姚壽文，陳 巖

（1.北京理工大學(xué)車輛傳動重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

實驗是高校教學(xué)活動中一個必不可少的環(huán)節(jié)，尤其是對于工科學(xué)生，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)更是至關(guān)重要［1－4］。北京理工大學(xué)軍用車輛工程專業(yè)隸屬武器類專業(yè)，主要教學(xué)和科研方向為軍用車輛設(shè)計和制造，為我國國防事業(yè)和兵器工業(yè)提供了大量的人才。該專業(yè)的實踐教學(xué)受經(jīng)費、場地及實驗條件的限制，很多實車實驗和實物拆裝教學(xué)以及試車駕駛等都無法進(jìn)行。此外，坦克動力特性實驗、懸架性能實驗、運動阻力通過性實驗等實踐類課程［5］占有教學(xué)課程的很大比重。這些實驗的特點是實車試驗費用高、車輛和場地維護(hù)保養(yǎng)繁瑣，大多數(shù)實驗只能是演示性的、學(xué)生無法親自進(jìn)行的實驗。這樣就會導(dǎo)致教學(xué)的交互性差，學(xué)生缺乏實際的動手能力［6－7］。

將視景仿真技術(shù)應(yīng)用到實際的教學(xué)環(huán)節(jié)，利用計算機(jī)輔助設(shè)計、虛擬樣機(jī)技術(shù)、虛擬裝配技術(shù)，構(gòu)建三維視景仿真平臺教學(xué)實驗系統(tǒng)，借助虛擬漫游和人機(jī)交互手段，進(jìn)行坦克虛擬實驗、虛擬拆裝、戰(zhàn)場仿真等內(nèi)容的教學(xué)，可有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的專業(yè)知識水平，增強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和動手能力［8－12］。

1 視景仿真教學(xué)系統(tǒng)組成

根據(jù)功能的需求和分析，視景仿真教學(xué)系統(tǒng)選取了性能優(yōu)秀、技術(shù)先進(jìn)的硬件，搭建了集成化的兩通道視景仿真平臺。該平臺主要由計算機(jī)軟硬件子系統(tǒng)、投影子系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)、交互子系統(tǒng)等幾個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺教學(xué)系統(tǒng)硬件組成圖

該系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的視景仿真技術(shù)，如高性能圖形處理和顯示、高亮度投影、顯示屏幕邊緣融合、色彩校正、光譜立體技術(shù)、集中式數(shù)據(jù)、觸感式音頻及光照控制、高保真度的多通道音頻和視頻回放等，具有一些顯著特點。

（1）計算機(jī)子系統(tǒng)具備強(qiáng)大的圖形處理、數(shù)據(jù)交換及計算能力。系統(tǒng)采用了PC－Cluster架構(gòu)（如圖2所示），使系統(tǒng)更具擴(kuò)展性、易用性和較好的維護(hù)性。該架構(gòu)能多通道渲染、多通道投影，解決了大場景、大模型在單一計算機(jī)上無法渲染、渲染過慢和顯示細(xì)節(jié)粗糙等問題。

圖2 PC－Cluster架構(gòu)示意圖

（2）采用了平板背投兩通道投影系統(tǒng)，實現(xiàn)了車輛1∶1的立體顯示，具備多細(xì)節(jié)特征展示、高分辨率等特征，具備16位精度的幾何誤差校正，通過投影機(jī)內(nèi)部亮度傳感器和控制電路，保證2臺投影機(jī)間的亮度均勻一致，利用DynaColor技術(shù)保證了整個系統(tǒng)所有通道顏色空間的統(tǒng)一。

（3）利用先進(jìn)的中控系統(tǒng)，實現(xiàn)了投影機(jī)、計算機(jī)、音頻、燈光、視頻及機(jī)電設(shè)備等系統(tǒng)整合于一體。同時，該中控系統(tǒng)也集成了虛擬外設(shè)，并可實現(xiàn)桌面式VR 與沉浸式VR 的快速切換。

（4）實現(xiàn)人機(jī)交互功能所需的虛擬外設(shè)齊全，能夠滿足位置跟蹤、漫游、立體圖像觀看和產(chǎn)品虛擬裝配操作等功能。主要由跟蹤定位裝置、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套及多通道音響系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。

（5）本系統(tǒng)采用先進(jìn)的光譜立體技術(shù)（INFITEC），通過采用高質(zhì)量的光波段過濾技術(shù)產(chǎn)生分離的左右眼圖像，從而實現(xiàn)立體顯示，具有適合多種類型的屏幕、不需要發(fā)射器及左右眼圖像不閃爍的優(yōu)點。此外，INFITEC 眼鏡很好地解決了同時觀看立體圖像與LCD 屏幕二維圖像時人眼不適應(yīng)的問題。

本文將視景仿真實驗室的硬件設(shè)施與傳統(tǒng)的教室教學(xué)結(jié)合起來，并對Virtools、Vortex等三維軟件進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)建了三維虛擬實驗室漫游與在線交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)，如圖3所示。

2 視景仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)特點

北京理工大學(xué)視景仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，初步形成了具有鮮明專業(yè)特色和學(xué)科特點的教學(xué)體系、實驗教學(xué)方法、實驗教學(xué)隊伍和實驗室管理模式。作為創(chuàng)新試驗基地，虛擬教學(xué)實驗室的特色體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）服務(wù)專業(yè)與服務(wù)全校相結(jié)合。視景仿真實驗室相關(guān)的教學(xué)和科研活動，大多屬于車輛工程與計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交叉學(xué)科范疇。為充分利用開放實驗室資源，在專業(yè)教學(xué)課程的基礎(chǔ)上，面向全校開設(shè)了2門實驗選修課。它一方面作為“坦克學(xué)”課程的補充和完善，另一方面也可以增強(qiáng)專業(yè)影響力，作為北京理工大學(xué)特色專業(yè)的一個對外窗口。

圖3 視景仿真平臺與在線教學(xué)的融合

（2）工程實踐思維的培養(yǎng)。視景仿真實驗室的相關(guān)實驗教學(xué)設(shè)置，非常注重培養(yǎng)學(xué)生對特定工程問題進(jìn)行分析、調(diào)研、討論、操作、解決的能力，將對研究生教育的方法提早讓本科生接觸，為學(xué)生盡早融入科研隊伍、熟悉創(chuàng)新性研究基本流程和團(tuán)隊氛圍、樹立工程實踐思維打下基礎(chǔ)。

（3）創(chuàng)新教學(xué)、科研融為一體的創(chuàng)新實踐隊伍的建設(shè)。視景仿真實驗室在對學(xué)生進(jìn)行實驗課授課以外，歡迎有潛質(zhì)進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)創(chuàng)新實驗項目，對項目有基礎(chǔ)、有興趣的學(xué)生加入項目組，讓他們提前參與正式科研項目或自擬有發(fā)展前景的實驗項目。這樣，一方面促進(jìn)了創(chuàng)新實踐與科研、工程的緊密結(jié)合，另一方面也為原有科研隊伍提供了新生力量，增加了項目組的活力和創(chuàng)新性。

3 視景仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

視景仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)依托北京理工大學(xué)車輛傳動實驗室視景仿真平臺，可對坦克、裝甲車輛進(jìn)行視景仿真模擬，主要進(jìn)行坦克實車虛擬拆裝、加速性等動力學(xué)實驗、通過性等機(jī)動性實驗以及虛擬駕駛的虛擬教學(xué)實驗，可輔助教師完成“坦克設(shè)計”、“坦克構(gòu)造”等課程教學(xué)任務(wù)。

3.1 坦克虛擬拆裝

通過Pro／E 等三維建模軟件并結(jié)合3ds MAX、Virtools等三維渲染動畫軟件，在視景仿真平臺中建立沉浸式的虛擬裝配環(huán)境，以沉浸式三維交互操作進(jìn)行坦克整車及零部件的虛擬拆裝（見圖4）。在教學(xué)過程中，教師能夠以多角度、多視圖、三維立體的形式講解坦克的構(gòu)造，以直觀的三維立體效果展示整車系統(tǒng)的工作原理。通過虛擬的拆裝演示及交互操作，既可讓學(xué)生深入掌握車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配情況，又能讓課程直觀化、逼真化，同時提高了教學(xué)效果和學(xué)生的理解效果。

圖4 虛擬環(huán)境下坦克拆裝模型

3.2 坦克動力學(xué)實驗

車輛動力性能的主要評價指標(biāo)為車輛的最高車速、加速性能和爬坡性能。在視景仿真虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)中，應(yīng)用Vortex軟件建立坦克車輛的三維模型，并進(jìn)行動力學(xué)仿真（見圖5）。結(jié)合視景仿真系統(tǒng)的三維直觀顯示以及鍵盤等外設(shè)的交互操作，可使學(xué)生直觀、充分地了解坦克的動力學(xué)性能。

3.3 坦克機(jī)動性實驗

坦克機(jī)動性分為戰(zhàn)役機(jī)動性和戰(zhàn)術(shù)機(jī)動性：戰(zhàn)役機(jī)動性是指裝甲集團(tuán)軍的機(jī)動性；而戰(zhàn)術(shù)機(jī)動性以坦克的加速性能、轉(zhuǎn)向性能和通過性能等為主。本教學(xué)實驗基于虛擬環(huán)境建立車體、履帶模型以及實驗用路面模型，并選擇合適的實驗車速進(jìn)行機(jī)動性仿真實驗，從而得到反映坦克機(jī)動性的實驗數(shù)據(jù)，最終在視景仿真系統(tǒng)中讀取這些數(shù)據(jù)，完成通過性虛擬實驗（見圖6）。

圖5 坦克行駛動力學(xué)實驗顯示

圖6 坦克通過性虛擬實驗視景仿真

3.4 裝甲車輛的虛擬駕駛

軍用車輛工程專業(yè)課程設(shè)置中包括坦克、裝甲車輛的駕駛實習(xí)，視景仿真系統(tǒng)中的虛擬駕駛主要利用三維動畫制作軟件Virtools［13－14］對坦克、裝甲車輛虛擬模型進(jìn)行編程（見圖7）和鍵盤式交互操作完成。

圖7 裝甲車輛交互式操作部分腳本程序

4 結(jié)束語

將視景仿真技術(shù)和虛擬實驗運用于課堂教學(xué)之中，是將實驗教學(xué)與課堂理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合的一種新的教學(xué)嘗試。將虛擬教學(xué)的實時性、便捷性與視景仿真的交互性和沉浸性相融合，滿足了傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新的需要。通過視景仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新實驗項目，加深了學(xué)生對坦克、裝甲車輛構(gòu)造與設(shè)計等課程和虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)理論的理解，同時在實驗課進(jìn)行的過程中，穿插集中介紹實驗中必需的基本原理和坦克設(shè)計的基本思想，從而使實踐教學(xué)和理論教學(xué)有機(jī)融合，可有效地鍛煉學(xué)生解決工程問題的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

（

）

［1］郭桂蘋，南岳松.虛擬實驗教學(xué)研究現(xiàn)狀及問題分析［J］.實驗室科學(xué)，2010，13（5）：175－178.

［2］黃鑫.基于VR 技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究［J］.江西教育學(xué)院學(xué)報，2008，29（3）：50－52.

［3］孫燕蓮，文福安.虛擬實驗教學(xué)的探索和實踐［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（4）：131－132.

［4］劉楚蕓，陳國棟，楊金泉，等.虛擬教學(xué)系統(tǒng)的研究與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2005，22（1）：25－27.

［5］閆清東，張連第，趙毓芹，等.坦克構(gòu)造與設(shè)計［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

［6］彭曉軍，史美萍，賀漢根.虛擬環(huán)境中裝甲車輛運動仿真的研究［J］.計算機(jī)仿真，2004，21（2）：28－31.

［7］王濤，李宏才，閆清東.車輛綜合傳動裝置虛擬裝配研究［J］.車輛與動力技術(shù)，2009（4）：16－19.

［8］魏巍，閆清東，王濤.全虛擬設(shè)計評價體系在坦克設(shè)計中的應(yīng)用探討［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（9）：88－92.

［9］江發(fā)潮，曹正清，遲瑞娟.車輛傳動系虛擬實驗系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34（1）：14－17.

［10］周云波，李宏才，閆清東.坦克機(jī)動性虛擬實驗研究［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2006，9（5）：83－86.

［11］魏巍，陶文錦，閆清東.基于視景仿真技術(shù)的虛擬實驗室教學(xué)信息平臺系統(tǒng)［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（3）：78－81.

［12］李慎龍，姚壽文，閆清東.車輛傳動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)集成設(shè)計平臺研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15（2）：245－249.

［13］劉明昆.三維游戲設(shè)計師寶典：Virtools開發(fā)工具篇［M］.四川：四川電子音像出版中心，2005.

［14］徐英欣，王丹東，胥林.Virtools虛擬裝配制作實例［M］.北京：電腦報電腦音像出版社，2009.