裝備電氣三維虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉正春 王 勇 安 樹 薛海鵬

1.軍械工程學(xué)院電氣工程系 河北石家莊 050003

2.南京陸軍指揮學(xué)院戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)系 江蘇南京 210000

隨著武器裝備信息化程度的提高，電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，因此對裝備電氣教學(xué)訓(xùn)練提出了更高的要求。目前，裝備電氣教學(xué)一般是采用書本教材、掛圖結(jié)合實裝的方式[1]，但這種方式面臨諸多問題：

(1)電氣設(shè)備連接關(guān)系復(fù)雜，一張電路圖往往涉及多個電氣設(shè)備，而這些設(shè)備在武器裝備內(nèi)部又并非在同一空間位置；

(2)在訓(xùn)練場地進行實裝教學(xué)，不易于學(xué)生理解電路原理；而在課堂上脫離實裝學(xué)原理，又難以弄清電子元器件在裝備上的具體位置；

(3)由于裝備數(shù)量和訓(xùn)練場地有限，學(xué)生的操作實踐難以保證，訓(xùn)練效率低下；

(4)裝備電氣功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，對裝備的拆卸容易造成設(shè)備損壞。

因此，需要從裝備電氣教學(xué)的手段和方法上進行創(chuàng)新，開發(fā)符合學(xué)生實際需求的教學(xué)設(shè)備和手段。隨著計算機軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)裝備電氣教學(xué)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)教學(xué)的諸多問題，能極大提高學(xué)習(xí)效率，對培養(yǎng)“技指結(jié)合”的學(xué)生、提高學(xué)生的裝備維修能力有著重要意義。

1 “武器裝備電氣系統(tǒng)”虛擬教學(xué)系統(tǒng)

我教研室開設(shè)的武器裝備電氣系統(tǒng)系列課程包括電氣原理、故障診斷和模擬訓(xùn)練3個子課程。為了將原理教學(xué)和訓(xùn)練教學(xué)更加緊密地聯(lián)系起來，開發(fā)了武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電氣原理、虛擬裝備結(jié)構(gòu)、虛擬電路板和虛擬儀器四大功能模塊組成(如圖1所示)。

圖1 “武器裝備電氣系統(tǒng)”虛擬教學(xué)系統(tǒng)功能模塊圖

(1)電氣原理模塊主要展示傳統(tǒng)的電氣教學(xué)元素，包括裝備電氣原理講解、電路圖瀏覽、視頻、課件的播放等。

(2)虛擬裝備結(jié)構(gòu)模塊主要用于裝備外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)，學(xué)生可以在裝備內(nèi)部進行虛擬漫游，熟悉電氣設(shè)備在裝備內(nèi)部的空間位置，也可以對電氣設(shè)備進行分解、結(jié)合，掌握電氣設(shè)備的正確拆裝步驟。

(3)虛擬電路模塊用于模擬實際電路板的電氣屬性、連接關(guān)系、測試熱點等，學(xué)生通過與界面的交互，了解電路原理圖與實際設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系。例如點擊原理圖上的某個元器件，便可查看該器件具體位于哪個電氣箱體的哪塊電路板上以及它其他元器件的實際連接關(guān)系如何。

(4)虛擬儀器模塊用于模擬實際儀器的測試效果，可以對虛擬電路板上的測試點進行電氣測試，并能模擬實際儀器的換擋、讀數(shù)和波形等，避免了真實測試操作的危險性和破壞性。

系統(tǒng)采用Borland Delphi 7.0編程工具與Cult3D三維虛擬技術(shù)，實現(xiàn)裝備電氣教學(xué)的動態(tài)交互設(shè)計，完成三大虛擬模塊的功能需求。

2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計流程

3DS Max和Cult3D是兩個不同的應(yīng)用軟件平臺，裝備電氣三維模型的建立是在3DS Max軟件上完成(格式為“*.max”)，模型交互動作是在Cult3D軟件中編輯完成的，最終具有交互動作的產(chǎn)品(*.co)要發(fā)布到Delphi軟件平臺上使用。Cycore公司提供的Cult3D Exporter和Cult3D Viewer兩個插件分別用于3DS MAX向Cult3D Designer(*.max－＞*.c3p)和Cult3D Designer向Delphi(*.c3p－＞*.co)3個軟件平臺接口的格式轉(zhuǎn)換(如圖2所示)。

圖2 軟件平臺間格式轉(zhuǎn)換示意圖

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用3DS Max+Cult3D+Delphi來實現(xiàn)學(xué)生與模型的交互，具體方法如下：

2.1 構(gòu)建靜態(tài)模型

教學(xué)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境首先要構(gòu)建被觀測對象的靜態(tài)模型，即某型號裝備電氣系統(tǒng)的三維模型，使其能夠逼真地展現(xiàn)實裝備電氣設(shè)備的外觀。本系統(tǒng)采用3DS Max 2010軟件制作模型的立體幾何形態(tài)和外觀材質(zhì)，細節(jié)部分的材質(zhì)采用實物照片貼圖方式，從而生成電氣設(shè)備的三維靜態(tài)模型文件，即“*.max”文件。

2.2 動態(tài)模型設(shè)計

為了使學(xué)生更加直觀地理解裝備電氣系統(tǒng)的構(gòu)成、連接關(guān)系和組裝方式，需要對靜態(tài)模型進行動態(tài)設(shè)計，轉(zhuǎn)換成動態(tài)模型，提高學(xué)生的操作興趣和虛擬現(xiàn)實的沉浸感。

Cult3D是Cycore公司開發(fā)的一種3D網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以把圖像質(zhì)量高和速度快的交互、實時物體送到所有因特網(wǎng)用戶手上。Cult3D技術(shù)可以做到檔案小、真實互動、跨平臺運用，并有優(yōu)秀的三維質(zhì)感表現(xiàn)[2]。

本系統(tǒng)采用Cycore公司提供的Cult3D Exporter插件將“*.max”文件轉(zhuǎn)換為Cult3D Designer軟件可以操作的“*.c3p”文件。

在Cult3D Designer里對靜態(tài)模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放和拖動的動作設(shè)計，針對不同的模型，設(shè)計XYZ坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸點、鼠標(biāo)敏感度和響應(yīng)速度；并且通過制訂模型配件的約束路徑，設(shè)計用戶對設(shè)備的拆卸動作。圖3是Cult3D Designer軟件中對某電氣設(shè)備拆分動作的映射圖。

圖3 拆分箱體動作設(shè)計映射圖

動態(tài)模型生成的最終文件輸出為(*.co)壓縮文件，該格式文件占用空間小，可嵌入HTML網(wǎng)頁或 Word，PPT，Acrobat等多媒體應(yīng)用軟件中。

2.3 教學(xué)系統(tǒng)交互功能的實現(xiàn)

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用Borland Delphi 7.0軟件開發(fā)，并選用ActiveX技術(shù)完成對“*.co文件”(動態(tài)模型)的調(diào)用。

ActiveX控件是一組采用COM(Component Object Model，部件對象模型)使得軟件部件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行交互的技術(shù)集，可嵌入到包容器宿主應(yīng)用程序中，與開發(fā)平臺無關(guān)[3]。本系統(tǒng)采用顯示調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法實現(xiàn)動態(tài)模型到Delphi軟件平臺的嵌入。

3 應(yīng)用情況和實踐效果

學(xué)生在學(xué)習(xí)武器裝備電氣系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)時，可使用本系統(tǒng)的虛擬裝備結(jié)構(gòu)模塊，瀏覽電氣設(shè)備在裝備上的空間位置，并直接進行拆裝操作。圖4所示為學(xué)生對某電氣設(shè)備的拆裝過程，可在提示模式下根據(jù)提示步驟進行操作，也可在考核模式下進行考核。

圖4 某電氣設(shè)備的拆裝過程圖

圖5 虛擬萬用表對某虛擬電路板的測量過程圖

學(xué)生在學(xué)習(xí)電路原理時，可通過電路圖直接切換到虛擬電氣設(shè)備中進行電氣連接關(guān)系查看，也可以直接對設(shè)備的正常狀態(tài)或故障狀態(tài)下進行虛擬測量。圖5所示為學(xué)生使用虛擬萬用表測量某虛擬電路板。

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供了逼真的學(xué)習(xí)交互環(huán)境，使電氣知識更加形象化，克服了二維電路圖、照片等局限，在教學(xué)中能讓學(xué)生有身臨其境的感覺。Cult3D技術(shù)的引用使該系統(tǒng)具有較好的開放性和良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性，可為學(xué)生提供課余時間的練習(xí)機會，能較好地培養(yǎng)學(xué)生動手操作設(shè)備儀器的能力，可縮短學(xué)生實裝操作訓(xùn)練的時間, 提高訓(xùn)練效率；同時可防止裝備在不當(dāng)操作中的損壞和由于頻繁使用造成的零件磨損，減少訓(xùn)練經(jīng)費的開支。

在教學(xué)實踐中，分成A，B兩組學(xué)生進行教學(xué)，A組運用武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，B組不運用。對這兩組學(xué)生進行的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，有條件(接觸網(wǎng)絡(luò)，有計算機)且應(yīng)用武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)進行操作練習(xí)的學(xué)生，在實裝訓(xùn)練過程中，其積極性、出錯率、訓(xùn)練成績等方面和其他學(xué)生明顯不同，其動手能力和空間想象能力也明顯高于其他學(xué)生。

[1]何嘉武,賴煜坤.武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技導(dǎo)報.2010,28(24):71-74.

[2]蘇威洲,童仲豪,葉翰鴻.實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維互動：Cult3D應(yīng)用指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[3]梁水,李方超,賽奎春.Delphi開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社,2007.