VR 仿生系統(tǒng)在艇員控制訓(xùn)練中的應(yīng)用

徐志立

(北京青年政治學(xué)院 電子政務(wù)研究所，北京 100102)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是一門多學(xué)科綜合的新型技術(shù)，近年來成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、人機(jī)工程、傳感器技術(shù)、并行運(yùn)算技術(shù)等，通過采集各類傳感信號(hào)，為用戶渲染一種實(shí)時(shí)的圖形環(huán)境，使用或在該圖形環(huán)境中具有與場景的交互功能。用戶與場景的交互通常包括鼠標(biāo)鍵盤、VR 眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在交互性的大型游戲、工業(yè)系統(tǒng)的仿真、汽車與艦船等工業(yè)產(chǎn)品的虛擬裝配等領(lǐng)域。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境渲染功能，虛擬駕駛與虛擬控制平臺(tái)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，并成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究。

艦艇的控制過程非常復(fù)雜，由于艦艇在航行時(shí)需要同時(shí)控制和監(jiān)測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、雷達(dá)、導(dǎo)航與通信系統(tǒng)等，因此，對(duì)操作人員有較高的要求。目前艦艇操作人員的主要訓(xùn)練方法是實(shí)踐訓(xùn)練，這種訓(xùn)練方法不僅要消耗大量的時(shí)間，還具有非常高的成本，且訓(xùn)練效果也不盡如人意。本文研究的主要目的是提高艦艇操作人員的訓(xùn)練效率，降低訓(xùn)練成本和周期。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種艦艇操作人員的虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)，并從原理和組成上進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 基于VR 仿生系統(tǒng)的艇員控制訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早是由美國人蘭尼爾提出的，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義為用計(jì)算機(jī)技術(shù)形成一個(gè)三維場景，用戶利用自己的視覺，聽覺甚至嗅覺來與該虛擬場景進(jìn)行信息的交互，信息的交互利用某些技能和設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心包括以下兩方面：

1）建模技術(shù)

建模技術(shù)是虛擬場景的基礎(chǔ)，建模首先需要分析三維場景所需要的模型數(shù)據(jù)，通過提取模型數(shù)據(jù)，并在三維軟件中建立相關(guān)模型，從而構(gòu)建逼真的虛擬場景。虛擬場景的建?？梢苑譃榉墙佑|式視覺建模和規(guī)則的CAD 建模，其中，非接觸式視覺建模針對(duì)的虛擬環(huán)境更加復(fù)雜，而CAD 建模針對(duì)的虛擬環(huán)境有更高的規(guī)律性。

2）圖像生成技術(shù)

圖像生成技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，也是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究重點(diǎn)，圖像生成的刷新率直接決定了虛擬場景的逼真程度，也決定了虛擬場景中，人與場景的交互響應(yīng)時(shí)間。通常圖像生成技術(shù)的刷新頻率至少要高于15 幀/s，某些世界領(lǐng)先的圖像生成技術(shù)，刷新率可達(dá)60 幀/s[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的服務(wù)器主要包括Login 服務(wù)器[2]、VR 服務(wù)器、WEB 服務(wù)器和協(xié)調(diào)服務(wù)器4 種，圖1 為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理圖。

圖 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理圖Fig. 1 Principle diagram of virtual reality technology

1.2 虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)

本文針對(duì)艦艇操作人員設(shè)計(jì)的虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)，由多個(gè)計(jì)算機(jī)組成，分別負(fù)責(zé)不同的功能，計(jì)算機(jī)之間通過局域網(wǎng)相連，與艇員的交互節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)。圖2 為艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖 2 艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of virtual control training system for crew

虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)包括操縱計(jì)算機(jī)、模型處理計(jì)算機(jī)和虛擬場景計(jì)算機(jī)，分別負(fù)責(zé)操縱與運(yùn)算控制功能、模型處理功能和虛擬場景的渲染功能等。

1）操縱計(jì)算機(jī)

操縱計(jì)算機(jī)主要的功能是進(jìn)行運(yùn)算控制，同時(shí)也具有航跡顯示、通信、人機(jī)交互等功能，通過大量數(shù)據(jù)的分析和推算，模擬艦艇控制臺(tái)的多項(xiàng)功能，比如艦艇的起動(dòng)、停止等。

2）模型處理計(jì)算機(jī)

虛擬系統(tǒng)中的3D 模型在該計(jì)算機(jī)中完成數(shù)據(jù)提取和建模，常用的建模軟件以3DS MAX 和UG 為主[4]，主要是因?yàn)樵擃惾S設(shè)計(jì)軟件不僅具有良好的建模功能，還同時(shí)具有動(dòng)態(tài)仿真與模擬裝配等功能，可以滿足艦艇虛擬控制系統(tǒng)的模型處理需求。

3）虛擬場景計(jì)算機(jī)

虛擬場景計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)圖像的實(shí)時(shí)生成、虛擬場景的持續(xù)渲染等，形象地將艦艇控制模擬系統(tǒng)呈現(xiàn)給受訓(xùn)人員，虛擬場景計(jì)算機(jī)采用數(shù)字顯示面板和虛擬儀表盤等工具，將當(dāng)前艦艇的運(yùn)行狀態(tài)以指針或者信號(hào)燈的方式顯示，提高了虛擬場景的人機(jī)交互性能。

三維建模軟件市場上有多種，比如3DS MAX，CREO，Maya 等。其中，在艦船工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的三維建模軟件是3DS MAX，同時(shí)結(jié)合Photoshop 進(jìn)行模型的材質(zhì)渲染，該軟件具有較高的建模效率和較強(qiáng)的曲面建模功能。本文選取3DS MAX 進(jìn)行艦艇控制虛擬系統(tǒng)的建模，并結(jié)合XNA 開發(fā)工具[5]進(jìn)行虛擬控制系統(tǒng)的開發(fā)。

圖3 為XNA 場景開發(fā)工具的技術(shù)體系架構(gòu)。

圖 3 XNA 場景開發(fā)工具的主體架構(gòu)Fig. 3 Principal architecture of XNA scenario development tool

2 基于VR 仿生系統(tǒng)的艇員控制訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 工作流程

本文在設(shè)計(jì)艦艇虛擬控制仿真訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)受訓(xùn)人員的掌握程度設(shè)計(jì)了多種訓(xùn)練模式。其中，艦艇操縱過程的碰撞檢測(cè)以及在該場景下的艦艇控制是訓(xùn)練的重點(diǎn)。

在該艦艇虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)中，允許受訓(xùn)人員采用多種方式與虛擬場景交互，并需要從虛擬場景中提取具有價(jià)值的碰撞監(jiān)測(cè)信號(hào)，進(jìn)一步做出適當(dāng)?shù)呐炌Э刂撇僮?，防止碰撞事故的發(fā)生。

虛擬場景中碰撞信號(hào)如下：

在該碰撞信號(hào)作用下，艦艇虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的工作流程如圖4 所示。

通過構(gòu)建VR 仿生系統(tǒng)，艇員可以在上艇前進(jìn)行大量的VR 仿生訓(xùn)練，通過近乎于真實(shí)的模擬艦艇航行中的實(shí)際情況，提升艇員的訓(xùn)練效率和效果，為培養(yǎng)合格的艇員提供輔助。以虛擬碰撞為例，通過場景渲染，讓艇員真實(shí)感受到艦艇碰撞后的情景，并模擬艇員在進(jìn)行操作后所出現(xiàn)的狀況，有利于提升艇員在艦艇操作過程中的應(yīng)急能力。

2.2 硬件設(shè)備

圖 4 基于VR 的艇員控制訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程Fig. 4 Workflow of crew control training system based on VR

在基于仿生系統(tǒng)的艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)艇員的日常訓(xùn)練所需的功能，必須要配置相應(yīng)的虛擬場景感應(yīng)設(shè)備和信號(hào)采集與傳輸設(shè)備，主要包括VR 頭盔顯示器和SCXI 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。

1）VR 頭盔顯示器

VR 頭盔顯示器是一種頭戴式顯示器，這種顯示器將人體的聽覺、視覺等進(jìn)行引導(dǎo)，使用戶產(chǎn)生一種置身虛擬環(huán)境之中的感覺。

Vive 頭盔顯示器采用2.4 in OLED 屏幕，成像率達(dá)到了1 020 P，屏幕具有90 Hz 的刷新率，能夠滿足艇員在虛擬訓(xùn)練過程的艦艇操作場景變換所需。

同時(shí)，為了滿足虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的空間感和視角變化，Vive 頭盔采用了六軸陀螺儀[6]進(jìn)行空間定位和運(yùn)動(dòng)行為的捕捉。在Vive 頭盔顯示器的前端內(nèi)置了紅外激光顯示陣列，陣列的激光發(fā)射循環(huán)為10 ms，頭盔中的光敏器件通過接收激光發(fā)射器的信號(hào)，向VR 頭盔的處理器發(fā)送運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，補(bǔ)償受訓(xùn)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡和位置。

2）SCXI 信號(hào)接收與調(diào)制系統(tǒng)

基于VR 仿生系統(tǒng)的艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)需要同時(shí)采集、分析和處理大量的數(shù)據(jù)信號(hào)，為逼真模擬艇員在艦艇控制過程的場景，需要建立三維虛擬模型與受訓(xùn)主體之間的信號(hào)傳輸通道，形成一個(gè)閉環(huán)的信號(hào)反饋回路。

艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的傳感器包括物理傳感器和模擬傳感器2 種，物理傳感器又包括電偶傳感器、壓力傳感器、紅外線傳感器、電阻式測(cè)溫計(jì)等。本文在設(shè)計(jì)艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，選用SCXI 信號(hào)接收與調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集和處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的模擬信號(hào)含有一些干擾信號(hào)，比如硬件設(shè)備自身的噪聲、圖像噪聲等，SCXI 信號(hào)接收與調(diào)制系統(tǒng)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)的輸入范圍，通過調(diào)制電路和濾波電路進(jìn)行信號(hào)的放大和噪聲過濾，滿足艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的信號(hào)傳輸精度。

2.3 場景視覺形成

在使用基于仿生系統(tǒng)的艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，艇員的視角與虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔現(xiàn)實(shí)的立體三維視角需要一個(gè)轉(zhuǎn)換過程，這個(gè)過程伴隨著六軸陀螺儀的運(yùn)動(dòng)方位控制過程。

艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的視覺投影原理圖如圖5所示。

圖 5 艇員虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)的視覺投影原理圖Fig. 5 Visual projection vrinciple of crew virtual control training system

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，對(duì)于給定的三維物體造型，解算出其立體視覺圖像對(duì)便于立體觀察是很重要的。通常采用的方法是按照攝像模型沿不同的視點(diǎn)方向分別進(jìn)行投影。

對(duì)于艇員視角的某一平面點(diǎn)（x，y）來說，在投影平面的坐標(biāo)為，如下式：

d 為顯示平面上點(diǎn)距投影平面的距離。這種映射關(guān)系是一種標(biāo)準(zhǔn)的投影算法。

當(dāng)視點(diǎn)為空間視點(diǎn)p（x，y，z）時(shí)，將視點(diǎn)在虛擬控制系統(tǒng)的左右兩成像平面上移動(dòng)，分別移動(dòng)至處，則對(duì)于左側(cè)成像平面的視點(diǎn)投影為：

3 結(jié) 語

為了提高艦艇操縱人員的訓(xùn)練效率，降低訓(xùn)練周期和成本，本文基于VR 技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種艦艇虛擬控制訓(xùn)練系統(tǒng)。使用VR 仿生系統(tǒng)對(duì)艇員進(jìn)行訓(xùn)練是未來的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)隨著顯示技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，VR 仿生系統(tǒng)的功能也必將越來越完善，更加有利于應(yīng)用于各類訓(xùn)練場景，使得模擬艦艇操作場景更加逼真。