虚拟现实技术在民航模拟飞行训练中的应用

摘要：近年来，随着技术的快速发展，虚拟现实（VR）技术已被广泛应用于多个领域，对民航模拟飞行训练也产生一定影响。虚拟现实技术能够提供沉浸式的训练环境，模拟真实的飞行条件，改善飞行员的训练效果，提高应对复杂飞行情况的能力。基于此，本文首先对虚拟现实技术的优势进行介绍，然后提出基于虚拟现实技术创建民航模拟飞行训练系统，对系统组成结构、开发设计要点与模拟训练效果进行探究，以供参考。

关键词：虚拟现实技术；训练；模拟；飞行

在民航行业，飞行员的培训和技能是保证航空安全的重要因素。传统的飞行训练方式往往需要高昂的成本和复杂的逻辑安排，而引入虚拟现实技术，可有效规避传统飞行训练中的不足。通过应用虚拟现实技术，可创造真实的飞行模拟环境，据此开展飞行训练，不仅能够大幅降低培训成本，而且能在安全的条件下让飞行员面对各种飞行挑战，使得飞行员能够尽快掌握应用新技术和新设备，提高飞行员的总体技能水平。因此，深入研究虚拟现实技术在民航模拟飞行训练中的应用，具有重要的理论意义和实际价值。

虚拟现实技术对培训教学的影响

虚拟具有高度沉浸和互动性技术优势，应用于民航模拟飞行训练中，可提升培训的质量和效率。利用虚拟现实技术（VR），可创建逼真的飞行环境，使飞行员能够在完全控制的模拟条件下练习，从而安全模拟各种飞行情境。从成本效率和安全性考虑，与传统飞行训练相比，虚拟现实技术（VR）可以提供一种成本较低、风险更小的训练方案。

基于虚拟现实技术的民航模拟飞行训练系统总体架构

该飞行模拟训练系统设计用于增强飞行员的操作流程、技术熟练度、战术理解和应对紧急状况的能力。飞行训练期间，飞行员可以利用头戴式显示器实时查看真实的驾驶舱互动以及外部虚拟环境，提供全面的视觉体验。此外，训练控制台允许教练配置模拟场景并实时监控训练过程，包括设置训练任务、调整环境变量、监视训练进展和回顾训练情况。

此飞行模拟系统由多个核心组件组成，包括混合现实视景管理模块、座舱数据模块、系统仿真模块、教员控制台模块以及网络通信模块。其中，混合现实视景管理模块作为系统的中心，包括虚拟场景子系统、座舱盖视口子系统及混合现实管理子系统，系统的完整结构见图1。

座舱数据模块

驾驶舱信息模块主要负责搜集驾驶舱内硬件的数据信息，并通过网络传输至飞行模拟训练系统。在此系统中，数据分析模块对接收的数据进行详细分析，整合并传递至混合现实视觉管理模块。该模块进一步分析这些数据，调整和优化模拟视觉输出，确保训练的实时性和准确性。

驾驶舱的仪表展示通过虚拟现实技术实现，优于传统摄像头捕捉方式，因为虚拟现实技术（VR）提供更高的图像清晰度和更新率，使得动态显示更流畅且无光学畸变。仪表系统由三个独立的虚幻4模型组成，每个模型都可以独立调节以适应混合现实环境。系统通过高级图像识别技术精确捕捉驾驶舱的实际位置，并调整仪表的角度，确保用户视线与显示屏幕保持一致。

仪表界面在该系统中是通过虚幻引擎的虚幻示意图形界面设计器（UMG）模块进行设计和实现的。虚幻示意图形界面设计器（UMG）一个图形界面制作工具，支持开发者通过视觉元素构建和配置用户界面。该模块内置多种控件如文本显示、进度条和雷达图，所有控件通过预设的函数来实现，使得用户可轻松创建复杂的仪表显示界面。在虚幻示意图形界面设计器（UMG）中，界面的布局是在设计器选项卡中完成，而图表选项卡则处理控件背后的逻辑功能，因此，界面能够动态地展示和响应用户操作。

混合现实视景管理模块

本系统的关键组成部分是基于VR智能眼镜HTC VIVE Pro头盔和虚幻4引擎（UE4）开发的混合现实视景管理模块。该模块通过高级视频透视技术实现了虚拟场景与实际驾驶舱的视觉融合。系统利用VR智能眼镜HTC VIVE Pro的外部摄像头接口进行虚拟现实与混合现实之间的切换，通过在虚幻4引擎（UE4）中编程实现对HTC摄像头接口的调用。为了模拟真实的驾驶舱外观，根据实际驾驶舱的Catia模型使用3dsMAX制作比例1：1的虚拟舱盖模型，并导入虚幻4引擎（UE4）。通过精确的虚实配准技术，系统调整实际驾驶舱与虚拟舱盖的相对位置，使飞行员能够通过头盔内看到准确的驾驶舱内外视图。系统原理如图2所示。

1.座舱盖视口模块

在本飞行模拟系统中，驾驶舱视窗，作为虚拟场景的展示界面，通过使用虚幻4引擎的场景捕捉功能来实现虚拟画面的捕获。该视窗的模型，基于实际驾驶舱的详细设计文件制作而成，具有与真实驾驶舱外观一致的精确几何形状，增强飞行训练的沉浸感和真实感。

2.混合现实管理模块

系统首先构建一个基于场景捕获2D类的蓝图，蓝图配备一个专用的图像捕捉相机，能够将虚拟环境中的场景渲染到一个动态更新的目标渲染纹理上。这个渲染纹理随后被用作创建材质的基础，但考虑到场景的动态变化，这种基础材质需要频繁更新，故此采用虚幻引擎的动态材质系统进行管理。动态材质通过参数化处理使得纹理调整更加灵活。此外，使用座舱盖视口的Actor蓝图，从3dsMAX中导入驾驶舱盖模型，并放在蓝图中。在此蓝图中，动态材质实例被创建并应用到驾驶舱盖模型上，使得模型可以实时反映背后的目标渲染纹理变化，通过视窗能准确显示出虚拟场景。

在座舱盖视口中，虚拟环境VREnvironment的渲染主要通过混合现实管理CockpitCoverManager蓝图实现。该蓝图中包含CreatVRModeCCMID的函数，使用CreateDynamicMaterialInstance命令来生成CC-MID材质实例。此函数将接受三个关键参数：CCCaptureVRWorld，即从飞行员头盔摄像头捕获的实时图像；显示屏幕的尺寸；新生成的材质实例CC-MID。

定义名为UpdateRenderTexture的功能，该功能通过CreateRenderTarget2D命令创建2D贴图，用于存储和展示来自飞行员头盔摄像头的实时图像CCCapture-VRWorld。该贴图随后被设置为材质实例CC-MID的纹理源，用于实时更新显示内容。

对SceneCapture2D组件进行详细的参数调整，优化用户的视觉体验。改变输出画面的尺寸和调整相机的视场角，修改曝光参数来模拟不同光照条件。此外，应用DirtMask效果在相机前模拟雨滴效果，并利用虚幻引擎的PostProcessVolume对视觉参数进行调整，增强视觉效果的真实性和细节层次。

3.VREnviroment模块

VREnvironment模块是模拟器中的视景模块，该模块的操作流程涵盖地形数据的采集与预处理、地形数据的UE4导入以及基于训练需求的地形关卡划分，可确保虚拟训练环境中地形的准确性和视觉质量，满足各种训练场景的需求。

使用精确的地形数据作为飞行模拟的基础，提升训练的真实性和效果。该系统通过地图下载所需的地形测绘和卫星高程数据，之后进行格式转换，通过真实地形三维建模软件进行必要调整，以适配虚幻引擎4（UE4）的要求。为了处理大规模地形所带来的效率问题，系统采用将地形细分成多个较小的模块的方法，使用称为世界构建的技术来流式加载各个部分。系统可根据地形的重要性和需要的细节度进行划分，如机场周边地区会划分为较小的模块（大约1.875千米×1.875千米），而更为宽广的地区则设为较大的模块（约15千米×15千米）。系统中还配置自动加载的地形边界，保证在模拟器进入新区域时能无缝加载周边地形。

系统运行效果

在混合现实飞行模拟训练系统的实际运行中，教员控制台展示出详尽的视觉效果。飞行训练中，飞行员通过头盔设备能全面检视外部虚拟环境及驾驶舱内部的详细设备布置，提升视觉的连贯性和高沉浸性，而且使飞行员能够在模拟环境中轻松识别和操作各种设备，优化训练过程的操作性和互动性。

结语

综上所述，本文详细探究虚拟现实技术在民航模拟飞行训练中的应用，虚拟现实技术能有效增强飞行员的操作技能和应急响应能力，基于虚拟现实技术打造训练环境，成本投入小，安全性高，可有效保障民航模拟飞行训练效果。随着虚拟现实技术的持续发展创新，其在民航飞行训练领域的作用将越来越突出，为飞行安全和效率提供更加坚实的技术保障。