穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉志偉 李法忠 牛效兵

摘要： 為提高艦艇武器裝備訓(xùn)練保障質(zhì)量，滿足艦艇武器裝備崗位能力訓(xùn)練的實(shí)際需求，引入可穿戴技術(shù)，開發(fā)穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)。研究武器裝備三維模型開發(fā)思路，梳理系統(tǒng)訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)，搭建基于層級(jí)管理架構(gòu)的系統(tǒng)框架，分析系統(tǒng)建設(shè)中需解決的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：武器裝備;可穿戴技術(shù);訓(xùn)練保障;設(shè)計(jì)研究;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）16-0226-03

Abstract： In order to improve the quality of Ship weaponry equipment training and support ，and to meet the actual needs of Ship weaponry equipment post practical training，wearable technology is Introducedtodevelopa wearable multiplayer network virtual reality training system .Research on the development of three-dimensional model of weapon equipment and Sort out systematic training subjects，establish evaluation indicators for training effects，build a system framework based on hierarchical management architecture ，and analyze Key issuesthat need to be addressed in the construction of the system.

Keywords：weaponry;Wearable technology;training support;design research;Key Technologies

艦艇武器裝備多是技術(shù)密集的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝、技術(shù)保障困難，對(duì)人員技術(shù)和工具設(shè)備要求很高。如何讓操作人員順利完成艦艇武器裝備技術(shù)檢查，提高作業(yè)效率、減少操作差錯(cuò)，這是在技術(shù)保障中急需解決的問題。當(dāng)前艦艇武器裝備技術(shù)保障人員的技能訓(xùn)練囿于實(shí)裝和限制條件過多的傳統(tǒng)虛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，限制了訓(xùn)練工作的普及性和有效性，影響了保障人才隊(duì)伍建設(shè)的速度和質(zhì)量。從當(dāng)前的技術(shù)手段和發(fā)展前景來看，將可穿戴式技術(shù)引入武器裝備訓(xùn)練保障中，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，能有效改善訓(xùn)練效率，提高訓(xùn)練質(zhì)量，加快人才隊(duì)伍建設(shè)速度。

1可穿戴技術(shù)簡(jiǎn)介

可穿戴技術(shù)是指探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或者整合進(jìn)用戶衣服或配件的設(shè)備的科學(xué)技術(shù)。其目的是通過內(nèi)在連通性實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)獲取，通過超快的數(shù)據(jù)分享能力高效保持社交聯(lián)系，擺脫傳統(tǒng)的手持設(shè)備而獲得無縫的網(wǎng)絡(luò)訪問體驗(yàn)?？纱┐骷夹g(shù)可以將多媒體、傳感器、無線通信等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，載入可穿戴硬件設(shè)備中，還可通過手勢(shì)、語音、眼部動(dòng)作等多種方式進(jìn)行交互。與傳統(tǒng)智能設(shè)備相比，可穿戴技術(shù)硬件更加輕便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定區(qū)域內(nèi)無持使用。

隨著信息化和智能化技術(shù)手段的不斷發(fā)展，可穿戴技術(shù)的應(yīng)用逐漸進(jìn)入發(fā)展機(jī)遇期。智能手表及手環(huán)、Core運(yùn)動(dòng)追蹤器、3L Lab智能鞋墊、Moverio BT-200智能眼鏡、Avengant Glyph頭戴顯示器等產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)體現(xiàn)了可穿戴技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并在運(yùn)動(dòng)健康、工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

將可穿戴技術(shù)引入艦艇武器裝備訓(xùn)練保障過程，可打破傳統(tǒng)訓(xùn)練保障模式的束縛。高精度手指穿戴式設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用可解決早期VR訓(xùn)練無法進(jìn)行武器準(zhǔn)備手部操作的局限性;可穿戴式電腦和非預(yù)先設(shè)置型VR系統(tǒng)的結(jié)合可解決訓(xùn)練空間限定在較小范圍內(nèi)的問題;基于次世代三維引擎Unreal4三維引擎可實(shí)現(xiàn)更多網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)下低延遲、高響應(yīng)的真實(shí)多人VR訓(xùn)練場(chǎng)景。結(jié)合以上優(yōu)勢(shì)，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，可精確指導(dǎo)操作使用人員進(jìn)行武器裝備單人或多人協(xié)同技術(shù)保障訓(xùn)練，提高操作使用人員培訓(xùn)效率和武器裝備技術(shù)保障效率，可有效促進(jìn)武器裝備伴隨式維修保障能力的快速生成。

2 武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)以艦艇武器裝備為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)武器裝備原理教學(xué)、單人/多人協(xié)同技能訓(xùn)練、考核評(píng)估等功能。研究?jī)?nèi)容主要包括以下方面：

（1）開發(fā)艦艇武器裝備三維模型

收集測(cè)量武器裝備詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)，建立精確三維模型。對(duì)創(chuàng)建完成的模型進(jìn)行上色、賦予材質(zhì)及紋理，然后在虛擬場(chǎng)景中模擬現(xiàn)實(shí)燈光進(jìn)行渲染，通過調(diào)試燈光及材質(zhì)等參數(shù)達(dá)到最佳效果，最后進(jìn)行模型烘焙、貼圖制作，讓模型擁有與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中同樣的視覺效果。按照實(shí)際的裝配流程，實(shí)時(shí)進(jìn)行碰撞檢測(cè)、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理，完成組裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。

（2）梳理訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)艦艇部隊(duì)武器裝備實(shí)際使用情況，結(jié)合訓(xùn)練考核大綱標(biāo)準(zhǔn)與人才培養(yǎng)方案要求，梳理武器裝備單人/多人協(xié)同訓(xùn)練科目。按照部隊(duì)武器裝備操作使用流程和技術(shù)檢查要求，合理分配訓(xùn)練科目模塊，建立通用性強(qiáng)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)高、涵蓋范圍廣的訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)體系。

（3）進(jìn)行項(xiàng)目功能開發(fā)，完成系統(tǒng)集成

基于以上梳理的訓(xùn)練科目、建立的三維模型，開發(fā)研究武器準(zhǔn)備原理教學(xué)、技術(shù)保障單人/多人協(xié)同訓(xùn)練、考核評(píng)估等功能模塊的操作流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，編寫腳本和功能組件。按照業(yè)務(wù)需求，基于高速實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)景之間的切換和數(shù)據(jù)模型集成，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并使各個(gè)模塊之間能彼此協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)集成。

3 穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)擬選用Unreal4作為開發(fā)引擎，采用VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)構(gòu)建一對(duì)多的管理端——操作端模式。根據(jù)艦艇武器裝備崗位任職能力要求，管理端合理選擇設(shè)置不同的訓(xùn)練科目，下發(fā)到操作端，操作端即可選擇不同難易級(jí)別展開訓(xùn)練。操作端訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)可發(fā)送回服務(wù)端實(shí)時(shí)記錄。

武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分，采用層級(jí)管理架構(gòu)，包括硬件設(shè)備層、操作系統(tǒng)層、基礎(chǔ)支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層，如圖1所示。硬件設(shè)備層由高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套、非預(yù)置VR系統(tǒng)等組成。高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步計(jì)算;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的學(xué)員數(shù)據(jù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)、考核數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù);背負(fù)式VR穿戴電腦為系統(tǒng)的VR終端設(shè)備;非預(yù)設(shè)VR系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備;高精度穿戴手套負(fù)責(zé)系統(tǒng)的高精度VR操作輸入。硬件系統(tǒng)布局如圖2所示。

操作系統(tǒng)層規(guī)范管理端和操作端計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，使用Windows7及以上操作系統(tǒng)。

基礎(chǔ)支撐層包括模型庫、素材庫、聲音庫、特效庫、數(shù)據(jù)庫、和其他SDK。模型庫中包括項(xiàng)目所需所有模型文件;素材庫包括各部件的真實(shí)圖片，法向貼圖，剖面圖，示例圖，動(dòng)態(tài)說明，使用動(dòng)畫，示意性及教學(xué)說明性視頻等;聲音庫中包括各種音效、音頻講解等;特效庫包含項(xiàng)目所有功能的特效，如粒子、光影、shader等;數(shù)據(jù)庫中包括個(gè)人ID、ID類型、得分、操作指令集等各種數(shù)據(jù)類型的保存信息;其他SDK包括HTC-Vive設(shè)備SDK和語音系統(tǒng)SDK等。

系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層主要包括管理端和操作端，管理端作為統(tǒng)一管理平臺(tái)，可以管理多個(gè)操作端，操作端主要包括穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套和非預(yù)置VR系統(tǒng)等。

4穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）高精度VR操作輸入技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高精度手部動(dòng)作追蹤和手指操作的同步映射，本系統(tǒng)擬采用具備觸感傳感技術(shù)的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系統(tǒng)和基于VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)，兩種設(shè)備均是新一代可穿戴技術(shù)產(chǎn)品，相關(guān)開發(fā)資料和技術(shù)積累較少。技術(shù)難點(diǎn)是兩者的深度結(jié)合，需要軟件開發(fā)人員深入研究利用手部穿戴系統(tǒng)模擬艦艇武器裝備操作中手部的各類動(dòng)作和響應(yīng)，并在非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)中精確定位。

（2）多人協(xié)同訓(xùn)練時(shí)的通信技術(shù)

系統(tǒng)處于多人協(xié)同訓(xùn)練時(shí)，需要多個(gè)或全部操作端同時(shí)與管理端通信，此時(shí)通信服務(wù)能否順利支持完成系統(tǒng)規(guī)定的各種訓(xùn)練任務(wù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同訓(xùn)練與考核，對(duì)于系統(tǒng)效能的實(shí)現(xiàn)程度至關(guān)重要。本系統(tǒng)通信主要通過發(fā)布——訂閱通信模型實(shí)現(xiàn)臺(tái)位之間的實(shí)時(shí)通信。采用這種編程模型的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化編程模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要采用.Net框架的事件編程（Event/Listener）模型和WCF（Windows Communication Foundation）框架實(shí)現(xiàn)。利用WCF框架實(shí)現(xiàn)雙工通信，利用事件編程模型實(shí)現(xiàn)消息的實(shí)時(shí)分發(fā)。

（3）三維模型輕量化技術(shù)

針對(duì)大量高精度的武器裝備三維模型在系統(tǒng)中調(diào)用速度慢，存儲(chǔ)資源消耗高的問題，擬采用三維模型輕量化技術(shù)，保證在不影響技術(shù)保障體驗(yàn)與工程可用性的前提下，盡可能地降低文件大小，從而降低系統(tǒng)渲染壓力，節(jié)省系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。對(duì)零部件進(jìn)行幾何壓縮，采用XML（Extensible Markup Language）格式來描述模型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)，通過引用的方式以減少冗余。

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