基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

郭叔偉，孫巖，丁祥

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

郭叔偉，孫巖，丁祥

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

為了彌補(bǔ)飛行理論教學(xué)不直觀的缺陷，提高飛行教學(xué)的效果，提出了一種快速構(gòu)建多機(jī)種虛擬現(xiàn)實(shí)飛行視景的設(shè)計(jì)方法。該視景是以飛行員第一視角位置，拍攝并構(gòu)建各種飛行動(dòng)作的真實(shí)飛行視景。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視景可以指導(dǎo)各種飛行動(dòng)作，提高飛行心理訓(xùn)練水平，客觀評(píng)價(jià)飛行學(xué)員和飛行員的飛行水平，有效提高飛行員培養(yǎng)效率和質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)；飛行教學(xué)；視景；飛行評(píng)價(jià)

隨著我國(guó)航母列入海軍序列以及海軍由近海走向深藍(lán)，海軍對(duì)航空兵的需求越來(lái)越大，如何迅速提高海軍飛行員的培養(yǎng)效率和效益變得尤為重要。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在高度逼真感和沉浸感、可重復(fù)使用性等優(yōu)點(diǎn)，在高風(fēng)險(xiǎn)性、高費(fèi)用的飛行訓(xùn)練中應(yīng)用前景極為廣闊[1]。目前、我軍的飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)基本上是環(huán)形的準(zhǔn)3D視景，逼真感要遜于目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，而且各個(gè)機(jī)型的飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)價(jià)格比較高昂，一臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)很難同時(shí)進(jìn)行一對(duì)多的飛行教學(xué)。在地面的飛行教學(xué)中，許多飛行動(dòng)作需要結(jié)合各種飛行員角度的視景進(jìn)行教學(xué)，如起飛著陸過(guò)程，從飛行員的角度看就要了解目視高和目視低的概念。在艦載機(jī)著艦時(shí)，保角視景在各種偏差中如何修正，這些問(wèn)題迫切需要高度真實(shí)感的VR視景。

飛行VR系統(tǒng)可以分為兩種，一種是基于3D建模技術(shù)的，能人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，這種VR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度較高，一個(gè)飛機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)，短時(shí)間難以在各種機(jī)型上實(shí)現(xiàn)[2]；另一種是沒(méi)有人機(jī)交互的，基于實(shí)景拍攝的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行視景系統(tǒng)，這種VR系統(tǒng)僅僅是基于飛行員角度拍攝VR視景，實(shí)施難度較小，容易較快應(yīng)用到各種機(jī)型上，能夠快速應(yīng)用飛行員的教學(xué)和飛行評(píng)價(jià)中[3]。本文著重?cái)⑹龅诙N飛行VR系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、運(yùn)行流程，并提出該系統(tǒng)如何應(yīng)用到飛行教學(xué)和飛行評(píng)價(jià)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在飛行院校和飛行部隊(duì)中，都有各種視角拍攝的二維視頻和圖片，以及各種3D軟件生成的動(dòng)畫視頻。受到技術(shù)的限制，很少看到基于飛行員視角拍攝的3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景，而在飛行教學(xué)中，以飛行員角度觀察地面景象尤為重要。在以往的飛行教學(xué)中，往往是飛行教員在空中手把手的一對(duì)一的教學(xué)，教學(xué)效率非常低，重復(fù)性不高。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，支持技術(shù)人員快速的拍攝出真實(shí)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)視頻，從而實(shí)現(xiàn)地面高逼真度一對(duì)多的飛行教學(xué)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)主要由5部分組成，分別為360°VR攝影機(jī)、機(jī)載攝影支持子系統(tǒng)、頭盔式VR眼鏡、主控計(jì)算機(jī)、視景顯示子系統(tǒng)，系統(tǒng)組成和基本功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)組成和基本功能

在表1中，360°VR攝影機(jī)主要安裝在座艙內(nèi)，位置接近假想飛行員的觀察位置。其功能是拍攝360°的VR視頻，典型的360°虛擬現(xiàn)實(shí)攝影機(jī)有諾基亞VR攝影機(jī)，如圖1所示。360°VR攝影機(jī)主要功能是拍攝飛行中飛機(jī)艙外景象和艙內(nèi)儀表、飛行員操縱動(dòng)作。

圖1 諾基亞VR攝影機(jī)

機(jī)載攝影支撐子系統(tǒng)主要是提供穩(wěn)定的拍攝環(huán)境。在飛行中，受到氣象條件，飛行員下意識(shí)的操縱等影響，存在各種不受控制的顛簸，都會(huì)使拍攝中的鏡頭產(chǎn)生難以忍受的震動(dòng)，使畫面不穩(wěn)，從而影響3D視景質(zhì)量，為了解決這一難題，目前大多數(shù)機(jī)上拍攝均采用先進(jìn)的機(jī)載拍攝設(shè)備-陀螺儀航拍穩(wěn)定吊艙。陀螺儀航拍穩(wěn)定吊艙包含了電源系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、陀螺儀穩(wěn)定吊艙、三自由度萬(wàn)向節(jié)、電動(dòng)機(jī)、攝像機(jī)平臺(tái)和陀螺儀控制系統(tǒng)。陀螺儀航拍穩(wěn)定吊艙自帶穩(wěn)定電源，避免了在飛機(jī)上取電，從而影響飛機(jī)安全，也提供了穩(wěn)定控制系統(tǒng)，能夠協(xié)助360°VR攝影機(jī)拍出穩(wěn)定的虛擬現(xiàn)實(shí)視景。

頭盔式VR眼鏡主要負(fù)責(zé)接收主控計(jì)算機(jī)或視景顯示子系統(tǒng)輸出的信號(hào)。頭盔式眼鏡型號(hào)比較多，基本樣式如圖2所示，比較有代表性的設(shè)備有三星和google的VR眼鏡。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)教員對(duì)多個(gè)飛行學(xué)員同時(shí)教學(xué)，頭盔式VR眼鏡數(shù)量應(yīng)大于一個(gè)班次的飛行學(xué)員數(shù)。在地面飛行教學(xué)中，理論教員和飛行教員可以與所教班次的飛行學(xué)員，基于相同的VR飛行視景進(jìn)行教學(xué)，大大提高飛行學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和課堂效果。

圖2 典型的VR眼鏡

主控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)將360°VR攝影機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理、剪輯、添加文字等工作，形成有效飛行虛擬現(xiàn)實(shí)視景，并負(fù)責(zé)將視景輸出至視景顯示子系統(tǒng)。在所拍攝的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行視頻中，可以有針對(duì)的添加文字和重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)色彩，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)內(nèi)容，提高飛行學(xué)員的注意力分配掌握進(jìn)度，做到有的放矢。

視景顯示子系統(tǒng)主要是接收主控計(jì)算機(jī)的視頻信號(hào)，通過(guò)處理，將信號(hào)擴(kuò)展輸出至多個(gè)VR眼鏡上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)視頻同時(shí)多個(gè)客戶端接收，方便飛行教學(xué)使用，其流程如圖3所示。許多VR系統(tǒng)通常只有一個(gè)輸出接口，不方便進(jìn)行一對(duì)多的教學(xué)訓(xùn)練，為了保證訓(xùn)練的同步性，在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，通常需要將視頻信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展，以降低經(jīng)費(fèi)和提高設(shè)備的使用效率。

圖3 視景顯示子系統(tǒng)

2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

開發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)之后，重點(diǎn)是如何快速運(yùn)行該設(shè)備，提高飛行教學(xué)的效率和效果。由于飛行計(jì)劃和飛行安全的限制，不可能像地面虛擬現(xiàn)實(shí)視頻拍攝一樣，做到隨用隨拍，必須做好詳細(xì)的計(jì)劃和周密的安排，做到一拍多用，拍攝次數(shù)少而成功的視頻多。

為了減小飛行拍攝次數(shù)，盡可能的在地面調(diào)試好設(shè)備，進(jìn)行試拍，試拍的視頻也可以用來(lái)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)，飛機(jī)儀表、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)視頻教學(xué)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程

在系統(tǒng)運(yùn)行流程中的最后幾個(gè)階段中，需要聯(lián)合多學(xué)科制定空中拍攝計(jì)劃。飛行理論教學(xué)中，往往分成幾個(gè)學(xué)科分開進(jìn)行，如飛行原理、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、飛機(jī)儀表和特種設(shè)備、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等學(xué)科。各種學(xué)科在教學(xué)中有不同的側(cè)重點(diǎn)，在飛行中某些階段偏重于儀表使用，某些階段偏重于發(fā)動(dòng)機(jī)操縱，某些階段偏重于飛機(jī)桿舵操縱，為了提高拍攝效率，可以在一個(gè)飛行架次中同時(shí)拍攝多個(gè)科目，通過(guò)視頻加工形成多學(xué)科各個(gè)使用的虛擬現(xiàn)實(shí)視景，提高系統(tǒng)使用效率。

3 系統(tǒng)應(yīng)用研究

飛行學(xué)員在理論培訓(xùn)階段缺乏對(duì)實(shí)際飛行的直接感知，在一些飛行問(wèn)題上，無(wú)法建立直觀、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，如初教-6飛機(jī)著陸時(shí)離地面高低。通過(guò)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)3D視景中直接感受空中飛行景象，彌補(bǔ)這些缺陷，教員也可以針對(duì)視景進(jìn)行一一講解，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和課堂效果?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)可以從三個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用研究。

3.1 飛行動(dòng)作教學(xué)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視景，可以指導(dǎo)飛行學(xué)員進(jìn)行各種飛行動(dòng)作。各種機(jī)型的起飛著陸科目是飛行訓(xùn)練的一個(gè)重點(diǎn)，如何指導(dǎo)所訓(xùn)人員的飛行操縱方法，常常需要根據(jù)不同的位置和艙外視景來(lái)決定。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拍攝各種真實(shí)飛行場(chǎng)景，如著陸高低視景，在同一時(shí)間內(nèi)指導(dǎo)多名飛行學(xué)員如何操縱飛機(jī)和修正誤差。在各種機(jī)型理論教學(xué)中，理論教員會(huì)根據(jù)各種虛擬現(xiàn)實(shí)視景，指導(dǎo)飛行學(xué)員查看飛機(jī)艙外景象、艙內(nèi)操縱及儀表讀數(shù)[4]。飛行教員和指揮員也可以根據(jù)各種視景指導(dǎo)飛行學(xué)員注意力分配和艙外觀察，形成一對(duì)多的飛行教學(xué)，極大地提高教學(xué)效益。

在艦載機(jī)培訓(xùn)中，著艦訓(xùn)練難度非常大，同時(shí)其教學(xué)難度也比較大。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拍攝著艦時(shí)正常、不正常的飛行員視景，指揮員就能夠有所針對(duì)性的教學(xué)，最終能夠有效提高艦載飛行員的訓(xùn)練效率。

3.2 飛行心理訓(xùn)練

隨著飛行任務(wù)的復(fù)雜性，對(duì)飛行員的心理要求越來(lái)越高，在感覺(jué)方面，要求飛行員感覺(jué)器官能保持高度的靈敏，能在高空、中空、低空、超低空、暗夜、各種復(fù)雜氣象和噪音干擾以及強(qiáng)烈的電子干擾等條件下迅速適應(yīng)工作；在知覺(jué)方面，要求飛行員能迅速而準(zhǔn)確地識(shí)別戰(zhàn)斗的時(shí)間和空間等特性，能正確地進(jìn)行目測(cè)，判明地標(biāo)和讀出儀表的數(shù)據(jù)并反映到大腦，具有很強(qiáng)的觀察和發(fā)現(xiàn)能力。在注意力方面，要求飛行員能在復(fù)雜情況下保持集中、分配和轉(zhuǎn)移注意力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)，可以拍攝相關(guān)飛行條件下的虛擬現(xiàn)實(shí)視景，飛行員通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視景感受其過(guò)程，從而有效提高各種感知能力，拓展心理承受能力。

3.3 飛行動(dòng)作評(píng)價(jià)

飛行學(xué)員在飛行考核時(shí)很多時(shí)候是由后艙飛行教員一人判定，存在較大地主觀性，而利用飛參數(shù)據(jù)判定時(shí)又存在不形象的問(wèn)題，利用難度較大。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在后艙拍攝360°飛行視景，在地面進(jìn)行3D回放，數(shù)名飛行教員能對(duì)同一個(gè)飛行架次進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，有利于建立客觀的飛行學(xué)員評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拍攝基于飛行員視角的各種視景，將視景引入理論教學(xué)中，可以有效推進(jìn)航理教學(xué)方法和手段進(jìn)步，極大的豐富了理論教學(xué)的手段，使教學(xué)內(nèi)容形象、真實(shí)，飛行學(xué)員更容易掌握所學(xué)內(nèi)容。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)飛行視景還可以有效提高飛行心理訓(xùn)練水平，從而有力于飛行員心理素質(zhì)的提升。也可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視景客觀的評(píng)價(jià)飛行學(xué)員甚至飛行員的飛行訓(xùn)練水平。本文所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行教學(xué)系統(tǒng)具有實(shí)施難度較小，容易快速應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，可以為下一步通過(guò)3D建模技術(shù)構(gòu)建可以人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬系統(tǒng)提供視景對(duì)比和相關(guān)技術(shù)支持。

[1]周來(lái)，鄭丹力，顧宏斌，等.虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬訓(xùn)練中的視覺(jué)交互技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013，34（10）：2391-2401.

[2]王祎，呂光宏，張正維，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的飛行訓(xùn)練視景系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，24（12）：128-130.

[3]李京偉，張利萍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行視景仿真[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（7）：1935-1937.

[4]王晉譽(yù)，邵欣桐.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的飛機(jī)可視化排故技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（7）：44-47.

Design and Application Study of Flight Teaching System Based on Virtual Reality

GUO Shu-wei，SUN Yan，DING Xiang
（Naval Aviation Institute，Huludao Liaoning 125001，China）

A design method constructing virtual reality flight vision for various aircrafts is advanced，to make up the fault of un-visible in flight theoretical education and to improve effect of flight training. The vision is based on the first vision of pilots，and is constructed by the real flight vision shot in flights. The virtual reality vision could be used to instruct various flight actions，improve level of flight mentality training，impersonality evaluate flight students and pilots' flight skills，and effectively improve efficiency and quality of incubating pilots.

virtual reality；flight teaching；scene view；flight evaluating

TP391.9

A

1672-545X（2016）09-0202-03

2016-06-15

郭叔偉（1979-），男，湖南攸縣人，講師，博士，主要研究方向：飛行動(dòng)力學(xué)，飛行安全和救生。