論虛擬現實技術在航空科普場館中的應用

陳洋

【摘 要】近年來，隨著時代不斷發展，越來越多的傳統行業進行了升級，航空科普教育工作也不例外。本文主要講述了虛擬現實技術在國內外應用現狀，同時分析了虛擬現實技術航宇科普場館中的運用成果，最終說明此類技術在航空科普教育發展中將起到了重要推進作用。

【關鍵詞】虛擬現實;航空;科普教育

中圖分類號： G315;TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.008

0 引言

進入信息時代后，信息技術引發社會各領域的深刻變革，推動社會的發展。在文化領域，科普場館是文化精神的傳承載體，擔負著收藏、教育的責任。將信息技術與科普場館的參觀形式結合后，形成現實交互技術，拓展了科普場館展覽的形式，豐富了文物的展覽內容，提升了科普場館展覽的趣味性，為人們提供綜合感官刺激，極大地提高了參觀的質量。

1 虛擬現實簡述

1.1 虛擬現實技術概念

虛擬現實技術通過現代計算機內核的圖形處理能力與機械電子傳感設備相融合，在人眼前形成一種集視聽、觸摸反饋的動態虛擬感官環境，其本質是將不可視的想象力變成有形體和聲音，其強調的是逼真性和科學的可視性，其中四個最重要的特性是：交互性、沉浸感、構想性和全息性[1]。它是一種全新的信息處理方式，它已經在軍事，工程，醫學，文化教育等方面取得了重大成果和應用。與此同時，市場上也產生很多可穿戴式虛擬現實技術設備，例如3D展示系統、三維立體掃描儀、眼動儀、力學反饋裝置、位置追蹤儀、頭戴式立體顯示器等。

1.2 國內外研究現狀

查閱相關資料，在虛擬現實技術研究應用中，歐美發達國家走在技術前沿，在以美國為首的西方國家研究主要集中在人群感官、操作界面、計算機的硬件和軟件開發這幾個方面。NASA宇航局實驗室成功將數據采集手套運用到工程中來，已經將其變成可靠性較高的產品。最近NASA在航天空間站、航空領域以及太空衛星維護地面人員訓練系統中運用VR等相關技術，而且在美國本土范圍內高等院校范圍內建設與VR相關的教育系統[2]。

自從2010年以來，虛擬現實技術逐步進入國內各行各業，對此新興技術研究人員和團隊也逐年增加。在國內一些教育科普場館已經得到了相關實際應用，例如新建設的數字民防館已經成功運用了3D虛擬技術，將音頻，視頻以及動畫有效地結合起來，利用終端操作平臺，游客可以以自身視角或觀察角度自主進行游覽路線選擇。此項技術成功地運用在滿足展館宣傳需求，同時也極大提升了參觀游客的游覽滿意度。

2 技術成果運用

近年來，國內科普場館新增的“模擬飛行器”得到了廣大參觀游客的喜愛追捧。上海航宇科普中心目前已引入VR穿梭機、VR模擬返回艙以及極限飛行器三種虛擬現實設備，這三臺設備在實際運營過程中得到了游客們的高度認可，好感度測評遙遙領先場館內的其他設備。

本文以其中一臺VR動態穿梭機進行結構分析，它主要有VR頭盔、電動六自由度平臺、互動影片（VR）、操作控制系統、動作捕捉傳感系統、控制播放系統和虛擬現實交互模擬系統組合而成，由計算機內核計算后，傳輸控制信號給電動平臺控制箱，從而讓平臺進行俯仰、偏移、升降、縱向平移和側向平移六自由度運動仿真，配合上VR頭盔中左右眼屏幕中畫面視覺差異給游客提供瞬間過載及抖動沖擊感受，動作與影片內容融為一體，實現視覺與動感的完美體驗。

2.1 VR頭盔

VR頭盔是通過頭戴式顯示器將人眼視覺控制在一個密閉空間內，為使用者提供一個身臨其境的感覺。此技術主要就是通過人左右兩眼接收不同眼屏中的圖像，將獲取信息反饋給大腦，在腦部形成立體畫面的感覺。

2.2 六自由度電動平臺

六自由度電動平臺是動平臺可以在六個自由度內形成運行軌跡，在空間直角坐標系內圍繞X、Y、Z三軸平移和轉動。電動六自由度平臺主要由伺服控制系統、伺服電動伸縮缸、連接座、上平臺和下平臺組成，因平臺可以在空間直角坐標系中有六個方向自由度，所以此類平臺可以做成任意模擬仿真動作。通過VR頭盔觀看不同影片體驗不同場景時，計算機輸入相應設定程序，將俯仰、偏移、升降、縱向和側向平移的電信號傳輸給控制箱，對平臺實時控制，給體驗者提供真實的瞬時直觀感受，帶來視覺與動感的完美體驗。

2.3 互動影片VR

VR影片是一種新型人機交互模式的產品，它通過計算機和傳感器相結合的技術生成空間虛擬場景，植入VR頭盔與六自由度電動平臺相結合，體驗者可在VR頭盔中查看周圍環境，同時也體驗前傾、后仰、俯沖、傾斜等動作沖擊，讓人能夠沉浸在虛擬環境中。

2.4 操作控制系統

運動控制器是操作控制系統的關鍵原件，多臺控制器通過交換機連接到一起，每臺控制器構成的控制節點，作為一個整體，對外的連接線只需要AC220V的電源線和一根以太網網絡線，極大地簡化了現場布線工程，控制器中的模擬量接口通過上位機輸出的緩沖電路連接到一起，模擬量接口輸出的模擬量對應的電動缸位置可以通過內部參數來設置。設備通電后進行初始設置，定位成功后，通過上位機以UDP協議控制各個電機運轉，進而將運動控制以幀播放的形式表現出來。通過運動控制計算機來實現六自由度運動平臺的啟停、監控整套系統的運動情況、接收上位機發來的位姿控制信息、對電動缸進行運動控制、實時查看伺服電機驅動器運行狀態和保護整套系統安全運行。

2.5 動作捕捉傳感系統

通過無線VR頭盔、操作控制系統及模擬仿真運動平臺，捕捉頭部運動及其他相關動作，實時準確的記錄在真實三維空間中的運動軌跡和姿態，并在虛擬三維空間中重建每一時刻運動狀態，可將任務肢體動作、面部表情動態進行三維數字化解算，等到三維動作數據，進而在電動六自由度平臺再現動作過程，體驗身臨其境的感受。

2.6 播放控制系統

播放控制系統主要用于虛擬現實影片的播放及其他操作，其主要由液晶顯示屏、電腦主機、播放控制系統組成，在內部存儲相關影片，同時將影片的場景動作參數通過模擬仿真運動平臺以示教的形式輸入存儲動作軌跡數值等參數。

2.7 虛擬現實交互模擬系統

VR頭盔、動作捕捉控制手柄及虛擬現實互動程序等共同構成虛擬現實交互模擬系統，通過仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術與網絡技術等多種技術的交叉融合、模擬、感知和體驗周圍環境。通過虛擬世界和現實世界的有機結合，體驗者可以通過進入作品內部，操作控制它，甚至賦予參與再創造的機會。等運動平臺完全復位后，操作人員推動活動扶梯，由操作人員解開圍欄鎖具，體驗者依次有序離開平臺。

3 應用前景

數字科普是未來科普教育發展的主要方向，數字科普具有內容生動，形式多樣，互動靈活等特點，相對于傳統科普形式而言更有吸引力，能達到更好的科普效果[3]。

虛擬現實技術是一種新興的、有效的科技展示形式，它突破了傳統的實體展示可操作性不強和空間的限制，能夠有效減少高成本的展品費用，結合以虛擬現實技術，它將展品的信息利用計算機數據化展示，將枯燥的數據逼真的呈現在觀眾面前。同時它還可以可外接感應終端，模擬物品形態、重量等外部特征[4]。觀眾可通過對感應終端的操作，實現對虛擬物品的交互操作，如開機艙門，模擬駕駛等操作，從而實現了真實文物無法提供的新穎的交互式參觀模式。從而能夠以新形式，低成本、更直接、更高效、更廣泛的方式向游客體驗飛機的相關科普信息，是我們的航空科普場館不再是傳統中陳列性擺放宣傳，更是一種寓教于樂的體驗實驗室，引起觀眾學習新知識的興趣，引發觀眾濃厚的興趣，從而達到航空科普教育的目的。

4 結束語

開展青少年科普工作是提高全民族科學文化素質的重要內容。青少年作為國家發展的后備力量，應該對其加強科學知識和技術的傳播，通過科學文化素質的提高，增強國家綜合競爭力。科普工作是青少年自主學習的有效途徑，是培養未來創新型人才的重要手段，通過科普教育基地和先進的展示技術，將各種資源整合起來，進行科學普及教育，培養他們的科學興趣和愛好，增強其創新實踐能力，不僅是一項重要的國民素質塑造過程，也是保障我國科教興國和人才強國戰略順利實施的戰略性工程。

虛擬現實技術在航空科普場館中的成功運用，改變了以往的教育科普手段，得到了越來越多的場館重視。這將增強公眾對航空知識的了解，學習及運動能力，轉化為全社會的創新能力產生重要的推動作用。

【參考文獻】

[1]周紅軍，王選科.虛擬現實系統概述[J].航空計算技術， 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]劉展海，劉展航，禤桂勇，等.探討Unity3D下數字博物館展示中虛擬現實技術的運用分析[J].電子測試，2016（12）：42-43.

[4]王燕軍.淺析增強虛擬現實技術在兒童教育中的應用[J].電子世界，2018（7）.