艦艇武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)設計

牛效兵 劉志偉 白洪寶

摘 要：為提高艦艇武器裝備訓練保障質量，滿足艦艇武器裝備崗位能力訓練的實際需求，引入可穿戴技術，開發(fā)多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)。研究武器裝備三維模型開發(fā)思路，梳理系統(tǒng)訓練科目，建立訓練效果評估指標，搭建基于層級管理架構的系統(tǒng)框架，分析系統(tǒng)建設中需解決的關鍵問題。

關鍵詞：武器裝備;穿戴技術

艦艇武器裝備多是技術密集的大型復雜機電系統(tǒng)，內部結構復雜，拆裝、技術保障困難，對人員技術和工具設備要求很高。如何讓操作人員順利完成艦艇武器裝備技術檢查，提高作業(yè)效率、減少操作差錯，這是在技術保障中急需解決的問題。當前艦艇武器裝備技術保障人員的技能訓練囿于實裝和限制條件過多的傳統(tǒng)虛模擬訓練系統(tǒng)，限制了訓練工作的普及性和有效性，影響了保障人才隊伍建設的速度和質量。從當前的技術手段和發(fā)展前景來看，將可穿戴式技術引入武器裝備訓練保障中，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)，能有效改善訓練效率，提高訓練質量，加快人才隊伍建設速度。

1 可穿戴技術簡介

可穿戴技術是指探索和創(chuàng)造能直接穿在身上、或者整合進用戶衣服或配件的設備的科學技術。其目的是通過內在連通性實現(xiàn)快速數(shù)據獲取，通過超快的數(shù)據分享能力高效保持社交聯(lián)系，擺脫傳統(tǒng)的手持設備而獲得無縫的網絡訪問體驗。可穿戴技術可以將多媒體、傳感器、無線通信等技術進行有機融合，載入可穿戴硬件設備中，還可通過手勢、語音、眼部動作等多種方式進行交互。與傳統(tǒng)智能設備相比，可穿戴技術硬件更加輕便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定區(qū)域內無持使用。

將可穿戴技術引入艦艇武器裝備訓練保障過程，可打破傳統(tǒng)訓練保障模式的束縛。高精度手指穿戴式設備的實際應用可解決早期VR訓練無法進行武器準備手部操作的局限性;可穿戴式電腦和非預先設置型VR系統(tǒng)的結合可解決訓練空間限定在較小范圍內的問題;基于三維引擎Unreal4可實現(xiàn)更多網絡結點下低延遲、高響應的真實多人VR訓練場景。結合以上優(yōu)勢，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)，可精確指導操作使用人員進行武器裝備單人或多人協(xié)同技術保障訓練，提高操作使用人員培訓效率和武器裝備技術保障效率，可有效促進武器裝備伴隨式維修保障能力的快速生成。

2 系統(tǒng)建設內容

艦艇武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)以艦艇武器裝備為研究對象，實現(xiàn)武器裝備原理教學、單人/多人協(xié)同技能訓練、考核評估等功能。研究內容主要包括以下方面：

（1）開發(fā)艦艇武器裝備三維模型

收集測量武器裝備詳細的尺寸數(shù)據，建立精確三維模型。對創(chuàng)建完成的模型進行上色、賦予材質及紋理，然后在虛擬場景中模擬現(xiàn)實燈光進行渲染，通過調試燈光及材質等參數(shù)達到最佳效果，最后進行模型烘焙、貼圖制作，讓模型擁有與現(xiàn)實環(huán)境中同樣的視覺效果。按照實際的裝配流程，實時進行碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理，完成組裝結構創(chuàng)建。

（2）梳理訓練科目，建立訓練效果評估指標

針對艦艇部隊武器裝備實際使用情況，結合訓練考核大綱標準與人才培養(yǎng)方案要求，梳理武器裝備單人/多人協(xié)同訓練科目。按照部隊武器裝備操作使用流程和技術檢查要求，合理分配訓練科目模塊，建立通用性強、評價標準高、涵蓋范圍廣的訓練效果評估指標體系。

（3）進行項目功能開發(fā)，完成系統(tǒng)集成

基于以上梳理的訓練科目、建立的三維模型，開發(fā)研究武器準備原理教學、技術保障單人/多人協(xié)同訓練、考核評估等功能模塊的操作流程和業(yè)務數(shù)據，編寫腳本和功能組件。按照業(yè)務需求，基于高速實時仿真數(shù)據總線，實現(xiàn)各場景之間的切換和數(shù)據模型集成，使資源達到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并使各個模塊之間能彼此協(xié)調工作，完成系統(tǒng)集成。

3 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

選用Unreal4作為開發(fā)引擎，采用VIVE COSMOS的非預設型VR系統(tǒng)構建一對多的管理端----操作端模式。根據艦艇武器裝備崗位任職能力要求，管理端合理選擇設置不同的訓練科目，下發(fā)到操作端，操作端即可選擇不同難易級別展開訓練。操作端訓練過程數(shù)據可發(fā)送回服務端實時記錄。

艦艇武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分，采用層級管理架構，包括硬件設備層、操作系統(tǒng)層、基礎支撐層和系統(tǒng)應用業(yè)務層。

硬件設備層由高性能統(tǒng)一渲染服務器、數(shù)據庫服務器、穿戴式背負電腦、穿戴式手套、非預置VR系統(tǒng)等組成。高性能統(tǒng)一渲染服務器用于進行網絡同步計算;數(shù)據庫服務器存儲系統(tǒng)的學員數(shù)據、場景數(shù)據、考核數(shù)據、訓練數(shù)據;背負式VR穿戴電腦為系統(tǒng)的VR終端設備;非預設VR系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)實顯示設備;高精度穿戴手套負責系統(tǒng)的高精度VR操作輸入。

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

系統(tǒng)應用業(yè)務層主要包括管理端和操作端，管理端作為統(tǒng)一管理平臺，可以管理多個操作端，操作端主要包括穿戴式背負電腦、穿戴式手套和非預置VR系統(tǒng)等。

4 關鍵技術

（1）高精度VR操作輸入技術

為實現(xiàn)高精度手部動作追蹤和手指操作的同步映射，可采用具備觸感傳感技術的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系統(tǒng)和基于VIVE COSMOS的非預設型VR系統(tǒng)，兩種設備均是新一代可穿戴技術產品，相關開發(fā)資料和技術積累較少。技術難點是兩者的深度結合，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作和響應，并在非預設型VR系統(tǒng)中精確定位。

（2）多人協(xié)同訓練時的通信技術

系統(tǒng)處于多人協(xié)同訓練時，需要多個或全部操作端同時與管理端通信，此時通信服務能否順利支持完成系統(tǒng)規(guī)定的各種訓練任務，實現(xiàn)協(xié)同訓練與考核，對于系統(tǒng)效能的實現(xiàn)程度至關重要。通信可通過發(fā)布—訂閱通信模型實現(xiàn)臺位之間的實時通信。采用這種編程模型的優(yōu)勢在于簡化編程模型，同時實現(xiàn)高性能的網絡通信。

（3）三維模型輕量化技術

針對大量高精度的武器武器裝備三維模型在系統(tǒng)中調用速度慢，存儲資源消耗高的問題，擬采用三維模型輕量化技術，保證在不影響技術保障體驗與工程可用性的前提下，盡可能的降低文件大小，從而降低系統(tǒng)渲染壓力，節(jié)省系統(tǒng)存儲空間。對零部件進行幾何壓縮，采用XML格式來描述模型產品結構和屬性數(shù)據，通過引用的方式以減少冗余。

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作者簡介：

牛效兵，海軍士官學校兵器系副教授.

劉志偉，海軍士官學校兵器系講師.

白洪寶，海軍士官學校兵器系講師.

（海軍士官學校? 安徽? 蚌埠? 233012）