舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究?

（國(guó)防科技大學(xué) 長(zhǎng)沙 410072）

1 引言

舟橋分隊(duì)作為專業(yè)技術(shù)力量，是工程兵的一個(gè)重要組成部分，和平時(shí)期的主要任務(wù)是執(zhí)行抗震救災(zāi)、抗洪搶險(xiǎn)等非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)，而戰(zhàn)時(shí)，其主要任務(wù)是遂行渡河工程保障，確保主戰(zhàn)兵力、兵器克服江河障礙。隨著軍事高科技和新技術(shù)的迅猛發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)透明度被不斷放大，渡場(chǎng)作為整個(gè)環(huán)境中的固定目標(biāo)，其隱蔽和偽裝的困難無(wú)線增大，受敵監(jiān)視和精確打擊的威脅成指數(shù)倍數(shù)增加［1］。舟橋分隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)，其特點(diǎn)是具有突發(fā)性、機(jī)動(dòng)性和快速性，并且連續(xù)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是器材消耗量大，后勤保障、裝備技術(shù)保障任務(wù)繁重等，而戰(zhàn)場(chǎng)情況的激烈變化，使得用于指揮反應(yīng)的時(shí)間被大幅度縮減，這就對(duì)舟橋分隊(duì)指揮員的指揮能力提出了更高要求。

由于舟橋裝備結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，所需實(shí)裝訓(xùn)練保障人員多、物資消耗大，因此無(wú)法針對(duì)指揮員進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練，急需研制針對(duì)指揮員指揮訓(xùn)練的系統(tǒng)。本文以Unity 3D引擎為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)將軍事指揮訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互結(jié)合，利用VR技術(shù)將立體的、可交互的并且具有沉浸性的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境展示出來(lái)，使受訓(xùn)者身臨其境，代入其中，完全沉浸到訓(xùn)練場(chǎng)景中，增強(qiáng)訓(xùn)練效果和戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性［2］。

2 舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于系統(tǒng)的需求分析，結(jié)合功能要求以及Uni?ty 3D開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，分別從表現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)、交互四個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用資源分布以及動(dòng)態(tài)加載的模式，包括訓(xùn)練引導(dǎo)模塊、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模塊、沉浸模塊、交互控制模塊［3］。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3 舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練引導(dǎo)模塊

舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練引導(dǎo)模塊屬于表現(xiàn)層，設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)操作界面可分為訓(xùn)練模式、實(shí)戰(zhàn)模式、回顧模式和觀察模式四個(gè)部分，其中訓(xùn)練模式和回顧模式具有層級(jí)菜單。訓(xùn)練模式包括三個(gè)部分，門橋渡河突發(fā)情況處置訓(xùn)練，浮橋渡河突發(fā)情況處置訓(xùn)練器材裝卸載突發(fā)情況處置訓(xùn)練?；仡櫮Ｊ桨▋蓚€(gè)部分，錯(cuò)誤選擇視頻回放和錯(cuò)誤選擇原因解析［4］。

該模塊的主要作用是給予初次訓(xùn)練的受訓(xùn)者以引導(dǎo)，使之了解系統(tǒng)的基本構(gòu)成，能夠順利的進(jìn)行訓(xùn)練。

4 舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的沉浸模塊

目前可以基本上實(shí)現(xiàn)并且效果較好的即視覺(jué)沉浸和聽(tīng)覺(jué)沉浸，視覺(jué)感知設(shè)備和聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備發(fā)展應(yīng)用較快，相對(duì)完善，而觸覺(jué)感知設(shè)備和嗅覺(jué)感知設(shè)備由于線控和集成板等現(xiàn)實(shí)條件的限制，導(dǎo)致發(fā)展相對(duì)緩慢。為了確保一定的沉浸效果，因而本系統(tǒng)中不涉及觸覺(jué)和嗅覺(jué)沉浸。該模塊主要通過(guò)HTC vive中的頭戴顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括以下三個(gè)部分：頭戴式顯示器、手柄控制器以及定位裝置。VIVE的頭戴式顯示器是一整塊OLED屏，它的單目分辨率為1200*1080，雙目合并分辨率有2160*1200，達(dá)到了2K的標(biāo)準(zhǔn)，有效地降低了畫面的顆粒感，從而使用戶幾乎感覺(jué)不到“紗門效應(yīng)”，并且，頭戴式顯示器擁有90Hz的畫面刷新率，數(shù)據(jù)顯示的延遲時(shí)間為22ms，在實(shí)際體驗(yàn)中幾近為零延遲，因而受訓(xùn)者在訓(xùn)練時(shí)不會(huì)感到眩暈和惡心［5］。

圖2 訓(xùn)練引導(dǎo)模塊設(shè)計(jì)

5 舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模塊

本系統(tǒng)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模塊是使用Multigen creator和Unity3D共同完成的。本模塊中最核心部分是場(chǎng)景建模，能否完美地還原真實(shí)場(chǎng)景中的實(shí)物模型，將直接影響系統(tǒng)最終效果。系統(tǒng)中的三維模型主要包括天空、河流、群山、草地、武器裝備等。由于Multigen creator集成了矢量建模、多邊形建模以及地形生成等多種功能，所以本系統(tǒng)選用其作為建模的主要軟件；Unity3D主要用于管理場(chǎng)景模型以及驅(qū)動(dòng)［6］。

5.1 場(chǎng)景建模

場(chǎng)景建模就是將要仿真的場(chǎng)景與對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)方法將其量化，從而轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的三維對(duì)象數(shù)據(jù)，包括如何獲取紋理以及對(duì)紋理的處理。本文所建立的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型主要包括武器裝備運(yùn)動(dòng)模型、河流運(yùn)動(dòng)模型、地形模型、背景模型等。模型的建立，通常按照如下順序：建立參考平面，幾何建模，紋理映射，制作材質(zhì)，添加特征［7］。

5.1.1 武器裝備運(yùn)動(dòng)模型的建立

在本系統(tǒng)中，涉及到的武器裝備運(yùn)動(dòng)模型相對(duì)較多，無(wú)法逐一列舉，因此這里選取浮橋運(yùn)動(dòng)模型為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。在浮橋運(yùn)動(dòng)模型的建立過(guò)程中，根據(jù)浮橋的數(shù)學(xué)模型，選取一個(gè)平面為參考平面對(duì)浮橋模型進(jìn)行建立，并根據(jù)實(shí)際浮橋的尺寸進(jìn)行建模。由于浮橋是在水流作用下處于實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此要為浮橋的每個(gè)橋節(jié)門橋建立節(jié)點(diǎn)，從而保證浮橋運(yùn)動(dòng)的連貫性與真實(shí)性。

5.1.2 河流運(yùn)動(dòng)模型的建立

相對(duì)于武器裝備模型，河流模型的建相對(duì)較簡(jiǎn)單，重點(diǎn)就是解決河流運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，選取的坐標(biāo)參考面為水平面，相當(dāng)于是基礎(chǔ)面，本場(chǎng)景中的所有模型都必須以河流的參考面為水平面進(jìn)行建模。本文采用節(jié)點(diǎn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)河流的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程建立，河流模型可以根據(jù)不同的場(chǎng)景而變化，如風(fēng)速、陽(yáng)光以及雨雪都會(huì)對(duì)河流模型產(chǎn)生影響。此外，還要對(duì)河流模型采用紋理映射技術(shù)，紋理的清晰程度影響河流的真實(shí)性和美感，而浮橋的所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化都是在河流上進(jìn)行的，所以河流模型最能讓受訓(xùn)者感受到虛擬效果的真實(shí)度。

5.1.3 地形模型的建立

地形模型的建立直接應(yīng)用地形仿真模塊，先將地形的原始真實(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一的數(shù)字高程數(shù)據(jù)格式，然后選擇想要處理的地面區(qū)域，將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠被識(shí)別的控制參數(shù)。此外，本系統(tǒng)中大部分的地形是略高于水平面高度的，因此在設(shè)置時(shí)要緊密設(shè)置，這樣才能保證視覺(jué)效果的真實(shí)性，從而確保受訓(xùn)者的沉浸感。綜合考慮了系統(tǒng)硬件及系統(tǒng)運(yùn)行速率，所支持的邊界匹配類型、多邊形數(shù)量限制以及兼容性等多方面的因素，決定使用算法將數(shù)字高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

5.1.4 背景模型的建立

為確保受訓(xùn)者的沉浸效果，系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、逼真地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行模擬，考慮到系統(tǒng)硬件的限制和系統(tǒng)運(yùn)行速率的要求，因此場(chǎng)景的背景模型通過(guò)天空盒子來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。天空盒子是一張附于巨大球體表面的360°無(wú)縫圖片，受訓(xùn)者的視角就在這個(gè)球的球心，視野非常的遼闊。其占用的資源量非常的小，且設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)速度非?？欤萌皵z像機(jī)即可快速地拍攝全景圖片，用于天空盒子的制作。

5.2 動(dòng)畫制作

在建模完成的基礎(chǔ)上，三維動(dòng)畫制作主要可以分為四步：制作故事版，貼圖的設(shè)置，控制器的設(shè)置，分鏡動(dòng)畫制作。

制作故事版。用已完成的模型，根據(jù)系統(tǒng)的腳本，制作出故事板，主要包括Unity 3D中攝像機(jī)位置擺放、基礎(chǔ)動(dòng)畫、鏡頭時(shí)間設(shè)置等，為下一個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)畫設(shè)置做好準(zhǔn)備。

材質(zhì)貼圖的設(shè)置。材質(zhì)貼圖是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)虛擬模型的一種特殊“化妝”，對(duì)比場(chǎng)景中的真實(shí)物體，對(duì)模型的整體屬性，甚至是紋理、凹凸、反射、折射等細(xì)節(jié)屬性的設(shè)定，從讓戰(zhàn)場(chǎng)虛擬模型更加真實(shí)、更具生命力［9］。

控制器的設(shè)置。根據(jù)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析，對(duì)需要?jiǎng)赢嫷哪Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)畫控制器的綁定，進(jìn)行動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等相關(guān)設(shè)置，提供動(dòng)畫解決方案。

動(dòng)畫制作。在這個(gè)環(huán)節(jié)中需參考系統(tǒng)腳本，根據(jù)故事版的鏡頭和時(shí)間，運(yùn)用動(dòng)畫的基本理論、運(yùn)動(dòng)規(guī)律給角色或其他需要活動(dòng)的對(duì)象制作出每個(gè)鏡頭的動(dòng)畫。

5.3 后期渲染

此時(shí)的三維模型和動(dòng)畫已經(jīng)基本成型，但是與真實(shí)場(chǎng)景還有一些差距，因此還需要對(duì)制作完成的模型、動(dòng)畫進(jìn)行燈光、特效等各方面的處理。

燈光渲染。選擇Unity3D中自帶的平行光光源，此種光源常用在開(kāi)闊的室外模擬場(chǎng)景，它有無(wú)限遠(yuǎn)的光源，光源位置不影響光的效果，只要方向不變，效果都是一樣的，而且光源強(qiáng)度值只跟自身強(qiáng)度值相關(guān)，與距離沒(méi)有關(guān)系，不會(huì)因?yàn)榫嚯x的遠(yuǎn)近而加強(qiáng)或減弱。用平行光光源來(lái)模擬太陽(yáng)，從而使場(chǎng)景中的物體自身產(chǎn)生陰影，使得虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更加逼真。

3D特效。用來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)甚至超越現(xiàn)實(shí)，完成實(shí)際中不能拍攝或者拍攝存在一定風(fēng)險(xiǎn)的，例如反饋動(dòng)畫中的爆炸、燃燒甚至是血肉橫飛的畫面，這些都必須依靠3D特效才能實(shí)現(xiàn)。此外，可以在水面上方適當(dāng)添加霧效，使場(chǎng)景更加貼近戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際［10］。

6 舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的交互控制模塊

交互控制模塊需要HTC VIVE的三部分共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)訓(xùn)練后，集成計(jì)算機(jī)根據(jù)定位裝置實(shí)時(shí)反饋的頭戴顯示器的位置確定受訓(xùn)者的位置與朝向，實(shí)時(shí)計(jì)算生成雙眼觀察到的視景并通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)反饋給受訓(xùn)者。通過(guò)VIVE追蹤器，使得定位裝置Lighthouse能夠?qū)崟r(shí)追蹤受訓(xùn)者的位置與朝向并將數(shù)據(jù)發(fā)送給集成計(jì)算機(jī)以實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景中模型的姿態(tài)變化；受訓(xùn)者根據(jù)頭戴顯示器生成的場(chǎng)景，使用手持控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中移動(dòng)并對(duì)出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行處置，信號(hào)采集傳輸與處理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)訓(xùn)練人員的操作狀態(tài)，及時(shí)將采集到的操作信息反饋到集成計(jì)算機(jī)。操作完畢后，系統(tǒng)生成新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境并通過(guò)頭盔顯示器實(shí)時(shí)反饋給受訓(xùn)者［11］。以本系統(tǒng)為例，舟橋分隊(duì)指揮員從頭戴式顯示器中接收到浮橋渡河時(shí)的突發(fā)情況，因上游水閘被摧毀導(dǎo)致水位的急劇變化，受訓(xùn)者根據(jù)情況選擇認(rèn)為合適的命令選項(xiàng)，爾后計(jì)算機(jī)根據(jù)受訓(xùn)者的選擇生成新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，如部隊(duì)順利渡河或者浮橋被沖毀等，并通過(guò)頭戴顯示器將結(jié)果反饋給受訓(xùn)者，給予其最直觀的感受。

7 結(jié)語(yǔ)

舟橋分隊(duì)突發(fā)情況處置沉浸式指揮訓(xùn)練系統(tǒng)使得受訓(xùn)者能夠在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，將虛擬環(huán)境模擬成真實(shí)訓(xùn)練環(huán)境甚至是實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，為受訓(xùn)者提供了逼真的視覺(jué)反饋和聽(tīng)覺(jué)反饋。本系統(tǒng)具有高沉浸、強(qiáng)交互的特點(diǎn)，可以重復(fù)訓(xùn)練，有效克服了舟橋分隊(duì)指揮訓(xùn)練所需訓(xùn)練保障人員多、物資消耗大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高的缺點(diǎn)，并且能夠?qū)⒄鎸?shí)戰(zhàn)場(chǎng)的血腥和殘酷完美還原，增強(qiáng)了指揮員的心理承受能力，對(duì)于提高舟橋分隊(duì)指揮員的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性和應(yīng)急指揮能力有著很大的幫助［12］。