VR技术在天气雷达速调管更换中的应用

王 龙，陈昌迪，冯婉悦，高 原，张叶杰

(1.新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心，乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 830002)

0 引言

CINRAD/CC型天气雷达速调管是价格昂贵的微波电真空消耗器件[1]，其设计使用寿命在8000 h，正常情况下每年都应该更换该器件。速调管的更换存在一定的技术难度及经济风险，气象部门基层雷达站的保障人员没有更换该器件的资质和经验，大部分的雷达都是由厂家的专业人员承担更换速调管的工作。

在传统更换速调管的作业培训过程中，由于保障人员理解能力的偏差导致掌握的程度不一致。理论知识培训结束后，实际操作训练也存在困难。且雷达发射系统带有高压，操作时要谨慎，操作过程中会造成一些贵重材料或者工具损耗，因此传统的培训方式成本高，效果不理想。

虚拟现实技术(VR)包含网络技术、多媒体技术、传感技术、人机交互技术、计算机图形学技术于一体。虚拟现实技术可以对现实世界的行为活动进行仿真，并对用户的位置、姿态等做出实时响应，借助一些交互设备可以使参与者以接近自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而使参与者和虚拟环境之间建立起实时的交互关系，产生与真实环境中相似的感觉体验[2]。文章提出利用VR技术的特性，模拟一个虚拟空间使保障人员能够身临其境地对雷达速调管进行测试、拆卸和安装，当雷达速调管出现故障时，保障人员经过短暂的学习后能对速调管进行更换。使用VR技术的培训方式，不管是在培训成本、培训效果还是在安全性方面相比于传统方式都有明显改进。

1 系统设计与实现

1.1 系统组成

雷达速调管虚拟系统的组成包括3部分：1)虚拟环境产生器：该部分主要用于产生雷达机房3D场景的软硬件环境，可以感知保障人员的活动轨迹(如手、眼、头部的运动)，并通过分路/分时获得左右眼图像，融合生成可视化的三维场景，同时对机房的声音进行三维合成，并向保障人员发出触觉、听觉、视觉等反馈信号；2)数据接口：数据接口的作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及保障人员等有机地连接成一体，包括硬件协配、联调及人机界面等技术内容；3)输入输出设备：是指头戴显示器、数据手套、语音识别设备等。虚拟现实系统通过输入设备接收保障人员的动作、姿态和声音，通过输出设备进行反馈，使保障人员可以驾驭虚拟出来的雷达机房场景。

1.2 设计流程

文章利用VR技术和相关软件设计雷达速调管虚拟系统，其中涉及的软件为Unity3D软件、3dMax以及 Photoshop软件。Unity3D是由Unity Technologies公司开发的具有全面整合作用的专业引擎。其创建的目的是为游戏从业人员创建三维动画、实现建筑可视化等[3]。使用该软件可构建虚拟雷达机房的三维场景并模拟各种物理学运动，实现重力、碰撞、摩擦等自然现象。雷达机柜、测试仪表及各类工具的建模是利用3dMax软件实现的，3dMax软件是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，具有强大3D建模功能，使用可堆叠的建模技术，可以有效降低复杂模型的制作难度。Photoshop软件主要是用来处理和制作建模的纹理贴画。

文章设计的主要思路是通过摄像采集雷达真实场景的平面模型使用Photoshop软件处理纹理贴画，利用3dMax软件构建虚拟模型并导入Unity3D软件，驱动场景实现交互。流程如图1所示。

图1 雷达速调管虚拟系统开发过程

1.3 环境搭建

雷达速调管虚拟系统设计的基础是建立模型，在建模前需要分析雷达场景的布局设施，需要的数据及资料包括：

1)实景尺寸：包括雷达机房空间结构、尺寸，雷达机柜形态等。根据提供的实物尺寸数据进行1∶1建模。

2)纹理贴图：使用摄像设备采集雷达机房实景，利用Photoshop软件处理采集到的图像制作三维贴图，使系统画面显示接近真实环境。

3)场景规划：罗列出需要的不同场景如培训模式或练习模式，具体描述各个场景需要实现的功能和业务逻辑，输出场景列表。

4)其他数据：实地测量建模所需要的其他数据[4]。

1.4 建模

文章使用3dMax软件构建虚拟模型，3dMax中的建模方式有很多种，根据不同模型的特点找到合适的方法。基础建模适用于大多数情况，包括对几何体的编辑和样条线的编辑，适合构建雷达机房中大面积物体如墙面、地面和机柜等。多边形建模功能强大，基本可以构建所有复杂的雷达部件、仪表和工具。

根据需要设计雷达速调管虚拟系统模型：

1)房屋和大型机柜模型，其中包括雷达机房和4个雷达机柜及工作台。建模时要按照数据制作标准几何体模型，由几何体模型构成虚拟机房[5]。文章设计的重点是速调管机柜，为确保场景渲染和后期交互是流畅的，对于非重点建筑物的贴图可以不用过于清晰[6]。

2)各类工具、附属设备和测试仪表属于体积小结构复杂的物体，构建模型时需要结合多边形建模、复合建模等高精度建模方式。速调管的波导管由圆柱体，长方体和曲型长方体嵌套构成，使用FFD自由变形修改器操纵物体的空间平行点阵对波导管施加柔和的力来完成变形精确控制弯曲的范围。

3)模型制作完成后上传，点击创建作品跳转到模型场景库逐一添加模型。每个模型的大小和位置可以调整。使用工具条选中模型，对模型进行移动、旋转、缩放、删除等操作，或直接在属性栏中输入对应的数据进行更改。

建模过程中模型的优化也很重要，对于大面积的模型，比如地面、墙面和长条物体等，可以通过把物体切成多块的方式来解决烘培精度不高而导致模糊的问题。另外在一些场景中将部分体积较小的物体塌陷成一个物体，可以有效减少烘培的时间，加快模型在Unity3D中的载入和程序的运行速度。

为了保证所有模型的高度真实感，在3D模型结构仿真的同时，还要对模型的材质进行贴图和渲染。材质是指物体的材料、质感，即物体本身的材料属性与纹理[7]。使用Photoshop软件处理采集到的图片并存入资源管理器中，以便贴图时调用。利用3ds Max软件将虚拟模型导入Unity3D 软件，添加碰撞器后将模型的特征数据在Unity3D 软件中进行重组表达[8]。

1.5 实现交互技术

输入输出设备是实现交互技术的关键，主要包括头戴显示器、数据手套、语音识别设备及各类传感器。在进行交互时，戴在身体上的传感器可以有效感知保障人员在虚拟的雷达机房场景中的活动轨迹，并将雷达机房中的物体(雷达部件、各类工具及附属器件)状态反馈回来。如距离传感器可以感知保障人员与虚拟雷达速调管之间的距离，头部的位置传感器可以检测到头部的方位。固定在手背上的跟踪器可以确定数据手套的空间位置和方位，各手指有可弯曲的柔性传感器，柔性传感器可测量拇指与其余各手指及关节的方位角。手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉，可以有效感知手部与雷达接触时的一系列动作，如拆装速调管、安装连接线或紧固螺丝等。还有将虚拟雷达机房中的力觉信息反馈给保障人员的力觉传感器、检测声音的语音识别设备以及检测人体姿势的跟踪传感器等。

交互技术是将虚拟的雷达站场景与保障人员连接在一起的纽带，为了保证虚拟雷达速调管系统的实时响应和系统逼真度，需要加入天空盒以及行走、旋转、动画等功能，同时在雷达机柜及仪表工具间建立碰撞规则。交互效果的具体设计包括以下几个方面：

1)设计交互动作模式：设计系统感知保障人员在虚拟雷达机房中的身体姿态动作；

2)设计交互按钮：可以选择鼠标、空间球或数据手套等来触发事件控制效果；

3)设置语音系统：语音系统使虚拟雷达环境听懂保障人员的语言，并能实时交互；

4)设计特效：模拟室内灯光效果，并调整光线射入角度及场景中物体投影方向等，增加光晕效果，提升雷达机房逼真度；

5)设计存储和浏览系统：该系统可将更换雷达速调管的过程进行存储，后期制作相关语音文字说明，当需要浏览时调用出来，为保障人员快速学习提供帮助；

6)设计音效：为提高场景渲染力增强保障人员感受，需要在虚拟雷达环境中加入背景音，对应的活动进行相应的音效设计，同时加入声音大小滑杆控制。

2 实际应用

2020年4月，石河子天气雷达速调管出现故障，经判断为雷达工作时间过长导致速调管性能下降，需要更换。新疆气象装备保障中心利用雷达速调管虚拟系统对新入职的保障人员进行了更换速调管的临时培训。保障人员在培训模式下观摩了更换雷达速调管的演示流程，而后利用VR设备现场练习并掌握了更换方法。培训结束后保障人员赴石河子及时更换了天气雷达速调管，解决了故障。

根据上述实例可知，与传统的培训方法相比，雷达速调管虚拟系统可以让保障人员在较短时间内掌握更换速调管的方法。该系统建成时间短，技术难度高，功能完善后会有更多应用空间。

3 系统设计总结

根据以上具体分析可以得出，在对雷达速调管工作方式充分调研的基础上，对利用VR技术实现CINRAD/CC型天气雷达速调管更换的设计可分为以下10个步骤：

1)设计原则：①互动性：该系统的虚拟实验可以对保障人员的实时操作进行反馈，保障人员可以通过该系统反复练习提高技能。②开放性：该系统应满足保障人员使用远程互联网终端登录并进行实验操作的需求，为基层保障人员学习掌握技能提供可能。③易于维护：可通过网络化管理模式对该系统进行远程维护，采用跨平台的组建方式进行软件设计便于维护和管理。④虚实结合，以实为本：该系统是为培训和学习提供的虚拟实验平台，具体应以实物为准。⑤安全性和可靠性：管理员应定期检查该系统并进行维护和升级，注意备份和更新数据库信息。

2)前期分析：分析CINRAD/CC型雷达速调管的组成模块，更换速调管的流程，更换前后各个参数的测试方法、技术指标，以及更换速调管过程中遇到故障时相应的处理方法。

3)建立模型：根据所选定的更换速调管虚拟现实资源的需求，构建雷达速调管部件、各类工具、测试仪表及附属器件的三维模型，使虚拟场景中看到的雷达成为真实场景中实物的再现。建模完成后注意模型的优化，使整个程序运行流畅，同时不占用太大内存。

4)导入模型：雷达模型建立好以后，需要将制作好的模型导入到选定的专业虚拟现实编程软件，在导入模型前应该安装相应的插件，再将烘培完成后的模型借助插件导入软件，导入时观察并处理出现的问题。

5)搭建场景：更换雷达速调管的虚拟现实资源所需的模型均导入成功后，可进行虚拟现实场景的搭建，场景中所有的模型和纹理贴图需要使用摄像头采集真实环境。搭建过程中需要注意调整虚拟环境中摄像机的方向、位置及高度。

6)实现交互技术：根据需求设定并实现具体的交互技术。

7)选择终端：目前VR体验设备分为PC端、一体机及移动端。VR头戴设备有虚拟现实头盔和VR眼镜，可根据需求选择。

8)运行测试：对编译完成的程序代码进行测试，处理出现的问题直到程序达到预期效果。

9)演示效果：使用建成的雷达速调管虚拟系统进行更换速调管的演示，记录并制作相关语音文字说明，为保障人员快速学习速调管组成结构、拆卸、测试、安装等提供帮助。

10)系统发布：该系统完成后，应该将其设置为可以执行的文件，根据该设计在使用时所需的显卡、屏幕等配置的要求，将不同平台环境上的应用设置为EXE执行文件或APK文件。

4 结束语

文章介绍了CINRAD/CC型天气雷达速调管虚拟系统组成与实现，为该型雷达速调管的更换和保障培训提供了一种新方法，具体的实施步骤还需要根据实际情况进行修改补充。文章的设计还可以扩展到该型雷达天馈系统中方位电机的更换，接收系统中激励源、频率源的测试和更换，以及发射系统中人工线、钛泵电源的测试和更换等。