論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空科普場館中的應(yīng)用

陳洋

【摘 要】近年來，隨著時代不斷發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行了升級，航空科普教育工作也不例外。本文主要講述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，同時分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)航宇科普場館中的運(yùn)用成果，最終說明此類技術(shù)在航空科普教育發(fā)展中將起到了重要推進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí);航空;科普教育

中圖分類號： G315;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.008

0 引言

進(jìn)入信息時代后，信息技術(shù)引發(fā)社會各領(lǐng)域的深刻變革，推動社會的發(fā)展。在文化領(lǐng)域，科普場館是文化精神的傳承載體，擔(dān)負(fù)著收藏、教育的責(zé)任。將信息技術(shù)與科普場館的參觀形式結(jié)合后，形成現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)，拓展了科普場館展覽的形式，豐富了文物的展覽內(nèi)容，提升了科普場館展覽的趣味性，為人們提供綜合感官刺激，極大地提高了參觀的質(zhì)量。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)簡述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過現(xiàn)代計算機(jī)內(nèi)核的圖形處理能力與機(jī)械電子傳感設(shè)備相融合，在人眼前形成一種集視聽、觸摸反饋的動態(tài)虛擬感官環(huán)境，其本質(zhì)是將不可視的想象力變成有形體和聲音，其強(qiáng)調(diào)的是逼真性和科學(xué)的可視性，其中四個最重要的特性是：交互性、沉浸感、構(gòu)想性和全息性[1]。它是一種全新的信息處理方式，它已經(jīng)在軍事，工程，醫(yī)學(xué)，文化教育等方面取得了重大成果和應(yīng)用。與此同時，市場上也產(chǎn)生很多可穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備，例如3D展示系統(tǒng)、三維立體掃描儀、眼動儀、力學(xué)反饋裝置、位置追蹤儀、頭戴式立體顯示器等。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

查閱相關(guān)資料，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究應(yīng)用中，歐美發(fā)達(dá)國家走在技術(shù)前沿，在以美國為首的西方國家研究主要集中在人群感官、操作界面、計算機(jī)的硬件和軟件開發(fā)這幾個方面。NASA宇航局實(shí)驗(yàn)室成功將數(shù)據(jù)采集手套運(yùn)用到工程中來，已經(jīng)將其變成可靠性較高的產(chǎn)品。最近NASA在航天空間站、航空領(lǐng)域以及太空衛(wèi)星維護(hù)地面人員訓(xùn)練系統(tǒng)中運(yùn)用VR等相關(guān)技術(shù)，而且在美國本土范圍內(nèi)高等院校范圍內(nèi)建設(shè)與VR相關(guān)的教育系統(tǒng)[2]。

自從2010年以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步進(jìn)入國內(nèi)各行各業(yè)，對此新興技術(shù)研究人員和團(tuán)隊(duì)也逐年增加。在國內(nèi)一些教育科普場館已經(jīng)得到了相關(guān)實(shí)際應(yīng)用，例如新建設(shè)的數(shù)字民防館已經(jīng)成功運(yùn)用了3D虛擬技術(shù)，將音頻，視頻以及動畫有效地結(jié)合起來，利用終端操作平臺，游客可以以自身視角或觀察角度自主進(jìn)行游覽路線選擇。此項(xiàng)技術(shù)成功地運(yùn)用在滿足展館宣傳需求，同時也極大提升了參觀游客的游覽滿意度。

2 技術(shù)成果運(yùn)用

近年來，國內(nèi)科普場館新增的“模擬飛行器”得到了廣大參觀游客的喜愛追捧。上海航宇科普中心目前已引入VR穿梭機(jī)、VR模擬返回艙以及極限飛行器三種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，這三臺設(shè)備在實(shí)際運(yùn)營過程中得到了游客們的高度認(rèn)可，好感度測評遙遙領(lǐng)先場館內(nèi)的其他設(shè)備。

本文以其中一臺VR動態(tài)穿梭機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，它主要有VR頭盔、電動六自由度平臺、互動影片（VR）、操作控制系統(tǒng)、動作捕捉傳感系統(tǒng)、控制播放系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)交互模擬系統(tǒng)組合而成，由計算機(jī)內(nèi)核計算后，傳輸控制信號給電動平臺控制箱，從而讓平臺進(jìn)行俯仰、偏移、升降、縱向平移和側(cè)向平移六自由度運(yùn)動仿真，配合上VR頭盔中左右眼屏幕中畫面視覺差異給游客提供瞬間過載及抖動沖擊感受，動作與影片內(nèi)容融為一體，實(shí)現(xiàn)視覺與動感的完美體驗(yàn)。

2.1 VR頭盔

VR頭盔是通過頭戴式顯示器將人眼視覺控制在一個密閉空間內(nèi)，為使用者提供一個身臨其境的感覺。此技術(shù)主要就是通過人左右兩眼接收不同眼屏中的圖像，將獲取信息反饋給大腦，在腦部形成立體畫面的感覺。

2.2 六自由度電動平臺

六自由度電動平臺是動平臺可以在六個自由度內(nèi)形成運(yùn)行軌跡，在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)圍繞X、Y、Z三軸平移和轉(zhuǎn)動。電動六自由度平臺主要由伺服控制系統(tǒng)、伺服電動伸縮缸、連接座、上平臺和下平臺組成，因平臺可以在空間直角坐標(biāo)系中有六個方向自由度，所以此類平臺可以做成任意模擬仿真動作。通過VR頭盔觀看不同影片體驗(yàn)不同場景時，計算機(jī)輸入相應(yīng)設(shè)定程序，將俯仰、偏移、升降、縱向和側(cè)向平移的電信號傳輸給控制箱，對平臺實(shí)時控制，給體驗(yàn)者提供真實(shí)的瞬時直觀感受，帶來視覺與動感的完美體驗(yàn)。

2.3 互動影片VR

VR影片是一種新型人機(jī)交互模式的產(chǎn)品，它通過計算機(jī)和傳感器相結(jié)合的技術(shù)生成空間虛擬場景，植入VR頭盔與六自由度電動平臺相結(jié)合，體驗(yàn)者可在VR頭盔中查看周圍環(huán)境，同時也體驗(yàn)前傾、后仰、俯沖、傾斜等動作沖擊，讓人能夠沉浸在虛擬環(huán)境中。

2.4 操作控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制器是操作控制系統(tǒng)的關(guān)鍵原件，多臺控制器通過交換機(jī)連接到一起，每臺控制器構(gòu)成的控制節(jié)點(diǎn)，作為一個整體，對外的連接線只需要AC220V的電源線和一根以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)線，極大地簡化了現(xiàn)場布線工程，控制器中的模擬量接口通過上位機(jī)輸出的緩沖電路連接到一起，模擬量接口輸出的模擬量對應(yīng)的電動缸位置可以通過內(nèi)部參數(shù)來設(shè)置。設(shè)備通電后進(jìn)行初始設(shè)置，定位成功后，通過上位機(jī)以UDP協(xié)議控制各個電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而將運(yùn)動控制以幀播放的形式表現(xiàn)出來。通過運(yùn)動控制計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動平臺的啟停、監(jiān)控整套系統(tǒng)的運(yùn)動情況、接收上位機(jī)發(fā)來的位姿控制信息、對電動缸進(jìn)行運(yùn)動控制、實(shí)時查看伺服電機(jī)驅(qū)動器運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)整套系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.5 動作捕捉傳感系統(tǒng)

通過無線VR頭盔、操作控制系統(tǒng)及模擬仿真運(yùn)動平臺，捕捉頭部運(yùn)動及其他相關(guān)動作，實(shí)時準(zhǔn)確的記錄在真實(shí)三維空間中的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)，并在虛擬三維空間中重建每一時刻運(yùn)動狀態(tài)，可將任務(wù)肢體動作、面部表情動態(tài)進(jìn)行三維數(shù)字化解算，等到三維動作數(shù)據(jù)，進(jìn)而在電動六自由度平臺再現(xiàn)動作過程，體驗(yàn)身臨其境的感受。

2.6 播放控制系統(tǒng)

播放控制系統(tǒng)主要用于虛擬現(xiàn)實(shí)影片的播放及其他操作，其主要由液晶顯示屏、電腦主機(jī)、播放控制系統(tǒng)組成，在內(nèi)部存儲相關(guān)影片，同時將影片的場景動作參數(shù)通過模擬仿真運(yùn)動平臺以示教的形式輸入存儲動作軌跡數(shù)值等參數(shù)。

2.7 虛擬現(xiàn)實(shí)交互模擬系統(tǒng)

VR頭盔、動作捕捉控制手柄及虛擬現(xiàn)實(shí)互動程序等共同構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)交互模擬系統(tǒng)，通過仿真技術(shù)與計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的交叉融合、模擬、感知和體驗(yàn)周圍環(huán)境。通過虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的有機(jī)結(jié)合，體驗(yàn)者可以通過進(jìn)入作品內(nèi)部，操作控制它，甚至賦予參與再創(chuàng)造的機(jī)會。等運(yùn)動平臺完全復(fù)位后，操作人員推動活動扶梯，由操作人員解開圍欄鎖具，體驗(yàn)者依次有序離開平臺。

3 應(yīng)用前景

數(shù)字科普是未來科普教育發(fā)展的主要方向，數(shù)字科普具有內(nèi)容生動，形式多樣，互動靈活等特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)科普形式而言更有吸引力，能達(dá)到更好的科普效果[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的、有效的科技展示形式，它突破了傳統(tǒng)的實(shí)體展示可操作性不強(qiáng)和空間的限制，能夠有效減少高成本的展品費(fèi)用，結(jié)合以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它將展品的信息利用計算機(jī)數(shù)據(jù)化展示，將枯燥的數(shù)據(jù)逼真的呈現(xiàn)在觀眾面前。同時它還可以可外接感應(yīng)終端，模擬物品形態(tài)、重量等外部特征[4]。觀眾可通過對感應(yīng)終端的操作，實(shí)現(xiàn)對虛擬物品的交互操作，如開機(jī)艙門，模擬駕駛等操作，從而實(shí)現(xiàn)了真實(shí)文物無法提供的新穎的交互式參觀模式。從而能夠以新形式，低成本、更直接、更高效、更廣泛的方式向游客體驗(yàn)飛機(jī)的相關(guān)科普信息，是我們的航空科普場館不再是傳統(tǒng)中陳列性擺放宣傳，更是一種寓教于樂的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，引起觀眾學(xué)習(xí)新知識的興趣，引發(fā)觀眾濃厚的興趣，從而達(dá)到航空科普教育的目的。

4 結(jié)束語

開展青少年科普工作是提高全民族科學(xué)文化素質(zhì)的重要內(nèi)容。青少年作為國家發(fā)展的后備力量，應(yīng)該對其加強(qiáng)科學(xué)知識和技術(shù)的傳播，通過科學(xué)文化素質(zhì)的提高，增強(qiáng)國家綜合競爭力?？破展ぷ魇乔嗌倌曜灾鲗W(xué)習(xí)的有效途徑，是培養(yǎng)未來創(chuàng)新型人才的重要手段，通過科普教育基地和先進(jìn)的展示技術(shù)，將各種資源整合起來，進(jìn)行科學(xué)普及教育，培養(yǎng)他們的科學(xué)興趣和愛好，增強(qiáng)其創(chuàng)新實(shí)踐能力，不僅是一項(xiàng)重要的國民素質(zhì)塑造過程，也是保障我國科教興國和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略順利實(shí)施的戰(zhàn)略性工程。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空科普場館中的成功運(yùn)用，改變了以往的教育科普手段，得到了越來越多的場館重視。這將增強(qiáng)公眾對航空知識的了解，學(xué)習(xí)及運(yùn)動能力，轉(zhuǎn)化為全社會的創(chuàng)新能力產(chǎn)生重要的推動作用。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]王燕軍.淺析增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在兒童教育中的應(yīng)用[J].電子世界，2018（7）.