基于CAVE系统与ZSPACE桌面展示平台的飞机虚拟维修实验室的设计与实现

摘 要 针对多机型航空机务培训院校装备教学条件建设面临的挑战和困难，提出基于“CAVE系统”与“ZSPACE桌面展示平台”的飞机虚拟维修实验室建设解决方案，阐述实验室组成、难点及解决办法。从实际使用运行情况来看，取得较好训练效果。

关键词 CAVE；桌面平台；虚拟维修；实验室

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）04-0042-04

1 引言

现代飞机科技含量越来越高、结构越来越复杂、造价越来越昂贵。对于承担歼强、轰炸、运输、教练和直升机等多种机型机务人员培训任职教育院校，期望利用实装开展装备维修训练面临诸多困难：一是新型飞机首先满足部队训练需要，院校一般难以同步配备，即使配备，其数量有限，也不能满足培训需求；二是轰炸、运输等大型飞机对训练场地配套设施建设要求高，装备教学场所扩容难，且花费大；三是现代飞机结构系统庞大，技术保密，模拟训练装备开发费用高。所以，针对多机型航空维修保障训练需求，急需探索多机型装备教学条件建设的新路子。

2 解决方案

面对多机型维修训练条件建设难题，综合考虑仿真效果、培训员额和经费效益等因素，提出基于“CAVE系统”与“ZSPACE桌面展示平台”相结合的飞机虚拟维修实验室建设解决方案。即将飞机数字模型取代实体原型进行飞机原理构造教学和维修保障科目程序训练，面向机、军、特、电等航空机务各专业学员，既有满足多人协同训练的CAVE沉浸式训练系统，又有满足单人的便携式桌面训练平台，统一建设、统一开发、统一管理。

其中，CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）

系统[1-2]是一种基于立体投影的沉浸式虚拟交互系统，它是以计算机图形学为基础，把高分辨率的立体投影显示技术、多通道视景同步技术、音响技术、传感器技术等完美地融合在一起的沉浸式虚拟环境。典型的CAVE虚拟现实系统是由3个面以上（含3面）硬质背投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，使人能完全沉浸在计算机创造的三维图形世界里，从而获得带有震撼性的身临其境的沉浸感受。其优点是沉浸感强，缺点是成本相对较高，只能满足5～8人同时使用。

为解决30人左右教学班人员培训需要，实验室配套多台ZSPACE桌面展示平台。ZSPACE平台是由加州Infinitez公司开发专门用于单人单桌的交互式展示平台，主要由带位置追踪的3D显示屏、立体眼镜、操作光笔和图形工作站等组成。与传统的桌面三维视景系统不同，它可以跟踪用户的头转动和手的动作，实时调整用户看到的3D图像，利用光笔可以实现对飞机数字模型的操作和维护过程的训练学习。

3 详细设计

飞机虚拟维修实验室除了通用教学基本设施外，实验室总体设计如图1所示，主要由三通道CAVE立体投影系统、ZSPACE桌面展示平台、总控系统和Quazar3D集成开发环境四部分组成。

CAVE投影系统 CAVE投影系统硬件主要由立体投影显示系统、几何校正模块、渲染管理工作站和位置跟踪交互系统等部分组成，如图2所示。

1）立体投影显示系统。实验室选择了双机被动立体投影方案。被动立体也称光学偏振显示技术，是指通过两台投影机经偏振化方向互相垂直偏振镜片后，同时把两个经过特殊处理的图像或影片同步放映显示三维立体效果的图像。被动立体投影的优势在于亮度高、立体感强、3D眼镜价格便宜。投影机选用型号：NEC PX750U+。分辨率：1920×1200（16：10）。投影幕布采用3面C型布置，单面投影幕有效尺寸：3200 mm×2000 mm。以上配置实现了8000流明亮度及大屏幕下像素颗粒边长1.67 mm，较好保证了图像的亮度、清晰度。

2）几何校正模块。被动立体每通道由两台投影机投射的画面叠加而成。为实现两台投影机画面的完全重合，左右视差的准确性依据通道间图像的自然拼接。每台投影机配备了大视电子MG200纯硬件几何校正模块。该模块内部硬件采用大视电子的第二代高精度及高保真调整技术、非线性多滤波器技术和纹理补偿技术，能够对输入的图像信号进行实时的弧形、桶形、球面和其他多异形图像校正，可完全保证画质的完美。

3）渲染管理工作站。因飞机模型数据量大，为提高虚拟维修系统的运行速度，系统采用基于Windows平台的千兆分布式图形工作站集群架构，它包括一个管理节点工作站和三个图形渲染工作站。管理节点工作站主要运行虚拟维修仿真软件，三台渲染节点工作站用于分布式图形渲染与展示。图形工作站均选择HP Z820系列图形工作站。

4）位置跟踪交互系统。为实现CAVE系统中对场景和三维模型的漫游、平移、旋转、缩放、隐藏和操作等交互功能，实验室配备了ART位置跟踪系统、Flystick漫游手柄和带有头部跟踪的立体眼镜等跟踪交互系统。其中，ART位置跟踪系统是德国生产的一种光学跟踪系统，是一种基于反射式的捕捉系统。当ART的摄像机发出的红外光打到反光球表面上时，反光球会反射同样波长的红外光给摄像机，从而捕捉摄像机可以确定每个反光球的2D坐标，经过ART的控制软件处理便可以得到它的3D坐标[3-4]。获得人体头、手等部位的三维坐标后，再经编程设计，就可使场景发生相应变化。Flystick漫游手柄内嵌了被动式的反光球，集成了5个按钮和一个操纵杆的交互设备，可完美实现虚拟维修的交互、漫游功能。

ZSPACE桌面展示平台 ZSPACE桌面展示平台拓扑结构如图3所示，主要由主控机（讲师）和教学机（学生）组成，通过网络交换机把所有设备连接一起，组成封闭的局域网。在每一个机位配备独立的图形工作站和ZSPACE展示交互系统，通过网络交换机与讲师机相连。讲师机位安装集中控制管理软件和虚拟维修交互展示内容，整个培训过程既可以实现集中统一培训，也可以实现学生的独立学习[5]。

ZSPACE立体展示系统集成了立体显示器、跟踪摄像头、跟踪立体眼镜、操作光笔和工作站等设备。

总控系统 总控系统主要用于CAVE投影系统和ZSPACE桌面展示平台的开关机、显示模式切换、环境灯光及音响等系统的集中控制与调节，主要包括控制柜台、监控显示器、调音台、调光台和UPS电源等设备。

Quazar3D集成开发环境 Quazar3D集成开发环境是波兰新开发上市的虚拟现实实时交互平台。与Virtools、Unit3D等其他平台相比，在图形引擎的实时渲染质量、64位操作系统支持、开发接口的便捷性、未来技术发展潜力上等都具备明显的优势。配套的Quazar3D CAVE是Quazar3D

的辅助软件，主要用于支持3～6屏的洞穴结构、器头盔显示、运动跟踪系统和其他支持VRPN（虚拟现实的外设网络库）等外设。

4 难点及解决办法

Quazar3D视景大模型加载 飞机是极其复杂的航空装备，与机务维修保障作业相关的部件、零件成千上万。这些数字化模型如果一次性全部加载到虚拟维修交互场景中，势必引起图形工作站处理的负担，造成模型加载时间长，运行速度慢等问题。为此采取以下方法。

一是根据虚拟操作进程，将操作模型选择性轻量化。例如：当进行起落架维护操作时，起落架部件模型采用较高细节级别的渲染模型，而机身其他部位模型就是一个简易轻量化结构模型。

二是将Quazar3D视景模型加载采用动态方式。Quazar3D

软件中模型动态加载体系是与视点相关的，即随着视点的移动，数据模型网格才被动态更新加载。相对于静态地形来说，这是一种更为先进的算法。这种方式建立起来的场景、模型等更加符合人的视觉特性，可以节省大量的存储和加载空间。

显示系统光路设计 为增强CAVE立体投影系统的大规格图像、高分辨率、高亮度、高对比度、立体能力和高沉浸感，系统采用了3屏C型被动立体投影方式，这种投影方式对光路的设计、安装提出更高要求。为此，实验室设计定制了全封闭一体化铝合金结构投影机房体，可支持幕布安装、灰尘隔绝和消减投影机的噪音等功能。房体同时包括投影机的支撑结构，使投影机和幕布一体化。在每投影面支撑安装2台投影机，上下排列，上位投影机中轴对准屏幕中心，下位投影机与上位投影机机身相距250 mm，利用镜头的垂直位移（±50%）来实现光斑的位移，两台投影机的图像在屏幕完全重合。为了减少投影距离，减小投影系统所占空间，投影机选用投射比0.76：1的短焦镜头。

位置跟踪系统设计 ART位置跟踪系统是虚拟维修系统交互的核心，必须合理设计ART位置跟踪摄像机的安装位置。ART位置跟踪系统理论上需要至少有两个摄像机捕捉到一个单一反光球的三自由度跟踪，或者至少三个反光球组成的六自由度刚体的六自由度跟踪。为满足手部和头部在CAVE操作区域内的有效追踪，采用3D有效区域设计手段，如图4所示。在有效区域会以绿色显示，绿色区域的颜色越深，表示这个区域被摄像机跟踪到的重叠次数越多。每个红色区域指的是只能被一台摄像机跟踪到，代表不能提供有效的跟踪。系统设计4个捕捉摄像机，它们位于系统顶部四角，面向内。从图中可以看出，在高度在1 m以上已能全部覆盖CAVE操作区域，实际安装高度2 m，完全满足系统要求。

5 结束语

基于CAVE系统和ZSPACE桌面展示平台的飞机虚拟维修实验室建成后，已在多机型机务虚拟维修训练方面发挥重要作用。和实装训练相比，维修仿真训练系统特点为[6]：1）不受装备数量、场地的限制；2）可根据装备教学规律，开展多样化、个性化训练；3）可供多人同时进行训练，易于规模化；4）可统一平台，适应不同的机型、专业和培训内容；5）便于训练实时评估，使受训者及时掌握自身维修技能水平；6）与实装训练、模拟训练相比，效费比高。

参考文献

[1]Yuen K K， Chao S H， Yang X B. A Full-immersive CAVE-based VR Simulation System of Forklift Truck Operations for Safety Training[J].Computer-Aided Design and Applicati0ns（S1686-4360），2010，7（2）：235-245.

[2]林柏纬，潘志庚，等.基于PC构架的高性能CAVE系统[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（6）：724-729.

[3]赵琼.基于视频和三维动作捕捉数据的人体动作识别方法的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[4]蔡芝蔚，叶晓琴.动作捕捉带来的人机交互设计分析[J].电子技术与软件工程，2014（27）.

[5]王上军，时和平，窦云杰.桌面式虚拟维修训练系统研究[J].装备指挥技术学院学报，2010，21（5）：110-114.

[6]黄子俊，汤景棉.虚拟现实技术在新装备维修实践训练中的应用[M]//第九次全军院校实验室建设与发展学术研讨会论文集.北京：国防工业出版社，2011：656-658.

[7]赵猛，等.CAVE立体显示系统的搭建及立体图像的几何校正[J].计算机辅助设计与图形学学报，2008（10）：1366-137.