VR技術(shù)在地面氣象觀測設(shè)備保障技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

段文廣 劉燕2 段文強3 石永瑋2 李秋明 賈亦陽

（1 甘肅省蘭州市氣象局，蘭州 730020；2 甘肅省蘭州市人影辦，蘭州 730020；3 甘肅省酒泉市氣象局，蘭州 735000）

0 引言

隨著地面觀測自動化、無人化的實現(xiàn)，基層氣象臺站需要大量的地面觀測設(shè)備保障人才，中國氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院及分院承擔(dān)著培訓(xùn)任務(wù)，在市縣級裝備維修技能的實際培訓(xùn)時，需要大量的實際操作培訓(xùn)才能夠使學(xué)員牢固掌握維修技能。但由于地面觀測場需要實時采集、上傳數(shù)據(jù)，無法為學(xué)員提供真實的訓(xùn)練場地，而購置及更新?lián)Q代大批量的培訓(xùn)設(shè)備需要一筆大的開銷，各培訓(xùn)學(xué)院的實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量并不能滿足每個學(xué)員一臺進行實際操作，有些甚至由教學(xué)老師直接播放PPT演示。由于缺乏交互式操作，導(dǎo)致學(xué)員積極性無法充分調(diào)動起來，教學(xué)效果受到影響。

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境[1]。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到氣象系統(tǒng)地面觀測設(shè)備維修技能培訓(xùn)，開發(fā)虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)，不但可仿真出與真實觀測場一樣的場景、設(shè)備、儀器，而且實現(xiàn)學(xué)員對場景中的儀器、設(shè)備的交互操作。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是包括仿真技術(shù)、計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等是多種技術(shù)的集合。虛擬現(xiàn)實技術(shù)有以下幾個重要的特征[2]：（1）多感知性（Multi-Sensory），指具有現(xiàn)實世界中人所具有的感知功能，包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、運動感知等；（2）沉浸感（Immersion），使用戶感覺像在真實的客觀世界環(huán)境中，能夠沉浸在虛擬環(huán)境中，有身臨其境的感覺；（3）交互性（Interaction），用戶能夠?qū)μ摂M環(huán)境中各種對象的進行動態(tài)交互；（4）自主性（Autonomy），虛擬環(huán)境中的物體能夠按照現(xiàn)實世界的物理定律進行動作。

VR實現(xiàn)的主要工具闡述如下。

1）虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）

VRML是在Internet上構(gòu)造3D對象的語言，可靈活高效地創(chuàng)建三維模型，適合在Internet上進行傳播和信息交互，具有平臺獨立性、易交互、易擴展等特點，具體實現(xiàn)過程包括三維靜態(tài)建模和動態(tài)交互仿真兩部分。首先建立三維場景模型，根據(jù)觀測場整體規(guī)劃劃分為若干子場景，使用場景圖（scene graph）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立3D實境[3]，對子場景中單個設(shè)備的幾何形狀、外觀材質(zhì)等三維造型進行逐個定義，對于復(fù)雜形狀的設(shè)備可以通過3DSMAX進行三維建模導(dǎo)入即可，最后根據(jù)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過Inline節(jié)點組合在一起，構(gòu)成整個場景的虛擬三維模型。動態(tài)交互仿真功能可通過位置、方向、坐標(biāo)、觸摸、時間等節(jié)點設(shè)計動態(tài)過程，對于復(fù)雜的交互動作，可利用Java或Java Script編程語言擴充VRML的功能，共同完成動態(tài)交互仿真功能[4]?；赩RML的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于VRML的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)Fig. 1 The virtual reality system-based on the VRML

2）虛擬現(xiàn)實建模軟件（3D Studio Max）

3D Studio Max是一款功能強大的三維建模工具軟件，通過可視化建模方式，以所見即所得的方式完成復(fù)雜的建模任務(wù)[5]。首先根據(jù)觀測場的現(xiàn)實布置對建模的一些基本模型進行相應(yīng)比例的設(shè)置，采用3D Studio MAX軟件建立觀測場所需要的場景、設(shè)備模型及工具模型，其次收集觀測場圍欄、小路、觀測設(shè)備的紋理，進行紋理和材質(zhì)的處理得到具有真實感的三維虛擬模型[6-7]，最后通過Export輸出VRML文件（.wrl），調(diào)入VRML編輯器進行編輯處理，將子場景進行組合，生成需要的仿真場景。

3）虛擬現(xiàn)實開發(fā)語言（Java或Java Script）

Java是一種可以撰寫跨平臺應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。VRML為Java或Java Script提供了靈活的編程嵌入接口，通過其強大的對象交互和處理消息的能力，擴展了VRML的動態(tài)交互功能。使用Java對VRML的script節(jié)點編程、封裝屬性和建立場景圖內(nèi)部消息通道能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬實體豐富的動態(tài)交互功能。Java程序?qū)μ摂M場景中輸入事件的響應(yīng)流程為：虛擬場景中輸入的事件經(jīng)路由傳入script節(jié)點，Java程序?qū)膕cript節(jié)點處獲取的事件進行響應(yīng)，產(chǎn)生一系列動作，再將響應(yīng)的結(jié)果信息反饋到script節(jié)點中，修改節(jié)點的域值實現(xiàn)人機交互，完成對虛擬場景中仿真對象的移動、旋轉(zhuǎn)、拆裝等動作。

4）數(shù)據(jù)存儲（XML、SQL數(shù)據(jù)庫）

通過XML文檔和SQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行管理，包括注冊學(xué)員的信息、訓(xùn)練的項目及操作規(guī)范等。

虛擬現(xiàn)實作為近年來極為火熱的高新技術(shù)，在教育教學(xué)、遠程醫(yī)療、科學(xué)試驗、旅游等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了巨大的成功[8-11]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在氣象領(lǐng)域的主要體現(xiàn)在天氣應(yīng)用程序和影視節(jié)目制作中，中央電視臺天氣預(yù)報欄目就應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬極端天氣發(fā)生時的真實狀況，大大提高了氣象影視節(jié)目的收視率[12]。

2 VR技術(shù)在地面觀測設(shè)備保障培訓(xùn)中的應(yīng)用場景

創(chuàng)建一個虛擬地面觀測場不需要規(guī)劃訓(xùn)練基地和購置大量的觀測設(shè)備，而且硬件支持所需要的成本也非常少，同時還可實現(xiàn)資源共享。地面觀測設(shè)備保障虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)，可以讓設(shè)備保障人員更加直觀的掌握觀測設(shè)備的維護、維修內(nèi)容，其應(yīng)用的場景分為以下三種。

2.1 設(shè)備日常巡檢

通過該系統(tǒng)，新進業(yè)務(wù)人員可對觀測場場景、巡檢內(nèi)容和工作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行充分了解，為即將開始的工作做好最充分的技術(shù)準(zhǔn)備。學(xué)員可以在和現(xiàn)實觀測場環(huán)境一樣的虛擬觀測場景當(dāng)中，完成包括清掃百葉箱、整理地面溫度場、清理雨量筒等的日常巡檢工作的模擬。

2.2 故障處理及傳感器更換

通過設(shè)定采集器、傳輸線路、傳感器故障點，以任務(wù)的形式讓設(shè)備保障人員在虛擬觀測場景中進行故障點排查、更換采集器或傳感器備件，提高應(yīng)急保障能力。

2.3 設(shè)備檢定

在虛擬觀測場景中，通過設(shè)定設(shè)備檢定的工作步驟，讓設(shè)備保障人員熟練掌握各類傳感器的拆裝及標(biāo)校設(shè)備的使用方法。

3 基于VR技術(shù)的虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

以先進的三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)為核心，并綜合應(yīng)用硬件外設(shè)，開發(fā)基于VR技術(shù)的虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的功能要求、虛擬觀測場構(gòu)成模塊及平臺的設(shè)計及實現(xiàn)等。

3.1 虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能要求

虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)如下功能：第一要為學(xué)員提供一個逼真的實驗環(huán)境，從觀測場的全景、觀測儀器的布局到各個傳感器元件都要與現(xiàn)實環(huán)境相吻合；第二要利用交互式設(shè)計來營造一個真實感很強的訓(xùn)練環(huán)境，使學(xué)員能夠?qū)崿F(xiàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)中每個操作步驟的訓(xùn)練，切實掌握維修技能；第三要注重細(xì)節(jié)展示，為學(xué)員提供場景中的單個儀器造型的3D圖形，包括每個可拆分元器件的造型圖，使學(xué)員對儀器設(shè)備更好理解和認(rèn)識；第四要為學(xué)員提供訓(xùn)練的演示和指導(dǎo)書，為學(xué)員成功進行訓(xùn)練操作提供指導(dǎo)，在寓教于樂中快速掌握維修技能。

3.2 虛擬觀測場的構(gòu)成模塊

結(jié)合訓(xùn)練設(shè)計需求系統(tǒng)主要包括以下五個模塊（圖2）：

第一個模塊，虛擬場景展示，包括全景展示，包括整個觀測場全景、設(shè)備儀器安裝位置、觀測場圍欄、小路、草地等；場景中單個設(shè)備造型的展示，包括采集器箱、百葉箱、翻斗式雨量計、稱重式雨量計、能見度儀等，以及每個設(shè)備的元器件造型的展示，比如采集器箱內(nèi)采集器模塊、通訊模塊、防雷板、氣壓計、蓄電池及電源線信號線等。

第二個模塊，虛擬標(biāo)校訓(xùn)練的交互式過程中所用到的標(biāo)校設(shè)備展示，包括雨量標(biāo)校儀、風(fēng)向風(fēng)速校驗儀、萬用表等。

第三個模塊，虛擬更換設(shè)備訓(xùn)練的交互式過程中所用到的工具展示，包括螺絲刀、專用鉗、扳手、卷尺、毛刷等。

第四個模塊，虛擬觀測場交互訓(xùn)練的自動演示動畫。

第五個模塊，虛擬觀測場交互的自主訓(xùn)練，學(xué)員可結(jié)合訓(xùn)練演示、訓(xùn)練指導(dǎo)書對虛擬觀測場景中的觀測設(shè)備進行交互訓(xùn)練。

圖2 虛擬觀測場組成模塊Fig. 2 The module of virtual observation field

3.3 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)屬于專業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合基層維護保障人員日常巡檢維護和故障維修的實際工作，設(shè)計并開發(fā)出界面友好、真實自然、交互性好、實用性強、方式多樣的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過VRML 和3ds Max建立真實感的三維虛擬模型，使用Java或Java Script編程語言實現(xiàn)交互控制過程，使用C#或C++設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)并實現(xiàn)接口層、功能層實現(xiàn)層中各個模塊的功能，通過XML文檔和SQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行管理。

3.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

仿真軟件支撐平臺的架構(gòu)主要包括兩層[13]：（1）接口層，主要包括圖形用戶接口、輸入控制接口及其他一些輸入輸出接口，主要有操作虛擬觀測場中觀測設(shè)備的硬件裝置及驅(qū)動硬件裝置的接口程序等，如數(shù)據(jù)手套、VR頭盔；（2）功能實現(xiàn)層，主要包括用戶界面（UI）設(shè)計模塊、角色設(shè)計模塊、任務(wù)設(shè)計模塊、觸發(fā)設(shè)計模塊、動作設(shè)計模塊、資源管理模塊等，主要有虛擬觀測場中觀測設(shè)備模型的信息庫、規(guī)則庫以及支持交互操作的工具及應(yīng)用程序。

3.3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

根據(jù)3.3.1節(jié)提出的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)功能應(yīng)能實現(xiàn)友好的用戶操作控制界面、靈活多樣的界面樣式，以及按需定制的考核任務(wù)設(shè)計、遵循操作實際的動作設(shè)計、符合邏輯關(guān)系的條件設(shè)計，還可根據(jù)場景不同具有導(dǎo)入不同的場景文件、提供在線幫助的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范知識庫及學(xué)員信息管理的資源管理等功能，應(yīng)包括如下幾個子系統(tǒng)組成。

1）虛擬地面觀測場整體展示子系統(tǒng)：對整個地面觀測場進行瀏覽、巡查，包括整個場景、觀測設(shè)備安裝位置、觀測場圍欄、小路、草坪的整體展示。

2）觀測設(shè)備局部展示子系統(tǒng)：對采集器、各個傳感器的近距離局部細(xì)節(jié)的展示。

3）動態(tài)演示子系統(tǒng)：動態(tài)演示采集器、傳感器各個部件的構(gòu)成，對虛擬觀測場的日常巡檢，傳感器計量檢定、故障排查的操作流程進行多媒體動態(tài)演示。

4）設(shè)備拆裝訓(xùn)練子系統(tǒng)：對采集器、傳感器拆裝步驟提供交互式操作訓(xùn)練。

5）傳感器檢定標(biāo)校訓(xùn)練子系統(tǒng)：對傳感器計量檢定、標(biāo)校操作步驟提供交互式操作訓(xùn)練。

6）觀測場日常巡檢訓(xùn)練子系統(tǒng)：對觀測場設(shè)備日常巡檢內(nèi)容提供交互式操作訓(xùn)練。

7）實訓(xùn)考核管理子系統(tǒng)：設(shè)置采集器、傳感器故障點，對故障點進行排查、維修，進行交互式操作訓(xùn)練，針對培訓(xùn)效果進行綜合評分，考核訓(xùn)練成效。

8）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：系統(tǒng)后臺維護，包括數(shù)據(jù)庫、學(xué)員登錄權(quán)限管理、考核任務(wù)設(shè)計等的管理維護。

4 虛擬觀測場的基本交互式設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 設(shè)計流程

第一步，在3D Studio Max建模工具中把相應(yīng)的造型建模出來，對造型的材質(zhì)和紋理進行優(yōu)化設(shè)置，導(dǎo)出后綴名為wrl的VRML文件；第二步，利用Vrmlpad編輯工具對VRML文件相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計；第三步，進行交互式設(shè)計，利用6種插補器、8種傳感器及腳本節(jié)點技術(shù)對相應(yīng)的造型進行一個交互式設(shè)計；第四步，對設(shè)計效果進行瀏覽，不斷修正優(yōu)化，即可利用瀏覽器對VRML文件進行瀏覽和交互體驗[14]。

4.2 基本交互式技術(shù)融入

虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中人機交互功能的實現(xiàn)是系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點，從設(shè)備的平移到傳感器的更換都需要大量的人機交互操作，必須實現(xiàn)虛擬觀測設(shè)備能夠針對每一個操作步驟做出符合物體運動規(guī)則的相應(yīng)動作變化。具體實現(xiàn)則要通過Java或Java Script語言對VRML進行編程，結(jié)合交互式的關(guān)鍵技術(shù)對場景中的節(jié)點設(shè)置插補器和傳感器及腳本節(jié)點，實現(xiàn)虛擬場景中仿真對象與外界動作指令的交互。

以雨量傳感器日常維護為例，對該設(shè)備維護的虛擬現(xiàn)實仿真包括雨量筒的拆裝、信號線的連接、翻斗的清掃等，下面以場景中拆卸雨量筒為例說明如何實現(xiàn)交互控制過程。拆卸雨量筒動作分析：首先，觸摸到雨量筒；其次，進行旋轉(zhuǎn)動作，逆時針旋轉(zhuǎn)5°卸下雨量筒，最后進行垂直方向和水平方向動作，即可取下雨量筒。

當(dāng)操作者通過三維鼠標(biāo)或數(shù)據(jù)手套觸碰雨量筒時，接觸到雨量筒，當(dāng)進行逆時針旋轉(zhuǎn)時，雨量筒卸下，通過垂直方向向上和水平方向的移動，將雨量筒放置到指定位置。以上只是對拆卸雨量動作的程序?qū)崿F(xiàn)的簡單描述，要增加更加真實的感覺，還要增加一些諸如雨量筒紋理變化，實現(xiàn)雨量筒旋轉(zhuǎn)的效果等。虛擬觀測場仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中需要大量的更復(fù)雜更逼真的交互功能，均可使用Java或Java Script語言與VRML進行混合編程實現(xiàn)。

5 結(jié)語

氣象部門裝備維修業(yè)務(wù)實行省市縣三級布局[15]，市縣級裝備保障人員承擔(dān)本轄區(qū)內(nèi)所有國家級自動站、區(qū)域站等設(shè)備的維修、標(biāo)校工作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在氣象設(shè)備保障培訓(xùn)中有廣泛的應(yīng)用前景，建立從地面觀測站、區(qū)域站，到土壤水分觀測站、農(nóng)田小氣候站，再到高空觀測設(shè)備、雷達觀測設(shè)備維修維護的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，將AR（增強現(xiàn)實）及MR（混合現(xiàn)實）等虛擬技術(shù)應(yīng)用到其中，增強更加真實的操作體驗，將大大提高基層裝備保障技術(shù)人員實際維修技能，具有很高的實用價值。