基于VR技術(shù)的某型魚雷虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

周杰

摘 要：為提高某型魚雷的訓(xùn)練效率，降低訓(xùn)練成本，保障訓(xùn)練安全，文中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了某型魚雷模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文中給出了該系統(tǒng)的功能設(shè)計和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)利用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了某型魚雷火工品裝配和魚雷發(fā)射準備、發(fā)射過程操作訓(xùn)練，首次實現(xiàn)了面向魚雷武器發(fā)射準備全過程的虛擬訓(xùn)練。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有較強的實用性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；系統(tǒng)設(shè)計；Virtools；魚雷

中圖分類號：TP317 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-04

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）通過綜合利用視頻、三維動畫和聲音等多媒體素材，營造出具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性的軟件操作環(huán)境[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于設(shè)計測試、模擬訓(xùn)練、游戲娛樂和教學(xué)科研等多個領(lǐng)域，隨著VR頭戴設(shè)備、應(yīng)力反饋設(shè)備等各種終端設(shè)備的大量使用，VR技術(shù)的應(yīng)用廣度和深度也逐年提升。某型魚雷武器由于造價高昂，加之武器系統(tǒng)壽命維護的限制，導(dǎo)致魚雷武器準備操作訓(xùn)練的代價過高。為降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效益，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)魚雷模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費，且所有訓(xùn)練過程部件動作均對學(xué)習(xí)者可見，比實裝更適合專業(yè)理論學(xué)習(xí)和培訓(xùn)操作人員。本文論述了基于VR技術(shù)的某型魚雷模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過構(gòu)建三維模型營造了多種視角，提供了具有沉浸性和交互性的操作環(huán)境，操作者可以親身漫游虛擬世界，多角度觀察操作方法，參與交互，給操作者強烈的臨場感和逼真感，這種深層的自然的人機交互，可使操作人員將以往被動的知識接受模式變?yōu)橹鲃犹骄浚e極尋求新知識，形成潛在技能，為實際操作技能的最終形成奠定堅實的基礎(chǔ)[2]。

虛擬現(xiàn)實的最終實現(xiàn)效果與硬件設(shè)備有直接關(guān)系，為利用通用設(shè)備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實效果，可采用桌面虛擬現(xiàn)實，也稱為窗口VR，成本低，是本文主要使用的VR技術(shù)。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合到模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，解決傳統(tǒng)模擬操作中臨場感弱，操作訓(xùn)練不充分，難以形成有效技能的問題，通過逼真的武器、工具模型和高度還原的操作過程調(diào)動操作者的主動性，提升知識技能構(gòu)建的效率，在保證設(shè)備和人員安全的前提下實踐所學(xué)知識，加速知識到技能的轉(zhuǎn)換過程。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要由主控臺、綜合訓(xùn)練控制臺Ⅰ～Ⅴ、網(wǎng)絡(luò)與接口系統(tǒng)、投影儀組成，基本構(gòu)成如圖1所示。

主控臺不僅可以進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的后臺管理，虛擬操作考試監(jiān)控，還可以進行投影演示。綜合訓(xùn)練臺Ⅰ～Ⅴ主要完成魚雷武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理理論知識學(xué)習(xí)、魚雷準備和發(fā)射相關(guān)虛擬操作和考核功能?？刂婆_依次安裝魚雷發(fā)射電控系統(tǒng)對應(yīng)操作臺的虛擬操作模塊，完成魚雷發(fā)射過程的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和操作。系統(tǒng)各計算機之間的信息通過網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸。

2.2 軟件設(shè)計

本訓(xùn)練系統(tǒng)在技術(shù)實現(xiàn)上采用Visual C++作為系統(tǒng)框架主開發(fā)平臺，VC兼容性好，具有多種控件，可以高效完成數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)通訊，并整合Flash、Authorware及Virtools等軟件，形成兼容、健壯的系統(tǒng)軟件。

訓(xùn)練系統(tǒng)多媒體資料采用Authorware軟件開發(fā)，具有交互性，可提高學(xué)習(xí)主動性。虛擬操作使用Virtools軟件實現(xiàn)對武器操作流程和專用控制設(shè)備的虛擬操作，操作中可進行視角變換、專用工具使用、魚雷雷體操作、面板按鈕操作和指示燈、數(shù)據(jù)顯示等。Vritools利用圖形化編程，設(shè)計思路形象直接，能夠高效完成三維虛擬操作編程[3]。魚雷武器準備過程中部分步驟局部細節(jié)操作較多，視角相對固定，為避免三維視角變化繁瑣的操作步驟，提高操作效率，將3DSMAX和Flash相結(jié)合開發(fā)軟件模塊完成虛擬操作，利用3DSMAX輸出多層次、多視角和多種表現(xiàn)形式的三維動畫，以動畫為基礎(chǔ)利用Flash良好的交互性和平臺移植性開發(fā)出具有三維浸入感和良好交互性，且對硬件要求低的軟件模塊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。各模塊功能如下：

（1）講解操作模塊：通過技術(shù)檢查和準備過程后，演示三維動畫操作步驟，并通過Authorware互動演示教材，講授演示武器原理。

（2）資料查詢模塊：利用數(shù)據(jù)庫存放視頻和文檔資料，通過SQL語言編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫資料的查詢與更新，提高受訓(xùn)人員數(shù)據(jù)檢索效率。針對不同資料的檢索結(jié)果分別顯示，調(diào)用Mediaplayer控件播放視頻資料；使用COM組件調(diào)用WORD控件瀏覽和修改文檔資料。

（3）自我考核模塊：通過題庫自動出題，完成理論考核，利用隨機算法從題庫中隨機抽取選擇、判斷和填空三種題型，試卷顯示利用EDITBOX控件，答案輸入使用LISTBOX控件，試卷成績自動評定并存入檔案數(shù)據(jù)庫。通過考核專用虛擬操作模塊完成操作考試，主控臺通過對其他控制臺進行監(jiān)控，實現(xiàn)操作考核成績實時評估。

（4）模擬操作模塊：分析魚雷準備過程和發(fā)射流程的所有操作步驟，對于視角相對固定，裝備動作細節(jié)展示要求較高的步驟，可通過Virtools編程對三維模型進行虛擬操作，增加硬件設(shè)備操作的臨場感和浸入感。對于使用工具種類繁雜，需要與視角進行精確配合的精細操作，則利用3DMAX輸出詳細的三維動畫，結(jié)合Flash創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境，兼顧硬件要求和三維顯示效果。

（5）檔案管理模塊：查詢用戶的考試成績、考試時間、姓名和學(xué)號。為保證數(shù)據(jù)庫安全，對各控制臺設(shè)定不同的權(quán)限，僅主控臺可對檔案數(shù)據(jù)庫信息進行修改，對其他控制臺僅開放查詢?yōu)g覽功能。

（6）網(wǎng)絡(luò)通信模塊：通過套接字編程和開發(fā)專用通訊模塊完成數(shù)據(jù)的封裝、解析、發(fā)送與接受，實現(xiàn)不同軟件平臺開發(fā)的軟件模塊之間的數(shù)據(jù)交互。

（7）電控系統(tǒng)操作模塊：模擬艇上指控系統(tǒng)和發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的各控制臺，完成發(fā)射魚雷全過程的虛擬操作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 魚雷武器最后準備虛擬操作

在某型魚雷武器的最后準備過程中，最為重要和最具危險性的工作是火工品的安裝，使用虛擬裝配完成該項操作可以降低訓(xùn)練風(fēng)險，提升訓(xùn)練效率。虛擬裝配在計算機環(huán)境中進行，通過可視化的模型和數(shù)據(jù)交互，輔助完成與裝配有關(guān)的工程決策[4]?；赩irtools構(gòu)建火工品虛擬裝配模塊的流程如圖3所示。

（1）通過烘焙處理將3DSMAX軟件中建立的火工品模型和操作場景的材質(zhì)、紋理、燈光等輸出成為貼圖文件，模型的文件以NMO文件格式輸出。其中靜態(tài)模型設(shè)定為對象輸出，動態(tài)模型設(shè)定為虛擬角色輸出。

（2）把NMO文件導(dǎo)入Virtools軟件，選擇對應(yīng)材質(zhì)紋理貼圖，調(diào)整參數(shù)，取得最佳視覺效果。

（3）使用Building Blocks行為模塊（BB模塊）完成模型交互動作的編程，按照操作步驟實現(xiàn)預(yù)定操作。部分模型、材質(zhì)、攝像機可使用腳本語言編程。

（4）對象資源整合，交互界面設(shè)計，完成虛擬裝配軟件模塊。

操作過程中利用鼠標或觸摸屏選取裝配體，進行位置移動、視角旋轉(zhuǎn)，將部件移動到指定位置附近完成裝配。部件裝配序列和裝配過程路徑規(guī)劃，從裝配數(shù)據(jù)庫中根據(jù)部件名稱實時讀取。為協(xié)助受訓(xùn)人員完成裝配，可首先進行虛擬裝配動畫演示，操作過程中配合單步裝配提示。部件裝配過程中的碰撞檢測和裝配體位置距離判斷使用專用BB模塊完成。虛擬裝配操作流程如圖4所示。

3.2 VC與Virtools通訊

Virtools的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊必須在VirtoolsDev軟件平臺下調(diào)用這些功能模塊才能構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。即所有網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點都要用Virtools來開發(fā)，才能構(gòu)建通訊體系[5]。當(dāng)需要Virtools軟件平臺和其它軟件平臺之間進行通訊時，Virtools通訊的局限性就凸顯出來。

在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)中利用Virtools陣列輸出機制完成Virtools與VC之間的信息交互。Virtools陣列用于建立數(shù)據(jù)、時間變量控制等，它由Column（列）和Row（行）組成，在Virtools程序運行時，通過Test和2D Picking行為交互模塊判斷此時被用戶操作的虛擬物體，并將虛擬物體的參數(shù)變化通過SetCell行為交互模塊對陣列的每一個元素及相應(yīng)參數(shù)進行設(shè)置。然后利用Array Save行為交互模塊將數(shù)組數(shù)據(jù)儲存成指定路徑下的文件檔案[6]。完成存儲后利用Windows API 函數(shù)ReadDirectoryChangesW（）實現(xiàn)對指定目錄中文件的監(jiān)控[7]，ReadDirectoryChangesW（）函數(shù)使用CreateFile（）獲取要監(jiān)控目錄的句柄，然后循環(huán)調(diào)用ReadDirectoryChangesW（）判斷文件是否改變，并分配內(nèi)存以存放目錄變化通知并傳給該函數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)文件改變，函數(shù)便把目錄變化通知存放在指定內(nèi)存區(qū)域，并立即讀取文件內(nèi)容進行相應(yīng)處理，處理完成后結(jié)果可再次寫入數(shù)組文件。

Virtools利用Array Load模塊讀取指定路徑的數(shù)組文件，并利用數(shù)組元素完成虛擬物體的控制[8]。陣列輸出機制流程如圖5所示。

3.3 Flash與3DSMAX結(jié)合創(chuàng)建虛擬操作環(huán)境

魚雷武器在發(fā)射準備過程中，操作步驟必須跟隨魚雷武器裝管的過程，操作步驟固定，涉及諸多細微部件的操作。單純使用Virtools建立虛擬環(huán)境，視角變換將消耗大量的系統(tǒng)資源和操作時間，降低操作效率。對于此部分操作，采用Flash軟件與3DSMAX結(jié)合創(chuàng)建虛擬操作環(huán)境。使用3DSMAX為武器各部件和工具建立三維模型，為武器準備過程建立三維動畫，然后將三維動畫導(dǎo)入Flash為FLV文件。使用Flash的Action Scrip函數(shù)來控制動畫的播放順序和播放過程，實現(xiàn)交互操作。利用onEnterFrame函數(shù)對導(dǎo)入的FLV文件進行幀控制[9]，在指定幀暫停視頻，根據(jù)提示信息，使用者從控件工具箱中選擇工具或部件，利用onRelease函數(shù)響應(yīng)鼠標單擊選擇的工具和部件的正確位置，工具和位置選擇正確則視頻繼續(xù)播放，錯誤則顯示提示信息，重新操作。兩種軟件的結(jié)合使用在降低硬件要求的同時，保證虛擬軟件具有三維空間感，操作過程逼真。軟件流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

VR技術(shù)已經(jīng)在軍事領(lǐng)域展示了其顯著的應(yīng)用價值，發(fā)展?jié)摿薮骩10]。本文結(jié)合具體項目，提出了硬件要求低，訓(xùn)練費效比高、功能齊全的某型魚雷虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計方案。利用VR技術(shù)實現(xiàn)模擬實裝訓(xùn)練，降低了訓(xùn)練成本和訓(xùn)練風(fēng)險，提高了訓(xùn)練效率，增強了教學(xué)效果，減少了教學(xué)設(shè)施的建設(shè)投入，極大地提高了參訓(xùn)人員對裝備的駕馭能力。

參考文獻

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