20世纪末发展起来的涉及众多学科,集计算机技术、传 感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体的虚拟现实技术,能够通过计算机创建一种虚 拟环境,以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界, 通过各种感觉器官的作用,使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化, 产生和现实中一样“身临其境”的感觉,提高了教学和训练的效果。由于飞行人员的培养, 更侧重于对直观判断能力和形象思维的锻炼,因此,在飞行教学训练中应用虚拟现实技术就 显得十分重要。应用虚拟现实技术研制的飞行教学软件,是把计算机多媒体技术与飞行教学 实际紧密结合,使复杂问题条理化,抽象问题形象化,解决了传统教学中的诸多弊端,大大 缩小了空地教学差别,增强了空地教学效果。且投资少,效益高,对提高教学质量和效率, 确保飞行安全起到了积极作用。
　　在制作飞行教学软件时,有关特技飞行动作的画面制作曾引起过很多争议。主要表现在软件 中主观画面应该如何制作,或者说怎样观看的问题?一般来讲,主观画面反映的是座舱里的 飞行员视线与天地线的相互关系,它的制作无非有两种方法:一种是屏幕上的座舱不动,而 天地线动,就好象在座舱里用摄像机拍照一样,人们常见的飞行影像就是这样拍摄的,所以 说这是一种“真实”镜头;另一种是天地线不动,而座舱做相对运动,这时的摄像机也在飞 机上,但不随飞机一起滚动,通常这在实际操作中无法实现,因此说是一种“虚拟”镜头。 前者尽管说是“真实”镜头,而且在模拟器训练和各种飞行游戏中得到了普遍应用,但应用 在飞行软件中却不被大多数飞行人员认可,主要是觉得它给飞行员的感觉不对,而后者却得 到了飞行人员的广泛认同,这是为什么呢?
　　从理论上讲,这里涉及到虚拟现实技术的基本特征问题。所谓虚拟现实技术(Virtual Real ity,简称VR技术),是指利用计算机生成一种模拟环境,并通过多种专用设备使用户“投 入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。它的基本特征就是交互性( Interaction)、沉浸感(immersion)和想象力(Imagination)。而交互性和沉浸感 是虚 拟现实的两个实质性特征,可以根据虚拟现实系统的交互和浸入程度的不同进行分类。我们 这里所应用的飞行教学软件,实际上就是一种桌面式半沉浸的VR系统。
　　从沉浸感上说,在飞行软件中如果采用“真实”镜头的主观画面,尽管与飞行员在实际飞行 中从座舱里观看的天地线的变化一样,但由于观看时身体状态的不同,前者是游离于软件反 映的环境之外,而后者却是身临其境,因此心理感觉也大不一样(比如在压坡度或倒飞时的 情形);同样,飞行软件中的主观画面是在计算机屏幕上显示的,它的显示空间是有限的, 使用者在观看软件画面时没有完全沉浸,仍然受到周围现实环境的干扰,他的视线周围具有 参照物(比如显示器外壳线,桌子边角等),而在模拟器中使用者的视线除了座舱中的景物外 ,看不到其它参照物,由于沉浸度不同,因此二者给使用者的感觉也是不一样的。从交互性 上说,飞行教学软件的应用重在“教”,使用者往往只能是虚拟环境的观看者,是被动地获 取虚拟环境的信息,而飞行游戏中尽管也采用的是“真实”镜头,但此时的使用者已经是虚 拟环境的操作者,并从虚拟环境中能实时得到反馈信息,可以说是主动地沉浸在屏幕的虚拟 环境中,因此说感受也绝不相同。
　　那么,为什么在软件的主观画面中采用实际上并不存在的“虚拟”镜头表现,大多数飞行人 员却感到能够接受呢?我们认为,这主要有两个原因:一是受传统教学手段的影响。以往在 飞行教学实践中,多采用直观形象化教学手段,即手持座舱风档模型,模拟飞机在天地线上 做各种动作,而此时的现场天地线由于是真实的,不可能转动,因此要求练习者转动风档模 型来体验飞行动作,这就形成了天地线不动,只能座舱风档动的固有模式,飞行教科书中也 多采用这种表述方式;二是由于长期飞行训练产生的心理作用。初次飞行者并不会在意天地 线的转动,比如在体验特技飞行动作时常伴有“天旋地转”的感觉,但作为经过严格训练的 飞行人员来说就不会产生这样的感觉,因为他觉得天地线永远是水平不动的,自己只能围绕 天地线做相对运动,因此我们说这种感觉是长期飞行训练的结果。
　　由于上述这两个原因,为了在飞行教学软件中培养新飞行员树立良好的飞行习惯和正确的感 觉,显然直接引用在飞行中通过座舱内拍摄的影像资料的方法并不可取,因此在飞行软件中 的主观画面,最好采用所谓的“虚拟”镜头来表现,而这正好可以发挥计算机三维动画制作 的长处。
　　然而,软件中的“虚拟”镜头应该如何设置,才能满足飞行人员对主观画面的要求呢?先撇 开具体的三维动画制作的技术不说,如何理解这种“虚拟”镜头的现实性,也就是要解决摄 像机在座舱内应该如何固定的问题。我们通过实践,提出一种解决制作飞行软件主观画面的 具体实现模型,即将摄像机固定在飞机地平仪的随动拖架上(当然,这是一种假想的情况) ,随动拖架轴与飞机的纵轴一致,从控制原理和地平仪的结构知道,由于二自由度陀螺的稳 定性和拖架随动系统的工作,当飞机俯仰角达到90°时,随动机构将带动拖架转动180°重 新进入稳定状态,“虚拟”镜头中看到的座舱也将发生180°翻转,这与在实际飞行中常看 到的地平仪刻度盘滚动的现象相同,这样在屏幕上座舱内所看到的地平线变化情况既反映了 空中的实际情况,又可以满足飞行人员在地面观看软件时的感觉。
　　通过以上分析,可以得出这样的结论:飞机在做水平运动时,主观画面是座舱转动而天地线 不动;飞机在做垂直运动时,天地线可以相对座舱上下移动,且当飞机纵轴运动至铅垂面时 ,画面还要进行切换,即座舱会出现翻转。由此可见,在飞行软件中通过这种“虚拟”镜头 制作的主观画面,与在模拟器中表现的方式不同,与我们常见的在飞机中拍摄的影像也不相 同,它是一种集影像和飞行感觉与一体的全新表现方式。我们基于这个原理建立的三维座舱 模型,在表现诸如斤斗、盘旋、横滚等特技动作和各种队形编队飞行时,从“虚拟”镜头中 呈现的天地线效果,得到了飞行人员的普遍认可,在飞行教学训练中也基本达到了虚拟现实 技术中对沉浸感的设计要求。