張李杰，孫文磊，趙 群

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手榴彈投擲安全施訓(xùn)研究*

張李杰，孫文磊，趙 群

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

分析了目前手榴彈投擲訓(xùn)練存在的一些問(wèn)題和研究方法，模擬仿真了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、N-vision平臺(tái)、3ds Max以及JACK建立的手榴彈實(shí)彈投擲場(chǎng)景，再現(xiàn)優(yōu)秀訓(xùn)練者的技術(shù)動(dòng)作和細(xì)微環(huán)節(jié)、教練員的意圖，采用交互漫游，增強(qiáng)了沉浸感，從而提高訓(xùn)練質(zhì)量，降低安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)，手榴彈投擲，模擬仿真

引言

手榴彈投擲作為軍事訓(xùn)練大綱規(guī)定的必訓(xùn)內(nèi)容，是培養(yǎng)軍人良好心理素質(zhì)和適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)能力的重要訓(xùn)練手段。如何降低實(shí)彈投擲的安全風(fēng)險(xiǎn)，避免不必要的人員傷亡，顯得十分必要。張志等［1］就實(shí)彈投擲場(chǎng)地設(shè)置進(jìn)行研究，提出了三角形、弧形、馬蹄形、“山”字形4種布局較合理的投擲掩體。張永民等［2］對(duì)手榴彈投擲技術(shù)進(jìn)行了生物力學(xué)分析，提出了針對(duì)投擲姿勢(shì)中不合理因素的改進(jìn)方法。楊玉忠等［3］對(duì)實(shí)彈投擲時(shí)學(xué)員心理能量控制進(jìn)行研究，提出應(yīng)結(jié)合技術(shù)訓(xùn)練有意識(shí)地加強(qiáng)心理耐力訓(xùn)練，合理分配和調(diào)控心理能量。郝朝輝等［4］就如何預(yù)防實(shí)彈投擲訓(xùn)練中的事故，提出了合理布置場(chǎng)地、嚴(yán)密現(xiàn)場(chǎng)組織、加強(qiáng)受訓(xùn)者適應(yīng)性、妥善處理不炸彈和剩彈等6點(diǎn)建議。

1 手榴彈投擲訓(xùn)練中存在的問(wèn)題

手榴彈投擲訓(xùn)練的好壞直接影響著實(shí)彈投擲的質(zhì)量，因此，實(shí)彈投擲前的訓(xùn)練非常重要。傳統(tǒng)訓(xùn)練出于安全和經(jīng)濟(jì)的考慮，一般使用質(zhì)量和外形都與實(shí)彈非常相近的訓(xùn)練彈，簡(jiǎn)單易行，且可重復(fù)使用，但彈體投擲后無(wú)聲、光爆炸效果，在實(shí)彈投擲中，戰(zhàn)士不免會(huì)出現(xiàn)心理緊張，易引發(fā)安全事故。為了增強(qiáng)投擲訓(xùn)練的真實(shí)感，國(guó)外已經(jīng)研制和使用了專門用來(lái)訓(xùn)練的手榴彈，可以產(chǎn)生爆炸聲和碎片，但引信組件在使用完一次后需要更換，不利于節(jié)省開支和節(jié)約資源［5］。

隨著以計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，很大程度上解決了作戰(zhàn)訓(xùn)練中的一些實(shí)際問(wèn)題，因此引起當(dāng)今各國(guó)軍隊(duì)的極大興趣，被視為信息時(shí)代提高作戰(zhàn)效能和加強(qiáng)軍隊(duì)質(zhì)量建設(shè)的有效途徑。美軍于上世紀(jì)70年代末開始將模擬訓(xùn)練器材應(yīng)用于部隊(duì)訓(xùn)練，既避免了實(shí)兵、實(shí)車、實(shí)彈等帶來(lái)的武器、彈藥訓(xùn)練損耗，節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)，又保證了人身安全。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互，具有沉浸性、交互性和想象性［6］。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的影響也將會(huì)越來(lái)越大［7］。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手榴彈投擲訓(xùn)練設(shè)計(jì)

通常CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的模型是靜態(tài)的，本文采用3ds MAX建立環(huán)境模型、JACK創(chuàng)建符合我國(guó)人體特征的虛擬人，然后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。通過(guò)加入事件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，視點(diǎn)變換等操作，營(yíng)造一個(gè)開放的環(huán)境，訓(xùn)練者通過(guò)視景系統(tǒng)和輸入（如手勢(shì)，語(yǔ)言命令）作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。如圖1所示為搭建的視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

視景系統(tǒng)按照工作原理分為點(diǎn)光源投影系統(tǒng)、電影膠片投影系統(tǒng)、沙盤-閉路電視系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)。N-vision是基于PC環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)景模擬系統(tǒng)軟件，面向虛擬裝配、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬手術(shù)、虛擬維修、虛擬產(chǎn)品展示等科學(xué)可視化領(lǐng)域而開發(fā)的，支持各種虛擬現(xiàn)實(shí)外部硬件設(shè)備輸入和多種立體模式的立體投影輸出；支持自動(dòng)漫游、手動(dòng)漫游、自定義漫游軌跡路徑和骨骼動(dòng)畫、位移動(dòng)畫、變形動(dòng)畫，并且擁有較好的兼容性。圖2為利用搭建的N-vision平臺(tái)，進(jìn)行手榴彈訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

2.1 手榴彈投擲訓(xùn)練場(chǎng)地的構(gòu)建

構(gòu)建場(chǎng)地模型時(shí)應(yīng)該盡可能地接近實(shí)際投擲場(chǎng)地，以此增強(qiáng)訓(xùn)練者實(shí)彈投擲時(shí)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，降低緊張感和焦慮感。建?？墒褂肬G、Maya、、Pro/E等三維軟件，鑒于3ds Max對(duì)PC系統(tǒng)的配置要求低、具有強(qiáng)大的角色動(dòng)畫能力、堆疊建?？少x予模型非常大的彈性等特點(diǎn)，本文采用3ds MAX對(duì)手榴彈和場(chǎng)地建模，為了達(dá)到更加逼真的效果，建模后進(jìn)行VR渲染。圖3和圖4分別為渲染后的手榴彈模型和實(shí)彈投擲場(chǎng)地的模型。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 手榴彈模型

圖4 實(shí)彈投擲場(chǎng)地模型

2.2 虛擬人體模型的創(chuàng)建

虛擬人（Visual Human）是通過(guò)數(shù)字技術(shù)模擬真實(shí)人體的三維模型。虛擬人的研究美國(guó)最先進(jìn)行，如今，我國(guó)是繼美國(guó)、韓國(guó)之后，世界上第3個(gè)擁有本國(guó)虛擬人數(shù)據(jù)庫(kù)的國(guó)家。虛擬人體的建模方法有：線框建模、實(shí)體建模、曲面建模等，本文采用的是JACK軟件庫(kù)里的人體模型。JACK作為人因仿真分析軟件中的佼佼者，最初是賓夕法尼亞大學(xué)人體建模和仿真中心的研發(fā)項(xiàng)目，后經(jīng)普渡大學(xué)、密西根大學(xué)參與改進(jìn)，如今具有仿真度更高的數(shù)字人體模型，新的測(cè)量工具及新的人因分析工具，可以創(chuàng)建更加符合現(xiàn)實(shí)的仿真分析。利用Jack可以根據(jù)實(shí)際人體的情況，創(chuàng)建不同身體尺寸和性別的三維人體模型以及實(shí)體模型［8］。下頁(yè)圖5所示為創(chuàng)建的4種不同身高、體重的人體模型。

圖5 虛擬人體模型

3 N-vision平臺(tái)交互

場(chǎng)景模型和人體模型需要在統(tǒng)一的平臺(tái)完成交互，由于3ds Max、JACK交互行為不足，因此，要導(dǎo)入N-vision平臺(tái)中進(jìn)一步的完善。首先將JACK中的人體模型導(dǎo)出為.wrl格式，導(dǎo)入到3ds max創(chuàng)建好的訓(xùn)練場(chǎng)景模型中，根據(jù)實(shí)際的訓(xùn)練場(chǎng)景，調(diào)整好人體的位置和姿勢(shì)，加入合適的燈光和攝像機(jī)，根據(jù)實(shí)際投擲的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，設(shè)置投擲前、投擲中、投擲后的關(guān)鍵幀，制作動(dòng)畫，而后以統(tǒng)一的.ive格式導(dǎo)入到N-vision平臺(tái)中。從N-vision平臺(tái)再次打開路徑文件，選擇立體通道顯示，通過(guò)佩戴好的3D眼鏡，就可以觀測(cè)出手榴彈投擲訓(xùn)練環(huán)境，帶給訓(xùn)練者身臨其境的感覺。圖6～圖8分別為環(huán)形屏幕顯示投擲開始、投擲中、投擲后的正視和左視圖。

圖6 實(shí)彈投擲開始正視和左視圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，利用3ds Max、JACK三維建模和人因工程軟件以及N-vision平臺(tái)，模擬仿真了手榴彈投擲訓(xùn)練的情景。場(chǎng)景的仿真漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)的一個(gè)重要手段，系統(tǒng)從實(shí)體的模型建起，直至整個(gè)場(chǎng)景的渲染，注重細(xì)節(jié)尺寸，完整地展現(xiàn)了手榴彈投擲訓(xùn)練，更好地表達(dá)了教練員的訓(xùn)練意圖，提高了安全施訓(xùn)的效率。

圖7 實(shí)彈投擲中正視和左視圖

圖8 實(shí)彈投擲后正視和左視圖

［1］張 志，李炳志，張居群.手榴彈實(shí)彈投擲場(chǎng)地設(shè)置探究［J］.軍事體育進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，28（2）：83-85.

［2］張永民，倪俊榮，任文軒，等.手榴彈投擲技術(shù)的生物力學(xué)分析［J］.解放軍體育學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（2）.

［3］楊玉忠，秦 鍵，俠文強(qiáng)，等.手榴彈實(shí)彈投擲時(shí)學(xué)員心理能量控制的問(wèn)題研究［J］.體育世界（學(xué)術(shù)版），2007（8）：43-46.

［4］郝朝輝，呂占廣.手榴彈實(shí)彈投擲訓(xùn)練中事故的預(yù)防［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012（2）：22-23.

［5］段志薇，張 亞.軍用模擬聲響訓(xùn)練手榴彈［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2008，29（4）：35-36.

［6］李 敏，韓 豐.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述［J］.軟件導(dǎo)刊，2010（6）：142-144.

［7］王 亞，湯萬(wàn)剛，羅代升.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的影響［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2005，33（4）：68-72.

［8］鈕建偉，張 樂(lè).JACK人因工程基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［9］李麗榮，陸宇平，王彥民.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2005，9（3）：49-53.

Grenade Throwing Based on Virtual Reality Technology Research on Safety

ZHANG Li-jie，SUN Wen-lei，ZHAO Qun

（College of Mechanical Engineering，Xinjiang University Wulumuqi 830047，China）

Some problems currently existing in grenade throwing training and research methods are analyzed，simulation is based on virtual reality technology，N-vision platform，3 ds Max and JACK built grenades live scenes，represent the best trainer of technical action and subtle link，the intention of coaches，adopting interactive roaming，strengthens the immersive，so as to improve the quality of training，reduce the risk of potential safety concerns.

virtual reality，grenade thrown，simulation

TP37

A

1002-0640（2014）10-0186-03

2013-08-09

2013-10-07

新疆制造業(yè)重大科研基金資助項(xiàng)目（201130110）

張李杰（1987- ），男，陜西漢中人，碩士研究生。研究方向：CAD/CAM及先進(jìn)制造技術(shù)方面的研究。