基于虚拟现实技术的飞行教学系统设计和应用研究

郭叔伟，孙岩，丁祥

（海军航空兵学院，辽宁葫芦岛125001）

基于虚拟现实技术的飞行教学系统设计和应用研究

郭叔伟，孙岩，丁祥

（海军航空兵学院，辽宁葫芦岛125001）

为了弥补飞行理论教学不直观的缺陷，提高飞行教学的效果，提出了一种快速构建多机种虚拟现实飞行视景的设计方法。该视景是以飞行员第一视角位置，拍摄并构建各种飞行动作的真实飞行视景。通过虚拟现实视景可以指导各种飞行动作，提高飞行心理训练水平，客观评价飞行学员和飞行员的飞行水平，有效提高飞行员培养效率和质量。

虚拟现实；飞行教学；视景；飞行评价

随着我国航母列入海军序列以及海军由近海走向深蓝，海军对航空兵的需求越来越大，如何迅速提高海军飞行员的培养效率和效益变得尤为重要。由于虚拟现实技术存在高度逼真感和沉浸感、可重复使用性等优点，在高风险性、高费用的飞行训练中应用前景极为广阔[1]。目前、我军的飞行模拟训练系统基本上是环形的准3D视景，逼真感要逊于目前的虚拟现实技术，而且各个机型的飞行模拟训练系统价格比较高昂，一台模拟训练系统很难同时进行一对多的飞行教学。在地面的飞行教学中，许多飞行动作需要结合各种飞行员角度的视景进行教学，如起飞着陆过程，从飞行员的角度看就要了解目视高和目视低的概念。在舰载机着舰时，保角视景在各种偏差中如何修正，这些问题迫切需要高度真实感的VR视景。

飞行VR系统可以分为两种，一种是基于3D建模技术的，能人机交互的虚拟现实飞行模拟训练系统，这种VR系统实现难度较高，一个飞机型号对应一个系统，短时间难以在各种机型上实现[2]；另一种是没有人机交互的，基于实景拍摄的虚拟现实飞行视景系统，这种VR系统仅仅是基于飞行员角度拍摄VR视景，实施难度较小，容易较快应用到各种机型上，能够快速应用飞行员的教学和飞行评价中[3]。本文着重叙述第二种飞行VR系统的总体设计、运行流程，并提出该系统如何应用到飞行教学和飞行评价中。

1 系统总体设计

在飞行院校和飞行部队中，都有各种视角拍摄的二维视频和图片，以及各种3D软件生成的动画视频。受到技术的限制，很少看到基于飞行员视角拍摄的3D虚拟现实视景，而在飞行教学中，以飞行员角度观察地面景象尤为重要。在以往的飞行教学中，往往是飞行教员在空中手把手的一对一的教学，教学效率非常低，重复性不高。随着虚拟现实技术的发展，支持技术人员快速的拍摄出真实的3D虚拟现实视频，从而实现地面高逼真度一对多的飞行教学。

基于虚拟现实技术的飞行教学系统主要由5部分组成，分别为360°VR摄影机、机载摄影支持子系统、头盔式VR眼镜、主控计算机、视景显示子系统，系统组成和基本功能如表1所示。

表1 系统组成和基本功能

在表1中，360°VR摄影机主要安装在座舱内，位置接近假想飞行员的观察位置。其功能是拍摄360°的VR视频，典型的360°虚拟现实摄影机有诺基亚VR摄影机，如图1所示。360°VR摄影机主要功能是拍摄飞行中飞机舱外景象和舱内仪表、飞行员操纵动作。

图1 诺基亚VR摄影机

机载摄影支撑子系统主要是提供稳定的拍摄环境。在飞行中，受到气象条件，飞行员下意识的操纵等影响，存在各种不受控制的颠簸，都会使拍摄中的镜头产生难以忍受的震动，使画面不稳，从而影响3D视景质量，为了解决这一难题，目前大多数机上拍摄均采用先进的机载拍摄设备-陀螺仪航拍稳定吊舱。陀螺仪航拍稳定吊舱包含了电源系统、伺服系统、陀螺仪稳定吊舱、三自由度万向节、电动机、摄像机平台和陀螺仪控制系统。陀螺仪航拍稳定吊舱自带稳定电源，避免了在飞机上取电，从而影响飞机安全，也提供了稳定控制系统，能够协助360°VR摄影机拍出稳定的虚拟现实视景。

头盔式VR眼镜主要负责接收主控计算机或视景显示子系统输出的信号。头盔式眼镜型号比较多，基本样式如图2所示，比较有代表性的设备有三星和google的VR眼镜。为了实现一个教员对多个飞行学员同时教学，头盔式VR眼镜数量应大于一个班次的飞行学员数。在地面飞行教学中，理论教员和飞行教员可以与所教班次的飞行学员，基于相同的VR飞行视景进行教学，大大提高飞行学员的学习兴趣和课堂效果。

图2 典型的VR眼镜

主控计算机主要负责将360°VR摄影机拍摄的视频进行恰当的预处理、剪辑、添加文字等工作，形成有效飞行虚拟现实视景，并负责将视景输出至视景显示子系统。在所拍摄的虚拟现实飞行视频中，可以有针对的添加文字和重点强调色彩，强调重点内容，提高飞行学员的注意力分配掌握进度，做到有的放矢。

视景显示子系统主要是接收主控计算机的视频信号，通过处理，将信号扩展输出至多个VR眼镜上，实现一个视频同时多个客户端接收，方便飞行教学使用，其流程如图3所示。许多VR系统通常只有一个输出接口，不方便进行一对多的教学训练，为了保证训练的同步性，在虚拟现实教学中，通常需要将视频信号进行扩展，以降低经费和提高设备的使用效率。

图3 视景显示子系统

2 系统运行流程

开发了一套基于虚拟现实技术的飞行教学系统之后，重点是如何快速运行该设备，提高飞行教学的效率和效果。由于飞行计划和飞行安全的限制，不可能像地面虚拟现实视频拍摄一样，做到随用随拍，必须做好详细的计划和周密的安排，做到一拍多用，拍摄次数少而成功的视频多。

为了减小飞行拍摄次数，尽可能的在地面调试好设备，进行试拍，试拍的视频也可以用来进行飞机结构，飞机仪表、飞机发动机等相关知识点的虚拟现实视频教学，如图4所示。

图4 系统运行流程

在系统运行流程中的最后几个阶段中，需要联合多学科制定空中拍摄计划。飞行理论教学中，往往分成几个学科分开进行，如飞行原理、飞机结构、飞机仪表和特种设备、飞机发动机等学科。各种学科在教学中有不同的侧重点，在飞行中某些阶段偏重于仪表使用，某些阶段偏重于发动机操纵，某些阶段偏重于飞机杆舵操纵，为了提高拍摄效率，可以在一个飞行架次中同时拍摄多个科目，通过视频加工形成多学科各个使用的虚拟现实视景，提高系统使用效率。

3 系统应用研究

飞行学员在理论培训阶段缺乏对实际飞行的直接感知，在一些飞行问题上，无法建立直观、准确的认识，如初教-6飞机着陆时离地面高低。通过基于虚拟现实技术的飞行教学系统，可以在虚拟现实3D视景中直接感受空中飞行景象，弥补这些缺陷，教员也可以针对视景进行一一讲解，从而有效提高教学质量和课堂效果。基于虚拟现实技术的飞行教学系统可以从三个方面进行应用研究。

3.1 飞行动作教学

通过虚拟现实视景，可以指导飞行学员进行各种飞行动作。各种机型的起飞着陆科目是飞行训练的一个重点，如何指导所训人员的飞行操纵方法，常常需要根据不同的位置和舱外视景来决定。通过虚拟现实技术拍摄各种真实飞行场景，如着陆高低视景，在同一时间内指导多名飞行学员如何操纵飞机和修正误差。在各种机型理论教学中，理论教员会根据各种虚拟现实视景，指导飞行学员查看飞机舱外景象、舱内操纵及仪表读数[4]。飞行教员和指挥员也可以根据各种视景指导飞行学员注意力分配和舱外观察，形成一对多的飞行教学，极大地提高教学效益。

在舰载机培训中，着舰训练难度非常大，同时其教学难度也比较大。通过虚拟现实技术拍摄着舰时正常、不正常的飞行员视景，指挥员就能够有所针对性的教学，最终能够有效提高舰载飞行员的训练效率。

3.2 飞行心理训练

随着飞行任务的复杂性，对飞行员的心理要求越来越高，在感觉方面，要求飞行员感觉器官能保持高度的灵敏，能在高空、中空、低空、超低空、暗夜、各种复杂气象和噪音干扰以及强烈的电子干扰等条件下迅速适应工作；在知觉方面，要求飞行员能迅速而准确地识别战斗的时间和空间等特性，能正确地进行目测，判明地标和读出仪表的数据并反映到大脑，具有很强的观察和发现能力。在注意力方面，要求飞行员能在复杂情况下保持集中、分配和转移注意力。基于虚拟现实技术的飞行教学系统，可以拍摄相关飞行条件下的虚拟现实视景，飞行员通过虚拟现实视景感受其过程，从而有效提高各种感知能力，拓展心理承受能力。

3.3 飞行动作评价

飞行学员在飞行考核时很多时候是由后舱飞行教员一人判定，存在较大地主观性，而利用飞参数据判定时又存在不形象的问题，利用难度较大。通过虚拟现实技术在后舱拍摄360°飞行视景，在地面进行3D回放，数名飞行教员能对同一个飞行架次进行客观的评价，有利于建立客观的飞行学员评价系统。

4 结束语

通过虚拟现实技术拍摄基于飞行员视角的各种视景，将视景引入理论教学中，可以有效推进航理教学方法和手段进步，极大的丰富了理论教学的手段，使教学内容形象、真实，飞行学员更容易掌握所学内容。通过虚拟现实飞行视景还可以有效提高飞行心理训练水平，从而有力于飞行员心理素质的提升。也可以通过虚拟现实视景客观的评价飞行学员甚至飞行员的飞行训练水平。本文所开发的虚拟现实飞行教学系统具有实施难度较小，容易快速应用等优点，可以为下一步通过3D建模技术构建可以人机交互的虚拟现实飞行模拟系统提供视景对比和相关技术支持。

[1]周来，郑丹力，顾宏斌，等.虚拟现实飞行模拟训练中的视觉交互技术研究[J].航空学报，2013，34（10）：2391-2401.

[2]王祎，吕光宏，张正维，等.基于虚拟现实的飞行训练视景系统[J].计算机应用，2014，24（12）：128-130.

[3]李京伟，张利萍.基于虚拟现实技术的飞行视景仿真[J].计算机工程与设计，2005，26（7）：1935-1937.

[4]王晋誉，邵欣桐.基于虚拟现实的飞机可视化排故技术研究[J].装备制造技术，2014（7）：44-47.

Design and Application Study of Flight Teaching System Based on Virtual Reality

GUO Shu-wei，SUN Yan，DING Xiang
（Naval Aviation Institute，Huludao Liaoning 125001，China）

A design method constructing virtual reality flight vision for various aircrafts is advanced，to make up the fault of un-visible in flight theoretical education and to improve effect of flight training. The vision is based on the first vision of pilots，and is constructed by the real flight vision shot in flights. The virtual reality vision could be used to instruct various flight actions，improve level of flight mentality training，impersonality evaluate flight students and pilots' flight skills，and effectively improve efficiency and quality of incubating pilots.

virtual reality；flight teaching；scene view；flight evaluating

TP391.9

A

1672-545X（2016）09-0202-03

2016-06-15

郭叔伟（1979-），男，湖南攸县人，讲师，博士，主要研究方向：飞行动力学，飞行安全和救生。