顾越阳

摘要：针对现如今vr技术与民航联系不够密切，通过VR技术，设计并实现软件进行将民航机舱舱门在VR平台展示，模拟真实的飞机客舱环境及舱门应用场景。乘务人员可以在室内利用VR舱门展示平台设备进行舱门开关的操作，给出未来民航系统的研究方向。

关键词：VR；民航；机舱舱门

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0237-04

Abstract：In view of the close relationship between VR technology and civil aviation nowadays， VR technology is used to design the software to display the civil aviation cabin door on VR platform， and simulate the real aircraft cabin environment and cabin application scenario. The crew can use the VR door to display the operation of the door switch in the room， and give the future research direction of the civil aviation system.

Key words：Virtual Reality；Civil Aviation；Cabin door

1 引言

1.1 VR技术

基于虚拟现实的无时延感的遥控操作系统（ Virtual Reality）是可以创造和体验虚拟世界的一种计算机的仿真系统，它可以使用计算机生成一个模拟环境，是一种交互式为主，多元信息融合为辅的一种三维动态视景和实体行为的系统仿真，让用户沉浸到虚拟环境中。但由于专业的特殊性，当前国内外的VR内容多用于游戏的策划或产品的展示等领域，在教学应用中缺乏内容的支持。本文基于VR及仿真技术，通过专业化的舱门实例以及场景应用，力求真实模拟舱门实际操作过程。

1.2 民航舱门展示研究目的和意义

VR在仿真技术领域早就开始了广泛的应用。这些VR设备和软件不但可以用来培训新的机舱乘务人员和飞行人员，还可以用来锻炼各种熟练的操作人员在很多危险环境下的心理承受能力、快速反应能力，而且可以熟悉参与的自然环境等。更重要的是，它甚至可以用实际飞机客舱中乘务人员需要的真实舱门数据生成虚拟仿真环境对乘务人员进行培训。民航舱门在安全性中扮演的重要的组成部分，是重要的逃生路径，懂得如何操作舱门也在飞行中显得非常重要。

一发面由于传统乘务人员培训内容复杂，在实训过程中乘务人员的参与度很低，不能达到良好的训练效果。另一方面，机舱模型耗资巨大，场地要求高，维护成本高，对于乘务人员的训练效果也不是最高。故利用VR技术结合民航舱门就显得尤为必要。

民航舱门设计是民航飞机设计中一项富有挑战性、高度综合的项目，是民用飞机设计成功的关键之一。而民航舱门设计的优劣，对飞机设计有着重大的意义，而且也关系到飞机商业运营，。民航舱门设计是一个需要综合考量，设计复杂，而且过程交替迭代，需要充分考虑多方面要素，实现舱门系统和飞机结构的优化更新，完成最符合使用要求的设计。建立一个VR展示平台，可以更直观地设计与展示舱门的各项数据和操作方式，对民用飞机设计有重大的意义。

1.3 基于虚拟现实技术的民航飞行应用特点

建立模型在虚拟环境中有很多的特点，主要特点就体现在以下的三个方面：

1） 物体在虚拟环境中的广泛性。有非常多实体存在于虚拟环境中，往往需要创造不同类型的模型。在虚拟环境中的物体一般可以分为两大类：静态和动态的。分类下仔细描述一般有光照模型、几何模型、纹理处理、灰度动态模型、渲染效果等。动态对象的建模主要涉及两方面的内容：一是确定每一个对象运动过程中在场景的位置，二是当视点变化时，场景动态刷新过程。此项目中的动态模型有舱门、把手等。

2） 物体在虚拟环境中的特殊性。虚拟环境中有部分物体拥有自己的独特行为，而其他图形建模系统一般是构造静态的物体，而物体的行为往往是较为简单的转动、移动等。

3） 物体在虚拟环境中的交互性。使用的观察者可以跟虚拟环境中的物体做出一些互动。当发生交互时，物体应该以某种相对动作来响应。

虽然不同的建模顺序可以构造同样的实体，但不同方法构造出来的实体却具有不同的稳定性、可修改性、可理解性。通常零件越复杂，其稳定性与可修改性就越差，在技术可能的情况下系统建模过程中尽量简化了实体特征结构；尽量使用了单个体素。以下是虚拟控制系统流程图：

2 路线

首先进入仿真客舱进行实地测量，使用卷尺，游标卡尺等工具，画出草图。 然后使用3dmax软件根据草图画出相应的舱门模型。完成细节调整以后将模型导入unity，编写代码，调试VR眼镜及手柄，达到预期效果。

3 VR技术的民航机舱舱门展示平台的设计

3.1 型的设计

民航舱门系统中存在着许多复杂的仿真物体模型。对模型的塑造直接影响着使用者的沉浸式体验。舱门的各个活动部件在民航舱门系统中涉及的实体几何模型很多，对这些实体的建模是构建虚拟教学试验系统的关键。模型可以完全还原空乘人员在开舱门时的具体操作以及场景。在计算机的图形学中，经常使用多边形接近物体的表面，然后把将这些多边形的顶点按一定的拓扑关系，组织起来形成一个集合，这个集合就是物体的三维几何模型。此类顶点的三维坐标获取方法很多，最常用的方法是用计算机三维造型系统中的造型工具生成三维模型，然后以矢量文件输出。民航舱门系统主要包括：内部手柄，外部把手，輔助手柄，镇风锁，滑梯预位装置等。具体还涉及诸如：客舱，座椅，机舱外壳，机库，客梯等部件数量庞大而且部件的结构和形状复杂和不规则，给模型的建造、管理带来了很大困难。为此采用通用模型库的方法为不同类型的组件设立了相应的模型库，使模型的调用及管理更方便。建模过程中建模顺序尤其重要，因为模型内部结构模型与外部结构模型均比较复杂。所以建模顺序如果出现问题，后续对模型进行修改的时候很有可能导致失败。客舱模型建造顺序如图3所示：

3.2 虚拟场景的设计

使用Unity 3D进行一个虚拟机库的设计，主要以飞机为主要场景，旁边赋以机场穿梭巴士，工程车辆等，给乘务人员沉浸式的真实感。在三维模型基础上的建模及动态显示的技术，当观察者在实时虚拟环境中，在漫游的过程中根据观察者所在相对地点、相对光线等等实时信息，由计算机绘制出相应的场景。它的主要优点就是观察者的实时位置和观察方向都能随意进行改变，不受任何制约。比如可以让体验人员进行一个从登机到进入客舱门的一个完整的过程，进行最大化的模拟。

3.3 交互性的设计

针对左右眼将不同的图像分别投影在两个屏幕上，在经过特殊眼镜对图像进行特殊处理后，左右眼所观察到的图像就产生了区别，两只眼睛便可看到三维图形的奇数帧和偶数帧，奇偶帧之间的差别就在视差上产生了立体感。使用时还可以让多方进行互动连接，教学时就能在虚拟场景内进行讨论，可以进行及时及地的进行指导和讨论。

4 基于VR技术的民航机舱舱门展示平台的实现

4.1 模型的建立

把飞机的机舱与舱门分成各个部件进行建立，使用3DSMAX进行呈现。

首先，根据实体舱门的各项数据，借助于 3DSMAX软件的三维建模工具，通过求出各点法向量生成舱门的3dMAX模型。

其次，对于实体建模。可用的方法有许多种，可以从装饰、材质的颜色等，如下的属性可用于三维对象的材质：颜色、透明度、纹理、光泽等使几何模型更逼真的方法是反复修改这些属性，并且采用贴图的方法。

最后，通过投影设置观察视点，使实体的三维模型在显示时有较高的分辨率， 不同的细节层次展示的实体模型。如图4，5所示。

4.2 客舱的虚拟场景建立

在虚拟模拟场景中，实体应具有动态特质，比如位置、缩放、抓取等等。其中实体位置的变换主要由平移、旋转或比例缩放等几种几何变换所引起。

在3DSMAX中制作的模型需要以FBX格式導出至Unity 3D软件，完成资源的传递。调节好模型导入过程中出错的材质贴图，并对材质贴图进行全面的调整，如增加反射效果、透明效果等。通过使用 Unity 3D ，完成了系统所有素材的呈现和技术的实现。Unity 3D中整合了较为丰富的开发资源，其中包括比如地形创建工具常用脚本、碰撞监测组件、物理引擎、灯光渲染组件、粒子系统、设置图像的后处理方式。如图6所示。

4.3 交互性的实现

通过VR设备，进行交互性的实现。在虚拟场景中，移动就是最简单的交互性的实现，通过使用手柄，每一个对象都可以完成他想完成的行为，每一个交互的对象都应该能够回应 任何随意的行动，如图7。

4.3.1 逻辑交互程序

我们通常使用的在虚拟模拟环境交互方式有以下几种。

1） 轨迹模式：使用者选中的对象始终位于使用者的面前，通过移动头来选择观看对象的部位。

2） 缩微世界：使用者可以在一个浮于使用者面前的缩微世界中与对象交互，从而可在当前“沉浸”的局部环境中领略整个虚拟世界。

3） 约束的对象操作：通过限制或忽略使用者的移动来约束用户只能在某一范围内移动。

本文使用手柄按键来控制舱门的开启和关闭，使用控件device.GetPressDown（SteamVR_Controller.ButtonMask.Grip）及device.GetPressUp（SteamVR_Controller.ButtonMask.Grip）接口程序； 调试画出的射线和观察射线碰撞点。当建模光标选定或接触到物体时，给出反馈提示。当光标（虚拟手）穿透物体这种视觉反馈，给出抓取提示，被选中的物体以某种方式加亮。碰撞体高亮来表示碰撞，采用的接触反馈，通过物体高亮，来指示碰撞的发生，主要使用private void OnTriggerStay（Collider other）和private void OnTriggerExit（Collider other）实现模拟开门操作。

4.3.2 优化技术

在优化方面，大多数案例使用顶点优化技术，优化几何体，主要使用Level of detail技术。还有使用遮挡剔除技术，像素优化，控制绘制顺序，警惕透明物体，减少实时光照等等。项目中主要运用了：

1） 顶点优化技术。在建模时，减少模型中三角形的数量，减少不重要的顶点。在制作客舱虚拟环境时，尽可能多次使用相同定点。Unity3D是站在GPU的角度上计算顶点数目。在GPU看来，看起来是一个实体，也有可能要分开处理，从而就产生了额外的顶点。

2） 像素优化技术，像素优化的重点在于减少overdraw。Unity提供了查看“overdraw”的选项卡，在“Scene”选项卡中选取“Render Mode”，然后再选取“overdraw”选项卡。通过将对象渲染为一个透明的轮廓的方式，显示了没有使用任何深度检验时的“overdraw”。判断物体是否被遮挡的方式是查看透明颜色的累计程度。

4.3.3 手柄控制程序

5 小结

本文将VR结合民航舱门系统使空乘人员在可视化的环境下交互地对舱门的计算机三维模型进行开启和关闭操作，多次使用顶点优化技术应对不同程度的操作系统，对于空乘人员教学达到良好效果。本系统也是对虚拟现实技术与民航乘务人员的教学结合发展的一个推动。

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