可視化維護引導系統設計方案

武雪榮， 蘇 波

（航空機務士官學校， 河南 信陽 464000）

0 引言

機載武器系統是技術密集型的大型復雜機電系統，使用和維護程序多、標準高，還包括諸多易燃易爆的火工品， 危險性很高， 這對人員的維護能力提出了很高的要求。 由于維護人員客觀存在訓練時長不同、 知識層次不一、技術水平差異較大等特點，在工作過程中難以將所有的操作方法、步驟牢記于心，不能達到無差錯的要求；在完成復雜程度高或危險性強的維護作業時， 工作效率較低。 利用實裝進行技能訓練時，受視線和位置的限制，難以完成多人同時帶教，訓練效率不高，加之帶教標準不夠統一，總體效果不盡如人意。 因此，擬建設可視化維修引導系統，搭建系統運行的硬件平臺，設計可視化維護引導系統軟件，達到演示和室內實習使用的程度。引導系統的建成將在維護訓練、實踐教學等方面發揮重要作用，具有顯著的軍事和經濟效益。

1 引導系統的結構組成

機載武器可視化維護引導系統以增強現實技術為核心，結合語音識別、體感識別和多媒體技術，是教學手段的一種創新。 可視化維護引導系統由軟件和硬件兩部分組成。 硬件部分包括高性能計算機、虛擬現實交互設備和顯示設備。硬件部分是軟件系統運行的公共平臺。軟件部分包括三種不同功能的大型軟件（開發平臺），分別是用于沉浸式虛擬維修模塊的DELMIA、用于桌面式虛擬維修模塊的Ngrain 和用于虛擬仿真模塊的Flightgear， 是整個引導系統的核心，負責整個場景的開發、運算、生成，同時連接和協調整個系統的其它各個子系統的工作和運轉，與他們共同組成一個完整的引導系統。

2 硬件設計

該系統硬件部分由遠程計算機系統、顯示系統、跟蹤定位系統、人機交互系統和數據傳輸系統組成。 硬件架構如圖1 所示。

高性能計算機一般為的圖形工作站， 對其CPU 的數據處理能力、存儲介質的存儲容量和讀寫速度、顯卡的圖形圖像處理能力等的要求很高， 以滿足超大容量的三維立體模型數據管理的有效性、圖像畫質的高清性、動畫播放的流暢性和交互操作的實時性。

圖1 可視化維修引導系統硬件架構圖

顯示設備用于顯示虛擬環境的視覺形象。 顯示端按照工作原理可分為兩種： 視頻透視式視頻眼鏡和光學透視式視頻眼鏡。 光學透視式視頻眼鏡在學員眼睛前面放置光學合成器。合成器是部分透明的，透過它可以直接看到真實世界。合成器又是部分反射的，可以看到從頭上戴的顯示器反射到合成器上產生的虛擬圖像。 光學透視式視頻眼鏡原理見圖2。 視頻透視式視頻眼鏡封閉了視線，帶有一個或兩個攝像機，拍攝真實世界的場景。場景合成器負責把攝像機視頻和圖形進行合成， 并將結果送到顯示器上。 視頻透視式視頻眼鏡原理見圖3。

圖2 光學透視式視頻眼鏡原理圖

圖3 視頻透視式視頻眼鏡原理圖

跟蹤定位系統實時地檢測觀察者在場景中的位置、觀察者頭部的角度和運動的方向， 以便用來幫助系統決定顯示何種虛擬物體，并按照觀察者的視場重建坐標系。目前的增強現實系統主要采用電磁跟蹤器、慣性跟蹤器、測距儀、超聲波定位儀、全球定位系統（GPS）等。用以探測和跟蹤真實環境中目標的位置和方向。 本系統中為達到所需精度，將選用電磁跟蹤器或慣性跟蹤器。

虛擬現實交互設備主要有數據手套、位置跟蹤器、數據衣、力反饋器等。數據手套用于模擬人手在裝配或維修作業中的動作，通過接口程序，驅動虛擬手在虛擬環境中作相應的操作。 如抓取維修工具、擰螺絲刀等。 位置跟蹤器、 數據衣用于在一定范圍內獲取人體的位置和肢體的運動。反饋裝置主要是使虛擬裝配或維修作業具有力感，營造更加逼真的虛擬現實環境。

3 軟件設計

可視化維護引導系統的軟件整體框架設計見圖4。 可視化維護引導系統涵蓋了增強現實技術的很多方面，包括引導信息、圖像合成、操作者操作和操作狀態檢測4 個方面。 各個方面相互配合組成一個完整的引導系統。

圖4 軟件整體框架設計圖

引導信息是由計算機模擬出來的一些二維、 三維信息以及維修過程所規定的指令性文件， 包括完成維修任務的技術指令、維修標準和注意事項，為維修人員提供維修活動的依據以及遵循的規定和程序。 系統中引導信息主要包括三維幾何模型、場景、文字和裝配關系特征。

圖像合成主要是讓三維模型和真實場景物體融為一體，給操作者逼真的感覺，能夠更好的幫助操作者進行維修。系統采用基于虛擬模型的虛實融合方法，與傳統的基于三角面片的虛擬物體重構法相比，雖然要進行預處理，且需預知真實場景的詳細信息， 但它實現簡單， 實時性好，運行效率高.優于后者計算機生成的引導信息和攝像頭攝取的設備真實場景利用圖像合成技術， 采用基于標識的虛實融合方法融為一體， 通過光學透視式視頻眼鏡傳送給操作者，這樣就可以實時指導學員完成維護工作。

操作狀態的檢測是基于機載武器維護的規則體系，這個體系由C++程序里的DetectPrinter 函數控制。規則包括“什么時候檢測到什么顏色或標識”，然后可以判斷現在是什么操作狀態。 具體規則示例見表1。

從表可以看出，座椅火藥機構維護（示例）的條件規則庫包括3 個步驟。與此一一對應有3 個狀態的檢測。當光學透視式視頻眼鏡攝取到的圖像檢測到任何一個條件規則時， 計算機就可以根據操作狀態檢測條件規則來判斷當前的操作狀態。

系統采用Unity3D 引擎，其優良的圖像處理性能，多種多媒體格式及數據模型格式的無縫結合， 以及優異的跨平臺支持情況和接口， 能夠支持市面上常見的操作系統包括WINDOWS 操作系統、UNIX 操作系、MAC 操作系統、Linux 操作系統， 以及移動平臺的Android、IOS 操作系統等主流系統。 該平臺完全能夠滿足現階段的開發要求并具備進行二次開發和功能的良好擴展性，為將來可能的二次開發做好技術鋪墊。系統中使用該模塊呈現給感官真實的增強環境， 把融合場景的左右眼視頻信號分別輸出給佩帶頭盔，顯示復合立體圖像。

表1 操作狀態檢測規則樣

4 結束語

機載武器可視化維護引導系統以增強現實技術為核心，結合語音識別、體感識別和多媒體技術，是教學手段的一種創新。 該系統通過構建虛實結合的機載武器系統維護環境，利用身臨其境的沉浸感和完善的交互功能，為情境式學習和建構主義學習提供了良好的環境， 逼真的再現機載武器系統操作過程并顯示實時引導信息， 實現訓練和維護操作的標準化和可視化， 提高使用維護安全性，節約訓練時間和費用。所以本系統將在機載武器系統實踐教學、維修訓練等方面發揮重要作用，這對降低裝備維護訓練成本有著重要的經濟和軍事意義。