以感知保障人員的活動軌跡(如手、眼、頭部的運動)，并通過分路/分時獲得左右眼圖像，融合生成可視化的三維場景，同時對機房的聲音進(jìn)行三維合成，并向保障人員發(fā)出觸覺、聽覺、視覺等反饋信號；2)數(shù)據(jù)接口：數(shù)據(jù)接口的作用是將虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、輸入輸出設(shè)備以及保障人員等有機地連接成一體，包括硬件協(xié)配、聯(lián)調(diào)及人機界面等技術(shù)內(nèi)容；3)輸入輸出設(shè)備：是指頭戴顯示器、數(shù)據(jù)手套、語音識別設(shè)備等。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過輸入設(shè)備接收保障人員的動作、姿態(tài)和聲音，通過輸出設(shè)備進(jìn)行反饋，使保障人員可以駕馭虛擬出來的雷達(dá)機房場景。

1.2 設(shè)計流程

文章利用VR技術(shù)和相關(guān)軟件設(shè)計雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)，其中涉及的軟件為Unity3D軟件、3dMax以及 Photoshop軟件。Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的具有全面整合作用的專業(yè)引擎。其創(chuàng)建的目的是為游戲從業(yè)人員創(chuàng)建三維動畫、實現(xiàn)建筑可視化等[3]。使用該軟件可構(gòu)建虛擬雷達(dá)機房的三維場景并模擬各種物理學(xué)運動，實現(xiàn)重力、碰撞、摩擦等自然現(xiàn)象。雷達(dá)機柜、測試儀表及各類工具的建模是利用3dMax軟件實現(xiàn)的，3dMax軟件是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，具有強大3D建模功能，使用可堆疊的建模技術(shù)，可以有效降低復(fù)雜模型的制作難度。Photoshop軟件主要是用來處理和制作建模的紋理貼畫。

文章設(shè)計的主要思路是通過攝像采集雷達(dá)真實場景的平面模型使用Photoshop軟件處理紋理貼畫，利用3dMax軟件構(gòu)建虛擬模型并導(dǎo)入Unity3D軟件，驅(qū)動場景實現(xiàn)交互。流程如圖1所示。

圖1 雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)開發(fā)過程

1.3 環(huán)境搭建

雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)是建立模型，在建模前需要分析雷達(dá)場景的布局設(shè)施，需要的數(shù)據(jù)及資料包括：

1)實景尺寸：包括雷達(dá)機房空間結(jié)構(gòu)、尺寸，雷達(dá)機柜形態(tài)等。根據(jù)提供的實物尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶1建模。

2)紋理貼圖：使用攝像設(shè)備采集雷達(dá)機房實景，利用Photoshop軟件處理采集到的圖像制作三維貼圖，使系統(tǒng)畫面顯示接近真實環(huán)境。

3)場景規(guī)劃：羅列出需要的不同場景如培訓(xùn)模式或練習(xí)模式，具體描述各個場景需要實現(xiàn)的功能和業(yè)務(wù)邏輯，輸出場景列表。

4)其他數(shù)據(jù)：實地測量建模所需要的其他數(shù)據(jù)[4]。

1.4 建模

文章使用3dMax軟件構(gòu)建虛擬模型，3dMax中的建模方式有很多種，根據(jù)不同模型的特點找到合適的方法。基礎(chǔ)建模適用于大多數(shù)情況，包括對幾何體的編輯和樣條線的編輯，適合構(gòu)建雷達(dá)機房中大面積物體如墻面、地面和機柜等。多邊形建模功能強大，基本可以構(gòu)建所有復(fù)雜的雷達(dá)部件、儀表和工具。

根據(jù)需要設(shè)計雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)模型：

1)房屋和大型機柜模型，其中包括雷達(dá)機房和4個雷達(dá)機柜及工作臺。建模時要按照數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)幾何體模型，由幾何體模型構(gòu)成虛擬機房[5]。文章設(shè)計的重點是速調(diào)管機柜，為確保場景渲染和后期交互是流暢的，對于非重點建筑物的貼圖可以不用過于清晰[6]。

2)各類工具、附屬設(shè)備和測試儀表屬于體積小結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，構(gòu)建模型時需要結(jié)合多邊形建模、復(fù)合建模等高精度建模方式。速調(diào)管的波導(dǎo)管由圓柱體，長方體和曲型長方體嵌套構(gòu)成，使用FFD自由變形修改器操縱物體的空間平行點陣對波導(dǎo)管施加柔和的力來完成變形精確控制彎曲的范圍。

3)模型制作完成后上傳，點擊創(chuàng)建作品跳轉(zhuǎn)到模型場景庫逐一添加模型。每個模型的大小和位置可以調(diào)整。使用工具條選中模型，對模型進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、刪除等操作，或直接在屬性欄中輸入對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。

建模過程中模型的優(yōu)化也很重要，對于大面積的模型，比如地面、墻面和長條物體等，可以通過把物體切成多塊的方式來解決烘培精度不高而導(dǎo)致模糊的問題。另外在一些場景中將部分體積較小的物體塌陷成一個物體，可以有效減少烘培的時間，加快模型在Unity3D中的載入和程序的運行速度。

為了保證所有模型的高度真實感，在3D模型結(jié)構(gòu)仿真的同時，還要對模型的材質(zhì)進(jìn)行貼圖和渲染。材質(zhì)是指物體的材料、質(zhì)感，即物體本身的材料屬性與紋理[7]。使用Photoshop軟件處理采集到的圖片并存入資源管理器中，以便貼圖時調(diào)用。利用3ds Max軟件將虛擬模型導(dǎo)入Unity3D 軟件，添加碰撞器后將模型的特征數(shù)據(jù)在Unity3D 軟件中進(jìn)行重組表達(dá)[8]。

1.5 實現(xiàn)交互技術(shù)

輸入輸出設(shè)備是實現(xiàn)交互技術(shù)的關(guān)鍵，主要包括頭戴顯示器、數(shù)據(jù)手套、語音識別設(shè)備及各類傳感器。在進(jìn)行交互時，戴在身體上的傳感器可以有效感知保障人員在虛擬的雷達(dá)機房場景中的活動軌跡，并將雷達(dá)機房中的物體(雷達(dá)部件、各類工具及附屬器件)狀態(tài)反饋回來。如距離傳感器可以感知保障人員與虛擬雷達(dá)速調(diào)管之間的距離，頭部的位置傳感器可以檢測到頭部的方位。固定在手背上的跟蹤器可以確定數(shù)據(jù)手套的空間位置和方位，各手指有可彎曲的柔性傳感器，柔性傳感器可測量拇指與其余各手指及關(guān)節(jié)的方位角。手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺，可以有效感知手部與雷達(dá)接觸時的一系列動作，如拆裝速調(diào)管、安裝連接線或緊固螺絲等。還有將虛擬雷達(dá)機房中的力覺信息反饋給保障人員的力覺傳感器、檢測聲音的語音識別設(shè)備以及檢測人體姿勢的跟蹤傳感器等。

交互技術(shù)是將虛擬的雷達(dá)站場景與保障人員連接在一起的紐帶，為了保證虛擬雷達(dá)速調(diào)管系統(tǒng)的實時響應(yīng)和系統(tǒng)逼真度，需要加入天空盒以及行走、旋轉(zhuǎn)、動畫等功能，同時在雷達(dá)機柜及儀表工具間建立碰撞規(guī)則。交互效果的具體設(shè)計包括以下幾個方面：

1)設(shè)計交互動作模式：設(shè)計系統(tǒng)感知保障人員在虛擬雷達(dá)機房中的身體姿態(tài)動作；

2)設(shè)計交互按鈕：可以選擇鼠標(biāo)、空間球或數(shù)據(jù)手套等來觸發(fā)事件控制效果；

3)設(shè)置語音系統(tǒng)：語音系統(tǒng)使虛擬雷達(dá)環(huán)境聽懂保障人員的語言，并能實時交互；

4)設(shè)計特效：模擬室內(nèi)燈光效果，并調(diào)整光線射入角度及場景中物體投影方向等，增加光暈效果，提升雷達(dá)機房逼真度；

5)設(shè)計存儲和瀏覽系統(tǒng)：該系統(tǒng)可將更換雷達(dá)速調(diào)管的過程進(jìn)行存儲，后期制作相關(guān)語音文字說明，當(dāng)需要瀏覽時調(diào)用出來，為保障人員快速學(xué)習(xí)提供幫助；

6)設(shè)計音效：為提高場景渲染力增強保障人員感受，需要在虛擬雷達(dá)環(huán)境中加入背景音，對應(yīng)的活動進(jìn)行相應(yīng)的音效設(shè)計，同時加入聲音大小滑桿控制。

2 實際應(yīng)用

2020年4月，石河子天氣雷達(dá)速調(diào)管出現(xiàn)故障，經(jīng)判斷為雷達(dá)工作時間過長導(dǎo)致速調(diào)管性能下降，需要更換。新疆氣象裝備保障中心利用雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)對新入職的保障人員進(jìn)行了更換速調(diào)管的臨時培訓(xùn)。保障人員在培訓(xùn)模式下觀摩了更換雷達(dá)速調(diào)管的演示流程，而后利用VR設(shè)備現(xiàn)場練習(xí)并掌握了更換方法。培訓(xùn)結(jié)束后保障人員赴石河子及時更換了天氣雷達(dá)速調(diào)管，解決了故障。

根據(jù)上述實例可知，與傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法相比，雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)可以讓保障人員在較短時間內(nèi)掌握更換速調(diào)管的方法。該系統(tǒng)建成時間短，技術(shù)難度高，功能完善后會有更多應(yīng)用空間。

3 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)

根據(jù)以上具體分析可以得出，在對雷達(dá)速調(diào)管工作方式充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對利用VR技術(shù)實現(xiàn)CINRAD/CC型天氣雷達(dá)速調(diào)管更換的設(shè)計可分為以下10個步驟：

1)設(shè)計原則：①互動性：該系統(tǒng)的虛擬實驗可以對保障人員的實時操作進(jìn)行反饋，保障人員可以通過該系統(tǒng)反復(fù)練習(xí)提高技能。②開放性：該系統(tǒng)應(yīng)滿足保障人員使用遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)終端登錄并進(jìn)行實驗操作的需求，為基層保障人員學(xué)習(xí)掌握技能提供可能。③易于維護(hù)：可通過網(wǎng)絡(luò)化管理模式對該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，采用跨平臺的組建方式進(jìn)行軟件設(shè)計便于維護(hù)和管理。④虛實結(jié)合，以實為本：該系統(tǒng)是為培訓(xùn)和學(xué)習(xí)提供的虛擬實驗平臺，具體應(yīng)以實物為準(zhǔn)。⑤安全性和可靠性：管理員應(yīng)定期檢查該系統(tǒng)并進(jìn)行維護(hù)和升級，注意備份和更新數(shù)據(jù)庫信息。

2)前期分析：分析CINRAD/CC型雷達(dá)速調(diào)管的組成模塊，更換速調(diào)管的流程，更換前后各個參數(shù)的測試方法、技術(shù)指標(biāo)，以及更換速調(diào)管過程中遇到故障時相應(yīng)的處理方法。

3)建立模型：根據(jù)所選定的更換速調(diào)管虛擬現(xiàn)實資源的需求，構(gòu)建雷達(dá)速調(diào)管部件、各類工具、測試儀表及附屬器件的三維模型，使虛擬場景中看到的雷達(dá)成為真實場景中實物的再現(xiàn)。建模完成后注意模型的優(yōu)化，使整個程序運行流暢，同時不占用太大內(nèi)存。

4)導(dǎo)入模型：雷達(dá)模型建立好以后，需要將制作好的模型導(dǎo)入到選定的專業(yè)虛擬現(xiàn)實編程軟件，在導(dǎo)入模型前應(yīng)該安裝相應(yīng)的插件，再將烘培完成后的模型借助插件導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入時觀察并處理出現(xiàn)的問題。

5)搭建場景：更換雷達(dá)速調(diào)管的虛擬現(xiàn)實資源所需的模型均導(dǎo)入成功后，可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實場景的搭建，場景中所有的模型和紋理貼圖需要使用攝像頭采集真實環(huán)境。搭建過程中需要注意調(diào)整虛擬環(huán)境中攝像機的方向、位置及高度。

6)實現(xiàn)交互技術(shù)：根據(jù)需求設(shè)定并實現(xiàn)具體的交互技術(shù)。

7)選擇終端：目前VR體驗設(shè)備分為PC端、一體機及移動端。VR頭戴設(shè)備有虛擬現(xiàn)實頭盔和VR眼鏡，可根據(jù)需求選擇。

8)運行測試：對編譯完成的程序代碼進(jìn)行測試，處理出現(xiàn)的問題直到程序達(dá)到預(yù)期效果。

9)演示效果：使用建成的雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)進(jìn)行更換速調(diào)管的演示，記錄并制作相關(guān)語音文字說明，為保障人員快速學(xué)習(xí)速調(diào)管組成結(jié)構(gòu)、拆卸、測試、安裝等提供幫助。

10)系統(tǒng)發(fā)布：該系統(tǒng)完成后，應(yīng)該將其設(shè)置為可以執(zhí)行的文件，根據(jù)該設(shè)計在使用時所需的顯卡、屏幕等配置的要求，將不同平臺環(huán)境上的應(yīng)用設(shè)置為EXE執(zhí)行文件或APK文件。

4 結(jié)束語

文章介紹了CINRAD/CC型天氣雷達(dá)速調(diào)管虛擬系統(tǒng)組成與實現(xiàn)，為該型雷達(dá)速調(diào)管的更換和保障培訓(xùn)提供了一種新方法，具體的實施步驟還需要根據(jù)實際情況進(jìn)行修改補充。文章的設(shè)計還可以擴展到該型雷達(dá)天饋系統(tǒng)中方位電機的更換，接收系統(tǒng)中激勵源、頻率源的測試和更換，以及發(fā)射系統(tǒng)中人工線、鈦泵電源的測試和更換等。