论虚拟现实技术在航空科普场馆中的应用

陈洋

【摘 要】近年来，随着时代不断发展，越来越多的传统行业进行了升级，航空科普教育工作也不例外。本文主要讲述了虚拟现实技术在国内外应用现状，同时分析了虚拟现实技术航宇科普场馆中的运用成果，最终说明此类技术在航空科普教育发展中将起到了重要推进作用。

【关键词】虚拟现实;航空;科普教育

中图分类号： G315;TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.008

0 引言

进入信息时代后，信息技术引发社会各领域的深刻变革，推动社会的发展。在文化领域，科普场馆是文化精神的传承载体，担负着收藏、教育的责任。将信息技术与科普场馆的参观形式结合后，形成现实交互技术，拓展了科普场馆展览的形式，丰富了文物的展览内容，提升了科普场馆展览的趣味性，为人们提供综合感官刺激，极大地提高了参观的质量。

1 虚拟现实简述

1.1 虚拟现实技术概念

虚拟现实技术通过现代计算机内核的图形处理能力与机械电子传感设备相融合，在人眼前形成一种集视听、触摸反馈的动态虚拟感官环境，其本质是将不可视的想象力变成有形体和声音，其强调的是逼真性和科学的可视性，其中四个最重要的特性是：交互性、沉浸感、构想性和全息性[1]。它是一种全新的信息处理方式，它已经在军事，工程，医学，文化教育等方面取得了重大成果和应用。与此同时，市场上也产生很多可穿戴式虚拟现实技术设备，例如3D展示系统、三维立体扫描仪、眼动仪、力学反馈装置、位置追踪仪、头戴式立体显示器等。

1.2 国内外研究现状

查阅相关资料，在虚拟现实技术研究应用中，欧美发达国家走在技术前沿，在以美国为首的西方国家研究主要集中在人群感官、操作界面、计算机的硬件和软件开发这几个方面。NASA宇航局实验室成功将数据采集手套运用到工程中来，已经将其变成可靠性较高的产品。最近NASA在航天空间站、航空领域以及太空卫星维护地面人员训练系统中运用VR等相关技术，而且在美国本土范围内高等院校范围内建设与VR相关的教育系统[2]。

自从2010年以来，虚拟现实技术逐步进入国内各行各业，对此新兴技术研究人员和团队也逐年增加。在国内一些教育科普场馆已经得到了相关实际应用，例如新建设的数字民防馆已经成功运用了3D虚拟技术，将音频，视频以及动画有效地结合起来，利用终端操作平台，游客可以以自身视角或观察角度自主进行游览路线选择。此项技术成功地运用在满足展馆宣传需求，同时也极大提升了参观游客的游览满意度。

2 技术成果运用

近年来，国内科普场馆新增的“模拟飞行器”得到了广大参观游客的喜爱追捧。上海航宇科普中心目前已引入VR穿梭机、VR模拟返回舱以及极限飞行器三种虚拟现實设备，这三台设备在实际运营过程中得到了游客们的高度认可，好感度测评遥遥领先场馆内的其他设备。

本文以其中一台VR动态穿梭机进行结构分析，它主要有VR头盔、电动六自由度平台、互动影片（VR）、操作控制系统、动作捕捉传感系统、控制播放系统和虚拟现实交互模拟系统组合而成，由计算机内核计算后，传输控制信号给电动平台控制箱，从而让平台进行俯仰、偏移、升降、纵向平移和侧向平移六自由度运动仿真，配合上VR头盔中左右眼屏幕中画面视觉差异给游客提供瞬间过载及抖动冲击感受，动作与影片内容融为一体，实现视觉与动感的完美体验。

2.1 VR头盔

VR头盔是通过头戴式显示器将人眼视觉控制在一个密闭空间内，为使用者提供一个身临其境的感觉。此技术主要就是通过人左右两眼接收不同眼屏中的图像，将获取信息反馈给大脑，在脑部形成立体画面的感觉。

2.2 六自由度电动平台

六自由度电动平台是动平台可以在六个自由度内形成运行轨迹，在空间直角坐标系内围绕X、Y、Z三轴平移和转动。电动六自由度平台主要由伺服控制系统、伺服电动伸缩缸、连接座、上平台和下平台组成，因平台可以在空间直角坐标系中有六个方向自由度，所以此类平台可以做成任意模拟仿真动作。通过VR头盔观看不同影片体验不同场景时，计算机输入相应设定程序，将俯仰、偏移、升降、纵向和侧向平移的电信号传输给控制箱，对平台实时控制，给体验者提供真实的瞬时直观感受，带来视觉与动感的完美体验。

2.3 互动影片VR

VR影片是一种新型人机交互模式的产品，它通过计算机和传感器相结合的技术生成空间虚拟场景，植入VR头盔与六自由度电动平台相结合，体验者可在VR头盔中查看周围环境，同时也体验前倾、后仰、俯冲、倾斜等动作冲击，让人能够沉浸在虚拟环境中。

2.4 操作控制系统

运动控制器是操作控制系统的关键原件，多台控制器通过交换机连接到一起，每台控制器构成的控制节点，作为一个整体，对外的连接线只需要AC220V的电源线和一根以太网网络线，极大地简化了现场布线工程，控制器中的模拟量接口通过上位机输出的缓冲电路连接到一起，模拟量接口输出的模拟量对应的电动缸位置可以通过内部参数来设置。设备通电后进行初始设置，定位成功后，通过上位机以UDP协议控制各个电机运转，进而将运动控制以帧播放的形式表现出来。通过运动控制计算机来实现六自由度运动平台的启停、监控整套系统的运动情况、接收上位机发来的位姿控制信息、对电动缸进行运动控制、实时查看伺服电机驱动器运行状态和保护整套系统安全运行。

2.5 动作捕捉传感系统

通过无线VR头盔、操作控制系统及模拟仿真运动平台，捕捉头部运动及其他相关动作，实时准确的记录在真实三维空间中的运动轨迹和姿态，并在虚拟三维空间中重建每一时刻运动状态，可将任务肢体动作、面部表情动态进行三维数字化解算，等到三维动作数据，进而在电动六自由度平台再现动作过程，体验身临其境的感受。

2.6 播放控制系统

播放控制系统主要用于虚拟现实影片的播放及其他操作，其主要由液晶显示屏、电脑主机、播放控制系统组成，在内部存储相关影片，同时将影片的场景动作参数通过模拟仿真运动平台以示教的形式输入存储动作轨迹数值等参数。

2.7 虚拟现实交互模拟系统

VR头盔、动作捕捉控制手柄及虚拟现实互动程序等共同构成虚拟现实交互模拟系统，通过仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术与网络技术等多种技术的交叉融合、模拟、感知和体验周围环境。通过虚拟世界和现实世界的有机结合，体验者可以通过进入作品内部，操作控制它，甚至赋予参与再创造的机会。等运动平台完全复位后，操作人员推动活动扶梯，由操作人员解开围栏锁具，体验者依次有序离开平台。

3 应用前景

数字科普是未来科普教育发展的主要方向，数字科普具有内容生动，形式多样，互动灵活等特点，相对于传统科普形式而言更有吸引力，能达到更好的科普效果[3]。

虚拟现实技术是一种新兴的、有效的科技展示形式，它突破了传统的实体展示可操作性不强和空间的限制，能够有效减少高成本的展品费用，结合以虚拟现实技术，它将展品的信息利用计算机数据化展示，将枯燥的数据逼真的呈现在观众面前。同时它还可以可外接感应终端，模拟物品形态、重量等外部特征[4]。观众可通过对感应终端的操作，实现对虚拟物品的交互操作，如开机舱门，模拟驾驶等操作，从而实现了真实文物无法提供的新颖的交互式参观模式。从而能够以新形式，低成本、更直接、更高效、更广泛的方式向游客体验飞机的相关科普信息，是我们的航空科普场馆不再是传统中陈列性摆放宣传，更是一種寓教于乐的体验实验室，引起观众学习新知识的兴趣，引发观众浓厚的兴趣，从而达到航空科普教育的目的。

4 结束语

开展青少年科普工作是提高全民族科学文化素质的重要内容。青少年作为国家发展的后备力量，应该对其加强科学知识和技术的传播，通过科学文化素质的提高，增强国家综合竞争力。科普工作是青少年自主学习的有效途径，是培养未来创新型人才的重要手段，通过科普教育基地和先进的展示技术，将各种资源整合起来，进行科学普及教育，培养他们的科学兴趣和爱好，增强其创新实践能力，不仅是一项重要的国民素质塑造过程，也是保障我国科教兴国和人才强国战略顺利实施的战略性工程。

虚拟现实技术在航空科普场馆中的成功运用，改变了以往的教育科普手段，得到了越来越多的场馆重视。这将增强公众对航空知识的了解，学习及运动能力，转化为全社会的创新能力产生重要的推动作用。

【参考文献】

[1]周红军，王选科.虚拟现实系统概述[J].航空计算技术， 2005，35（1）：114-116.

[2]Anthes C， García-Hernández R J， Wiedemann M， et al. State of the art of virtual reality technology[C].Aerospace Conference. IEEE， 2016.

[3]刘展海，刘展航，禤桂勇，等.探讨Unity3D下数字博物馆展示中虚拟现实技术的运用分析[J].电子测试，2016（12）：42-43.

[4]王燕军.浅析增强虚拟现实技术在儿童教育中的应用[J].电子世界，2018（7）.