VR技術在天氣雷達速調管更換中的應用

王 龍，陳昌迪，馮婉悅，高 原，張葉杰

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象技術裝備保障中心，烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830002)

0 引言

CINRAD/CC型天氣雷達速調管是價格昂貴的微波電真空消耗器件[1]，其設計使用壽命在8000 h，正常情況下每年都應該更換該器件。速調管的更換存在一定的技術難度及經濟風險，氣象部門基層雷達站的保障人員沒有更換該器件的資質和經驗，大部分的雷達都是由廠家的專業(yè)人員承擔更換速調管的工作。

在傳統(tǒng)更換速調管的作業(yè)培訓過程中，由于保障人員理解能力的偏差導致掌握的程度不一致。理論知識培訓結束后，實際操作訓練也存在困難。且雷達發(fā)射系統(tǒng)帶有高壓，操作時要謹慎，操作過程中會造成一些貴重材料或者工具損耗，因此傳統(tǒng)的培訓方式成本高，效果不理想。

虛擬現實技術(VR)包含網絡技術、多媒體技術、傳感技術、人機交互技術、計算機圖形學技術于一體。虛擬現實技術可以對現實世界的行為活動進行仿真，并對用戶的位置、姿態(tài)等做出實時響應，借助一些交互設備可以使參與者以接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而使參與者和虛擬環(huán)境之間建立起實時的交互關系，產生與真實環(huán)境中相似的感覺體驗[2]。文章提出利用VR技術的特性，模擬一個虛擬空間使保障人員能夠身臨其境地對雷達速調管進行測試、拆卸和安裝，當雷達速調管出現故障時，保障人員經過短暫的學習后能對速調管進行更換。使用VR技術的培訓方式，不管是在培訓成本、培訓效果還是在安全性方面相比于傳統(tǒng)方式都有明顯改進。

1 系統(tǒng)設計與實現

1.1 系統(tǒng)組成

雷達速調管虛擬系統(tǒng)的組成包括3部分：1)虛擬環(huán)境產生器：該部分主要用于產生雷達機房3D場景的軟硬件環(huán)境，可以感知保障人員的活動軌跡(如手、眼、頭部的運動)，并通過分路/分時獲得左右眼圖像，融合生成可視化的三維場景，同時對機房的聲音進行三維合成，并向保障人員發(fā)出觸覺、聽覺、視覺等反饋信號；2)數據接口：數據接口的作用是將虛擬環(huán)境產生器、輸入輸出設備以及保障人員等有機地連接成一體，包括硬件協(xié)配、聯(lián)調及人機界面等技術內容；3)輸入輸出設備：是指頭戴顯示器、數據手套、語音識別設備等。虛擬現實系統(tǒng)通過輸入設備接收保障人員的動作、姿態(tài)和聲音，通過輸出設備進行反饋，使保障人員可以駕馭虛擬出來的雷達機房場景。

1.2 設計流程

文章利用VR技術和相關軟件設計雷達速調管虛擬系統(tǒng)，其中涉及的軟件為Unity3D軟件、3dMax以及 Photoshop軟件。Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的具有全面整合作用的專業(yè)引擎。其創(chuàng)建的目的是為游戲從業(yè)人員創(chuàng)建三維動畫、實現建筑可視化等[3]。使用該軟件可構建虛擬雷達機房的三維場景并模擬各種物理學運動，實現重力、碰撞、摩擦等自然現象。雷達機柜、測試儀表及各類工具的建模是利用3dMax軟件實現的，3dMax軟件是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，具有強大3D建模功能，使用可堆疊的建模技術，可以有效降低復雜模型的制作難度。Photoshop軟件主要是用來處理和制作建模的紋理貼畫。

文章設計的主要思路是通過攝像采集雷達真實場景的平面模型使用Photoshop軟件處理紋理貼畫，利用3dMax軟件構建虛擬模型并導入Unity3D軟件，驅動場景實現交互。流程如圖1所示。

圖1 雷達速調管虛擬系統(tǒng)開發(fā)過程

1.3 環(huán)境搭建

雷達速調管虛擬系統(tǒng)設計的基礎是建立模型，在建模前需要分析雷達場景的布局設施，需要的數據及資料包括：

1)實景尺寸：包括雷達機房空間結構、尺寸，雷達機柜形態(tài)等。根據提供的實物尺寸數據進行1∶1建模。

2)紋理貼圖：使用攝像設備采集雷達機房實景，利用Photoshop軟件處理采集到的圖像制作三維貼圖，使系統(tǒng)畫面顯示接近真實環(huán)境。

3)場景規(guī)劃：羅列出需要的不同場景如培訓模式或練習模式，具體描述各個場景需要實現的功能和業(yè)務邏輯，輸出場景列表。

4)其他數據：實地測量建模所需要的其他數據[4]。

1.4 建模

文章使用3dMax軟件構建虛擬模型，3dMax中的建模方式有很多種，根據不同模型的特點找到合適的方法。基礎建模適用于大多數情況，包括對幾何體的編輯和樣條線的編輯，適合構建雷達機房中大面積物體如墻面、地面和機柜等。多邊形建模功能強大，基本可以構建所有復雜的雷達部件、儀表和工具。

根據需要設計雷達速調管虛擬系統(tǒng)模型：

1)房屋和大型機柜模型，其中包括雷達機房和4個雷達機柜及工作臺。建模時要按照數據制作標準幾何體模型，由幾何體模型構成虛擬機房[5]。文章設計的重點是速調管機柜，為確保場景渲染和后期交互是流暢的，對于非重點建筑物的貼圖可以不用過于清晰[6]。

2)各類工具、附屬設備和測試儀表屬于體積小結構復雜的物體，構建模型時需要結合多邊形建模、復合建模等高精度建模方式。速調管的波導管由圓柱體，長方體和曲型長方體嵌套構成，使用FFD自由變形修改器操縱物體的空間平行點陣對波導管施加柔和的力來完成變形精確控制彎曲的范圍。

3)模型制作完成后上傳，點擊創(chuàng)建作品跳轉到模型場景庫逐一添加模型。每個模型的大小和位置可以調整。使用工具條選中模型，對模型進行移動、旋轉、縮放、刪除等操作，或直接在屬性欄中輸入對應的數據進行更改。

建模過程中模型的優(yōu)化也很重要，對于大面積的模型，比如地面、墻面和長條物體等，可以通過把物體切成多塊的方式來解決烘培精度不高而導致模糊的問題。另外在一些場景中將部分體積較小的物體塌陷成一個物體，可以有效減少烘培的時間，加快模型在Unity3D中的載入和程序的運行速度。

為了保證所有模型的高度真實感，在3D模型結構仿真的同時，還要對模型的材質進行貼圖和渲染。材質是指物體的材料、質感，即物體本身的材料屬性與紋理[7]。使用Photoshop軟件處理采集到的圖片并存入資源管理器中，以便貼圖時調用。利用3ds Max軟件將虛擬模型導入Unity3D 軟件，添加碰撞器后將模型的特征數據在Unity3D 軟件中進行重組表達[8]。

1.5 實現交互技術

輸入輸出設備是實現交互技術的關鍵，主要包括頭戴顯示器、數據手套、語音識別設備及各類傳感器。在進行交互時，戴在身體上的傳感器可以有效感知保障人員在虛擬的雷達機房場景中的活動軌跡，并將雷達機房中的物體(雷達部件、各類工具及附屬器件)狀態(tài)反饋回來。如距離傳感器可以感知保障人員與虛擬雷達速調管之間的距離，頭部的位置傳感器可以檢測到頭部的方位。固定在手背上的跟蹤器可以確定數據手套的空間位置和方位，各手指有可彎曲的柔性傳感器，柔性傳感器可測量拇指與其余各手指及關節(jié)的方位角。手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺，可以有效感知手部與雷達接觸時的一系列動作，如拆裝速調管、安裝連接線或緊固螺絲等。還有將虛擬雷達機房中的力覺信息反饋給保障人員的力覺傳感器、檢測聲音的語音識別設備以及檢測人體姿勢的跟蹤傳感器等。

交互技術是將虛擬的雷達站場景與保障人員連接在一起的紐帶，為了保證虛擬雷達速調管系統(tǒng)的實時響應和系統(tǒng)逼真度，需要加入天空盒以及行走、旋轉、動畫等功能，同時在雷達機柜及儀表工具間建立碰撞規(guī)則。交互效果的具體設計包括以下幾個方面：

1)設計交互動作模式：設計系統(tǒng)感知保障人員在虛擬雷達機房中的身體姿態(tài)動作；

2)設計交互按鈕：可以選擇鼠標、空間球或數據手套等來觸發(fā)事件控制效果；

3)設置語音系統(tǒng)：語音系統(tǒng)使虛擬雷達環(huán)境聽懂保障人員的語言，并能實時交互；

4)設計特效：模擬室內燈光效果，并調整光線射入角度及場景中物體投影方向等，增加光暈效果，提升雷達機房逼真度；

5)設計存儲和瀏覽系統(tǒng)：該系統(tǒng)可將更換雷達速調管的過程進行存儲，后期制作相關語音文字說明，當需要瀏覽時調用出來，為保障人員快速學習提供幫助；

6)設計音效：為提高場景渲染力增強保障人員感受，需要在虛擬雷達環(huán)境中加入背景音，對應的活動進行相應的音效設計，同時加入聲音大小滑桿控制。

2 實際應用

2020年4月，石河子天氣雷達速調管出現故障，經判斷為雷達工作時間過長導致速調管性能下降，需要更換。新疆氣象裝備保障中心利用雷達速調管虛擬系統(tǒng)對新入職的保障人員進行了更換速調管的臨時培訓。保障人員在培訓模式下觀摩了更換雷達速調管的演示流程，而后利用VR設備現場練習并掌握了更換方法。培訓結束后保障人員赴石河子及時更換了天氣雷達速調管，解決了故障。

根據上述實例可知，與傳統(tǒng)的培訓方法相比，雷達速調管虛擬系統(tǒng)可以讓保障人員在較短時間內掌握更換速調管的方法。該系統(tǒng)建成時間短，技術難度高，功能完善后會有更多應用空間。

3 系統(tǒng)設計總結

根據以上具體分析可以得出，在對雷達速調管工作方式充分調研的基礎上，對利用VR技術實現CINRAD/CC型天氣雷達速調管更換的設計可分為以下10個步驟：

1)設計原則：①互動性：該系統(tǒng)的虛擬實驗可以對保障人員的實時操作進行反饋，保障人員可以通過該系統(tǒng)反復練習提高技能。②開放性：該系統(tǒng)應滿足保障人員使用遠程互聯(lián)網終端登錄并進行實驗操作的需求，為基層保障人員學習掌握技能提供可能。③易于維護：可通過網絡化管理模式對該系統(tǒng)進行遠程維護，采用跨平臺的組建方式進行軟件設計便于維護和管理。④虛實結合，以實為本：該系統(tǒng)是為培訓和學習提供的虛擬實驗平臺，具體應以實物為準。⑤安全性和可靠性：管理員應定期檢查該系統(tǒng)并進行維護和升級，注意備份和更新數據庫信息。

2)前期分析：分析CINRAD/CC型雷達速調管的組成模塊，更換速調管的流程，更換前后各個參數的測試方法、技術指標，以及更換速調管過程中遇到故障時相應的處理方法。

3)建立模型：根據所選定的更換速調管虛擬現實資源的需求，構建雷達速調管部件、各類工具、測試儀表及附屬器件的三維模型，使虛擬場景中看到的雷達成為真實場景中實物的再現。建模完成后注意模型的優(yōu)化，使整個程序運行流暢，同時不占用太大內存。

4)導入模型：雷達模型建立好以后，需要將制作好的模型導入到選定的專業(yè)虛擬現實編程軟件，在導入模型前應該安裝相應的插件，再將烘培完成后的模型借助插件導入軟件，導入時觀察并處理出現的問題。

5)搭建場景：更換雷達速調管的虛擬現實資源所需的模型均導入成功后，可進行虛擬現實場景的搭建，場景中所有的模型和紋理貼圖需要使用攝像頭采集真實環(huán)境。搭建過程中需要注意調整虛擬環(huán)境中攝像機的方向、位置及高度。

6)實現交互技術：根據需求設定并實現具體的交互技術。

7)選擇終端：目前VR體驗設備分為PC端、一體機及移動端。VR頭戴設備有虛擬現實頭盔和VR眼鏡，可根據需求選擇。

8)運行測試：對編譯完成的程序代碼進行測試，處理出現的問題直到程序達到預期效果。

9)演示效果：使用建成的雷達速調管虛擬系統(tǒng)進行更換速調管的演示，記錄并制作相關語音文字說明，為保障人員快速學習速調管組成結構、拆卸、測試、安裝等提供幫助。

10)系統(tǒng)發(fā)布：該系統(tǒng)完成后，應該將其設置為可以執(zhí)行的文件，根據該設計在使用時所需的顯卡、屏幕等配置的要求，將不同平臺環(huán)境上的應用設置為EXE執(zhí)行文件或APK文件。

4 結束語

文章介紹了CINRAD/CC型天氣雷達速調管虛擬系統(tǒng)組成與實現，為該型雷達速調管的更換和保障培訓提供了一種新方法，具體的實施步驟還需要根據實際情況進行修改補充。文章的設計還可以擴展到該型雷達天饋系統(tǒng)中方位電機的更換，接收系統(tǒng)中激勵源、頻率源的測試和更換，以及發(fā)射系統(tǒng)中人工線、鈦泵電源的測試和更換等。