增強現實及其在航空領域應用分析

歐鵬

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200120）

增強現實及其在航空領域應用分析

歐鵬

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200120）

本文對增強現實技術的歷史、定義及系統構成進行了介紹。結合增強現實技術的特點和發展現狀，分析了其在航空領域的應用前景。基于航空維修領域的工作環境、屬性、限制條件、可用性、安全性等特性，本文提出了構建增強現實系統的思路，并提出了構建系統的軟件配置要點。為研制人員，尤其是航空領域的工程師應用此項技術提供了客觀、可行的方法。

增強現實 航空領域 應用分析

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）又稱擴增實鏡或擴增現實。早在上世紀六七十年代，歐美國家就已經展開類似技術的應用研發。1990年，美國波音公司的工程師第一次提出了增強現實的概念。此后，增強現實技術在歐美國家發展迅速。但是，目前在國內對增強現實系統的可用性和可行性研究較少。在國家將商用客機作為重大科技專項，大力發展高端裝備制造業的背景下，有必要研究分析此項技術及其在航空領域的應用前景。

1 增強現實技術

與虛擬現實技術呈現一個完全人工合成的環境不同，增強現實技術將計算機仿真的虛擬物體實時投射在真實環境里，疊加到了同一個畫面或空間同時存在，使用戶獲得超越現實的感官體驗。1994年，國外科學家保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）提出的真實-虛擬連續統清楚的展現了增強現實技術在客觀存在的意識形態中的定位。真實環境和虛擬環境分別作為連續統的兩端，位于中間的被稱為混合現實，其中靠近真實環境的是增強現實。

1997年，美國北卡大學羅納德·阿祖瑪（Ronald Azuma）提出的增強現實的三點定義［1］后來被業界采納并廣為使用：將虛擬和現實相結合；虛擬物體和真實環境能實時互動；虛擬物體以三維形式呈現。

2 系統構成

利用常規的商業硬件部件，即可實現顯示、定位追蹤、處理、交互輸入等主要功能，結合相關的軟件系統協同工作，即可構建一套增強現實系統［2］。

2.1 系統硬件

顯示設備是將虛擬和現實融合的關鍵角色。用戶通過顯示設備能夠看到計算生成的虛擬圖像和信息疊加在真實世界上的影像。目前主流的顯示設備分為三大類：頭戴式，手持式和空間投影式。頭戴式又可細分為視頻透視和光學透視兩類。

定位設備用以確定用戶相對于周邊環境的位置和方位，以便系統準確投影虛擬物體。定位方式有機械式、超聲波式、磁性、慣性、光學、電磁等多種，并且各有優劣。

傳統的鼠標、鍵盤都可以作為增強現實系統的輸入設備使用。常見的輸入設備還有游戲桿、語音輸入、智能手機等。為了支持更復雜的3D輸入和交付，科學家還發明了只能手套等輸入設備。

表1

處理設備是系統硬件中重要的一環，負責采集信息，處理虛擬物體的生成。傳統的臺式機、工作站、筆記本都能勝任此項工作。隨著科技的發展，具有多核和強大圖形和計算能力的便攜式平板電腦也被更廣泛的采用。

2.2 系統軟件

增強現實系統軟件的選擇面越來越廣，無論是初學者還是這個領域的專家，都能找到一款適合自己的軟件。隨著軟件功能的提升，更多的硬件能夠集成到系統中。增強現實系統軟件主要面向Windows、Linux、MacOS以及iOS和安卓等平臺。目前主流應用的有ARToolkit、Studierstube，DART和DWARF等。

3 航空領域應用分析

對于虛擬現實而言，構建復雜物體的虛擬環境非常復雜和昂貴，例如含有數以百萬計部件的飛機。而采用增強現實技術，只需傳遞有用的信息，而不需要改變真實的環境，這將幫助使用者更好的完成現實中的任務。這一特性使得增強現實技術在航空領域具有廣闊的應用前景。最大的挑戰來自于如何在平衡好經濟性、人機工學、可靠性、可行性、可達性等多種因素的前提下，選擇適合的技術搭建一套系統。

3.1 需求分析

考慮增強現實技術正處于發展中的現狀，以及航空業對安全性要求極高的特殊性，當前增強現實技術并不適合直接應用于飛行，最好的應用領域是在飛機停機時的維修及工程師培訓領域。現在民航業維修培訓多基于傳統的維修類手冊和講師講解，既昂貴又費時。假設以此為切入點，可構建一套基于增強現實的航空維修培訓系統。下文將從系統實施角度分析設計思路。

3.2 任務分析

3.2.1 任務環境

航空維修培訓既有室內課堂講解，也有在停機坪和機庫等室外實踐；

飛機通常用工具系留在地面；

任務環境中能夠獲取有線或者無線網絡。

3.2.2 任務屬性

任務包括多種形式：檢查、安裝、拆洗、組裝等；

任務實施地點包括飛機內部和外部；

任務包括個人和團隊協作；

維修工程師執行任務時并非一直靜止不動，但是移動幅度較小，動作較緩慢。

3.2.3 限制條件

由于飛機上電磁部件的存在，磁性定位設備將受到極大干擾；

由于環境中有大量的線束和電纜，不允許有尖銳棱角的物體存在；

由于環境中各種設備阻擋，光學定位設備將受到極大干擾。

3.2.4 可用性增強現實系統應當借助電腦生成的虛擬文字、圖片、注釋等，給維修工程師提供的維修程序信息。

維修工程現場獲得的數據應能夠輸入到系統，并輸出到相關故障診斷系統，從而獲得反饋。

3.2.5 安全性

如果采用頭戴式顯示器，維修工程師必須能夠直接看見真實環境，以防在系統電源失效時產生安全隱患。

4 系統實現

維修工程師在執行維修任務時是移動的，因此不適宜采用固定系統。此外，維修培訓有室內和室外兩種情形，所以兼具室內外的系統是更好的選擇。因此，系統應選擇移動式室內外構架。

出于安全考慮，首先排除視頻透視型顯示設備。多數情況下，維修工程師需要雙手執行任務，因此排除手持式顯示設備。飛機內部維修空間狹窄，不適宜采用投影式顯示設備。因此，光學透視式頭戴顯示設備是最佳選擇。

由于維修任務的屬性和限制，慣性、磁性、機械和光學式均不是理想定位設備。現代飛機設計多基于CATIA和AutoCAD等計算輔助設計軟件，可采用2D模板和CAD模型進行圖像校準，因此基于模型的定位是一個可靠的解決方案。

有些維修任務需要得到即時反饋，比如故障診斷。維修人員可以將Iphone等便攜式智能設備系在腰上，并且使用觸摸屏或者語音作為與遠端工程團隊的交互輸入，從而進行協同工作。

考慮到市場份額、軟件支持和消費習慣，Windows是當前最佳的操作系統選項。而縱觀主流的幾款增強現實系統軟件，OpenCV不支持移動系統，L a y a r主要用于智能設備，因此，開源軟件Studierstube和專業版ARToolKit［3］是較為理想的選項。

有限網絡不適用于移動系統，3G和4G資費比較昂貴并且商用成熟度并不高，藍牙和紅外傳輸速度太慢，因此，采用常見的Wifi網絡是本系統最佳選擇。

表1總結了構建基于增強現實的航空維修培訓系統的配置要點。

5 結語

目前唯一投入商用的增強現實系統產品只有谷歌眼鏡。在我國民機制造業總體與西方還有一定差距的時候，揚長避短，采用增強現實等先進技術，從產業鏈的后端尋找切入點，既是一種大膽的嘗試，也是可行的突破口，必將助推我國裝備制造業的發展。

［1］Azuma， R. T. （1997）， A Survey of Augmented Reality，Teleoperators and Virtual Environments， Vol. 6 （4）， pp. 355-385.

［2］Ong， S. K.， Yuan， M. L. and Nee， A. Y. C. （2008）， Augmented reality applications in manufacturing： a survey， International Journal of Production Research， Vol. 46 （10）， pp. 2707-2742.

［3］Prochazka， D. and Koubek， T. （2011）， Augmented Reality Implementation Methods in Mainstream Applications， ActaUniversitat isagriculturae et silviculturaeMendelianaeBrunensis， Vol. LIX，No. 4， pp.257-266.