便攜式教學(xué)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

郭志偉

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，塘沽 300450）

便攜式教學(xué)設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要載體，其性能會(huì)直接影響用戶(hù)對(duì)于仿真環(huán)境的感知和培訓(xùn)操作的精度，從而影響培訓(xùn)效果。近些年，人們關(guān)于便攜式教學(xué)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用開(kāi)展了豐富的工作，并且取得了顯著的研究成果，使得便攜式教學(xué)設(shè)備的性能也得到了持續(xù)提升。本文主要基于便攜式虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）教學(xué)設(shè)備，從宏觀角度分析便攜式VR教學(xué)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬制造技術(shù)

1.1 概念

虛擬制造技術(shù)最早起源于20世紀(jì)80年代，國(guó)外研究人員將計(jì)算機(jī)建模、仿真等技術(shù)應(yīng)用到制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)。20世紀(jì)90年代以后，虛擬制造技術(shù)的關(guān)注度與日俱增。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，該技術(shù)從設(shè)計(jì)、試制、修改等不同角度均實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造技術(shù)的大革新[1-2]。與傳統(tǒng)技術(shù)的不同之處在于，該技術(shù)基于計(jì)算機(jī)等設(shè)備，可通過(guò)仿真模擬、仿真支持、仿真樣機(jī)布置等方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。利用虛擬制造技術(shù)可以縮短研發(fā)流程，節(jié)約研發(fā)成本。從設(shè)計(jì)到實(shí)施的過(guò)程使用計(jì)算機(jī)試制、修改，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控從研發(fā)過(guò)程到設(shè)計(jì)制造的整個(gè)流程，大幅提升了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，有效提升了生產(chǎn)效率，應(yīng)用前景廣闊。

1.2 虛擬制造系統(tǒng)

虛擬制造系統(tǒng)指的是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)重構(gòu)虛擬環(huán)境，使其呈現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)。無(wú)論是系統(tǒng)特征、功能還是運(yùn)行技術(shù)，二者相互之間差異較小。部分學(xué)者從相似系統(tǒng)建模的角度出發(fā)，認(rèn)為二者是相近的系統(tǒng)。也有部分學(xué)者從生產(chǎn)系統(tǒng)學(xué)的角度提出，現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)由信息流、物質(zhì)流及能量流3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。這3個(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)制約，并在控制信息系統(tǒng)的作用下逐步向目標(biāo)狀態(tài)過(guò)渡轉(zhuǎn)變。上述轉(zhuǎn)變過(guò)程可以描述為：

式中：s、c、o、g分別表示子系統(tǒng)的初始狀態(tài)、約束條件、操作運(yùn)算以及目標(biāo)狀態(tài)。

上述函數(shù)表達(dá)式指示的是產(chǎn)品制造從初始到目標(biāo)狀況的過(guò)程，涉及評(píng)價(jià)、判斷、計(jì)算等多種方法的應(yīng)用。虛擬制造系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，且與真實(shí)系統(tǒng)之間的相似程度較高。此外，從相似系統(tǒng)的視角來(lái)看，在現(xiàn)代信息技術(shù)的調(diào)度下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)等階段，通過(guò)虛擬制造系統(tǒng)不同子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)，能夠助力整個(gè)流程的高效開(kāi)展。

2 感應(yīng)器電磁定位技術(shù)

2.1 感應(yīng)器電磁定位系統(tǒng)

感應(yīng)器的定位準(zhǔn)確度會(huì)直接影響培訓(xùn)效果，而感應(yīng)器定位會(huì)受磁場(chǎng)的影響。不同地點(diǎn)、不同時(shí)間磁場(chǎng)均存在一定的差異，因此在便攜式教學(xué)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用中應(yīng)充分考慮感應(yīng)器定位的精準(zhǔn)程度。常用的電磁定位系統(tǒng)由控制器、發(fā)射源、接收器、計(jì)算單元等多個(gè)不同元件構(gòu)成，其功能分別為產(chǎn)生信號(hào)、發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)、計(jì)算位置。應(yīng)用磁傳感器能夠獲取其與發(fā)射源之間的相對(duì)位置變化信息，通過(guò)磁場(chǎng)耦合關(guān)系能夠計(jì)算出發(fā)射源的6個(gè)自由度。根據(jù)矢量的指向關(guān)系，基于非迭代幾何算法對(duì)傳感器的旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行定位，其定位算法為：

式中：(α2,β2)和 (α1,β1)為兩組旋轉(zhuǎn)角；D為磁場(chǎng)間的距離；(x′,y′,z′)為傳感器位置。

電磁技術(shù)又分為交流式電磁跟蹤技術(shù)和直流式電磁跟蹤技術(shù)。交流脈沖和直流脈沖信號(hào)最顯著的差異是信號(hào)受磁場(chǎng)影響的方式不同。交流脈沖會(huì)在導(dǎo)電材料附近產(chǎn)生渦流效應(yīng)，使其跟蹤結(jié)果扭曲或變形[3]。相比之下，直流電磁跟蹤技術(shù)對(duì)金屬物體的抗干擾能力更強(qiáng)，但是直流脈沖也同樣易受外部磁場(chǎng)的影響。

2.2 感應(yīng)器電磁定位算法

目前，常見(jiàn)的感應(yīng)器電磁定位算法主要包括到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）、指紋以及三角測(cè)距等。不同算法具有不同的精度、缺點(diǎn)以及相應(yīng)的定位技術(shù)，如表1所示。

表1 常見(jiàn)定位算法的精度、缺點(diǎn)和定位技術(shù)

目前，在便攜式教學(xué)設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用中，基于TOA算法的便攜式感應(yīng)定位器和基于AOA算法的頭戴一體式頭盔較為流行，其中便攜式感應(yīng)定位器主要使用激光定位技術(shù)，頭戴一體式頭盔主要使用紅外定位技術(shù)。該技術(shù)中信標(biāo)成像是關(guān)鍵點(diǎn)。與其他定位技術(shù)相比，該技術(shù)的精度高、用戶(hù)體感良好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。需要說(shuō)明的是，不同定位技術(shù)各有優(yōu)劣，取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合發(fā)展是提升感應(yīng)器定位精度的有效路徑之一，也是其未來(lái)的主流發(fā)展方向。目前，業(yè)內(nèi)多通過(guò)數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)融合定位，如貝葉斯濾波法、深度學(xué)習(xí)算法等。從嚴(yán)格意義上來(lái)看，現(xiàn)階段的VR定位系統(tǒng)規(guī)范性程度欠缺，主要反映在軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)方面缺乏統(tǒng)一性。然而，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，將來(lái)該技術(shù)必然會(huì)形成統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此標(biāo)準(zhǔn)化是VR定位系統(tǒng)的重要發(fā)展方向和趨勢(shì)。從具體方面來(lái)看，未來(lái)VR硬件將充分考慮人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官信息，并設(shè)計(jì)新的交互范式替代WIMP（Windows、Icons、Menus、Pointers）。從精確性方面來(lái)看，為滿(mǎn)足人們高沉浸感的需求，厘米級(jí)、毫米級(jí)將成為后續(xù)主流的發(fā)展方向[4]。除此以外，隨著相關(guān)配套技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)室外定位精度也將會(huì)得到有效提升，并逐步接近室內(nèi)精度。

3 三維交互技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，三維交互技術(shù)操作自由度較高，能夠處理復(fù)雜的交互任務(wù)，界面設(shè)計(jì)空間更大。交互隱喻指的是將真實(shí)世界的客觀機(jī)制進(jìn)行抽象化處理，并將其應(yīng)用于交互過(guò)程。通過(guò)交互隱喻能夠?qū)⑤斎朐O(shè)備的空間方向、位置信息轉(zhuǎn)化為虛擬空間的操作，從而完成三維交互任務(wù)。根據(jù)不同的交互隱喻方法，目前業(yè)內(nèi)將三維交互技術(shù)劃分為兩類(lèi)，即直接映射式和間接映射式。

3.1 直接映射式三維交互方式

顧名思義，該方式能夠?qū)⒅苯佑成湓O(shè)備的輸入信息轉(zhuǎn)化為虛擬空間的操作。在實(shí)際應(yīng)用中，常常采用光線投射、虛擬手等隱喻方法。其中：前者基于光線投射技術(shù)，能夠抓取投射到虛擬對(duì)象表面的光線，同時(shí)采用錐光柱替換傳統(tǒng)圓柱光柱的技術(shù)，以解決遠(yuǎn)程小對(duì)象難以選取的問(wèn)題；后者則是在虛擬環(huán)境中構(gòu)造用戶(hù)手的虛擬化身，但是人手臂長(zhǎng)度有限，因此工作范圍受到約束。為此，業(yè)內(nèi)開(kāi)展了大量研究，其中比較有代表性的是Poupyrev等提出的GO-GO技術(shù)。該技術(shù)從非線性映射的角度出發(fā)，有效擴(kuò)大了虛擬世界中人手的觸及范圍，解決了遠(yuǎn)距離對(duì)象的操作難題[5]。

3.2 間接映射式三維交互方式

與直接映射式交互方法不同，間接式方法是將輸入的信息轉(zhuǎn)化為手勢(shì)，通過(guò)手勢(shì)控制場(chǎng)景空間的比例，在此基礎(chǔ)上高質(zhì)量地完成交互任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，間接式方法以雙手交互為主，原因在于該方法充分考慮了雙手操作的非對(duì)稱(chēng)分工特點(diǎn)。該操作方式下，將人的非利手作為參考坐標(biāo)，能夠高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作。目前，該方式應(yīng)用較為廣泛。間接映射式交互方法中常常應(yīng)用的隱喻方法包括微觀世界（Worlds In Miniature，WIM）方式、圖像平面、觸控手套模式等，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。

WIM隱喻方式要求人一只手持有面板道具（帶有跟蹤器），另一只手持有按鈕道具。在虛擬空間環(huán)境下，面板道具被映射隱喻為虛擬場(chǎng)景的縮微拷貝，從而在縮微空間對(duì)場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行精細(xì)化操作。圖像平面隱喻方法的技術(shù)原理是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法將三維物體映射到二維投影平面上，基于該投影平面完成交互操作。該操作方式與二維鼠標(biāo)相近。除此之外，觸控手套模式技術(shù)更為先進(jìn)，業(yè)內(nèi)關(guān)注度更高，需要佩戴電子接觸器，一般布設(shè)在人的手掌、手指端等部位，以方便監(jiān)測(cè)手指間的接觸。通常情況下，與監(jiān)測(cè)手指關(guān)節(jié)、手的運(yùn)動(dòng)相比，檢測(cè)手指間的接觸效果可靠性更佳，一方面其學(xué)習(xí)難度較低，另一方面其適應(yīng)性更強(qiáng)，能夠適應(yīng)于頻繁使用的命令。觸控手套模式下，通過(guò)電子接觸器以及傳感器的轉(zhuǎn)換作用，將人手指等部位的接觸操作轉(zhuǎn)換為離散切換命令，進(jìn)而在虛擬的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等操作。此外，基于功能更強(qiáng)的交互技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙手飛行等復(fù)雜操作。

3.3 三維交互技術(shù)存在的問(wèn)題分析

在便攜式教學(xué)設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用中，三維交互技術(shù)存在著操作空間范圍、虛擬手延伸長(zhǎng)度控制、虛擬交互自由度有效控制、間接映射比例空間的攫取和呈現(xiàn)形式等問(wèn)題，從而制約了該技術(shù)的拓展延伸應(yīng)用[6]。首先，操作空間范圍。在直接映射方式中，受手臂范圍的制約存在虛擬手操作范圍的問(wèn)題，為此人們創(chuàng)新提出了GO-GO技術(shù)，在一定程度上拓展了人手臂的工作范圍，但是不能解決遠(yuǎn)程小對(duì)象地高精度抓取問(wèn)題，在實(shí)際中難以定位到遠(yuǎn)程小物體上。其次，虛擬手延伸長(zhǎng)度控制問(wèn)題。在間接映射方式中，WIM方式能在縮微空間對(duì)場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行精細(xì)化操作，但是縮微全景狀態(tài)下，現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景空間的小對(duì)象將變得更小，因此其操作面臨較大的問(wèn)題。在縮微全景模式下，細(xì)微的移動(dòng)都可能造成現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的較大變化，因此該現(xiàn)象對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景應(yīng)用受限。再次，虛擬交互自由度有效控制問(wèn)題。盡管當(dāng)前的輸入設(shè)備在自由度方面有一定的提升，但是現(xiàn)有交互方法在控制自由度方面能力有限，成為其應(yīng)用發(fā)展的重要瓶頸。例如：對(duì)于光線投射法來(lái)說(shuō)，該方式簡(jiǎn)化了自由度交互策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬對(duì)象的便捷化選取，但是在旋轉(zhuǎn)或沿射線方向移動(dòng)等操作方面能力有限，實(shí)現(xiàn)難度較大。采用錐光柱替換傳統(tǒng)圓柱光柱，能夠解決遠(yuǎn)程小對(duì)象難以選取的問(wèn)題，但是對(duì)于單手交互來(lái)說(shuō)，如何從備選對(duì)象中選擇目標(biāo)對(duì)象難度很大，是制約該技術(shù)的重要難題。最后，間接映射比例空間的攫取和呈現(xiàn)形式問(wèn)題。根據(jù)前文敘述可知，通過(guò)間接隱喻方式能夠?yàn)樘摂M場(chǎng)景創(chuàng)設(shè)比例不一的空間，但是在比例空間的攫取和呈現(xiàn)形式等方面尚欠缺有效的方法。

以Scaled-World Grab為例，該方式可以自動(dòng)設(shè)置縮放比例，但是只能作用于特定的比例空間，即只有對(duì)該空間中的對(duì)象可操作。與之相對(duì)應(yīng)的圖像平面隱喻突破了作用于一個(gè)比例空間的限制，但是面臨比例空間的攫取等問(wèn)題，一般需要通過(guò)使用數(shù)據(jù)手套才能實(shí)現(xiàn)，因此其應(yīng)用范圍以及操作精度均受到了限制。除了上述問(wèn)題以外，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的交叉交互任務(wù)、交互模式的轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，尚缺乏有效的解決方式。針對(duì)受限空間救援的過(guò)程，需要施救者從背后摘下安全帶掛點(diǎn)扣在被救者身上，目前的VR設(shè)備尚缺乏成熟有效的應(yīng)對(duì)策略和方案[7]。

為實(shí)現(xiàn)虛擬制造的突破，三維交互技術(shù)是有效的著力點(diǎn)，直接影響著虛擬制造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，因此是目前研究的重點(diǎn)。本文認(rèn)為可以從以下兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行探索研究，以解決三維交互中的實(shí)際難題：第一，將目前已有的交互隱喻進(jìn)行融合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的交互方法；第二，從人類(lèi)固有技能的輸入范型及其配套的視角出發(fā)，將其作為著力點(diǎn)研發(fā)新的交互方法，如采用雙手交互等。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬制造技術(shù)、感應(yīng)器電磁定位技術(shù)和三維交互技術(shù)是便攜式教學(xué)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用的3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)這3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)的便攜式培訓(xùn)教學(xué)設(shè)備搭載教學(xué)軟件，能夠有效地解決現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)場(chǎng)地制約因素，在教育培訓(xùn)中突破現(xiàn)有教學(xué)模式，從而實(shí)現(xiàn)多人、實(shí)操、虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式。