摘 要：分析了虚拟现实技术的发展现状，介绍其技术优势和应用领域。通过分析对比传统民航飞行模拟器与基于虚拟现实技术的新型模拟器的结构和性能发现，传统民航飞行模拟器结构复杂、耗能大、成本高，而新型飞行模拟器则噪音小、成本低、兼容性强，具有更逼真的沉浸感。虚拟现实技术先进且应用范围广，其在飞行模拟器上的应用越来越多，但也有不少技术难点有待解决。
关键词：虚拟现实；飞行模拟器；计算机仿真；VR
DOIDOI：10.11907/rjdk.172426
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0161-03
0 引言
近年来，随着仿真技术和计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术的发展也突飞猛进，俨然已成为各高校和科研机构的热门研究方向。虚拟现实技术是一种高新技术，它以计算机图形显示技术为核心，通过一定范围环境的三维数据建立虚拟的环境模型，在仿真系统中生成高真实度的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的虚拟环境。用户使用一些必要的硬件设备（如头盔显示器、数据手套、力感装置等）和虚拟环境中的物体进行交互，相互影响，能够体验高度逼真的三维视感。飞行训练模拟机是一种地面飞行模拟设备，具有与真实飞机完全一样的座舱设备和操纵设备，驾驶员在座舱里接收飞行仿真系统产生的各种飞行信息，通过判断和决策对飞机系统进行操作和控制。使用虚拟现实技术对飞行模拟器的操纵系统、视景系统等仿真模拟，可以极大地提高受训人员的真实沉浸感，显著提高训练效率。同时，通过改变软件及数据库可以实现不同机型和不同仿真功能的任务，降低研发和飞行训练费用。随着传感技术、仿真技术及相应硬件设备的不断发展进步，可以预见这种新型飞行模拟器一定是未来飞行模拟机的主角。
1 虚拟现实技术的发展与应用现状
1.1 虚拟现实技术的发展
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种由基于计算机图形技术的三维系统仿真，它综合计算机图形处理技术、仿真技术、传感器技术、多媒体技术、生物技术等多种先进技术，构建出一個具有高沉浸感的虚拟三维环境。
“Virtual Reality”最初由VPL Research公司创始人Jaron Lanier于1989年在杂志上发表使用，从此以后人们逐渐开始使用。
1962年，美国人Morton Heilig发明了一种“全传感仿真器”，里面包含了振动和声音的感觉，具有虚拟现实技术思想[1]。
60年代初，Ivan Sutherland教授发表文章论述了计算机图形交互系统等方面，他的描述中已经包含了一部分虚拟现实技术。这是虚拟现实技术的萌芽阶段。
1986年，James. D. Foley发表了一篇题为“Interfaces for Advanced Computing”的论文，文中用“Artificial Reality”来描述虚拟现实，并用3个关键词来概括虚拟现实：Imagination，Interaction，Behavior（2I+B），即想象、交互和行为。
1994年，Burdea G和Philippe Coiffet[2]对虚拟现实的特征进行了改进，用3I（Imagination、Interaction、Immersion）表示其特性，这是对VR技术和理论的进一步完善。图1表示了三者的关系。
20世纪90年代前后，我国虚拟现实技术的理论发展取得了较大进步。1999年，北方交通大学发明了三维交通模拟系统，该系统采用OpenGL建模语言；北京航空航天大学管理仿真实验室提出了使用虚拟现实建模语言在PC上运行虚拟现实仿真系统的构想[3]。基于虚拟现实技术，我国通过建立故宫的三维立体模型，成功开发了“虚拟故宫”系统。总体上来说，在虚拟现实领域，我国与一些世界发达国家还有很大的差距。
1.2 虚拟现实技术的应用
在军事、医学、教育等方面，虚拟现实技术都有广泛的应用。
（1）军事和航空航天。在军事和航空航天中，应用最多的是训练和模拟。在军事演习或者训练中使用高性能计算机和显示设备，应用VR技术进行各种作战模拟，模拟实际战斗过程或对战斗过程中的各种突发情况进行模拟仿真，以增强受训人员对战斗的认识和理解。其中，NASA虚拟现实训练系统和EVA训练系统是航空航天应用的典范[4]。
（2）医学。在医学上利用核磁共振成像、CT、超声波成像等新技术，可以进行非接触式或者侵入式探测和扫描，并能实时收集病人的3D数据进行三维重建可视化[5]，如图2所示。此外，VR技术还用于远程手术医疗系统，如美国的斯坦福国际研究所已成功研制出远程手术医疗系统，国内某些医院也有试点实验整形外科远程康复系统[6]。
（3）文化教育。在文化教育方面，使用VR技术构建虚拟教室、虚拟实验室、教学软件，不但可以产生逼真的学习环境，还可以节省空间。国内邹湘军等[7]开发了基于VR的机械制造工程学多媒体教学软件，具有不错的教学效果。
2 虚拟现实技术在民航飞行模拟器中的应用
2.1 传统飞行训练模拟器的局限
在培训民航飞行员的过程中，飞行训练模拟器是一个必不可少的环节。飞行模拟机是一种模拟驾驶舱，与真实飞机的驾驶舱大小和设备都相同，用于在地面上模拟飞行。模拟机上有各种操作装置、仪表、显示设备等，与真机工作情况一样，指示情况也相同。
飞行模拟器能够模拟大多数飞行科目，一些高级模拟机甚至能模拟所有飞行科目。通过模拟机上的教员台设置各种飞行故障或错误，训练飞行员判断和处理紧急情况的能力，从而缩短培训飞行员的周期，降低培训成本[8]。目前的飞行训练模拟器基本上都是从国外购买的，针对特定的机型设计，每台模拟机只能用于培训该机型的飞行员。图3为传统的民航全任务飞行模拟机。
传统的模拟机缺点明显，体积庞大，结构复杂，驱动复杂，采购和使用成本也非常高，不同机型飞机需配备不同型号的模拟机。各个系统的驱动需要庞大的电能，尤其是全任务飞行模拟机（Full Flight Simulator，FFS）需要高温高压的油液或者气压，耗能巨大，还会产生大量噪音。由于我国模拟机领域起步较晚，各项基础研究和硬件设备相对落后，现在所有国内航空企业和高校使用的飞行模拟机大多采购自国外，价格高昂。而且如今的模拟机每一台都是一个特定的飞机机型，如果要训练其他机型就要使用其他模拟机，购买成本和训练成本花费巨大。
除此之外，在模拟机的设计、更新、维护和升级方面，传统模拟器也有明显的劣势。随着各式各样的新技术如雨后春笋般出现，民航飞机的更新换代周期也大幅度缩短，随之而来各型号飞机的飞行模拟器也就需要更新。然而升级更新传统的模拟机成本巨大，得不偿失。因此，发展新型飞行训练模拟器势在必行。
2.2 基于虚拟现实技术的训练模拟器技术优势
与传统的飞行模拟器相比，基于VR技术的飞行模拟器优势明显。它体积小，成本低，通用性较强，兼容性强。基于VR技术的飞行模拟器由于采用虚拟现实技术，座舱系统没有传统模拟机那样大的面板和各种开关按钮，而是利用数据手套操纵视景系统中虚拟仪表面板上的开关按钮。所以基本上不需要更改过多的硬件设备就可以方便实现一机多能，即在一台飞行模拟器上，通过改变软件及仿真数据库来改变训练的机型[9]。通过对软件的更改快速实现不同训练任务与不同培训机型之间的转换，既节约了成本也节约了时间，还能提高飞行培训的效率。
另外，基于VR技术的新型飞行训练模拟器不需要建造1∶1的实物模型，体积相对缩小，不需要占用太大的物理空间。这种新飞行模拟器结构较小，也不需要庞大的驱动设备，耗能相对较低，相应的各种噪声也就减小了。而且基于VR技术的HDM虚拟真实驾驶环境，可以让训练者体验到更加真实的沉浸感，营造更加逼真的三维驾驶舱环境。
2.3 基于虚拟现实技术的飞行训练模拟器组成
基于VR的飞行模拟器组成通常包括计算机建模仿真系统、视景显示设备、数据手套、力感操纵装置等。图4为VR飞行模拟器的系统结构。采用VR技术模拟视景系统，一般采用头盔显示器（HDM）作为视景显示设备；使用数据手套进行握力操作和实现触觉反馈；采用运动跟踪设备（电磁运动跟踪传感器或者光学运动跟踪传感器）实现头部位置跟踪；采用力感操纵装置实现基本机械操纵。飞行员通过HDM进入虚拟空间，通过模拟操纵杆的力感装置进行飞行操纵，同时感受操纵力，利用数据手套操纵视景系统中虚拟仪表板上的开关按钮，头盔上配备耳机和话筒进行通话，头盔上的空间定位装置实时测量飞行员的头部动作和位置，并在HDM中显示相应空间位置的景象。
除此之外还有运动系统，将上述系统安装在运动台上，根据飞机姿态及速率变化信号驱动运动系统作相应的运动，这样就能更逼真地模拟真实的飞行过程。
2.4 虚拟现实技术在飞行模拟器方面的应用
VR技术在飞行模拟机领域取得较为成功的应用是虚拟座舱。1991年的巴黎航展上，英国航空航天局展示了其设计研制的虚拟座舱系统“虚拟环境构型训练辅助系统”[2]。该系统采用头盔显示器和数据手套取代常规飞行模拟器的实物座舱及操纵机构，但是在沉浸感、刷新速率和系统延迟等方面还有改善的空间[10]。
2002年，Laughlin AFB利用T-1（Beech-400）fixed-platform sim和T-37 Tweet Full Motion Simulator训练飞行员。该系统用5个投影光束把图像投影在屏幕上，受训人员可以在270°范围的模拟驾驶舱中模拟驾驶飞行。
2007年，南京航空航天大学研制成功了“轻舟一号”轻型飞行模拟器，该系统成本低，体积较小，兼容性强。采用头盔显示器件作为视景输出设备以增强沉浸感，采用数据手套进行握力操作和触觉反馈。
然而，基于VR技术的飞行模拟器也存在技术上的难点。由于受训人员带着虚拟显示头盔，相当于处于一个封闭的环境中，在HDM中人只能看到舱外舱内的虚拟三维环境，看不到自己的身体位置和双手操作。对此，可以在虚拟环境中建立一个三维虚拟手模型，通过从数据手套采集的手部动作信息驱动该模型，这样用户就能看到自己的手部动作[11]。虽然如此，但是视觉真实感和触觉真实感还是会受到一定影响，这也给人机交互带来一定的困难。总之，虚拟现实技术还有很长的路要走。
3 发展前景
虚拟现实技术从20世纪80年代出现到现在，虽然它的发展过程并不长，但是随着技术的不断发展进步，人们越来越认识到VR技术一定是未来新技术的重要发展方向之一。
在模拟飞行训练中，通过网络技术可以连接多台训练器，对多人同时训练，可以增强训练效果和训练强度，节省不少费用。而且，全国民用航空器数量巨大，飞行模拟器的数量却相对较少，训练任务繁重，研发高性能的新型VR飞行训练模拟器市场价值巨大。
VR源于现实又超出现实，将对科学、工程、文化教育和认知等各领域及人类生活产生深刻的影响，它正朝着满足人类不同需要的方向发展，造福于人类。
4 结语
本文从不同角度出发，阐述了虚拟现实技术的发展历程和应用领域。传统的飞行训练模拟器具有体积大、价格高、功能单一等缺点，基于VR技术的新型飞行模拟器技术先进，兼容性好，可实现功能切换，头盔显示器三维仿真效果更好，具有高度的沉浸感。同時，虚拟现实技术的飞行模拟机在系统延迟和刷新速率、高一致性的触感操作等方面还有待进一步研究。
参考文献：
[1] 邹湘军，孙健，何汉武，等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004（9）：1905-1909.
[2] BRUDEA G， COIFFET P. Virtual reality technology[M]. New Jersey： John wiley &Sons，Inc.，1994.
[3] 安蕾.虚拟场景技术在模拟机教学中的应用研究[D].成都：电子科技大学，2010.
[4] 李耀辉.模拟飞行器的虚拟实现[D].天津：河北工业大学，2003.
[5] ROSENTHAL M， STATE A， LEE H， et al. Augmented reality guidance for needlebiopsies： an initial randomized， controlled trial in phantoms[J]. Medical Image Analysis，2002，6（3）：313-320.
[6] 段会龙.基于增强现实的外科手术导航技术[J].中国医疗器械杂志，2004，28（1）：50-54.
[7] 邹湘军.机械产品的三维动态图形模拟研究[J].计算机仿真，2001，18（4）：61-66.
[8] 戴树岭，雷小永，梅继红.虚拟仿真飞机座舱系统[J].系统仿真学报，2002（4）：488-492.
[9] 夏伟，汤鸿.虚拟现实技术在通用航空飞行模拟器中的应用[J].直升机技术，2017（1）：70-72.
[10] 马登武，吴国良.虚拟现实技术在飞行仿真中的应用[J].现代防御技术，2000（6）：58-60.
[11] 汤勇.增强半虚拟现实飞机座舱关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.
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