增強現(xiàn)實及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用分析

歐鵬

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200120）

增強現(xiàn)實及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用分析

歐鵬

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200120）

本文對增強現(xiàn)實技術(shù)的歷史、定義及系統(tǒng)構(gòu)成進行了介紹。結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景?；诤娇站S修領(lǐng)域的工作環(huán)境、屬性、限制條件、可用性、安全性等特性，本文提出了構(gòu)建增強現(xiàn)實系統(tǒng)的思路，并提出了構(gòu)建系統(tǒng)的軟件配置要點。為研制人員，尤其是航空領(lǐng)域的工程師應(yīng)用此項技術(shù)提供了客觀、可行的方法。

增強現(xiàn)實 航空領(lǐng)域 應(yīng)用分析

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）又稱擴增實鏡或擴增現(xiàn)實。早在上世紀六七十年代，歐美國家就已經(jīng)展開類似技術(shù)的應(yīng)用研發(fā)。1990年，美國波音公司的工程師第一次提出了增強現(xiàn)實的概念。此后，增強現(xiàn)實技術(shù)在歐美國家發(fā)展迅速。但是，目前在國內(nèi)對增強現(xiàn)實系統(tǒng)的可用性和可行性研究較少。在國家將商用客機作為重大科技專項，大力發(fā)展高端裝備制造業(yè)的背景下，有必要研究分析此項技術(shù)及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

與虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)一個完全人工合成的環(huán)境不同，增強現(xiàn)實技術(shù)將計算機仿真的虛擬物體實時投射在真實環(huán)境里，疊加到了同一個畫面或空間同時存在，使用戶獲得超越現(xiàn)實的感官體驗。1994年，國外科學家保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）提出的真實-虛擬連續(xù)統(tǒng)清楚的展現(xiàn)了增強現(xiàn)實技術(shù)在客觀存在的意識形態(tài)中的定位。真實環(huán)境和虛擬環(huán)境分別作為連續(xù)統(tǒng)的兩端，位于中間的被稱為混合現(xiàn)實，其中靠近真實環(huán)境的是增強現(xiàn)實。

1997年，美國北卡大學羅納德·阿祖瑪（Ronald Azuma）提出的增強現(xiàn)實的三點定義［1］后來被業(yè)界采納并廣為使用：將虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合；虛擬物體和真實環(huán)境能實時互動；虛擬物體以三維形式呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

利用常規(guī)的商業(yè)硬件部件，即可實現(xiàn)顯示、定位追蹤、處理、交互輸入等主要功能，結(jié)合相關(guān)的軟件系統(tǒng)協(xié)同工作，即可構(gòu)建一套增強現(xiàn)實系統(tǒng)［2］。

2.1 系統(tǒng)硬件

顯示設(shè)備是將虛擬和現(xiàn)實融合的關(guān)鍵角色。用戶通過顯示設(shè)備能夠看到計算生成的虛擬圖像和信息疊加在真實世界上的影像。目前主流的顯示設(shè)備分為三大類：頭戴式，手持式和空間投影式。頭戴式又可細分為視頻透視和光學透視兩類。

定位設(shè)備用以確定用戶相對于周邊環(huán)境的位置和方位，以便系統(tǒng)準確投影虛擬物體。定位方式有機械式、超聲波式、磁性、慣性、光學、電磁等多種，并且各有優(yōu)劣。

傳統(tǒng)的鼠標、鍵盤都可以作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備使用。常見的輸入設(shè)備還有游戲桿、語音輸入、智能手機等。為了支持更復雜的3D輸入和交付，科學家還發(fā)明了只能手套等輸入設(shè)備。

表1

處理設(shè)備是系統(tǒng)硬件中重要的一環(huán)，負責采集信息，處理虛擬物體的生成。傳統(tǒng)的臺式機、工作站、筆記本都能勝任此項工作。隨著科技的發(fā)展，具有多核和強大圖形和計算能力的便攜式平板電腦也被更廣泛的采用。

2.2 系統(tǒng)軟件

增強現(xiàn)實系統(tǒng)軟件的選擇面越來越廣，無論是初學者還是這個領(lǐng)域的專家，都能找到一款適合自己的軟件。隨著軟件功能的提升，更多的硬件能夠集成到系統(tǒng)中。增強現(xiàn)實系統(tǒng)軟件主要面向Windows、Linux、MacOS以及iOS和安卓等平臺。目前主流應(yīng)用的有ARToolkit、Studierstube，DART和DWARF等。

3 航空領(lǐng)域應(yīng)用分析

對于虛擬現(xiàn)實而言，構(gòu)建復雜物體的虛擬環(huán)境非常復雜和昂貴，例如含有數(shù)以百萬計部件的飛機。而采用增強現(xiàn)實技術(shù)，只需傳遞有用的信息，而不需要改變真實的環(huán)境，這將幫助使用者更好的完成現(xiàn)實中的任務(wù)。這一特性使得增強現(xiàn)實技術(shù)在航空領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。最大的挑戰(zhàn)來自于如何在平衡好經(jīng)濟性、人機工學、可靠性、可行性、可達性等多種因素的前提下，選擇適合的技術(shù)搭建一套系統(tǒng)。

3.1 需求分析

考慮增強現(xiàn)實技術(shù)正處于發(fā)展中的現(xiàn)狀，以及航空業(yè)對安全性要求極高的特殊性，當前增強現(xiàn)實技術(shù)并不適合直接應(yīng)用于飛行，最好的應(yīng)用領(lǐng)域是在飛機停機時的維修及工程師培訓領(lǐng)域。現(xiàn)在民航業(yè)維修培訓多基于傳統(tǒng)的維修類手冊和講師講解，既昂貴又費時。假設(shè)以此為切入點，可構(gòu)建一套基于增強現(xiàn)實的航空維修培訓系統(tǒng)。下文將從系統(tǒng)實施角度分析設(shè)計思路。

3.2 任務(wù)分析

3.2.1 任務(wù)環(huán)境

航空維修培訓既有室內(nèi)課堂講解，也有在停機坪和機庫等室外實踐；

飛機通常用工具系留在地面；

任務(wù)環(huán)境中能夠獲取有線或者無線網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 任務(wù)屬性

任務(wù)包括多種形式：檢查、安裝、拆洗、組裝等；

任務(wù)實施地點包括飛機內(nèi)部和外部；

任務(wù)包括個人和團隊協(xié)作；

維修工程師執(zhí)行任務(wù)時并非一直靜止不動，但是移動幅度較小，動作較緩慢。

3.2.3 限制條件

由于飛機上電磁部件的存在，磁性定位設(shè)備將受到極大干擾；

由于環(huán)境中有大量的線束和電纜，不允許有尖銳棱角的物體存在；

由于環(huán)境中各種設(shè)備阻擋，光學定位設(shè)備將受到極大干擾。

3.2.4 可用性增強現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)當借助電腦生成的虛擬文字、圖片、注釋等，給維修工程師提供的維修程序信息。

維修工程現(xiàn)場獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)能夠輸入到系統(tǒng)，并輸出到相關(guān)故障診斷系統(tǒng)，從而獲得反饋。

3.2.5 安全性

如果采用頭戴式顯示器，維修工程師必須能夠直接看見真實環(huán)境，以防在系統(tǒng)電源失效時產(chǎn)生安全隱患。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

維修工程師在執(zhí)行維修任務(wù)時是移動的，因此不適宜采用固定系統(tǒng)。此外，維修培訓有室內(nèi)和室外兩種情形，所以兼具室內(nèi)外的系統(tǒng)是更好的選擇。因此，系統(tǒng)應(yīng)選擇移動式室內(nèi)外構(gòu)架。

出于安全考慮，首先排除視頻透視型顯示設(shè)備。多數(shù)情況下，維修工程師需要雙手執(zhí)行任務(wù)，因此排除手持式顯示設(shè)備。飛機內(nèi)部維修空間狹窄，不適宜采用投影式顯示設(shè)備。因此，光學透視式頭戴顯示設(shè)備是最佳選擇。

由于維修任務(wù)的屬性和限制，慣性、磁性、機械和光學式均不是理想定位設(shè)備?，F(xiàn)代飛機設(shè)計多基于CATIA和AutoCAD等計算輔助設(shè)計軟件，可采用2D模板和CAD模型進行圖像校準，因此基于模型的定位是一個可靠的解決方案。

有些維修任務(wù)需要得到即時反饋，比如故障診斷。維修人員可以將Iphone等便攜式智能設(shè)備系在腰上，并且使用觸摸屏或者語音作為與遠端工程團隊的交互輸入，從而進行協(xié)同工作。

考慮到市場份額、軟件支持和消費習慣，Windows是當前最佳的操作系統(tǒng)選項。而縱觀主流的幾款增強現(xiàn)實系統(tǒng)軟件，OpenCV不支持移動系統(tǒng)，L a y a r主要用于智能設(shè)備，因此，開源軟件Studierstube和專業(yè)版ARToolKit［3］是較為理想的選項。

有限網(wǎng)絡(luò)不適用于移動系統(tǒng)，3G和4G資費比較昂貴并且商用成熟度并不高，藍牙和紅外傳輸速度太慢，因此，采用常見的Wifi網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)最佳選擇。

表1總結(jié)了構(gòu)建基于增強現(xiàn)實的航空維修培訓系統(tǒng)的配置要點。

5 結(jié)語

目前唯一投入商用的增強現(xiàn)實系統(tǒng)產(chǎn)品只有谷歌眼鏡。在我國民機制造業(yè)總體與西方還有一定差距的時候，揚長避短，采用增強現(xiàn)實等先進技術(shù)，從產(chǎn)業(yè)鏈的后端尋找切入點，既是一種大膽的嘗試，也是可行的突破口，必將助推我國裝備制造業(yè)的發(fā)展。

［1］Azuma， R. T. （1997）， A Survey of Augmented Reality，Teleoperators and Virtual Environments， Vol. 6 （4）， pp. 355-385.

［2］Ong， S. K.， Yuan， M. L. and Nee， A. Y. C. （2008）， Augmented reality applications in manufacturing： a survey， International Journal of Production Research， Vol. 46 （10）， pp. 2707-2742.

［3］Prochazka， D. and Koubek， T. （2011）， Augmented Reality Implementation Methods in Mainstream Applications， ActaUniversitat isagriculturae et silviculturaeMendelianaeBrunensis， Vol. LIX，No. 4， pp.257-266.