應(yīng)用射擊三維動畫模擬教學設(shè)計的研究

紀毓琴,　孫杰棟,　姚　坤

(中國人民公安大學警務(wù)指揮戰(zhàn)術(shù)系， 北京　100038)

?

應(yīng)用射擊三維動畫模擬教學設(shè)計的研究

紀毓琴,孫杰棟,姚坤

(中國人民公安大學警務(wù)指揮戰(zhàn)術(shù)系， 北京100038)

摘要隨著計算機技術(shù)和圖形技術(shù)的快速發(fā)展，三維動畫已成為計算機圖形學和藝術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3ds Max作為一款優(yōu)秀的三維動畫制作軟件，以其功能完善、易學易用、制作效果高、渲染真實感極強的特點，深受使用者青睞。目前三維動畫越來越多地應(yīng)用于體育教育技術(shù)領(lǐng)域，并取得了良好效果。由于三維動畫具有很強的空間立體化表現(xiàn)優(yōu)勢，因此，應(yīng)用射擊采用三維動畫模擬形式輔助教學，可以更好地在教學中增強學生的認知和理解，豐富教學手段，提高學生參與學習的主動性、互動性及操作性。它可作為課上模擬教學，亦可以將射擊教學與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，作為網(wǎng)絡(luò)課程便于學生自學。

關(guān)鍵詞警用手槍； 三維動畫； 模塊設(shè)計； 模擬教學

0引言

應(yīng)用射擊既是公安院校的特色教學科目，也是人民警察行動執(zhí)法和處置危機事件必須掌握的技能之一。然而，長期以來應(yīng)用射擊教學模式相對落后，傳統(tǒng)的視頻教學表現(xiàn)形式都是以圖片和文字的形式記錄下來的，在呈現(xiàn)畫面時，僅呈現(xiàn)出一個角度，無法添加更多的圖片文字內(nèi)容；書籍教材只是提供給學生文字和圖片的信息，無法生動地表現(xiàn)射擊過程；多媒體課件雖然融合書籍和視頻教材的優(yōu)勢，但仍然無法多角度生動表現(xiàn)射擊動作。

因此，如何轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)射擊教學模式，使其能夠與先進技術(shù)相結(jié)合，朝著現(xiàn)代化和數(shù)字化的方向發(fā)展，是我們廣大的警務(wù)實戰(zhàn)射擊教育工作者在新時期所面臨的一項新的問題和挑戰(zhàn)。

近年來，隨著科技的不斷進步與發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在體育教學中也得到了廣泛的應(yīng)用，一系列數(shù)字體育教學產(chǎn)品應(yīng)運而生，并在實際教學中獲得了良好的反饋。有鑒于此，如果以虛擬現(xiàn)實的表現(xiàn)方式研發(fā)模擬仿真應(yīng)用射擊教學軟件，可以集合視頻、書籍、多媒體課件的諸多優(yōu)勢，同時具備多視角手動操作觀看動作的特點，則該軟件可形成一本生動、豐富、全面的電子教材供射擊教學使用。

如果在射擊教學中運用3ds Max三維動畫軟件以及Unity 3D游戲引擎對射擊教學進行模擬仿真，一方面可將運動的整體過程真實地模擬出來，制作出多角度、虛擬的動態(tài)場面。在課堂上，教師可以利用三維動畫向?qū)W生展示槍械的構(gòu)造和操作技巧，這樣既能讓課堂教學變得更加生動，使得教師的教學手段更加豐富，也能通過互動來提升學生的學習興趣和課堂參與度。與此同時，學生通過三維動畫虛擬仿真形式學習射擊技術(shù)，可以使其加深對所學知識的理解，更好地掌握知識和技術(shù)要領(lǐng)。另一方面，三維動畫的空間立體化特性使其具有極強的空間表現(xiàn)優(yōu)勢，通過使用這一技術(shù)，教師可在教學環(huán)境中模擬出接近真實的學習場景。在射擊教學中運用三維虛擬仿真技術(shù)，可使教學不受場地與器材的限制。更為重要的是，它能切實減少實彈射擊所帶來的安全風險。學生利用虛擬仿真技術(shù)學習射擊，不但有助于迅速理解理論基礎(chǔ)知識，還能在課堂上更快地掌握正確方法和技術(shù)要領(lǐng)。由于虛擬仿真技術(shù)所具有的不受空間和條件限制的特性，教師還可基于這一技術(shù)制作射擊課程軟件，并上傳校園網(wǎng)，供學生課下自學或練習使用。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使得射擊教學能夠真正向現(xiàn)代化和科學化轉(zhuǎn)變，大步邁入數(shù)字化時代。

1研究內(nèi)容與研究方法

1.1研究內(nèi)容

從警用手槍應(yīng)用射擊教學實踐需求出發(fā)，研發(fā)警用手槍射擊仿真模擬教學軟件，使之服務(wù)于教學和訓練。教學軟件采用虛擬現(xiàn)實和物理原理組合設(shè)計，通過虛擬技術(shù)、半實物仿真技術(shù)，以及充分利用計算機仿真系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力來模擬射手技術(shù)動作和不同的目標、不同類型人物角色的運動方式，利用這種方式達到簡易操作和靈活多變的教學效果。實現(xiàn)了用變換軟件系統(tǒng)來取代耗資巨大的硬件系統(tǒng)，達到模擬實戰(zhàn)教學的目的。

(1)警務(wù)應(yīng)用射擊教學與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于警務(wù)教學領(lǐng)域當中，用虛擬仿真技術(shù)模擬真實射擊動作及場景，將射擊動作再現(xiàn)出來，使其情景化、形象化。

(2)射擊虛擬仿真與射擊教學實踐相結(jié)合

研究立足于警用射擊教學與警用射擊虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合點上，在學生從綜合的理論教學與三維演示教學中掌握基礎(chǔ)技術(shù)之后，有效地實施警用射擊貼近實戰(zhàn)需要的應(yīng)用教學。

(3)創(chuàng)建數(shù)字化模擬仿真教學方式

以三維的形式將射擊技能與射擊理論、射擊實踐融合到一起，設(shè)計警用手槍應(yīng)用射擊仿真模擬教學方案等軟件的研究。

1.2研究方法

采用文獻資料法、問卷調(diào)查法、案例調(diào)研法、統(tǒng)計分析法、運動分析法、演示法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計法等研究方法，對所研究內(nèi)容進行查閱、對比、分析、演示、統(tǒng)計和制作。

首先，一方面收集整理警用射擊教學訓練相關(guān)圖片、文字及視頻資料；另一方面，理清研究步驟及內(nèi)容，并同時查閱與三維動畫和特效技術(shù)相關(guān)的論文及權(quán)威報刊書籍資料，并對部分理論依托和佐證進行參考借鑒。對真實案例進行調(diào)研，作為強有力的理論支持補充資料。

在對已掌握的資料進行初步分析后，通過向各大公安院校及各省廳、市公安局培訓部門散發(fā)調(diào)查問卷，來進一步了解并歸納整理其對射擊教學內(nèi)容及培訓要求的建議及需求，從而為研究結(jié)論提供更深層次的現(xiàn)實理論依據(jù)。

通過對已收集的三維動畫和特效技術(shù)，以及現(xiàn)實教學和應(yīng)用需求等因素進行分層次分析歸納和總結(jié)，并利用統(tǒng)計分析法歸納出項目研究基本設(shè)計思路。

運用運動分析法，通過對射擊技術(shù)動作過程進行分析與總結(jié)，得出其運動規(guī)律，并進行推演。通過技術(shù)等演繹方法，對警用射擊特征進行總結(jié)和分析后，將其演繹提升到具體研究項目設(shè)計的一般規(guī)律并加以應(yīng)用。

2三維動畫與應(yīng)用射擊教學

2.1三維動畫技術(shù)基本概念

作為一種新興信息技術(shù)，三維(又稱3D)動畫技術(shù)的產(chǎn)生是與近年來計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展所密不可分的。它主要分為二維動畫和三維動畫兩種。三維動畫因為多了高度這個維度，再加之原來的長度和寬度，構(gòu)成了三維，相比于二維，使用者能夠更加充分的發(fā)揮其創(chuàng)作空間，更加生動和形象的表現(xiàn)出角色、物體或場景的特點和立體感，也能夠更加接近現(xiàn)實世界中景物在人眼中的成像。使用者還可根據(jù)具體需求來自由設(shè)定諸如虛擬攝像機機位，燈光效果，模型的運動軌跡等參數(shù)，并給模型表面覆加材質(zhì)，最后把所有元素整合在一起通過計算機的處理就可以生成三維動畫。

2.2射擊教學主要內(nèi)容的組成

(1)射擊學原理

射擊學原理是研究發(fā)射與命中的科學，學習掌握射擊原理是為了摸索射擊規(guī)律，正確掌握射擊要領(lǐng)，從而提高槍支射擊的命中率。通過文字的方式介紹射擊學相關(guān)的理論知識，文化背景，起源發(fā)展。講解發(fā)射和后座原理、彈道高、瞄準、初速度及其實用意義等。

(2)武器常識

槍械使用相關(guān)知識主要包括依法使用武器，殺傷性武器、非殺傷性武器、警用制式槍械相關(guān)知識，槍械的管理、佩帶、型號、性能、諸元、作用效果，使用環(huán)境，槍支的分解與結(jié)合方法、安全操作，故障排除方法，槍彈傷的急救與預(yù)防等。

(3)射擊技術(shù)動作

射擊技術(shù)是警用手槍射擊仿真模擬教學軟件內(nèi)容的核心部分。利用三維虛擬現(xiàn)實手段展示射擊動作要領(lǐng)以及技術(shù)特點。

① 基礎(chǔ)射擊技術(shù)動作組成

手槍基礎(chǔ)射擊技術(shù)是由據(jù)槍、瞄準、擊發(fā)3部分技術(shù)動作組成，如表1所示。

表1　射擊技術(shù)組成與要領(lǐng)

②實訓射擊技術(shù)組成

警用射擊實訓教學主要包括射擊學理、基本射擊技術(shù)、快掏槍技術(shù)、應(yīng)用射擊技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)射擊應(yīng)用技能等教學環(huán)節(jié)。通過這一課程的學習，力求使學生掌握依法使用武器，打擊和制止各種犯罪行為的技能。教學要求學生了解射擊的簡易學理以及警用武器的分類、特點、技術(shù)諸元等相關(guān)知識；此外，學生還應(yīng)領(lǐng)會警用武器的分解結(jié)合知識，知曉如何排除一般故障及槍械保養(yǎng)等知識，并能夠掌握基礎(chǔ)射擊、快掏槍應(yīng)用射擊技術(shù)和快速戰(zhàn)術(shù)射擊技能。如表2所示。

表2　實訓射擊技術(shù)組成

3三維動畫模擬教學軟件方案的設(shè)計

警用手槍射擊仿真模擬教學軟件是以虛擬現(xiàn)實為核心技術(shù)，設(shè)計思路主要以學生的學習需求和教師的教學需求為主線，學生學習內(nèi)容的設(shè)計原則是系統(tǒng)、全面，使用原則是便捷，教師則從教學手段和方法的角度，將軟件內(nèi)容模塊細分，合理的安排內(nèi)容的次序，讓學生能夠循序漸進地掌握這門學科。

3.1教學軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件模塊主要分為射擊學理論、射擊仿真教學、戰(zhàn)術(shù)射擊、視頻教學、軟件幫助五個內(nèi)容模塊，這些內(nèi)容包含豐富的理論知識、圖片資料、視頻資料和生動的射擊三維動畫，全面細致地介紹了手槍射擊這門學科，學生和老師可以在該軟件中查到需要的學習和教學資料，如圖1所示。

3.2虛擬仿真建模及角色動畫設(shè)計

(1)仿真建模設(shè)計

圖1　軟件模塊設(shè)計

仿真建模主要包括人物建模和手槍建模，仿真人物模型是指依照真實人物比例在計算機上呈現(xiàn)的人體模型。人體外部主要是由骨骼結(jié)構(gòu)和肌肉組織組成，在運動過程中，皮膚會隨著骨骼的彎曲和肌肉的伸縮而變化，而建立仿真虛擬人體時，只需采用骨骼和皮膚兩個層次。由于肌肉部分并不呈現(xiàn)在外面，所以在人機系統(tǒng)的設(shè)計中，虛擬人體忽略了人體內(nèi)部的肌肉組織，重點用皮膚的模型描述人體外部的形狀，同時通過骨骼關(guān)節(jié)的運動，表現(xiàn)控制虛擬人體的動作。人物建模是用3ds Max設(shè)計的，在人物模型制作之前，要先對“警用手槍射擊仿真模擬教學軟件”中的人物進行設(shè)計，為了更加符合教學內(nèi)容，虛擬人物從外形到服裝完全按照現(xiàn)今警務(wù)人員的形象設(shè)計。設(shè)計方案完成后，才能開始進行實質(zhì)的建模工作。

(2)角色動畫設(shè)計

射擊角色動畫是教學的核心部分，學生通過教學軟件掌握射擊動作的主要途徑就是觀看角色動畫。所以，角色動畫的制作必須嚴謹細致，任意一個動作都必須具有專業(yè)性，嚴格按照視頻中真人演示和射擊學的動作要領(lǐng)進行手動K幀制作。為了更好地完成動畫制作，需要現(xiàn)場錄制射擊教師的動作，從正面、背面、左側(cè)和右側(cè)分別錄制。動畫師制作動畫時，從四個角度來進行對比操作，反復(fù)核對動畫的準確性，保證動作的高質(zhì)量。

3.3操作功能模塊設(shè)計

主菜單包括：射擊學理論、仿真教學、視頻演示、戰(zhàn)術(shù)射擊、軟件幫助、退出系統(tǒng)6項，涵蓋所有手槍射擊的教學內(nèi)容，保證教學軟件的專業(yè)性和完整性。如圖2所示。

圖2　軟件主菜單界面效果圖

3.4應(yīng)用射擊仿真模擬教學軟件交互設(shè)計

傳統(tǒng)的教材一般為圖書類和視頻錄像類，以圖書圖解的方式學習動作，學生理解起來相對比較困難，而且學習效率低，學習者不容易掌握正確的動作姿勢。為了能夠讓學習者理解動作，就必須把教材中的整套動作需要分解成多個圖，同時需要配上更多的文字解釋才能被學習者理解。

三維的仿真虛擬人物，可以通過計算機呈現(xiàn)射擊動作畫面，射擊動作完全按照真實的專業(yè)射擊標準，在3ds Max中實現(xiàn)。加入到警用手槍射擊仿真模擬教學軟件后，可以通過鼠標的操作進行360°的旋轉(zhuǎn)，全視角的學習射擊技術(shù)動作。方向可以自由選擇，角度可以自由轉(zhuǎn)換，其便利性體現(xiàn)到虛擬教學軟件中，為學習者提供了必要的交互，使用軟件進行自主學習，學習者還可以通過按鈕的交互任意獲取學習資料。

4結(jié)論與建議

目前國內(nèi)的基礎(chǔ)和應(yīng)用射擊教學主要是使用傳統(tǒng)的技能傳授的教學方法實施教學，數(shù)字化教學模式應(yīng)用相對缺乏，針對這一情況運用現(xiàn)代科技成果，建立三維動畫模擬演示教學是一項具有實際意義的嘗試。它可以改變傳統(tǒng)、單一、枯燥且難以理解的教學模式。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展和普及，學生接受教育的方式和內(nèi)容變得更加豐富、靈活。教育現(xiàn)代化的腳步越來越快，現(xiàn)代信息技術(shù)已進入了課堂。一個優(yōu)秀的教師要不斷吸取現(xiàn)代化科學知識來豐富和充實自己，并將自己所掌握的先進技術(shù)運用于教學之中，為學生營造一個開放的，能夠通過多種途徑和方式來學習知識的現(xiàn)代化教學環(huán)境。因此，教師應(yīng)當做到變革其教學思想，運用現(xiàn)代教育觀念，通過使用現(xiàn)代化的教學手段，取得最理想的課堂教學效果。同時，教師也應(yīng)充分意識到現(xiàn)代信息技術(shù)的重要性，吸收掌握其精髓，并能夠明確其與傳統(tǒng)教學之間的關(guān)系。只有這樣，現(xiàn)代信息科學技術(shù)才能在應(yīng)用射擊教學中起到很好的輔助作用，進入到現(xiàn)代化信息技術(shù)教學新時代，從而更好地豐富教學手段，提高教學質(zhì)量。

參考文獻

[1]胡希偉. 基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究[D].武漢：武漢大學,2005.

[2]張引.三維仿真技術(shù)在帆船運動理論中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2009(3).

[3]張新華.多媒體軟件設(shè)計與開發(fā)[M].北京:北京大學出版社，2011.

[4]張繼開.三維圖形引擎技術(shù)的研究[D].北京：北方工業(yè)大學, 2004.

[5]周偉昂.警務(wù)技戰(zhàn)術(shù)訓練中的模擬情景教學探究[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2008(26).

(責任編輯陳小明)

中圖分類號D035.319.2

作者簡介紀毓琴(1958—)，女，山東青島人，教授。研究方向為警用射擊與警務(wù)戰(zhàn)術(shù)教學訓練。

基金項目中國人民公安大學教學研究項目“應(yīng)用射擊快出槍虛擬仿真教學研究”(2015JY12)。