增强现实及其在航空领域应用分析

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【摘 要】本文对增强现实技术的历史、定义及系统构成进行了介绍。结合增强现实技术的特点和发展现状，分析了其在航空领域的应用前景。基于航空维修领域的工作环境、属性、限制条件、可用性、安全性等特性，本文提出了构建增强现实系统的思路，并提出了构建系统的软件配置要点。为研制人员，尤其是航空领域的工程师应用此项技术提供了客观、可行的方法。

【关键词】增强现实 航空领域 应用分析

增强现实（Augmented Reality，简称AR）又称扩增实镜或扩增现实。早在上世纪六七十年代，欧美国家就已经展开类似技术的应用研发。1990年，美国波音公司的工程师第一次提出了增强现实的概念。此后，增强现实技术在欧美国家发展迅速。但是，目前在国内对增强现实系统的可用性和可行性研究较少。在国家将商用客机作为重大科技专项，大力发展高端装备制造业的背景下，有必要研究分析此项技术及其在航空领域的应用前景。

1 增强现实技术

1.1定义

与虚拟现实技术呈现一个完全人工合成的环境不同，增强现实技术将计算机仿真的虚拟物体实时投射在真实环境里，叠加到了同一个画面或空间同时存在，使用户获得超越现实的感官体验。1994年，国外科学家保罗・米尔格拉姆（Paul Milgram）提出的真实-虚拟连续统清楚的展现了增强现实技术在客观存在的意识形态中的定位。真实环境和虚拟环境分别作为连续统的两端，位于中间的被称为混合现实，其中靠近真实环境的是增强现实。

1997年，美国北卡大学罗纳德・阿祖玛（Ronald Azuma）提出的增强现实的三点定义[1]后来被业界采纳并广为使用：将虚拟和现实相结合；虚拟物体和真实环境能实时互动；虚拟物体以三维形式呈现。

2 系统构成

利用常规的商业硬件部件，即可实现显示、定位追踪、处理、交互输入等主要功能，结合相关的软件系统协同工作，即可构建一套增强现实系统[2]。

2.1系统硬件

显示设备是将虚拟和现实融合的关键角色。用户通过显示设备能够看到计算生成的虚拟图像和信息叠加在真实世界上的影像。目前主流的显示设备分为三大类：头戴式，手持式和空间投影式。头戴式又可细分为视频透视和光学透视两类。

定位设备用以确定用户相对于周边环境的位置和方位，以便系统准确投影虚拟物体。定位方式有机械式、超声波式、磁性、惯性、光学、电磁等多种，并且各有优劣。

传统的鼠标、键盘都可以作为增强现实系统的输入设备使用。常见的输入设备还有游戏杆、语音输入、智能手机等。为了支持更复杂的3D输入和交付，科学家还发明了只能手套等输入设备。

处理设备是系统硬件中重要的一环，负责采集信息，处理虚拟物体的生成。传统的台式机、工作站、笔记本都能胜任此项工作。随着科技的发展，具有多核和强大图形和计算能力的便携式平板电脑也被更广泛的采用。

2.2系统软件

增强现实系统软件的选择面越来越广，无论是初学者还是这个领域的专家，都能找到一款适合自己的软件。随着软件功能的提升，更多的硬件能够集成到系统中。增强现实系统软件主要面向Windows、Linux、MacOS以及iOS和安卓等平台。目前主流应用的有ARToolkit、Studierstube，DART和DWARF等。

3 航空领域应用分析

对于虚拟现实而言，构建复杂物体的虚拟环境非常复杂和昂贵，例如含有数以百万计部件的飞机。而采用增强现实技术，只需传递有用的信息，而不需要改变真实的环境，这将帮助使用者更好的完成现实中的任务。这一特性使得增强现实技术在航空领域具有广阔的应用前景。最大的挑战来自于如何在平衡好经济性、人机工学、可靠性、可行性、可达性等多种因素的前提下，选择适合的技术搭建一套系统。

3.1 需求分析

考虑增强现实技术正处于发展中的现状，以及航空业对安全性要求极高的特殊性，当前增强现实技术并不适合直接应用行，最好的应用领域是在飞机停机时的维修及工程师培训领域。现在民航业维修培训多基于传统的维修类手册和讲师讲解，既昂贵又费时。假设以此为切入点，可构建一套基于增强现实的航空维修培训系统。下文将从系统实施角度分析设计思路。

3.2任务分析

3.2.1任务环境

航空维修培训既有室内课堂讲解，也有在停机坪和机库等室外实践；

飞机通常用工具系留在地面；

任务环境中能够获取有线或者无线网络。

3.2.2任务属性

任务包括多种形式：检查、安装、拆洗、组装等；

任务实施地点包括飞机内部和外部；

任务包括个人和团队协作；

维修工程师执行任务时并非一直静止不动，但是移动幅度较小，动作较缓慢。

3.2.3限制条件

由机上电磁部件的存在，磁性定位设备将受到极大干扰；

由于环境中有大量的线束和电缆，不允许有尖锐棱角的物体存在；

由于环境中各种设备阻挡，光学定位设备将受到极大干扰。

3.2.4可用性

增强现实系统应当借助电脑生成的虚拟文字、图片、注释等，给维修工程师提供的维修程序信息。

维修工程现场获得的数据应能够输入到系统，并输出到相关故障诊断系统，从而获得反馈。

3.2.5 安全性

如果采用头戴式显示器，维修工程师必须能够直接看见真实环境，以防在系统电源失效时产生安全隐患。

4 系统实现

维修工程师在执行维修任务时是移动的，因此不适宜采用固定系统。此外，维修培训有室内和室外两种情形，所以兼具室内外的系统是更好的选择。因此，系统应选择移动式室内外构架。

出于安全考虑，首先排除视频透视型显示设备。多数情况下，维修工程师需要双手执行任务，因此排除手持式显示设备。飞机内部维修空间狭窄，不适宜采用投影式显示设备。因此，光学透视式头戴显示设备是最佳选择。

由于维修任务的属性和限制，惯性、磁性、机械和光学式均不是理想定位设备。现代飞机设计多基于CATIA和AutoCAD等计算辅助设计软件，可采用2D模板和CAD模型进行图像校准，因此基于模型的定位是一个可靠的解决方案。

有些维修任务需要得到即时反馈，比如故障诊断。维修人员可以将Iphone等便携式智能设备系在腰上，并且使用触摸屏或者语音作为与远端工程团队的交互输入，从而进行协同工作。

考虑到市场份额、软件支持和消费习惯，Windows是当前最佳的操作系统选项。而纵观主流的几款增强现实系统软件，OpenCV不支持移动系统，Layar主要用于智能设备，因此，开源软件Studierstube和专业版ARToolKit[3]是较为理想的选项。

有限网络不适用于移动系统，3G和4G资费比较昂贵并且商用成熟度并不高，蓝牙和红外传输速度太慢，因此，采用常见的Wifi网络是本系统最佳选择。

5 结语

目前唯一投入商用的增强现实系统产品只有谷歌眼镜。在我国民机制造业总体与西方还有一定差距的时候，扬长避短，采用增强现实等先进技术，从产业链的后端寻找切入点，既是一种大胆的尝试，也是可行的突破口，必将助推我国装备制造业的发展。

参考文献：

[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， ActaUniversitatisagriculturae et silviculturaeMendelianaeBrunensis， Vol. LIX， No. 4， pp.257-266.