基于增强现实技术的潜艇雷弹发控装备训练系统开发

引 言

潜艇雷弹发控装备的技术含量和复杂程度较高，在武器装载装填和发射过程中均涉及高压气、液压、注排水、供电、艇内武器等多种装备和不同系统。在实装操作时面临操作步骤多、协同动作复杂等问题，容易造成装备和武器损害等，因此迫切需要在训练和操作过程中提供基于实装的实时操作流程和动作原理指导。目前虚拟现实（VirtualReality，VR）技术日趋成熟，大量虚拟训练平台研发成功并装配部队。利用 VR技术研发的虚拟训练系统能够在一定程度上解决实装操作风险高， 容易造成设备损坏等问题，但 VR设备操作虚拟环境越贴近实际装备，需要考虑的细节就越多，如虚拟环境空间尺寸、碰撞检测、应力反馈、视角变化、部件动作物理规律等，投入大， 开发周期较长。部队的优势是有大量实际装备，而完全脱离装备使用虚拟现实进行操作训练，则无法发挥部队优势，不利于提高训练水平。增强现实（AugmentedReality，AR）技术将真实世界与虚拟世界的信息无缝集成，利用定位跟踪、虚拟成像等技术，将实际装备与装备三维虚拟信息集合到同一空间 [1]， 通过AR可穿戴设备，使人眼看到虚拟信息与真实信息叠加后的效果。基于AR技术的发控装备训练系统利用 AR头戴设备实时跟踪定位操作者目光锁定的目标，在发控装备标示部件上显示部件三维全息模型，透视其内部结构，给出操作方法和操作指示，利用语音输入、手势输入让用户与 AR头戴设备显示的实装与虚拟信息相结合的画面进行交互，在 AR设备的辅助下完成从理论知识到实装操作的过渡，提高系统训练效果，降低研制成本。

1 系统设计

基于增强现实技术的潜艇雷弹发控装备训练系统利用AR光学透视式头戴显示器开发，如图1 所示。针对艇内真实环境，依托实际装备，使用人员利用 AR 头戴设备实现目光追踪，对于使用者目光锁定的主要实装部件，在 AR 头戴设备显示目镜上显示部件的全息模型、透视结构、动作原理动画视频、操作使用指南等信息，全息模型和动作原理与实装部件贴合，操作指南基于实装部件给出，具有极强的针对性和真实的操作感觉反馈。系统通过语音和手势操作完成交互。

                                                                                            图1 AR 光学透视式头盔显示器

基于AR技术的潜艇雷弹发控装备训练系统原理如图 2 所示。虚拟场景生成单元完成虚拟场景的模型建立、实时管理并集中管理其他外设 ；头戴显示器负责显示装备三维信息和实际装备融合后的信号 ；传感器跟踪用户视线变化 ；交互设备用于语音信号及手势操作信号的输入、输出。首先传感器和摄像头采集艇内实际装备的视频或者图像，传入系统后台信息处理单元对其进行数据分析和环境重构，并结合头部跟踪设备采集的数据来分析装备虚拟结构和真实装备环境的相对位置，完成两者坐标系的对齐及融合计算；交互设备采集用户语音和手势控制信号，完成在虚实结合场景中的交互操作。经过系统融合处理的信息实时显示在头戴显示器中。

系统的主要功能如下：

(1) 发控装备实装部件视线定位结构原理三维全息辅助学习。利用 AR头戴设备检测使用者的视线，实现视线指示， 三维模型跟踪定位，在使用者视线聚焦的部件上显示部件的三维模型，利用三维模型、实际装备融合显示和手势控制等技术进行部件结构分解，动作过程显示，实现基于实装的三维全息辅助学习。

(2) 发控装备实装操作步骤全息实时指导。基于实装部件在具体操作位置上给出全息操作指导，并能够通过三维模型显示操作引起的部件内部动作过程和工作介质的主要流向。

(3) 利用三维全息武器实现系统综合训练。对于需要武器配合的综合训练项目，如水下重装训练、武器装载训练，可在训练过程中通过显示设备显示三维虚拟武器，利用增强现实技术实现虚拟武器的发控装备实装综合操作训练。

系统通过摄像机识别并读取已知标识的相对位置，借以实现真实潜艇环境中发控装备实际部件相对于摄像机位置、方向信息的跟踪，通过矩阵计算得到坐标的映射关系，然后在实际装备上描绘出其三维结构，最终实现虚拟装备与实际装备的叠加[2]。系统工作流程如图 3 所示，系统结构框图如图 4所示。

在系统的开发设计过程中，使用了图 5 所示的逻辑结构， 每一层的意义如下：

(1) 数据层 ：包含了训练应用模块中的所有相关数据， 如设备的基本参数、设备操作运行数据以及三维模型数据等。数据层规定了数据结构和存储方式，规范数据调用机制是系统功能得以实现的基础。

(2) 模型层：将装备部件的结构模型数据进行有机组织， 在尽量保持模型细节的基础上缩减模型存贮规模，并整合对应部件模型的文本信息、三维动画或视频指导等。

(3) 平台层 ：对系统数据层和模型层进行集成与管理， 使得各功能模块可以顺利实现。该层作为数据层与应用层之间的纽带，包括设备查询平台和操作过程指导平台。

(4) 应用层 ：应用层是部件结构原理和操作指导功能的体现。包括装备结构信息查询、部件动作过程三维视频、装备操作过程指导、工作过程介质流向展示等。

(5) 界面层 ：界面层规定了人机交互界面风格和界面显示内容，涉及语音输入和手势操作等交互方式。

2 关键技术

2.1 发控装备部件模型建立

模型的建立要考虑兼容目标、传感器和环境三个方面 [3]。首先对于追踪的装备目标，需要装备目标的先验信息，如装备的外观、形状、相对位置、姿态等特性 [4] ；其次需要考虑传感器的特性，选定的设备使用立体相机按照米制构建 ；最后从环境角度出发，考虑到环境对跟踪的准确性起决定性作用， 在跟踪过程中，当光照充足、环境相对稳定时，视野中所见的重构三维模型显示更加稳定，提高了模型追踪定位位置的准确性。在模型建立阶段，以离线方式完成模型构建，将建模和跟踪分开。

模型的制作可以通过Autodesk Revit，Autodesk Solidworks 等软件对发控装备部件模型进行调整和修改，设备操作人员根据实际操作需要，对模型进行拆分并进一步处理成不同操作指导需求的 AR 虚拟场景模型，分类存储在部件模型数据库中 [5]。模型的具体处理过程是通过数据共享与交换的标准格式实现不同软件之间的信息交换，将模型导出为 FBX 格式，然后将此格式文件导入 3DSMax 软件中再进行处理或加以渲染，导出WRL 格式的模型，该模型将作为后期 AR 程序调用的模型。

在发控装备部件的建模过程中考虑 AR 系统的实际技术需求和资料储备情况，若已知装备目标部件的 CAD 图形则可将其作为先验知识，在构建实际装备训练环境时以本情况为主。在缺少 CAD 图形的情况下，部分部件可通过传感器逆向获取目标物体的模型信息作为先验知识。

2.2 基于模型的追踪定位技术

识别追踪技术、显示技术和输入交互技术是增强现实技术的核心组成部分，如图 6 所示 [6]。实现 AR 的基本功能主要依靠交互技术及空间感知的定位追踪技术。传感器获取的数据经过预处理作为输入，实现对实际装备的定位跟踪，该过程可分为检测和跟踪两个阶段。在检测阶段，以被跟踪装备部件的先验信息作为初始值，利用视觉信息处理技术获取的部件模型信息与输入数据进行匹配，确定其在空间的姿态和位置，实现对目标部件的跟踪。目前针对头戴式 AR 眼镜的跟踪技术，大多将视觉和惯性测量原件进行融合。本系统的跟踪技术主要依靠视觉光学追踪，其开发成本低，定位较精确。AR中的光学追踪分类如图 7 所示。

图 6 增强现实的核心技术

图 7 光学追踪分类

采用 OutsideIn方式需使用反光或特殊材质制作的标示点进行辅助定位，如在识字卡片、绘本中的应用。该技术定位准确， 但需要预先在实际场景中粘贴标识，在使用适应性和用户体验方面存在局限性。在 InsideOut无标示追踪技术中主要采用模型追踪定位技术。视觉信息技术和跟踪技术是该技术的主要难点。视觉信息处理需要提取和关联传感器所获取的目标物体信息，实时更新跟踪系统状态。针对潜艇内部发控装备的实际空间特性，选择部件模型的 CAD形状和拓扑信息作为稳定的跟踪线索，结合其各自对应的纹理特征和形状特征，整个视觉信息的处理过程以提取、优化获取构建模型的稳定特征为目标。

由于潜艇内部灯光较暗，环境狭窄，AR 追踪定位存在一定的困难，且由于艇上设备密集，观察空间狭窄，无标示追踪在小于最小观测距离时，模型定位无法完成。此时可考虑使用标记跟踪技术，但大量使用标示会影响实际装备的使用， 所以基于AR 技术的潜艇雷弹发控装备训练系统以模型定位为主，综合使用模型定位和标示定位，在观察空间不足和观察条件较差的位置使用标示定位方法，根据具体环境综合使用两种技术可取得更好的效果。

3 结 语

利用 AR技术研发雷弹发控装备训练系统可以显著提升日常训练水平，并在实际使用过程中提供实时操作和维护指导。使用基于 AR技术的潜艇雷弹发控装备训练系统将显著缩短新型潜艇雷弹发控装备的学习掌握周期，提升掌握熟练程度。AR技术在 2017 年完成了新一轮大发展，被大量应用于手机游戏中，头戴式 AR设备被投入市场，AR技术在军事训练领域中的应用条件已经初步具备。推进 AR技术在军事装备领域的应用对于科技兴军，加深新技术领域的军民融合具有积极意义。