【裝備理論與裝備技術(shù)】

一種武器裝備虛擬訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)方法及其應(yīng)用

胡松偉1，雷波2

(1.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連116023； 2.海軍潛艇學(xué)院 訓(xùn)練部，山東 青島266044)

摘要：在“對(duì)象-行為-條件-響應(yīng)-狀態(tài)”虛擬訓(xùn)練原型基礎(chǔ)上，采用輕量化的三維引擎，外觀與機(jī)理相結(jié)合對(duì)武器裝備的操作使用進(jìn)行建模仿真，建立了“任務(wù)-動(dòng)作”雙層任務(wù)管理機(jī)構(gòu)和基于AHP權(quán)重累加的虛擬操作分析評(píng)估模型，對(duì)復(fù)雜模型分層規(guī)劃控制與優(yōu)化，形成一整套虛擬訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)解決方案，既可單人也可多人協(xié)同訓(xùn)練、既可自主學(xué)習(xí)也可引導(dǎo)訓(xùn)練、既可配置科目也可量化考核評(píng)估，滿足裝備操作訓(xùn)練需求，在新武器裝備的操作培訓(xùn)中成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬訓(xùn)練平臺(tái)；開發(fā)方法；解決方案

收稿日期：2014-06-17

作者簡介：胡松偉(1976—)，男，工程師，主要從事武器裝備試驗(yàn)技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.010

中圖分類號(hào)：TJ301

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0035-03

本文引用格式：胡松偉，雷波.一種武器裝備虛擬訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)方法及其應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):35-37.

Citationformat:HUSong-wei,LEIBo.DevelopingMethodandApplicationofVirtualRealityTrainingApparatusforWeaponEquipment[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):35-37.

DevelopingMethodandApplicationofVirtualRealityTraining

ApparatusforWeaponEquipment

HUSong-wei1, LEI Bo2

(1.The91550thTroopofPLA,Dalian116023,China;

2.TrainingDepartment,NavySubmarineCollege,Qingdao266044,China)

Abstract:A method of weapon equipment VR training apparatus based on the “Object-Behavior-Condition-Respond-Status” prototype was provided, in which the lightweight 3D engine was adopted, and the operational use modeling and simulation by the combination of appearance and mechanism of weapon equipment were proceeded, a “task-action” double task management mechanism and a Virtual operating analysis evaluation model based on AHP weight accumulation were established to have a hierarchical planning control and optimization of complex model in order to form a set of virtual training platform development solutions with which a single or multi person cooperative training can be proceeded. People can use it to do self-regulated learning or as a training guide, and the subjects also can be quantified assessment or can be configured. It can meet the demand of equipment operation training and can be successfully applied in the new weapons and equipment operation training.

Keywords：VRtrainingapparatus;developingmethod;solution

虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化、體系化發(fā)展階段，分布式交互仿真系統(tǒng)在虛擬訓(xùn)練方面得到了廣泛應(yīng)用，其訓(xùn)練效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)多媒體電化教材[1-3]。本文構(gòu)建了一種裝備虛擬訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)的通用開發(fā)方法，成功應(yīng)用于武器裝備的實(shí)時(shí)交互仿真訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其開發(fā)方法可以在裝備培訓(xùn)過程中予以借鑒和應(yīng)用。

1裝備虛擬訓(xùn)練平臺(tái)

1.1虛擬訓(xùn)練平臺(tái)的通用要求

虛擬訓(xùn)練平臺(tái)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)交互仿真網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)，用于裝備的操作培訓(xùn)，使得不同的崗位操作手能在同一場景中操控虛擬裝備對(duì)象，通過虛擬環(huán)境獲得裝備的操作使用技能[2]。

虛擬訓(xùn)練平臺(tái)應(yīng)能提供與實(shí)裝功能一致的虛擬訓(xùn)練裝備和軟件，對(duì)操作人員在操作過程中做出的一系列決策和動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，提供逼真的顯示效果和操作感受；虛擬裝備、虛擬場景、模型精細(xì)程度達(dá)到操作訓(xùn)練的需求，用戶既可以使用平臺(tái)系統(tǒng)提供的虛擬場景、裝備、軟件模型，也可以開發(fā)自定義的虛擬場景/裝備/軟件；支持裝備操作使用人員自主學(xué)習(xí)、單人交互操訓(xùn)和多人協(xié)同訓(xùn)練，協(xié)同對(duì)象可以是受訓(xùn)人員也可是系統(tǒng)虛擬的對(duì)象；能夠提供自由瀏覽和引導(dǎo)模式下的虛擬交互式學(xué)習(xí)，也可限定操作步驟進(jìn)行訓(xùn)練考核；根據(jù)需要配置各種難度的訓(xùn)練科目，量化訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)操作人員進(jìn)行全面培訓(xùn)；具有監(jiān)控管理訓(xùn)練功能，實(shí)時(shí)記錄訓(xùn)練即時(shí)信息庫，利用訓(xùn)練考評(píng)系統(tǒng)對(duì)操作手的操作質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估[3]。

1.2圖形學(xué)上的技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵

進(jìn)行裝備虛擬訓(xùn)練平臺(tái)開發(fā)，必須要做到仿的“像”、機(jī)理模型“真”、評(píng)估效果“可信”。為復(fù)雜的裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)輕量化的多用戶共享虛擬場景框架，難點(diǎn)在于三維空間數(shù)據(jù)組織[4]。需要采用“低模高貼”、烘焙預(yù)渲染、控制模型面數(shù)、基于包圍盒的碰撞檢測、層次細(xì)節(jié)、場景幾何剖分、復(fù)雜模型優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)組織，通過建立包括虛擬場景模型、虛擬裝備模型和嵌入式模擬軟件三類模型，實(shí)現(xiàn)場景、裝備、軟流程的數(shù)字化完美集成。

2虛擬訓(xùn)練解決方案

2.1諸訓(xùn)練要素的向量表述

為了描述諸訓(xùn)練要素之間的關(guān)系，便于圖形美工和程序員之間的溝通和開發(fā)項(xiàng)目的工程化管理，引入包含“對(duì)象-行為-條件-響應(yīng)-狀態(tài)” 擴(kuò)展語義的向量表述，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)圖描述，可以稱之為虛擬訓(xùn)練原型向量，如圖1所示。

圖1　虛擬訓(xùn)練原型向量

其中，交互對(duì)象可以是虛擬裝備整機(jī)或零部件，即交互對(duì)象的名稱、屬性和方法、交互類型、交互方式、交互提示、合法性判定以及操作記錄、操作反饋；行為則主要是用戶參與操作動(dòng)作的圖形學(xué)表示，如角色的動(dòng)作、工具移動(dòng)旋轉(zhuǎn)、訓(xùn)練流程轉(zhuǎn)換、更換使用求助類型等；條件即是對(duì)象和行為的狀態(tài)約束、裝配約束、同步約束以及操作響應(yīng)觸發(fā)條件，在條件判斷后，滿足條件則啟動(dòng)交互對(duì)象行為動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)束則改變其狀態(tài)標(biāo)記，否則進(jìn)行相應(yīng)的誤操作處理；響應(yīng)即根據(jù)對(duì)角色消息隊(duì)列播控角色動(dòng)畫，執(zhí)行或者恢復(fù)操作中斷，即時(shí)更新幫助提示信息以及即時(shí)操作信息入庫。

對(duì)于用戶，角色Character可以簡單理為在虛擬場景中的化身，無論它是用戶的替身Avatar還是NPC； 對(duì)于服務(wù)器，角色可以理解為所有用戶對(duì)象的代理Role，除了Avatar和NPC之外，還包括系統(tǒng)內(nèi)所有3D模型以及數(shù)據(jù)庫對(duì)象，因?yàn)橛械挠脩艨赡馨匆幌掳粹o、一個(gè)簡單的鍵盤操作或者使用一個(gè)工具。在具體虛擬場景環(huán)境下，虛擬角色指的不一定是人物，也可以是三維實(shí)體對(duì)象或軟件界面中的控件。

2.2“任務(wù)-動(dòng)作”雙層任務(wù)管理機(jī)構(gòu)

本文結(jié)合實(shí)裝操作流程，將訓(xùn)練分解為簡單的“任務(wù)-動(dòng)作(Task-Action)”雙層機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理。即將某科目的操作訓(xùn)練進(jìn)行雙層分解：首先將科目分解為Task1，Task2… TaskM等M個(gè)“任務(wù)”，構(gòu)建Task流程表，每一個(gè)Task對(duì)應(yīng)一個(gè)場景，再根據(jù)實(shí)裝的操作步驟將每一個(gè)Taski分解為Action1，Action2…ActionN等N個(gè)“動(dòng)作”；其次，根據(jù)虛擬任務(wù)Task流程表(圖2)，規(guī)劃好Task對(duì)應(yīng)的虛擬訓(xùn)練場景；再次，針對(duì)每一個(gè)規(guī)劃好的虛擬訓(xùn)練場景，構(gòu)建虛擬操作步Action，預(yù)設(shè)同步機(jī)制；最后，采用多線程渲染幀同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)場景內(nèi)關(guān)聯(lián)對(duì)象的變化及訓(xùn)練同步。

圖2　虛擬交互任務(wù) Task流程

2.2.1交互類型

虛擬交互可以劃分為以下5類：角色間交互、與虛擬場景的交互、與虛擬裝備的交互、軟流程交互、交互/漫游模式切換。角色間交互就是指各崗位的用戶間通過網(wǎng)絡(luò)語音組內(nèi)同步完成實(shí)時(shí)對(duì)話和操作信息的同步提示等；與虛擬場景的交互就是指服務(wù)器與注冊(cè)用戶所登錄的場景加載、切換、同步，多用戶共享虛擬場景和虛擬裝備的同步與交互由網(wǎng)絡(luò)引擎來實(shí)現(xiàn)；與虛擬裝備的交互就是指本文以模型動(dòng)畫對(duì)裝備的物理運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，提供操作的多媒體體驗(yàn)，角色動(dòng)畫支持矩陣動(dòng)畫、紋理動(dòng)畫、關(guān)節(jié)動(dòng)畫、骨骼動(dòng)畫、路徑動(dòng)畫、柔體動(dòng)畫、粒子動(dòng)畫、消隱動(dòng)畫等動(dòng)畫類型；軟流程交互就是指虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過各種動(dòng)畫以及特效等模擬完成直觀的物理操作，比如對(duì)于自動(dòng)化測試系統(tǒng)以嵌入式軟件模式進(jìn)行軟流程訓(xùn)練。一般經(jīng)授權(quán)的注冊(cè)用戶登錄系統(tǒng)后，缺省的場景模式為漫游模式，用戶使用自由相機(jī)，架設(shè)在用戶的頭部眼睛位置，用戶可以利用自由相機(jī)漫游至操作崗位，也可以由快捷鍵一鍵抵達(dá)操作崗位，即切換為目標(biāo)點(diǎn)相機(jī)。

2.2.2外觀和機(jī)理建模

虛擬裝備建模包括虛擬裝備外觀建模和機(jī)理建模。外觀模型可以劃分為感官模型和幾何結(jié)構(gòu)建模兩部分。感官模型要做到看起顏色材質(zhì)紋理貼圖跟實(shí)裝一致；幾何結(jié)構(gòu)全尺寸建模；采用“樹型控件”描述法對(duì)復(fù)雜裝備模型進(jìn)行分層規(guī)劃；采用“層次結(jié)構(gòu)”描述機(jī)理模型[3]；建模起始階段即對(duì)面數(shù)進(jìn)行控制，否則會(huì)造成三維引擎性能低下。平臺(tái)系統(tǒng)提供三類虛擬場景：第一類是真實(shí)?？丈降貫楸尘暗奶摂M場景；第二類是技術(shù)準(zhǔn)備工房內(nèi)景；第三類是方艙結(jié)構(gòu)場景，用戶也可根據(jù)需要開發(fā)自定義場景。

2.2.3嵌入式模擬訓(xùn)練軟件

平臺(tái)系統(tǒng)采用嵌入式模擬訓(xùn)練軟件，開發(fā)了基于LabWindowsCVI或者LabView虛擬儀器的接口，提供“浸入式操作”和“孤立軟操作”兩種工作方式。“浸入式操作”就是利用虛擬裝備顯示屏動(dòng)畫演示軟件運(yùn)行界面，用于熟悉設(shè)備操作過程的演示；“孤立軟操作”就是利用子窗口技術(shù)單獨(dú)運(yùn)行模擬訓(xùn)練軟件，用于技術(shù)準(zhǔn)備流程中與場景中模型的交互，軟件界面以及數(shù)字表頭同步顯示，與場景中相關(guān)儀器設(shè)備動(dòng)畫交互。單擊場景中設(shè)備的電腦屏幕，即彈出該設(shè)備內(nèi)嵌入的軟件界面窗口，能夠模擬各設(shè)備軟件的主要界面以及流程。

2.3虛擬訓(xùn)練評(píng)估

平臺(tái)系統(tǒng)采用基于角色的分布式系統(tǒng)管理策略RBAC，完成虛擬場景生成、系統(tǒng)運(yùn)行控制、Task任務(wù)管理、Action交互協(xié)同、訓(xùn)練評(píng)估等功能。平臺(tái)系統(tǒng)主要綜合運(yùn)用AHP層次分析法和模糊數(shù)學(xué)方法，確定各“任務(wù)-動(dòng)作”的指標(biāo)權(quán)重值，綜合有效操作信息、操作用時(shí)、求助次數(shù)、誤操作等信息，采用“權(quán)重累加法”給出訓(xùn)練考評(píng)成績。該方法將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理，盡量減少人主觀臆斷所帶來的弊端，評(píng)價(jià)結(jié)果可信。

3方法的應(yīng)用

3.1系統(tǒng)架構(gòu)與組成

平臺(tái)系統(tǒng)軟件基于C/S架構(gòu)開發(fā)，由配置管理、虛擬裝備管理、虛擬場景管理、嵌入式模擬訓(xùn)練軟件、單員交互訓(xùn)練、崗位協(xié)同操訓(xùn)、教學(xué)演示、參訓(xùn)人員數(shù)據(jù)庫管理、訓(xùn)練考評(píng)管理、訓(xùn)練信息查詢、訓(xùn)練監(jiān)控等分系統(tǒng)組成。底層支撐數(shù)據(jù)庫包括虛擬裝備數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練人員數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練考評(píng)數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練即時(shí)信息數(shù)據(jù)庫等組成[1]。

3.2核心組件設(shè)計(jì)

平臺(tái)系統(tǒng)核心組件主要若干動(dòng)態(tài)鏈接模塊組成[1]，對(duì)軟件系統(tǒng)的三維引擎、網(wǎng)絡(luò)引擎、數(shù)據(jù)庫引擎進(jìn)行獨(dú)立封裝，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的需要，對(duì)訓(xùn)練的科目、內(nèi)容、流程等級(jí)進(jìn)行靈活配置。在用戶端既可以動(dòng)態(tài)注冊(cè)/注銷、登陸和退出，也可以自定義虛擬場景以及虛擬裝備模型。平臺(tái)服務(wù)器可以對(duì)虛擬訓(xùn)練流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供用戶間角色對(duì)話解析、行為錄制、回放支持；提供虛擬交互協(xié)同管理提供多線程渲染幀同步機(jī)制，對(duì)虛擬裝備裝配集實(shí)時(shí)解析，訓(xùn)練即時(shí)信息入庫，支持訓(xùn)練過程監(jiān)控、流程重啟和系統(tǒng)回放功能，隨時(shí)可以暫停訓(xùn)練，對(duì)訓(xùn)練效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[5]。提供三維音效，沉浸效果好，符合人體認(rèn)知習(xí)慣。

3.3系統(tǒng)性能測試結(jié)果

以技術(shù)準(zhǔn)備工房內(nèi)的虛擬場景，如圖3所示為例，給出一組16人同時(shí)在線的性能測試結(jié)果：平臺(tái)系統(tǒng)容量：服務(wù)器和用戶端數(shù)量主要受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，單用戶流量約1.3～1.5Mbps，100Mpbs網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，最多允許50個(gè)用戶端。系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間：外圍設(shè)備準(zhǔn)備好后，服務(wù)器和各用戶端計(jì)算機(jī)啟電，操作系統(tǒng)加載、完成系統(tǒng)登陸、開始訓(xùn)練的總計(jì)時(shí)長≤1min。操作使用性能：系統(tǒng)平均網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間0.042s，網(wǎng)絡(luò)延遲為0.021s；虛擬操作響應(yīng)時(shí)間≤0.2s。圖形性能：單個(gè)場景面數(shù)50萬面以下，幀速率≥28幀/s，畫面更新無閃爍。

圖3　一例技術(shù)準(zhǔn)備工房內(nèi)的虛擬場景

4結(jié)論

作為虛實(shí)結(jié)合理念開展訓(xùn)練的一種探索和實(shí)踐，基于本文所述方法開發(fā)了武器系統(tǒng)虛擬訓(xùn)練平臺(tái)，是一種實(shí)時(shí)交互視景仿真應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其系統(tǒng)容量、系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間、操作使用性能、圖形性能等性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)同類解決方案的領(lǐng)先水平。但是由于時(shí)間和工作經(jīng)驗(yàn)的限制，還有很多相關(guān)問題有待繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯周江川)