虚拟交互设备在民机三维虚拟培训中的应用研究

2016-10-20薛婧

科技传播 2016年18期

关键词：民机套件投影

薛婧

上海飞机客户服务有限公司，上海 200000

虚拟交互设备在民机三维虚拟培训中的应用研究

薛婧

上海飞机客户服务有限公司，上海 200000

本文以将虚拟交互设备应用于三维虚拟培训为目的，针对多投影沉浸式虚拟现实系统，基于ART跟踪交互设备与Virtools软件，研究了立体眼镜、跟踪摄像头和三维手柄等交互设备的设备特点、配置安装、校准方法、软件部署等方面的内容，提出了一种将虚拟交互设备引入三维虚拟培训系统的方法。

三维；虚拟现实；虚拟交互；民机培训

随着三维数字样机技术与虚拟现实技术的发展，在民用飞机领域，应用三维虚拟交互仿真的方式替代真实飞机/物理模型的传统培训，已经逐渐成为一种趋势。可以通过构建基于多通道立体投影的沉浸式虚拟现实系统进行虚拟培训。波音公司采用了多种虚拟现实交互技术用于飞行仿真、机务训练、全机防爆等多种科目的人员培训工作。空客公司在Airbus汉堡维护培训中心，已建立两套虚拟现实设备专用于维护培训。国内北京航空航天大学、飞机研究院所等单位等对于虚拟交互设备的应用均取得了不少研究成果，提出了许多有价值的新理论和新方法，但是国内的虚拟现实技术与国外发达国家相比还有一定差距。

1 系统架构

当前的虚拟培训系统大致可以分为桌面式、头盔/眼镜式、多通道投影式几种。本文的研究将基于多通道投影式虚拟培训系统，研究将交互设备应用于民机培训的技术。多投影沉浸式虚拟培训系统的结构可以分成三大部分：图形生成系统、投影显示系统以及用户交互系统，如图1所示。其中用户交互系统是实现用户与虚拟培训场景交互的人机界面。虚拟交互设备可分为多种：跟踪器、交互手柄、数据手套等。为了实现人与计算机之间的交互，需要使用这些交互设备把用户指令输入计算机，同时把虚拟过程中的反馈信息提供给用户。

图1

2 跟踪交互设备配置与校准

2.1跟踪交互设备硬件

1）立体眼镜。3D立体眼镜有多种立体成像方式，主要有被动立体、主动立体等，现在新型的立体眼镜是Infitech光谱立体眼镜能够提供舒适度和立体感非常强的立体场景。

2）跟踪设备。跟踪设备通过获取眼位或手部跟踪点，实现人的移动与虚拟场景移动的一致性。目前德国ART公司的光学跟踪系统是精度较高的跟踪系统，是通过红外摄像头对光敏点的识别来获取位置信息的。

3）交互控制设备。交互控制设备有很多种，三维手柄、数据手套等均属于虚拟交互控制设备。本文研究基于Flysticks 手柄。Flysticks是ART公司推出的手持式交互输入设备，多达6个按键和一个方向控制摇杆，可实现控制导航、虚拟物体的拾取、菜单选择和其他特性。

2.2跟踪交互设备的配置与安装

虚拟交互设备的配置主要是跟踪设备的布置，如红外跟踪摄像头的个数及安装位置都需要与实际的投影系统相匹配，需要通过计算跟踪范围，布置摄像头位置，以使跟踪交互区域覆盖虚拟现实系统的整个活动区域。虚拟交互设备的安装包括摄像头的安装、摄像头与控制器的连接、与交互主机的线路连接等。

2.3跟踪交互设备校准

跟踪交互设备校准对位置跟踪的准确性进行调校，以确保位置跟踪的精度。A.R.T跟踪交互设备的校准可使用其自带的DTrack软件和空间校准套件进行，校准过程分为空间校准和眼位校准两部分。

1）空间校准。打开校准软件，将带有坐标系的校准套件放在工作区域中心的地面上，根据实际情况调整XY轴的方向，站在坐标原点的工作人员开始使用T型校准工具绕原点旋转并自转，完成校准后，查看校准结果，正常情况下为85%以上为合格。

2）眼位校准。在弹出的“Body Calibration”对话框中选择“Body”选项右侧的下拉箭头，会出现之前设定好的人体套件列表，选择头部跟踪套件，与此同时，另一个工作人员身着相应的套件站立在工作区域的坐标原点位置，单击“Calibrate”，开始检测，检测完成后就完成了眼位校准。

3 软件部署

在沉浸式三维虚拟交互系统中实现立体场景显示、虚拟漫游与虚拟交互，需要对外接跟踪交互设备进行软件的接入与校准，即在虚拟交互应用软件中建立接入跟踪交互设备的接口，并进行模型校准，使得真实物理空间的坐标与虚拟交互场景的坐标进行精确匹配。

在本文中选定达索公司的Virtools软件作为虚拟交互应用软件。Virtools软件的VR Pack作为沉浸式的虚拟现实应用的解决方案，全面支持虚拟现实外围配备以及集群式PC。Virtools中，首先需要在VRPack环境中建立跟踪交互设备的接口，可在VRPack VRNRSamplesVRBaseSample.cfg文件中配置交互设备的种类和运行方式。其后在软件中进行外接跟踪交互设备的校准，可以使用VRPackCalibrationvrpnCalib. cmo校准模型，移动接收器并记录小坐标轴沿大坐标轴的移动方向，根据记录结果在VRPackSystemConfig VRDevice.cfg文件中添加相应的内容的方式进行校准。最后可以使用控制点保持在理论上的空当位置的方法校准平移和旋转的偏移量。因为跟踪设备要在VRPack中应用配置，所以需要将校准过程中生成的代码添加到VRPackVRNRConfigNavigationTrackingSystem VRNR_Tracking_VRPN.cfg文件中。