薛 婧

上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 200000

虛擬交互設(shè)備在民機(jī)三維虛擬培訓(xùn)中的應(yīng)用研究

薛 婧

上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 200000

本文以將虛擬交互設(shè)備應(yīng)用于三維虛擬培訓(xùn)為目的，針對(duì)多投影沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，基于ART跟蹤交互設(shè)備與Virtools軟件，研究了立體眼鏡、跟蹤攝像頭和三維手柄等交互設(shè)備的設(shè)備特點(diǎn)、配置安裝、校準(zhǔn)方法、軟件部署等方面的內(nèi)容，提出了一種將虛擬交互設(shè)備引入三維虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的方法。

三維；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬交互；民機(jī)培訓(xùn)

隨著三維數(shù)字樣機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在民用飛機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)用三維虛擬交互仿真的方式替代真實(shí)飛機(jī)/物理模型的傳統(tǒng)培訓(xùn)，已經(jīng)逐漸成為一種趨勢(shì)?？梢酝ㄟ^構(gòu)建基于多通道立體投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬培訓(xùn)。波音公司采用了多種虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)用于飛行仿真、機(jī)務(wù)訓(xùn)練、全機(jī)防爆等多種科目的人員培訓(xùn)工作?？湛凸驹贏irbus漢堡維護(hù)培訓(xùn)中心，已建立兩套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備專用于維護(hù)培訓(xùn)。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、飛機(jī)研究院所等單位等對(duì)于虛擬交互設(shè)備的應(yīng)用均取得了不少研究成果，提出了許多有價(jià)值的新理論和新方法，但是國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)大致可以分為桌面式、頭盔/眼鏡式、多通道投影式幾種。本文的研究將基于多通道投影式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，研究將交互設(shè)備應(yīng)用于民機(jī)培訓(xùn)的技術(shù)。多投影沉浸式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分成三大部分：圖形生成系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)以及用戶交互系統(tǒng)，如圖1所示。其中用戶交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景交互的人機(jī)界面。虛擬交互設(shè)備可分為多種：跟蹤器、交互手柄、數(shù)據(jù)手套等。為了實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的交互，需要使用這些交互設(shè)備把用戶指令輸入計(jì)算機(jī)，同時(shí)把虛擬過程中的反饋信息提供給用戶。

圖1

2 跟蹤交互設(shè)備配置與校準(zhǔn)

2.1跟蹤交互設(shè)備硬件

1）立體眼鏡。3D立體眼鏡有多種立體成像方式，主要有被動(dòng)立體、主動(dòng)立體等，現(xiàn)在新型的立體眼鏡是Infitech光譜立體眼鏡能夠提供舒適度和立體感非常強(qiáng)的立體場(chǎng)景。

2）跟蹤設(shè)備。跟蹤設(shè)備通過獲取眼位或手部跟蹤點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人的移動(dòng)與虛擬場(chǎng)景移動(dòng)的一致性。目前德國ART公司的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)是精度較高的跟蹤系統(tǒng)，是通過紅外攝像頭對(duì)光敏點(diǎn)的識(shí)別來獲取位置信息的。

3）交互控制設(shè)備。交互控制設(shè)備有很多種，三維手柄、數(shù)據(jù)手套等均屬于虛擬交互控制設(shè)備。本文研究基于Flysticks 手柄。Flysticks是ART公司推出的手持式交互輸入設(shè)備，多達(dá)6個(gè)按鍵和一個(gè)方向控制搖桿，可實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)航、虛擬物體的拾取、菜單選擇和其他特性。

2.2跟蹤交互設(shè)備的配置與安裝

虛擬交互設(shè)備的配置主要是跟蹤設(shè)備的布置，如紅外跟蹤攝像頭的個(gè)數(shù)及安裝位置都需要與實(shí)際的投影系統(tǒng)相匹配，需要通過計(jì)算跟蹤范圍，布置攝像頭位置，以使跟蹤交互區(qū)域覆蓋虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的整個(gè)活動(dòng)區(qū)域。虛擬交互設(shè)備的安裝包括攝像頭的安裝、攝像頭與控制器的連接、與交互主機(jī)的線路連接等。

2.3跟蹤交互設(shè)備校準(zhǔn)

跟蹤交互設(shè)備校準(zhǔn)對(duì)位置跟蹤的準(zhǔn)確性進(jìn)行調(diào)校，以確保位置跟蹤的精度。A.R.T跟蹤交互設(shè)備的校準(zhǔn)可使用其自帶的DTrack軟件和空間校準(zhǔn)套件進(jìn)行，校準(zhǔn)過程分為空間校準(zhǔn)和眼位校準(zhǔn)兩部分。

1）空間校準(zhǔn)。打開校準(zhǔn)軟件，將帶有坐標(biāo)系的校準(zhǔn)套件放在工作區(qū)域中心的地面上，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整XY軸的方向，站在坐標(biāo)原點(diǎn)的工作人員開始使用T型校準(zhǔn)工具繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，完成校準(zhǔn)后，查看校準(zhǔn)結(jié)果，正常情況下為85%以上為合格。

2）眼位校準(zhǔn)。在彈出的“Body Calibration”對(duì)話框中選擇“Body”選項(xiàng)右側(cè)的下拉箭頭，會(huì)出現(xiàn)之前設(shè)定好的人體套件列表，選擇頭部跟蹤套件，與此同時(shí)，另一個(gè)工作人員身著相應(yīng)的套件站立在工作區(qū)域的坐標(biāo)原點(diǎn)位置，單擊“Calibrate”，開始檢測(cè)，檢測(cè)完成后就完成了眼位校準(zhǔn)。

3 軟件部署

在沉浸式三維虛擬交互系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)立體場(chǎng)景顯示、虛擬漫游與虛擬交互，需要對(duì)外接跟蹤交互設(shè)備進(jìn)行軟件的接入與校準(zhǔn)，即在虛擬交互應(yīng)用軟件中建立接入跟蹤交互設(shè)備的接口，并進(jìn)行模型校準(zhǔn)，使得真實(shí)物理空間的坐標(biāo)與虛擬交互場(chǎng)景的坐標(biāo)進(jìn)行精確匹配。

在本文中選定達(dá)索公司的Virtools軟件作為虛擬交互應(yīng)用軟件。Virtools軟件的VR Pack作為沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的解決方案，全面支持虛擬現(xiàn)實(shí)外圍配備以及集群式PC。Virtools中，首先需要在VRPack環(huán)境中建立跟蹤交互設(shè)備的接口，可在VRPack VRNRSamplesVRBaseSample.cfg文件中配置交互設(shè)備的種類和運(yùn)行方式。其后在軟件中進(jìn)行外接跟蹤交互設(shè)備的校準(zhǔn)，可以使用VRPackCalibrationvrpnCalib. cmo校準(zhǔn)模型，移動(dòng)接收器并記錄小坐標(biāo)軸沿大坐標(biāo)軸的移動(dòng)方向，根據(jù)記錄結(jié)果在VRPackSystemConfig VRDevice.cfg文件中添加相應(yīng)的內(nèi)容的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。最后可以使用控制點(diǎn)保持在理論上的空當(dāng)位置的方法校準(zhǔn)平移和旋轉(zhuǎn)的偏移量。因?yàn)楦櫾O(shè)備要在VRPack中應(yīng)用配置，所以需要將校準(zhǔn)過程中生成的代碼添加到VRPackVRNRConfigNavigationTrackingSystem VRNR_Tracking_VRPN.cfg文件中。

4 結(jié)論

本文對(duì)虛擬交互設(shè)備的分類、設(shè)備的配置安裝、設(shè)備校準(zhǔn)及軟件部署等做了研究。虛擬設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，虛擬設(shè)備應(yīng)用得當(dāng)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。目前，我們實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備的硬件設(shè)備引入，為進(jìn)一步的虛擬培訓(xùn)內(nèi)容開發(fā)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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TP3

A

1674-6708（2016）171-0108-01

薛婧，工程師，上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，主要從事飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備開發(fā)、虛擬培訓(xùn)仿真等工作。