坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)的視景仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

姚壽文，陳 巖

（1.北京理工大學(xué)車(chē)輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

實(shí)驗(yàn)是高校教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于工科學(xué)生，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更是至關(guān)重要［1－4］。北京理工大學(xué)軍用車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)隸屬武器類(lèi)專(zhuān)業(yè)，主要教學(xué)和科研方向?yàn)檐娪密?chē)輛設(shè)計(jì)和制造，為我國(guó)國(guó)防事業(yè)和兵器工業(yè)提供了大量的人才。該專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)條件的限制，很多實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)和實(shí)物拆裝教學(xué)以及試車(chē)駕駛等都無(wú)法進(jìn)行。此外，坦克動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)、懸架性能實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)阻力通過(guò)性實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐類(lèi)課程［5］占有教學(xué)課程的很大比重。這些實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是實(shí)車(chē)試驗(yàn)費(fèi)用高、車(chē)輛和場(chǎng)地維護(hù)保養(yǎng)繁瑣，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只能是演示性的、學(xué)生無(wú)法親自進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。這樣就會(huì)導(dǎo)致教學(xué)的交互性差，學(xué)生缺乏實(shí)際的動(dòng)手能力［6－7］。

將視景仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)環(huán)節(jié)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、虛擬裝配技術(shù)，構(gòu)建三維視景仿真平臺(tái)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助虛擬漫游和人機(jī)交互手段，進(jìn)行坦克虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬拆裝、戰(zhàn)場(chǎng)仿真等內(nèi)容的教學(xué)，可有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平，增強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力［8－12］。

1 視景仿真教學(xué)系統(tǒng)組成

根據(jù)功能的需求和分析，視景仿真教學(xué)系統(tǒng)選取了性能優(yōu)秀、技術(shù)先進(jìn)的硬件，搭建了集成化的兩通道視景仿真平臺(tái)。該平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)軟硬件子系統(tǒng)、投影子系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)、交互子系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分組成，如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)硬件組成圖

該系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的視景仿真技術(shù)，如高性能圖形處理和顯示、高亮度投影、顯示屏幕邊緣融合、色彩校正、光譜立體技術(shù)、集中式數(shù)據(jù)、觸感式音頻及光照控制、高保真度的多通道音頻和視頻回放等，具有一些顯著特點(diǎn)。

（1）計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)具備強(qiáng)大的圖形處理、數(shù)據(jù)交換及計(jì)算能力。系統(tǒng)采用了PC－Cluster架構(gòu)（如圖2所示），使系統(tǒng)更具擴(kuò)展性、易用性和較好的維護(hù)性。該架構(gòu)能多通道渲染、多通道投影，解決了大場(chǎng)景、大模型在單一計(jì)算機(jī)上無(wú)法渲染、渲染過(guò)慢和顯示細(xì)節(jié)粗糙等問(wèn)題。

圖2 PC－Cluster架構(gòu)示意圖

（2）采用了平板背投兩通道投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛1∶1的立體顯示，具備多細(xì)節(jié)特征展示、高分辨率等特征，具備16位精度的幾何誤差校正，通過(guò)投影機(jī)內(nèi)部亮度傳感器和控制電路，保證2臺(tái)投影機(jī)間的亮度均勻一致，利用DynaColor技術(shù)保證了整個(gè)系統(tǒng)所有通道顏色空間的統(tǒng)一。

（3）利用先進(jìn)的中控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了投影機(jī)、計(jì)算機(jī)、音頻、燈光、視頻及機(jī)電設(shè)備等系統(tǒng)整合于一體。同時(shí)，該中控系統(tǒng)也集成了虛擬外設(shè)，并可實(shí)現(xiàn)桌面式VR 與沉浸式VR 的快速切換。

（4）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能所需的虛擬外設(shè)齊全，能夠滿(mǎn)足位置跟蹤、漫游、立體圖像觀看和產(chǎn)品虛擬裝配操作等功能。主要由跟蹤定位裝置、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套及多通道音響系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。

（5）本系統(tǒng)采用先進(jìn)的光譜立體技術(shù)（INFITEC），通過(guò)采用高質(zhì)量的光波段過(guò)濾技術(shù)產(chǎn)生分離的左右眼圖像，從而實(shí)現(xiàn)立體顯示，具有適合多種類(lèi)型的屏幕、不需要發(fā)射器及左右眼圖像不閃爍的優(yōu)點(diǎn)。此外，INFITEC 眼鏡很好地解決了同時(shí)觀看立體圖像與LCD 屏幕二維圖像時(shí)人眼不適應(yīng)的問(wèn)題。

本文將視景仿真實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施與傳統(tǒng)的教室教學(xué)結(jié)合起來(lái)，并對(duì)Virtools、Vortex等三維軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了三維虛擬實(shí)驗(yàn)室漫游與在線交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)，如圖3所示。

2 視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)

北京理工大學(xué)視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，初步形成了具有鮮明專(zhuān)業(yè)特色和學(xué)科特點(diǎn)的教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)室管理模式。作為創(chuàng)新試驗(yàn)基地，虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的特色體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）服務(wù)專(zhuān)業(yè)與服務(wù)全校相結(jié)合。視景仿真實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的教學(xué)和科研活動(dòng)，大多屬于車(chē)輛工程與計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交叉學(xué)科范疇。為充分利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室資源，在專(zhuān)業(yè)教學(xué)課程的基礎(chǔ)上，面向全校開(kāi)設(shè)了2門(mén)實(shí)驗(yàn)選修課。它一方面作為“坦克學(xué)”課程的補(bǔ)充和完善，另一方面也可以增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)影響力，作為北京理工大學(xué)特色專(zhuān)業(yè)的一個(gè)對(duì)外窗口。

圖3 視景仿真平臺(tái)與在線教學(xué)的融合

（2）工程實(shí)踐思維的培養(yǎng)。視景仿真實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置，非常注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)特定工程問(wèn)題進(jìn)行分析、調(diào)研、討論、操作、解決的能力，將對(duì)研究生教育的方法提早讓本科生接觸，為學(xué)生盡早融入科研隊(duì)伍、熟悉創(chuàng)新性研究基本流程和團(tuán)隊(duì)氛圍、樹(shù)立工程實(shí)踐思維打下基礎(chǔ)。

（3）創(chuàng)新教學(xué)、科研融為一體的創(chuàng)新實(shí)踐隊(duì)伍的建設(shè)。視景仿真實(shí)驗(yàn)室在對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課授課以外，歡迎有潛質(zhì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相關(guān)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目有基礎(chǔ)、有興趣的學(xué)生加入項(xiàng)目組，讓他們提前參與正式科研項(xiàng)目或自擬有發(fā)展前景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這樣，一方面促進(jìn)了創(chuàng)新實(shí)踐與科研、工程的緊密結(jié)合，另一方面也為原有科研隊(duì)伍提供了新生力量，增加了項(xiàng)目組的活力和創(chuàng)新性。

3 視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)依托北京理工大學(xué)車(chē)輛傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室視景仿真平臺(tái)，可對(duì)坦克、裝甲車(chē)輛進(jìn)行視景仿真模擬，主要進(jìn)行坦克實(shí)車(chē)虛擬拆裝、加速性等動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、通過(guò)性等機(jī)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)以及虛擬駕駛的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可輔助教師完成“坦克設(shè)計(jì)”、“坦克構(gòu)造”等課程教學(xué)任務(wù)。

3.1 坦克虛擬拆裝

通過(guò)Pro／E 等三維建模軟件并結(jié)合3ds MAX、Virtools等三維渲染動(dòng)畫(huà)軟件，在視景仿真平臺(tái)中建立沉浸式的虛擬裝配環(huán)境，以沉浸式三維交互操作進(jìn)行坦克整車(chē)及零部件的虛擬拆裝（見(jiàn)圖4）。在教學(xué)過(guò)程中，教師能夠以多角度、多視圖、三維立體的形式講解坦克的構(gòu)造，以直觀的三維立體效果展示整車(chē)系統(tǒng)的工作原理。通過(guò)虛擬的拆裝演示及交互操作，既可讓學(xué)生深入掌握車(chē)輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配情況，又能讓課程直觀化、逼真化，同時(shí)提高了教學(xué)效果和學(xué)生的理解效果。

圖4 虛擬環(huán)境下坦克拆裝模型

3.2 坦克動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

車(chē)輛動(dòng)力性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為車(chē)輛的最高車(chē)速、加速性能和爬坡性能。在視景仿真虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，應(yīng)用Vortex軟件建立坦克車(chē)輛的三維模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真（見(jiàn)圖5）。結(jié)合視景仿真系統(tǒng)的三維直觀顯示以及鍵盤(pán)等外設(shè)的交互操作，可使學(xué)生直觀、充分地了解坦克的動(dòng)力學(xué)性能。

3.3 坦克機(jī)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)

坦克機(jī)動(dòng)性分為戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)性和戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性：戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)性是指裝甲集團(tuán)軍的機(jī)動(dòng)性；而戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性以坦克的加速性能、轉(zhuǎn)向性能和通過(guò)性能等為主。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)基于虛擬環(huán)境建立車(chē)體、履帶模型以及實(shí)驗(yàn)用路面模型，并選擇合適的實(shí)驗(yàn)車(chē)速進(jìn)行機(jī)動(dòng)性仿真實(shí)驗(yàn)，從而得到反映坦克機(jī)動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終在視景仿真系統(tǒng)中讀取這些數(shù)據(jù)，完成通過(guò)性虛擬實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。

圖5 坦克行駛動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示

圖6 坦克通過(guò)性虛擬實(shí)驗(yàn)視景仿真

3.4 裝甲車(chē)輛的虛擬駕駛

軍用車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置中包括坦克、裝甲車(chē)輛的駕駛實(shí)習(xí)，視景仿真系統(tǒng)中的虛擬駕駛主要利用三維動(dòng)畫(huà)制作軟件Virtools［13－14］對(duì)坦克、裝甲車(chē)輛虛擬模型進(jìn)行編程（見(jiàn)圖7）和鍵盤(pán)式交互操作完成。

圖7 裝甲車(chē)輛交互式操作部分腳本程序

4 結(jié)束語(yǔ)

將視景仿真技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于課堂教學(xué)之中，是將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合的一種新的教學(xué)嘗試。將虛擬教學(xué)的實(shí)時(shí)性、便捷性與視景仿真的交互性和沉浸性相融合，滿(mǎn)足了傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新的需要。通過(guò)視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深了學(xué)生對(duì)坦克、裝甲車(chē)輛構(gòu)造與設(shè)計(jì)等課程和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)理論的理解，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行的過(guò)程中，穿插集中介紹實(shí)驗(yàn)中必需的基本原理和坦克設(shè)計(jì)的基本思想，從而使實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)有機(jī)融合，可有效地鍛煉學(xué)生解決工程問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

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