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虚拟现实仿真训练模拟器关键技术概述
2012年3月17日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:棣华译

    虚拟现实技术将迅速成为二十一世纪的训练工具,但究竟什么是虚拟现实技术?

  在一个想象的世界中,实际上任何东西都是可以虚拟的。换句话说,在并不存在于现实世界的虚拟环境中,你可以做任何事情。计算机生成的情景各不相同,从绕木星飞行的卫星、土星光环、虚构的奇幻游戏、直到现实环境中难以出现(除非偶然)的危急情况或作战环境训练都可实现。

  但到底什么是虚拟现实?这是一个类似于“一根皮筋有多长”的问题。词典上对“虚拟”一词的解释是“某事物不是真实的,但出于某种目的可以认为它是真的”。这倒是一个绝好的解释,但它的实际意义到底是什么?

  是计算机图形?某些人认为,虚拟现实(VR)不过是可识别物体或者情景的计算机图形显示而已。特别是在三维图形模拟中可用鼠标或操纵杆之类普通计算机外围设备从不同角度观看时尤其如此。

  是某种控制器?有人认为虚拟现实就是戴上一顶控制头盔(究竟是什么头盔),完全投入到一个计算机控制的空间(这空间在哪里)。

  是校准?有人认为虚拟现实是从校准显示系统看出去的视界。校准一词来自“共线的”,意指并行线。在光学中,光的并行射线来自无穷,因此,“校准”一词从严格意义上讲是指无限远聚焦。

  是触觉传感器?有人认为虚拟现实是指触觉仿真及可视系统。上方照片中(照片略)出示的是一只仪器化手套。掌上和指上有传感器,它的位置显示在右方屏幕上,该处还显示出该手正握着并在使用一个并不存在的扳手。该扳手由计算机的图像生成系统产生,仅在仿真(虚拟)环境中显现。

  除了用于游戏和娱乐(外科手术也可能对此感兴趣)之外,用于操纵非现实形体可能还有疑问。但是其原理可以用到实际演习中,这些演习可以用在真实环境中(诸如工程设计和建模)帮助人们熟悉技能和进行训练。

  是现实的模拟?另外一些人认为,VR简直就是对真实环境中事件的成功模仿。例如,许多年来,经验丰富的飞行员能够从驾驶一种飞机转换到驾驶另一种飞机,完全是靠高度规范并严格校准的飞行模拟器。这些模拟器是美国联邦航空局D级(其他国家同类级)全飞行模拟器,每台价值1500万美元,比实际飞行训练便宜。也就是说,在一长时期内训练一架真实747大型客机的费用是仿真训练的40倍。当你下一次在某航线上飞行时,你的副驾驶员已经可以驾驶飞机作第一次独自飞行。这就是对VR技术的开发利用。任何玩过这种设备的人都会表示赞同说,这就是虚拟现实

    1 用于娱乐

  设计有活动平台和可视系统的飞行仿真器用在许多娱乐活动中。大量消费者立刻就可经历变化无穷的真实活动和可视情景的感受,这些情景一般都存储在激光盘或胶片中。这些娱乐节目有激流漂筏、高速汽艇、高奖赛马、从航母弹射器发射炮弹,飞行特技表演、驾铁道滑行车、太空飞行、“骑车环游土星光环”、进入地下世界,等等。

    2 VR诠释

  上述对VR的解释那一种是正确的?我认为全都正确。英语是一种生动的语言,对VR强调任何精确解释都是狭隘的,不符合它已经广泛流行应用的情况。

  确切地说,虚拟环境是一个人工生成的世界,由人工的景物充斥其中,观察者可通过仿真或计算机技术来使用、控制、或深入到该环境之中。当然,他们最好能了解一些有关原理,因为这很容易产生错误看法,特别是那些对VR一词死钻牛角尖的PR代理们经常认识有误或对其基本原理知之甚少。本文这样三言两语不可能说清VR的各个方面及构成VR的各要素,诸如图像生成、可视显示镜片、运动系统等,把这些加在一起才显现了对现实的模拟。要想更好地了解市场上各种仿真系统的要点、图解和细节,请见“简氏仿真训练系统”和其他这方面论题的出版物。

    3 控制头盔和头盔显示器

  显而易见,可用计算机图形技术生成各种各样的可视情景。我们每天都能从电视机上看到精湛的图形例子。正如我们所见,仪器化手套可以用来进行辅助操作,但怎样才能把图像呈现给操作者呢?虚拟现实系统通常的做法是要求操作者戴个什么东西在头上,也就是一个头盔显示(HMD)系统,有时叫它控制头盔或相当这一类的想象名称,但HMD这个词比较好。HMD的价格按其复杂程度从500美元至100万美元不等。它们用光栅扫描线(像电视屏幕一样)产生图像,其线数从基本系统的200线以下至最昂贵的2000线不等。其重量从40克至数公斤。多数头盔产生彩色显示,少数是单色。有些头盔使双眼看到相同的图像,而有的产生两眼各不相同的图像。这样,两个图像生成通道都可以用起来,产生出真正的立体图像。

    4 对三维跟踪器的需求

  这种HMD能对两眼各产生一种图像。但由于操作者的头是活动的,只好告诉图像生成计算机产生适合头部转向不同角度时的情景。除了一些最基本的系统不随操作者头部转动而变换图像外,其余都要求有三维的头部跟踪系统。一般来说,跟踪传感器包含一个在小接收器模块内的三组合电子线圈,安装在一个立方体罩壳内。该传感器定位于要跟踪的物体。

  这些传感器都是无源的,不用外加电压。一个较大的发送器模块紧靠旁边,它内含的三个线圈以正确的角度相交,向三维方向发射磁场。磁场的方向形成量测的参考体系。这种跟踪器还有其他用途,比如装在仪器化手套中,以便系统计算机知道操作者的手在三维坐标中的位置。操作者的身体上也可安置几个传感器,从肢体和驱干的活动中可获得更完整的数据,以此作为人体因素研究,也可应用于舞蹈或其他活动的动作研究。

    5 水平校准或远距离聚焦

  在光学系统中,出现在观察者面前的物体的焦距可用透镜和曲光镜之类部件调节。在仿真市场的显示系统中,水平校准是指“远距离聚焦”,焦距通常在10—100米之间,按应用要求而定。在视距内的图像除显示面的图像以外叫做“虚拟图像”。产生远距离聚焦有一个常见而且比较便宜的方法,就是使用透镜和曲光镜。

  这些东西可以同全尺寸TV监视屏一起使用。或者把它们小型化,将其小型化的CRT或液晶显示(LCD)安装在早期的头盔显示系统内。显示屏离观察者的眼睛相当近,而虚拟图像则处在所要求的距离,10米、100米,如果需要的话,可无限远。无疑,无限远会引起混乱(这当然能做到,但它是一种光学误差)。

    6 并排的驾驶座舱

  仿真中非校准系统的情景误差是很关键的。仿真中两个驾驶员并排就坐,而两个分离较远的两眼视点则必须能够同步。

  出于这个原因,以及强调的远距离聚焦的现实,平行校准是鉴定飞行模拟器是否达到更高的民用管理级别(如美国FAAC级和D级)的一项要求。

  远距离聚焦的优点是,当在一个按原尺寸复制的驾驶舱且有一个大的平行校正显示器情况下,使用远距离聚焦时,观察者的头部和眼睛可在一定范围内运动,在这个范围内图像不会改变。相反,在直接投影系统中,屏幕焦点距离相对较近(小于5米),当头部从计算好的视点移开时,景象出现误差。随着离计算的视点越远,误差逐渐变大。平行校准监控器相当便宜,并可同时用来一起产生观察所要求的视野。

    7 跨座舱平行校准(CCC)显示系统

  这是一种可视显示系统,用户可看到连贯的、无间隙的、远距离视野的外部世界。这种效果是用背面投影显示器获得的,将它反射到一个大的平面调准镜中。操作者看见的是镜中的图像,而不是原来背面投影的情景。这些系统的视野一般有三部15040°投影仪,多数投影仪在水平位置大约180°,其焦距级别一般为30—100米数量级,用一个大面积的反射镜获得。该镜面在垂直方向上有一点小的弧度,安装在操作者前方3—4米处。镜面可以安装在玻璃或柔性塑料上,一般是用聚酯树酯。远距离聚焦与开阔的水平视野相结合,避免了那种使用常规屏幕或穹顶屏幕的显示系统中出现的视角畸变。最早的CCC系统是播放式(现在是TT&S)广角平行显示设备(WIDE)系列,用塑料镜面。后来是林克-迈尔式(现在也用TT&S)高级广角反射显示系统(AWARDS),用玻璃镜面。CCC系统市场包括TT&S后继系统以及WIDE和AWARDS(TT&SSPACE可视系统的一部分)。

    8 立体显示系统

  有些显示系统,特别是HMD,有两个完全独立的视觉通道,因此能够在操作者双眼呈现各不相同的图像。真实环境中物体的距离越近,眼睛的聚角越集中,每只眼睛看到的景物差别越大。这些不同景物可用CGI计算机计算出来,并向各眼呈现相应的图像。值得注意的是,立体效果虽好,但在显示系统中过度的立体镜头(比如用于勘查和智能测试的三维图形解说)会引起方向迷失和头痛,或所谓“仿真器病”之类症状。出于同样理由,还很重要的一点是,对左、右眼每个图像的设置在垂直平面上不能有差异或焦点不同。你可在短时显像期间消掉很多差错,但长时间应用中就做不到。

    9 时序光阀系统

  有些系统靠有常规显示屏或TV监控器的系统产生立体视觉,但是通过光阀机械依次向双眼呈现图像的目镜会受到磨损。投影图像或TV图像随目镜光阀速率有顺序地切换,因此当光阀对相应的眼睛打开时,屏幕上就出现正确的立体图像。这就使这种目镜比普通自含式头盔显示器轻得多。极化滤波器也可用来代替光阀。顺便说一句,光阀开关系统也可用大多数自含式HMD将小型的单色CRT或LCD转换成彩色显示器。在这种情况下,在小型屏幕和操作者的眼睛之间顺序地使用红、绿、蓝三种滤波器,情景的图像产生了,其亮度适合三种颜色之一,显示在单色屏幕上。每一幅三色图像依次递进,彩色滤波器也顺序插入,这样,经三次扫描后,产生了全彩色图像,这一过程进行得很快,操作者察觉不到。

    10 距离估计

  距离估计在大约九米以上就不依靠立体效果(两眼有不同图像的情景中),但要靠大脑对所熟悉的可视标记的反应。这是指你驾驶车辆时所感觉的建筑物或其他物体的大小,或飞行时感觉到房屋或树木的大小。

    11 大脑的三维判断

  当然,在远距离没有眼睛收敛角度,大脑仍可以判断运动中的三维图像。特别是当图像的质量很高,物体相互地作相对运动,致使它们的配景变化速率与不同距离的其他物体形成很大反差时尤其如此(参考资料,英国DRAFamborough1980年报告,有关飞行参考请见E—O传感器和伦敦皇家航空学会的各种文献)。这种效果不要求每只眼各有不同的景物配景。当你看一辆火车以正确角度向前方开去时,或看到TV画面按正确的视点显示动态景物时(通常在屏面对角线距离),可能会有这种体验。确实,曾经有过独眼飞行员(我声明,不是目前航线上的驾驶员),但没见几个独眼的熟练缝纫女工。

    12 仿真器提示系统

  上述因素说明了为什么非立体显示系统还挺受欢迎,想想TV和照像机就知道了。确实偶尔也有立体TV或立体电影的奇想,但迄今为止这些东西都不持久。即使物体距离在9米以内(30英尺),你可能还是有焦距误差,除非被仿真的物体距离很近,而且你动作起来就像就穿针引线一样手眼协调,或像用扳手固紧或旋松螺帽一样灵巧。

  到头来,“仿真器病”的症状大有增长,因大视角、动态可视景物以丰富的情景细节长时间地呈现给操作者,又没有有关活动的常规动作提示,一段时间以后,潜意识察觉到“提示不匹配”这个问题,并向大脑的意识层发送求救信号,接着身体有了不舒服的感觉,甚至出现迷失方向、眩晕呕吐的症状。娱乐界的应用自然比不上那怕是D级飞行仿真器那样精确的提示。在娱乐界应用中的动作提示常见是较粗糙的,强调效果,不要求精确。这可能关系不大,因为显像时间一般很短,而操作者可能期望(甚至乐于)经历被抛甩颠荡和一点运动眩晕的感觉。不然,为什么那么多人花钱去骑旋转马?

    13 可视系统控制

  操纵杆、鼠标、踏板或开关可用来帮助操作者置身于三维情景中。操作者并没有动,只是计算机生成的景物在动。比如,把开关向前推就使景物向前动,向后拉景物就后退。开关和按钮还有其他作用,例如打开假想的(虚拟的)房间或建筑物的门,用在军事或游戏上时,一个开关或触发器可用来模拟武器发射。

  仿真中可使用真实的控制开关,即复制的控制开关物理上是真实的,并被连接到仿真计算机上,按照对它们的实际操作来调整显示器中的虚拟环境。这些开关包括手柄、方向盘、调节阀、操纵杆和踏板。把方向盘向左转会引起CGI计算机把图像转向操作者显示器的左边,向后拉飞行操纵杆,会引起显示器指示机头上仰到一定倾斜度(也叫“翻斤斗”,如果把操纵杆向后拉模拟特技飞行的话),然而,操作者仍然保持在原来的位置,但他能感受到这种强有力的视界变幻过程。这就是“虚拟现实”的本质所在。

  应用这类操控部件,头盔VR仿真可以驾驶假想的车辆、船只、飞机和航天器,即任何可以在CGI系统上显示的东西,从模拟真实运载器到星球大战或与恐龙搏斗。正如我们所见,这类操控部件不必有物理外形,一双仪器化手套就可用来进行仿真(虚拟)控制,其效果与仿制的真实操控部件一样(可能精度差一点)。

    14 其他训练功能

  仿真中可用物理目标,也可用驾驶舱操控部件、仪器化手套和体位传感器。它们都有特殊的仪器与仿真功能匹配,这包括步枪、手枪、飞机、车辆和摩托。

    总结

  本文对探测仿真可视系统的潜力和技术作了一次小小的尝试。较深入的技术细节在“简氏仿真和训练系统”下列章节开头部份的“指导”页中,这些章节是:图像生成、直观显示和虚拟现实、动作提示、战术交战仿真和航空系统。

  虚拟现实和可视仿真是一个发展中的领域,对它的深入理解会有助于读者分清什么是做得到的,什么是做不到的,什么是必要的,什么是不必要的。并使读者在读更多虚拟现实与仿真技术文章时有了一定的理解力。

标签:模拟器军事
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