基于虛擬現(xiàn)實場景利用三維VR技術(shù)對“突發(fā)天氣狀況,云況觀測”進行的沉浸式培訓(xùn)

趙玉琨

民航重慶空管分局 重慶 渝北 401120

引言

沉浸理論在1975年由美國芝加哥大學(xué)心理學(xué)教授Mihalyi Csikszentmihalyi首先提出?！俺两笔?學(xué)習(xí)、工作時的最佳體驗,“沉浸式教學(xué)法”是指教育教學(xué)工作者在施教過程中巧妙運用多種教學(xué)手段,以學(xué)生的主體體驗為主,從其興趣點出發(fā),進入 一種“沉浸”體驗的學(xué)習(xí)狀態(tài),達到自主學(xué)習(xí)目的。

一、3維VR技術(shù)在氣象培訓(xùn)中的應(yīng)用設(shè)想

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)的普遍推廣,現(xiàn)代信息技術(shù)越來越多的應(yīng)用到新老員工的培訓(xùn)教學(xué)之中,新的培訓(xùn)演練模式改變了傳統(tǒng)培訓(xùn)中許多不足,不但能夠讓員工更好的鞏固培訓(xùn)教材的知識點,更能夠改變傳統(tǒng)的工作學(xué)習(xí)思維方式,盡早的演練各種復(fù)雜的天氣情況從而在未來的工作中規(guī)避風(fēng)險。本論文根據(jù)民航重慶空管分局探測室的實際情況,希望引入最新3維VR沉浸式交互技術(shù),實現(xiàn)人和計算機模擬環(huán)境的多元化智能交互,進而進一步模擬各種天氣狀況,以及各類云狀、云況,教員通過全息投影便可查知佩戴3D眼鏡培訓(xùn)的員工處理各種突發(fā)情況的應(yīng)變能力,進一步提高員工的自主性思考,結(jié)果可為構(gòu)建具有民航特色的現(xiàn)代化天氣、云狀虛擬場景奠定基礎(chǔ)。

首先借助VR引擎在虛擬環(huán)境中構(gòu)建可視的外部三維視景,如地形地物(重慶江北機場、跑道、燈光、塔臺、導(dǎo)航臺站、城市、村莊、山川、河流、樹木、鐵路、公路等)、天氣現(xiàn)象(雨、雪、霾、霧、冰雹等),云狀(層積云、淡積云、積雨云等)、實況風(fēng)速、氣壓等為觀測員營造近似真實的觀測環(huán)境。

通過前期根據(jù)江北機場實況營造的虛擬現(xiàn)實場景,使氣象員佩戴VR頭顯設(shè)備所看到的正前方視景和轉(zhuǎn)動頭部所看到的視景,與站在觀測平臺看到的真實影像一致。使其具有較強的真實感,為在虛擬環(huán)境下完成特情處置奠定良好基礎(chǔ)。

在氣象觀測過程中,觀測員可自行選擇或由教員選擇啟動預(yù)先設(shè)定的特情程序。特情一旦啟動,氣象觀測員即可在頭顯中觀察到各種天氣要素的發(fā)生變化,以及出現(xiàn)相應(yīng)特情顯示,觀測人員需要根據(jù)出現(xiàn)的情況,臨場做出處置,從而達到模擬練習(xí),精準規(guī)避風(fēng)險的目的。

在傳統(tǒng)的氣象觀測技能比拼中,有一項是看云圖(電腦照片)識別,明顯發(fā)現(xiàn)大家對日常工作中常見的云類較為熟知,而平日少見的云類,云狀記憶比較模糊,確實大家對于少見的云類還停留在圖片等二維平面,如果工作中偶爾遇到此類云狀,很容易影響決斷的時間,如果運用了虛擬現(xiàn)實技術(shù),我們變可以日常三維還原各類云狀、云況,是氣象觀測員對于云類識別的技能提升一個檔次。

二、完善虛擬場景的搭建與天氣模擬軟件模型構(gòu)建

那么虛擬現(xiàn)實場景的搭建需要的設(shè)備如下:

1.VR頭顯設(shè)備?？刹捎美?HTC VIVE套裝,包含定位器、頭顯及手柄(備用)。

2.專用PC。建議電腦配置:

GPU:NVIDIA?GeForce?GTX 970、AMD Radeon?R9 290同等或更高配置

3.數(shù)據(jù)手套。選用超感自主研發(fā)多交互智能手套Miiglove。

4.可接收藍牙的投影儀或者電視

三、虛擬現(xiàn)實場景的搭建同樣需要天氣模擬軟件模型構(gòu)建

1.構(gòu)建天氣系統(tǒng)仿真軟件,用于支持氣象員識別各種機場可能發(fā)生的天氣現(xiàn)象,以及識別各類云高、云狀。

2.構(gòu)建視景庫軟件,用于支持各種天氣環(huán)境下所需室外外真實景象使觀測員在訓(xùn)練中獲得視覺上的參照信息,達到身臨其境的效果;

3.構(gòu)建燈光、音響、通訊軟件,用于支持特情中的各種顯示及音效。

4.構(gòu)建航電系統(tǒng)軟件,用于支持飛行中平顯、多功能顯示器、儀表的相關(guān)顯示;

5.構(gòu)建質(zhì)量評估軟件,用于支持訓(xùn)練過程記錄和回放,客觀評定特情處置成績。

6、軟件與硬件的匹配性與實際一致。

四、關(guān)于沉浸式氣象觀測教學(xué)培訓(xùn)的研究

3維VR沉浸式交互技術(shù)優(yōu)勢在于,VR-虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種新的信息傳達工具,其具備三個特性:交融性、交互性和構(gòu)想性,相較于傳統(tǒng)的多媒體和3D顯示課件,可以提供更加優(yōu)秀的視聽覺真實感和實時操作反饋。3維VR沉浸式交互技術(shù)除了傳統(tǒng)的3D顯示外,重點的演進變化特征在于:雙眼3D主動式鏡片,使得雙眼的可視面積更大,可以達到人體眼球標準的可視角;帶頭部追蹤的隨動顯示,使得頭部轉(zhuǎn)動可以和視角轉(zhuǎn)動同步,帶來強烈的沉浸體驗;具備手部動作追蹤,使得使用者可以用手部動作同步獲得交互;立體聲可以隨著頭部轉(zhuǎn)動而變化聲音大小。因此,與普通虛擬仿真技術(shù)類課件相比,此技術(shù)應(yīng)用于民航氣象培訓(xùn)時其具有如下優(yōu)勢:帶有頭部交互的3維視角,使得員工可觀察到天氣狀況的各個視角,儀器展現(xiàn)的天氣特征與細節(jié)更加容易被掌握;手部互動的操作感比鼠標鍵盤更加真實;身臨其境的場景感,加深了受訓(xùn)員工們的理解和記憶。

結(jié)論

對于空管系統(tǒng)氣象探測新員工的培訓(xùn),仍停留在看圖學(xué)習(xí),文字解讀天氣現(xiàn)象的階段,員工很難在放單前遇到各種復(fù)雜天氣狀況,以及正確的識別各種云狀,為加強新老員工對于突發(fā)天氣狀況的了解,特通過引進三維VR設(shè)備開展對“突發(fā)天氣狀況,云況觀測”的沉浸式培訓(xùn),通過學(xué)習(xí)這種全新的技術(shù),讓受培訓(xùn)的氣象員工們身臨其境 的感受各種天氣狀況的變化,以便日后工作更好的對于突發(fā) 天氣狀況進行應(yīng)急。