便携式教学设备研发与应用关键技术

2022-01-14郭志伟

现代制造技术与装备 2021年12期

郭志伟

（中海油安全技术服务有限公司，塘沽 300450）

便携式教学设备是虚拟现实技术在教育培训领域中应用的重要载体，其性能会直接影响用户对于仿真环境的感知和培训操作的精度，从而影响培训效果。近些年，人们关于便携式教学设备研发与应用开展了丰富的工作，并且取得了显著的研究成果，使得便携式教学设备的性能也得到了持续提升。本文主要基于便携式虚拟现实（Virtual Reality，VR）教学设备，从宏观角度分析便携式VR教学设备研发与应用的关键技术。

1 虚拟制造技术

1.1 概念

虚拟制造技术最早起源于20世纪80年代，国外研究人员将计算机建模、仿真等技术应用到制造领域，实现了产品的设计和研发。20世纪90年代以后，虚拟制造技术的关注度与日俱增。从本质上来说，该技术从设计、试制、修改等不同角度均实现了传统制造技术的大革新[1-2]。与传统技术的不同之处在于，该技术基于计算机等设备，可通过仿真模拟、仿真支持、仿真样机布置等方式实现产品的设计和制造。利用虚拟制造技术可以缩短研发流程，节约研发成本。从设计到实施的过程使用计算机试制、修改，实现全面监控从研发过程到设计制造的整个流程，大幅提升了产品设计的质量，缩短了产品研发周期，有效提升了生产效率，应用前景广阔。

1.2 虚拟制造系统

虚拟制造系统指的是基于计算机技术重构虚拟环境，使其呈现出现实制造系统。无论是系统特征、功能还是运行技术，二者相互之间差异较小。部分学者从相似系统建模的角度出发，认为二者是相近的系统。也有部分学者从生产系统学的角度提出，现实制造系统由信息流、物质流及能量流3个子系统构成。这3个子系统之间相互协调制约，并在控制信息系统的作用下逐步向目标状态过渡转变。上述转变过程可以描述为：

式中：s、c、o、g分别表示子系统的初始状态、约束条件、操作运算以及目标状态。

上述函数表达式指示的是产品制造从初始到目标状况的过程，涉及评价、判断、计算等多种方法的应用。虚拟制造系统能够有效实现上述目标，且与真实系统之间的相似程度较高。此外，从相似系统的视角来看，在现代信息技术的调度下，在产品设计等阶段，通过虚拟制造系统不同子系统之间的相互协调，能够助力整个流程的高效开展。

2 感应器电磁定位技术

2.1 感应器电磁定位系统

感应器的定位准确度会直接影响培训效果，而感应器定位会受磁场的影响。不同地点、不同时间磁场均存在一定的差异，因此在便携式教学设备研发与应用中应充分考虑感应器定位的精准程度。常用的电磁定位系统由控制器、发射源、接收器、计算单元等多个不同元件构成，其功能分别为产生信号、发射信号、接收信号、计算位置。应用磁传感器能够获取其与发射源之间的相对位置变化信息，通过磁场耦合关系能够计算出发射源的6个自由度。根据矢量的指向关系，基于非迭代几何算法对传感器的旋转角进行定位，其定位算法为：

式中：(α2,β2)和 (α1,β1)为两组旋转角；D为磁场间的距离；(x´,y´,z´)为传感器位置。

电磁技术又分为交流式电磁跟踪技术和直流式电磁跟踪技术。交流脉冲和直流脉冲信号最显著的差异是信号受磁场影响的方式不同。交流脉冲会在导电材料附近产生涡流效应，使其跟踪结果扭曲或变形[3]。相比之下，直流电磁跟踪技术对金属物体的抗干扰能力更强，但是直流脉冲也同样易受外部磁场的影响。

2.2 感应器电磁定位算法

目前，常见的感应器电磁定位算法主要包括到达时间（Time of Arrival，TOA）、到达角度（Angle of Arrival，AOA）、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）、指纹以及三角测距等。不同算法具有不同的精度、缺点以及相应的定位技术，如表1所示。

表1 常见定位算法的精度、缺点和定位技术

目前，在便携式教学设备的研发与应用中，基于TOA算法的便携式感应定位器和基于AOA算法的头戴一体式头盔较为流行，其中便携式感应定位器主要使用激光定位技术，头戴一体式头盔主要使用红外定位技术。该技术中信标成像是关键点。与其他定位技术相比，该技术的精度高、用户体感良好，应用领域广泛。需要说明的是，不同定位技术各有优劣，取长补短、融合发展是提升感应器定位精度的有效路径之一，也是其未来的主流发展方向。目前，业内多通过数学算法实现融合定位，如贝叶斯滤波法、深度学习算法等。从严格意义上来看，现阶段的VR定位系统规范性程度欠缺，主要反映在软、硬件标准方面缺乏统一性。然而，随着VR技术的不断发展，将来该技术必然会形成统一的规范标准，因此标准化是VR定位系统的重要发展方向和趋势。从具体方面来看，未来VR硬件将充分考虑人的视觉、听觉、触觉等多种感官信息，并设计新的交互范式替代WIMP（Windows、Icons、Menus、Pointers）。从精确性方面来看，为满足人们高沉浸感的需求，厘米级、毫米级将成为后续主流的发展方向[4]。除此以外，随着相关配套技术的不断发展，虚拟现实室外定位精度也将会得到有效提升，并逐步接近室内精度。

3 三维交互技术

在虚拟现实应用领域，三维交互技术操作自由度较高，能够处理复杂的交互任务，界面设计空间更大。交互隐喻指的是将真实世界的客观机制进行抽象化处理，并将其应用于交互过程。通过交互隐喻能够将输入设备的空间方向、位置信息转化为虚拟空间的操作，从而完成三维交互任务。根据不同的交互隐喻方法，目前业内将三维交互技术划分为两类，即直接映射式和间接映射式。

3.1 直接映射式三维交互方式

顾名思义，该方式能够将直接映射设备的输入信息转化为虚拟空间的操作。在实际应用中，常常采用光线投射、虚拟手等隐喻方法。其中：前者基于光线投射技术，能够抓取投射到虚拟对象表面的光线，同时采用锥光柱替换传统圆柱光柱的技术，以解决远程小对象难以选取的问题；后者则是在虚拟环境中构造用户手的虚拟化身，但是人手臂长度有限，因此工作范围受到约束。为此，业内开展了大量研究，其中比较有代表性的是Poupyrev等提出的GO-GO技术。该技术从非线性映射的角度出发，有效扩大了虚拟世界中人手的触及范围，解决了远距离对象的操作难题[5]。

3.2 间接映射式三维交互方式

与直接映射式交互方法不同，间接式方法是将输入的信息转化为手势，通过手势控制场景空间的比例，在此基础上高质量地完成交互任务。一般来说，间接式方法以双手交互为主，原因在于该方法充分考虑了双手操作的非对称分工特点。该操作方式下，将人的非利手作为参考坐标，能够高质量地实现精细化操作。目前，该方式应用较为广泛。间接映射式交互方法中常常应用的隐喻方法包括微观世界（Worlds In Miniature，WIM）方式、图像平面、触控手套模式等，下面对其进行详细阐述。

WIM隐喻方式要求人一只手持有面板道具（带有跟踪器），另一只手持有按钮道具。在虚拟空间环境下，面板道具被映射隐喻为虚拟场景的缩微拷贝，从而在缩微空间对场景对象进行精细化操作。图像平面隐喻方法的技术原理是应用数学方法将三维物体映射到二维投影平面上，基于该投影平面完成交互操作。该操作方式与二维鼠标相近。除此之外，触控手套模式技术更为先进，业内关注度更高，需要佩戴电子接触器，一般布设在人的手掌、手指端等部位，以方便监测手指间的接触。通常情况下，与监测手指关节、手的运动相比，检测手指间的接触效果可靠性更佳，一方面其学习难度较低，另一方面其适应性更强，能够适应于频繁使用的命令。触控手套模式下，通过电子接触器以及传感器的转换作用，将人手指等部位的接触操作转换为离散切换命令，进而在虚拟的场景中实现旋转、平移、放大、缩小等操作。此外，基于功能更强的交互技术，能够实现双手飞行等复杂操作。

3.3 三维交互技术存在的问题分析

在便携式教学设备的研发与应用中，三维交互技术存在着操作空间范围、虚拟手延伸长度控制、虚拟交互自由度有效控制、间接映射比例空间的攫取和呈现形式等问题，从而制约了该技术的拓展延伸应用[6]。首先，操作空间范围。在直接映射方式中，受手臂范围的制约存在虚拟手操作范围的问题，为此人们创新提出了GO-GO技术，在一定程度上拓展了人手臂的工作范围，但是不能解决远程小对象地高精度抓取问题，在实际中难以定位到远程小物体上。其次，虚拟手延伸长度控制问题。在间接映射方式中，WIM方式能在缩微空间对场景中的对象进行精细化操作，但是缩微全景状态下，现实场景空间的小对象将变得更小，因此其操作面临较大的问题。在缩微全景模式下，细微的移动都可能造成现实场景的较大变化，因此该现象对于移动场景应用受限。再次，虚拟交互自由度有效控制问题。尽管当前的输入设备在自由度方面有一定的提升，但是现有交互方法在控制自由度方面能力有限，成为其应用发展的重要瓶颈。例如：对于光线投射法来说，该方式简化了自由度交互策略，实现了对虚拟对象的便捷化选取，但是在旋转或沿射线方向移动等操作方面能力有限，实现难度较大。采用锥光柱替换传统圆柱光柱，能够解决远程小对象难以选取的问题，但是对于单手交互来说，如何从备选对象中选择目标对象难度很大，是制约该技术的重要难题。最后，间接映射比例空间的攫取和呈现形式问题。根据前文叙述可知，通过间接隐喻方式能够为虚拟场景创设比例不一的空间，但是在比例空间的攫取和呈现形式等方面尚欠缺有效的方法。

以Scaled-World Grab为例，该方式可以自动设置缩放比例，但是只能作用于特定的比例空间，即只有对该空间中的对象可操作。与之相对应的图像平面隐喻突破了作用于一个比例空间的限制，但是面临比例空间的攫取等问题，一般需要通过使用数据手套才能实现，因此其应用范围以及操作精度均受到了限制。除了上述问题以外，针对复杂环境下的交叉交互任务、交互模式的转换等问题，尚缺乏有效的解决方式。针对受限空间救援的过程，需要施救者从背后摘下安全带挂点扣在被救者身上，目前的VR设备尚缺乏成熟有效的应对策略和方案[7]。

为实现虚拟制造的突破，三维交互技术是有效的着力点，直接影响着虚拟制造技术的实际应用，因此是目前研究的重点。本文认为可以从以下两个角度出发进行探索研究，以解决三维交互中的实际难题：第一，将目前已有的交互隐喻进行融合，在此基础上进一步开发新的交互方法；第二，从人类固有技能的输入范型及其配套的视角出发，将其作为着力点研发新的交互方法，如采用双手交互等。