基于CAVE系統與ZSPACE桌面展示平臺的飛機虛擬維修實驗室的設計與實現

卿華 胡進

摘 要 針對多機型航空機務培訓院校裝備教學條件建設面臨的挑戰和困難，提出基于“CAVE系統”與“ZSPACE桌面展示平臺”的飛機虛擬維修實驗室建設解決方案，闡述實驗室組成、難點及解決辦法。從實際使用運行情況來看，取得較好訓練效果。

關鍵詞 CAVE；桌面平臺；虛擬維修；實驗室

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0042-04

1 引言

現代飛機科技含量越來越高、結構越來越復雜、造價越來越昂貴。對于承擔殲強、轟炸、運輸、教練和直升機等多種機型機務人員培訓任職教育院校，期望利用實裝開展裝備維修訓練面臨諸多困難：一是新型飛機首先滿足部隊訓練需要，院校一般難以同步配備，即使配備，其數量有限，也不能滿足培訓需求；二是轟炸、運輸等大型飛機對訓練場地配套設施建設要求高，裝備教學場所擴容難，且花費大；三是現代飛機結構系統龐大，技術保密，模擬訓練裝備開發費用高。所以，針對多機型航空維修保障訓練需求，急需探索多機型裝備教學條件建設的新路子。

2 解決方案

面對多機型維修訓練條件建設難題，綜合考慮仿真效果、培訓員額和經費效益等因素，提出基于“CAVE系統”與“ZSPACE桌面展示平臺”相結合的飛機虛擬維修實驗室建設解決方案。即將飛機數字模型取代實體原型進行飛機原理構造教學和維修保障科目程序訓練，面向機、軍、特、電等航空機務各專業學員，既有滿足多人協同訓練的CAVE沉浸式訓練系統，又有滿足單人的便攜式桌面訓練平臺，統一建設、統一開發、統一管理。

其中，CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）

系統[1-2]是一種基于立體投影的沉浸式虛擬交互系統，它是以計算機圖形學為基礎，把高分辨率的立體投影顯示技術、多通道視景同步技術、音響技術、傳感器技術等完美地融合在一起的沉浸式虛擬環境。典型的CAVE虛擬現實系統是由3個面以上（含3面）硬質背投影墻組成的高度沉浸的虛擬演示環境，配合三維跟蹤器，使人能完全沉浸在計算機創造的三維圖形世界里，從而獲得帶有震撼性的身臨其境的沉浸感受。其優點是沉浸感強，缺點是成本相對較高，只能滿足5～8人同時使用。

為解決30人左右教學班人員培訓需要，實驗室配套多臺ZSPACE桌面展示平臺。ZSPACE平臺是由加州Infinitez公司開發專門用于單人單桌的交互式展示平臺，主要由帶位置追蹤的3D顯示屏、立體眼鏡、操作光筆和圖形工作站等組成。與傳統的桌面三維視景系統不同，它可以跟蹤用戶的頭轉動和手的動作，實時調整用戶看到的3D圖像，利用光筆可以實現對飛機數字模型的操作和維護過程的訓練學習。

3 詳細設計

飛機虛擬維修實驗室除了通用教學基本設施外，實驗室總體設計如圖1所示，主要由三通道CAVE立體投影系統、ZSPACE桌面展示平臺、總控系統和Quazar3D集成開發環境四部分組成。

CAVE投影系統 CAVE投影系統硬件主要由立體投影顯示系統、幾何校正模塊、渲染管理工作站和位置跟蹤交互系統等部分組成，如圖2所示。

1）立體投影顯示系統。實驗室選擇了雙機被動立體投影方案。被動立體也稱光學偏振顯示技術，是指通過兩臺投影機經偏振化方向互相垂直偏振鏡片后，同時把兩個經過特殊處理的圖像或影片同步放映顯示三維立體效果的圖像。被動立體投影的優勢在于亮度高、立體感強、3D眼鏡價格便宜。投影機選用型號：NEC PX750U+。分辨率：1920×1200（16：10）。投影幕布采用3面C型布置，單面投影幕有效尺寸：3200 mm×2000 mm。以上配置實現了8000流明亮度及大屏幕下像素顆粒邊長1.67 mm，較好保證了圖像的亮度、清晰度。

2）幾何校正模塊。被動立體每通道由兩臺投影機投射的畫面疊加而成。為實現兩臺投影機畫面的完全重合，左右視差的準確性依據通道間圖像的自然拼接。每臺投影機配備了大視電子MG200純硬件幾何校正模塊。該模塊內部硬件采用大視電子的第二代高精度及高保真調整技術、非線性多濾波器技術和紋理補償技術，能夠對輸入的圖像信號進行實時的弧形、桶形、球面和其他多異形圖像校正，可完全保證畫質的完美。

3）渲染管理工作站。因飛機模型數據量大，為提高虛擬維修系統的運行速度，系統采用基于Windows平臺的千兆分布式圖形工作站集群架構，它包括一個管理節點工作站和三個圖形渲染工作站。管理節點工作站主要運行虛擬維修仿真軟件，三臺渲染節點工作站用于分布式圖形渲染與展示。圖形工作站均選擇HP Z820系列圖形工作站。

4）位置跟蹤交互系統。為實現CAVE系統中對場景和三維模型的漫游、平移、旋轉、縮放、隱藏和操作等交互功能，實驗室配備了ART位置跟蹤系統、Flystick漫游手柄和帶有頭部跟蹤的立體眼鏡等跟蹤交互系統。其中，ART位置跟蹤系統是德國生產的一種光學跟蹤系統，是一種基于反射式的捕捉系統。當ART的攝像機發出的紅外光打到反光球表面上時，反光球會反射同樣波長的紅外光給攝像機，從而捕捉攝像機可以確定每個反光球的2D坐標，經過ART的控制軟件處理便可以得到它的3D坐標[3-4]。獲得人體頭、手等部位的三維坐標后，再經編程設計，就可使場景發生相應變化。Flystick漫游手柄內嵌了被動式的反光球，集成了5個按鈕和一個操縱桿的交互設備，可完美實現虛擬維修的交互、漫游功能。

ZSPACE桌面展示平臺 ZSPACE桌面展示平臺拓撲結構如圖3所示，主要由主控機（講師）和教學機（學生）組成，通過網絡交換機把所有設備連接一起，組成封閉的局域網。在每一個機位配備獨立的圖形工作站和ZSPACE展示交互系統，通過網絡交換機與講師機相連。講師機位安裝集中控制管理軟件和虛擬維修交互展示內容，整個培訓過程既可以實現集中統一培訓，也可以實現學生的獨立學習[5]。