王 琛

（西南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)是一種先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)，它通過利用計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的三維以及多維信息，提高使用者對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的認(rèn)識(shí)。利用可視化、光電顯示和人機(jī)交互等技術(shù)通過傳感將虛擬環(huán)境的信息反映在真實(shí)世界，并將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景、虛擬物體或信息準(zhǔn)確疊合到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬場(chǎng)景的無縫連接[1]。使得用戶在真實(shí)場(chǎng)景中訪問虛擬世界時(shí)，從視覺、觸覺等感官上呈現(xiàn)給用戶一個(gè)真實(shí)的環(huán)境效果。

20世紀(jì)90年代該技術(shù)興起，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展完善，便攜程度不斷提高，設(shè)備價(jià)格不斷下跌，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其動(dòng)態(tài)、交互、多感知、實(shí)時(shí)和場(chǎng)景融合等特征在各行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，例如市政建設(shè)、工業(yè)維修、旅游展覽、古建筑保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)視頻通信和娛樂游戲等。AR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景相比于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在視覺、聽覺、觸覺等多種感官方面更加貼近現(xiàn)實(shí)環(huán)境，同時(shí)還具有更強(qiáng)的三維空間表現(xiàn)能力和實(shí)時(shí)人機(jī)交互能力，極大拓展了人類的認(rèn)知手段，未來必將使得許多傳統(tǒng)性行業(yè)獲得顛覆性變革。

現(xiàn)代飛機(jī)制造設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科高度融合、過程極其復(fù)雜的領(lǐng)域，AR技術(shù)可通過其真實(shí)性、虛擬性的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建多領(lǐng)域、多層次的虛擬樣機(jī)原型，實(shí)現(xiàn)性能仿真演示、總體布置、碰撞檢測(cè)及裝配維修等功能，達(dá)到快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造各階段潛在缺陷，并在初步研發(fā)階段解決這些問題的目的。利用AR技術(shù)可使得虛擬與現(xiàn)實(shí)兩種研制環(huán)境并存，在飛機(jī)設(shè)計(jì)層面形成“虛-實(shí)結(jié)合”“虛-實(shí)同步”等試驗(yàn)方式，對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行虛擬擴(kuò)展，例如在虛擬環(huán)境中模擬特定的飛行環(huán)境或故障飛行狀態(tài)，使得模擬出的狀態(tài)達(dá)到實(shí)際環(huán)境無法完成的效果[2]。研發(fā)一種以設(shè)計(jì)人員為中心，飛機(jī)狀態(tài)信息為“驅(qū)動(dòng)”的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛機(jī)制造設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

1 AR技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)代飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，航空儀器精密，性能要求更為苛刻。在飛機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，利用AR技術(shù)可提前展開飛機(jī)性能測(cè)試、機(jī)身總體布置和人機(jī)工效分析評(píng)估等工作。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的自動(dòng)化及智能化發(fā)展，充分發(fā)揮了AR技術(shù)潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。目前在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域有如下案例：

1.1 洛克希德-馬丁將AR技術(shù)應(yīng)用于F-22和F-35制造

洛克希德-馬丁公司已經(jīng)將AR技術(shù)應(yīng)用于F-22和F-35飛機(jī)的制造裝配過程中，通過愛普生Moverio BT-200型號(hào)的智能AR設(shè)備提供的視覺輔助平臺(tái)，使生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員可以快速對(duì)飛機(jī)各組成部分進(jìn)行裝配維修。例如，工程師在使用AR眼鏡設(shè)備安裝飛機(jī)起落架部件時(shí)，只需通過眼鏡觀看起落架，便可以按照安裝手冊(cè)的指導(dǎo)一步步進(jìn)行，安裝可細(xì)致到每一個(gè)螺栓、每一根電纜，從而達(dá)到高效、細(xì)致地完成安裝的目的。

在AR平臺(tái)的輔助下，工程師可將飛機(jī)的裝配速度提高30%，安裝準(zhǔn)確率高達(dá)96%。由于AR技術(shù)應(yīng)用提供的可視化和流程規(guī)范化，極大提高了工作效率、避免了重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)降低事故發(fā)生率[3]。

1.2 空客公司飛機(jī)座艙設(shè)計(jì)開發(fā)

空客集團(tuán)企業(yè)聯(lián)合戴姆勒公司，運(yùn)用AR技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)座艙的開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其使用索尼智能眼鏡的AR功能，輸入計(jì)算流體力學(xué)軟件的計(jì)算結(jié)果以及溫度感應(yīng)器等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了座艙氣流溫度可視化效果，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行飛機(jī)座艙開發(fā)，減少了昂貴的原型制作成本。并且利用AR設(shè)備掃描生產(chǎn)線的飛機(jī)部件、檢測(cè)維修，提高生產(chǎn)線的效率。

1.3 波音公司使用AR技術(shù)提高飛機(jī)設(shè)計(jì)效率

波音航空公司通過將AR技術(shù)運(yùn)用到波音777和787型客機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程當(dāng)中，利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)客機(jī)外形、構(gòu)造、特性等的重新設(shè)計(jì)，所獲得方案與現(xiàn)實(shí)樣機(jī)之間的設(shè)計(jì)誤差影響小于0.01英寸、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤修改量減少90%、研制周期時(shí)間減少50%、綜合管理成本減少60%。

據(jù)公開信息顯示，基于傳統(tǒng)方式的飛機(jī)設(shè)計(jì)需要建造兩個(gè)模型樣機(jī)實(shí)體，每個(gè)樣機(jī)成本約為60萬美金。采用AR技術(shù)之后，可顯著節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)、極大縮短科研開發(fā)周期，保證技術(shù)對(duì)接成功[4]。

2 AR技術(shù)在飛機(jī)制造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用需求

在飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的整個(gè)流程中，設(shè)計(jì)部分主要分為方案論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品試制等四個(gè)階段。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的突出優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行“虛擬體驗(yàn)”，在此過程中即可對(duì)飛機(jī)各部分進(jìn)行觀察，又能夠使部分與整體結(jié)構(gòu)保持關(guān)聯(lián)，在飛機(jī)整個(gè)的設(shè)計(jì)階段都有極大的應(yīng)用需求。

在常規(guī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)、試制和試飛過程中許多關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都需要進(jìn)行實(shí)際飛行測(cè)試來驗(yàn)證，此種方式極大地增加了飛機(jī)研發(fā)的成本和周期。而使用AR技術(shù)建立虛擬樣機(jī)來替代實(shí)體樣機(jī)，也可完成對(duì)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)的驗(yàn)證、分析及優(yōu)化，大大降低了研發(fā)成本與研發(fā)周期。

在飛機(jī)方案論證階段，借助AR技術(shù)的虛擬場(chǎng)景構(gòu)造，搭建飛機(jī)虛擬樣機(jī)模型，通過實(shí)時(shí)演示飛機(jī)的總體性能以及主要特征使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以直觀地了解飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性;當(dāng)進(jìn)入工程研發(fā)階段，在飛機(jī)試制的過程中使用AR技術(shù)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行裝配，可解決傳統(tǒng)飛機(jī)裝配中存在的諸多弊端，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品存在的缺陷。相比較發(fā)現(xiàn)，AR技術(shù)需求最多是在設(shè)計(jì)論證階段，對(duì)于該階段部分需求總結(jié)如下：

（1）飛機(jī)整體設(shè)計(jì)：使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬樣機(jī)對(duì)完成初步設(shè)計(jì)的飛機(jī)進(jìn)行整體評(píng)估，例如外型顏色、部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和相關(guān)電子器件是否滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而替代傳統(tǒng)方法中的生產(chǎn)概念實(shí)體模型來進(jìn)行評(píng)估。

（2）座艙內(nèi)部人機(jī)工效評(píng)估：包括座艙整體布局、飛行員活動(dòng)空間與視角舒適度、飛行操作簡(jiǎn)易程度、儀表顯示器布置合理性及顯示器信息反饋速度等方面的分析評(píng)估工作。

（3）飛機(jī)可裝配性、檢修性分析評(píng)估：主要包括飛機(jī)碰撞檢測(cè)、裝配順序規(guī)劃設(shè)計(jì)、檢測(cè)維修時(shí)間效率評(píng)估、維修維護(hù)時(shí)效分析評(píng)估等。

（4）飛行仿真：包括特定環(huán)境飛行模擬、飛行故障狀態(tài)模擬和飛行特性研究和模擬器仿真等方面。

應(yīng)用AR技術(shù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段作為各研發(fā)部分的安全性、可靠性和功能分析工作，必須納入設(shè)計(jì)論證流程，通過AR技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估后才可轉(zhuǎn)入下一階段的試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作。

3 飛機(jī)設(shè)計(jì)流程中的AR技術(shù)框架

根據(jù)飛機(jī)研制單位的實(shí)際需求，可針對(duì)性地構(gòu)建飛機(jī)設(shè)計(jì)AR技術(shù)體系框架，可分目標(biāo)、分階段的開展VR技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。當(dāng)前AR技術(shù)系統(tǒng)主要由基于計(jì)算機(jī)顯示器（Monitor-bansed）系統(tǒng)、視頻合成技術(shù)穿透式（Video see-through）系統(tǒng)和光學(xué)原理穿透式（Optical see-through）系統(tǒng)三種類型構(gòu)成，其基于計(jì)算機(jī)顯示器和視頻合成技術(shù)的兩種方案都需要通過攝像機(jī)等外設(shè)獲取真實(shí)場(chǎng)景中的圖像，并在計(jì)算機(jī)中完成虛實(shí)圖像結(jié)合后輸出，整個(gè)過程存在由于系統(tǒng)延遲造成AR應(yīng)用中虛實(shí)注冊(cè)錯(cuò)誤[5]。而基于光學(xué)原理穿透式顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法則是實(shí)時(shí)傳送真實(shí)場(chǎng)景的視頻圖像，不受計(jì)算機(jī)控制，大大減少了系統(tǒng)延遲，并且該方案也具有多專業(yè)多人員協(xié)同、遠(yuǎn)近距離調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)。因此對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)這類較大規(guī)模、高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)活動(dòng)，基于光學(xué)原理穿透式顯示的AR實(shí)現(xiàn)方案更為適用。

實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)與飛機(jī)研制流程的有效結(jié)合，必須借助飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)體系，結(jié)合必要的分析軟件并建立相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[6]。

飛機(jī)研制流程中的AR體系將采用分層結(jié)構(gòu)，主要分為交互層、應(yīng)用層、對(duì)象層和數(shù)據(jù)層等四個(gè)層次。

（1）交互層。交互層主要為輸入和輸出交互操作，是用戶與AR系統(tǒng)交互的接口。輸入操作是用于接收用戶的輸入指令，例如用戶通過鼠標(biāo)、手勢(shì)識(shí)別設(shè)備或人體跟蹤系統(tǒng)的輸入，捕獲用戶的肢體動(dòng)作，從而產(chǎn)生指令進(jìn)行交互。輸入操作則是將框架應(yīng)用層中處理好的結(jié)果以圖像、文字、解說和觸覺反饋等方式通過顯示器、音響、3D眼鏡等外設(shè)反饋給用戶。

（2）服務(wù)層。服務(wù)層是AR系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，主要包括AR虛擬樣機(jī)建模、設(shè)計(jì)/仿真數(shù)據(jù)一體化、人機(jī)工效分析優(yōu)化、設(shè)計(jì)方案評(píng)估，以及設(shè)計(jì)工具的開發(fā)使用。

（3）對(duì)象層。對(duì)象層是用于存儲(chǔ)、維護(hù)和管理AR設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中生成的虛擬樣機(jī)模型、虛擬人體模型和虛擬環(huán)境模型等對(duì)象，主要功能是為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，完成相關(guān)模型數(shù)據(jù)的存取、修改和保存。

（4）資源層。資源層是AR設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所需要的各種類型的軟硬件、數(shù)據(jù)庫以及必需的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是AR系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)層。

4 AR技術(shù)在飛機(jī)制造設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

AR技術(shù)仍在快速發(fā)展。要完成AR技術(shù)與飛機(jī)設(shè)計(jì)制造流程的高效融合，實(shí)現(xiàn)其大范圍、規(guī)?；膽?yīng)用，需要突破解決以下一些關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 基于AR技術(shù)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的實(shí)際過程，以AR技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造各個(gè)階段的應(yīng)用需求為切入點(diǎn)，形成平臺(tái)建設(shè)方案；研究AR系統(tǒng)與飛機(jī)研發(fā)相關(guān)集成軟件的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)，明確數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換的要求，確定數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)過程中的業(yè)務(wù)狀態(tài)控制方法；研究基于AR技術(shù)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，為其在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

4.2 AR系統(tǒng)建模技術(shù)

AR建模是以三維建模為基礎(chǔ)，包含幾何設(shè)計(jì)、物體運(yùn)動(dòng)和物理屬性建模等。幾何建模設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的處理必須進(jìn)行“輕量化”設(shè)計(jì)以保證消除視覺延遲，防止對(duì)設(shè)計(jì)人員造成模擬障礙。物體運(yùn)動(dòng)建模必須要由真實(shí)模擬物體、人體的運(yùn)動(dòng)、位置狀態(tài)，防止出現(xiàn)物體位置重疊、人體穿墻等不符合自然規(guī)律的現(xiàn)象發(fā)生。物理屬性建模則是對(duì)建模物體重量、形變以及表面紋路等物理屬性的表現(xiàn)，是系統(tǒng)中較高層次的建模要求[7]。而在傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，大都是基于圖紙的設(shè)計(jì)，極大限制了設(shè)計(jì)人員的可操作性；在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中采用虛擬產(chǎn)品建模開發(fā)，能夠?qū)μ摂M物體進(jìn)行構(gòu)建、設(shè)計(jì)、制造和分析，使其在工程計(jì)算上極大地優(yōu)化工作流程，提高飛機(jī)研發(fā)效率。

4.3 人機(jī)交互技術(shù)

實(shí)現(xiàn)三維人機(jī)實(shí)時(shí)交互技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵。主要難點(diǎn)包含：虛擬物體在真實(shí)場(chǎng)景中的定位問題、基于AR設(shè)備響應(yīng)的靈敏度問題、虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景疊加與區(qū)分問題、虛擬觸覺反饋問題等。其技術(shù)先進(jìn)而復(fù)雜，具有較大挑戰(zhàn)性。

4.4 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)處理與顯示

對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的技術(shù)資料對(duì)其進(jìn)行信息組織和實(shí)現(xiàn)是一種較難解決的問題。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)、論證和試制過程中，從整個(gè)系統(tǒng)到各個(gè)模塊中每一個(gè)參數(shù)都是設(shè)計(jì)人員需要掌握的信息，數(shù)據(jù)量巨大。為了使設(shè)計(jì)人員及相關(guān)工作人員更容易地了解掌握系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，必須通過不同的信息顯示樣式來表達(dá)，主要包括圖形、文字、動(dòng)畫、虛擬原型機(jī)顯示等形式[8]。

4.5 飛機(jī)裝配與檢修仿真技術(shù)

研究基于AR環(huán)境的模型操作實(shí)時(shí)交互技術(shù)，打造裝配檢修相關(guān)人員與虛擬場(chǎng)景的交互基礎(chǔ)；分析以AR技術(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建的環(huán)境中對(duì)飛機(jī)裝配或檢修效率的驗(yàn)證與評(píng)估，并建立相關(guān)評(píng)級(jí)體系。為飛機(jī)的裝配、檢測(cè)維修提供更為科學(xué)規(guī)范的輔助手段。

5 結(jié)束語

我國(guó)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造方面的AR技術(shù)研究和應(yīng)用與國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)還有較大差距。隨著互聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代的快速發(fā)展，AR技術(shù)將在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用變得更加廣泛。在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造方面，如果將AR技術(shù)與飛機(jī)設(shè)計(jì)完美結(jié)合，并且在應(yīng)用上不斷完善創(chuàng)新，必將大幅度降低飛機(jī)研發(fā)經(jīng)費(fèi)，大大縮短研制周期，同時(shí)對(duì)我國(guó)趕超西方先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)水平具有重大意義。