可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計方案

武雪榮， 蘇 波

（航空機務(wù)士官學(xué)校， 河南 信陽 464000）

0 引言

機載武器系統(tǒng)是技術(shù)密集型的大型復(fù)雜機電系統(tǒng)，使用和維護程序多、標(biāo)準(zhǔn)高，還包括諸多易燃易爆的火工品， 危險性很高， 這對人員的維護能力提出了很高的要求。 由于維護人員客觀存在訓(xùn)練時長不同、 知識層次不一、技術(shù)水平差異較大等特點，在工作過程中難以將所有的操作方法、步驟牢記于心，不能達到無差錯的要求；在完成復(fù)雜程度高或危險性強的維護作業(yè)時， 工作效率較低。 利用實裝進行技能訓(xùn)練時，受視線和位置的限制，難以完成多人同時帶教，訓(xùn)練效率不高，加之帶教標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一，總體效果不盡如人意。 因此，擬建設(shè)可視化維修引導(dǎo)系統(tǒng)，搭建系統(tǒng)運行的硬件平臺，設(shè)計可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)軟件，達到演示和室內(nèi)實習(xí)使用的程度。引導(dǎo)系統(tǒng)的建成將在維護訓(xùn)練、實踐教學(xué)等方面發(fā)揮重要作用，具有顯著的軍事和經(jīng)濟效益。

1 引導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

機載武器可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)以增強現(xiàn)實技術(shù)為核心，結(jié)合語音識別、體感識別和多媒體技術(shù)，是教學(xué)手段的一種創(chuàng)新。 可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。 硬件部分包括高性能計算機、虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備和顯示設(shè)備。硬件部分是軟件系統(tǒng)運行的公共平臺。軟件部分包括三種不同功能的大型軟件（開發(fā)平臺），分別是用于沉浸式虛擬維修模塊的DELMIA、用于桌面式虛擬維修模塊的Ngrain 和用于虛擬仿真模塊的Flightgear， 是整個引導(dǎo)系統(tǒng)的核心，負責(zé)整個場景的開發(fā)、運算、生成，同時連接和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的其它各個子系統(tǒng)的工作和運轉(zhuǎn)，與他們共同組成一個完整的引導(dǎo)系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件部分由遠程計算機系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、跟蹤定位系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。 硬件架構(gòu)如圖1 所示。

高性能計算機一般為的圖形工作站， 對其CPU 的數(shù)據(jù)處理能力、存儲介質(zhì)的存儲容量和讀寫速度、顯卡的圖形圖像處理能力等的要求很高， 以滿足超大容量的三維立體模型數(shù)據(jù)管理的有效性、圖像畫質(zhì)的高清性、動畫播放的流暢性和交互操作的實時性。

圖1 可視化維修引導(dǎo)系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

顯示設(shè)備用于顯示虛擬環(huán)境的視覺形象。 顯示端按照工作原理可分為兩種： 視頻透視式視頻眼鏡和光學(xué)透視式視頻眼鏡。 光學(xué)透視式視頻眼鏡在學(xué)員眼睛前面放置光學(xué)合成器。合成器是部分透明的，透過它可以直接看到真實世界。合成器又是部分反射的，可以看到從頭上戴的顯示器反射到合成器上產(chǎn)生的虛擬圖像。 光學(xué)透視式視頻眼鏡原理見圖2。 視頻透視式視頻眼鏡封閉了視線，帶有一個或兩個攝像機，拍攝真實世界的場景。場景合成器負責(zé)把攝像機視頻和圖形進行合成， 并將結(jié)果送到顯示器上。 視頻透視式視頻眼鏡原理見圖3。

圖2 光學(xué)透視式視頻眼鏡原理圖

圖3 視頻透視式視頻眼鏡原理圖

跟蹤定位系統(tǒng)實時地檢測觀察者在場景中的位置、觀察者頭部的角度和運動的方向， 以便用來幫助系統(tǒng)決定顯示何種虛擬物體，并按照觀察者的視場重建坐標(biāo)系。目前的增強現(xiàn)實系統(tǒng)主要采用電磁跟蹤器、慣性跟蹤器、測距儀、超聲波定位儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）等。用以探測和跟蹤真實環(huán)境中目標(biāo)的位置和方向。 本系統(tǒng)中為達到所需精度，將選用電磁跟蹤器或慣性跟蹤器。

虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備主要有數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)衣、力反饋器等。數(shù)據(jù)手套用于模擬人手在裝配或維修作業(yè)中的動作，通過接口程序，驅(qū)動虛擬手在虛擬環(huán)境中作相應(yīng)的操作。 如抓取維修工具、擰螺絲刀等。 位置跟蹤器、 數(shù)據(jù)衣用于在一定范圍內(nèi)獲取人體的位置和肢體的運動。反饋裝置主要是使虛擬裝配或維修作業(yè)具有力感，營造更加逼真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。

3 軟件設(shè)計

可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)的軟件整體框架設(shè)計見圖4。 可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)涵蓋了增強現(xiàn)實技術(shù)的很多方面，包括引導(dǎo)信息、圖像合成、操作者操作和操作狀態(tài)檢測4 個方面。 各個方面相互配合組成一個完整的引導(dǎo)系統(tǒng)。

圖4 軟件整體框架設(shè)計圖

引導(dǎo)信息是由計算機模擬出來的一些二維、 三維信息以及維修過程所規(guī)定的指令性文件， 包括完成維修任務(wù)的技術(shù)指令、維修標(biāo)準(zhǔn)和注意事項，為維修人員提供維修活動的依據(jù)以及遵循的規(guī)定和程序。 系統(tǒng)中引導(dǎo)信息主要包括三維幾何模型、場景、文字和裝配關(guān)系特征。

圖像合成主要是讓三維模型和真實場景物體融為一體，給操作者逼真的感覺，能夠更好的幫助操作者進行維修。系統(tǒng)采用基于虛擬模型的虛實融合方法，與傳統(tǒng)的基于三角面片的虛擬物體重構(gòu)法相比，雖然要進行預(yù)處理，且需預(yù)知真實場景的詳細信息， 但它實現(xiàn)簡單， 實時性好，運行效率高.優(yōu)于后者計算機生成的引導(dǎo)信息和攝像頭攝取的設(shè)備真實場景利用圖像合成技術(shù)， 采用基于標(biāo)識的虛實融合方法融為一體， 通過光學(xué)透視式視頻眼鏡傳送給操作者，這樣就可以實時指導(dǎo)學(xué)員完成維護工作。

操作狀態(tài)的檢測是基于機載武器維護的規(guī)則體系，這個體系由C++程序里的DetectPrinter 函數(shù)控制。規(guī)則包括“什么時候檢測到什么顏色或標(biāo)識”，然后可以判斷現(xiàn)在是什么操作狀態(tài)。 具體規(guī)則示例見表1。

從表可以看出，座椅火藥機構(gòu)維護（示例）的條件規(guī)則庫包括3 個步驟。與此一一對應(yīng)有3 個狀態(tài)的檢測。當(dāng)光學(xué)透視式視頻眼鏡攝取到的圖像檢測到任何一個條件規(guī)則時， 計算機就可以根據(jù)操作狀態(tài)檢測條件規(guī)則來判斷當(dāng)前的操作狀態(tài)。

系統(tǒng)采用Unity3D 引擎，其優(yōu)良的圖像處理性能，多種多媒體格式及數(shù)據(jù)模型格式的無縫結(jié)合， 以及優(yōu)異的跨平臺支持情況和接口， 能夠支持市面上常見的操作系統(tǒng)包括WINDOWS 操作系統(tǒng)、UNIX 操作系、MAC 操作系統(tǒng)、Linux 操作系統(tǒng)， 以及移動平臺的Android、IOS 操作系統(tǒng)等主流系統(tǒng)。 該平臺完全能夠滿足現(xiàn)階段的開發(fā)要求并具備進行二次開發(fā)和功能的良好擴展性，為將來可能的二次開發(fā)做好技術(shù)鋪墊。系統(tǒng)中使用該模塊呈現(xiàn)給感官真實的增強環(huán)境， 把融合場景的左右眼視頻信號分別輸出給佩帶頭盔，顯示復(fù)合立體圖像。

表1 操作狀態(tài)檢測規(guī)則樣

4 結(jié)束語

機載武器可視化維護引導(dǎo)系統(tǒng)以增強現(xiàn)實技術(shù)為核心，結(jié)合語音識別、體感識別和多媒體技術(shù)，是教學(xué)手段的一種創(chuàng)新。 該系統(tǒng)通過構(gòu)建虛實結(jié)合的機載武器系統(tǒng)維護環(huán)境，利用身臨其境的沉浸感和完善的交互功能，為情境式學(xué)習(xí)和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)提供了良好的環(huán)境， 逼真的再現(xiàn)機載武器系統(tǒng)操作過程并顯示實時引導(dǎo)信息， 實現(xiàn)訓(xùn)練和維護操作的標(biāo)準(zhǔn)化和可視化， 提高使用維護安全性，節(jié)約訓(xùn)練時間和費用。所以本系統(tǒng)將在機載武器系統(tǒng)實踐教學(xué)、維修訓(xùn)練等方面發(fā)揮重要作用，這對降低裝備維護訓(xùn)練成本有著重要的經(jīng)濟和軍事意義。