劉 闖， 曹紅松， 張 雨， 劉 勝， 劉松健

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.北京易悅科技有限公司，北京 100025)

0 引 言

殺爆彈靜爆實驗是一種用于評定彈丸殺傷作用的實驗，也是高校彈藥類專業(yè)特別重要的實驗之一。學(xué)生了解相關(guān)的實驗規(guī)程、實驗設(shè)備和裝置、操作技巧等并進(jìn)行實踐訓(xùn)練，對提高其工程實踐能力和科研能力和創(chuàng)新意識具有重要意義。目前，由于靜爆實驗的危險性較高，兵工類院校大多已停止開展此類實驗的教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生不能直觀感受彈丸爆炸、破片飛散的過程，也無法練習(xí)對沖擊波、破片速度進(jìn)行測試。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,VR)的不斷發(fā)展，將VR技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)，能夠有效地解決上述問題。目前，VR技術(shù)在工程訓(xùn)練和實踐教學(xué)中的應(yīng)用已越來越廣泛[1-9]，但尚無殺爆彈靜爆實驗方面的虛擬實驗系統(tǒng)。

殺爆彈靜爆實驗的目的在于研究和評比彈丸或戰(zhàn)斗部的殺傷作用，即在距炸點各個不同距離上破片的殺傷能力，為選擇彈丸金屬殼體的材料、炸藥及裝藥方法提供參考依據(jù)[10-11]。本文結(jié)合殺爆彈靜爆實驗教學(xué)的要求：需要較好的交互性來實現(xiàn)實訓(xùn)效果，系統(tǒng)的可移植性，包含自主學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、考核等模塊，使用Unity3D平臺，開發(fā)出基于虛擬現(xiàn)實交互的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統(tǒng)。學(xué)生可通過虛擬實驗系統(tǒng)，親身體驗殺爆彈靜爆實驗的過程。實踐證明，本系統(tǒng)不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，輔助課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，還可以保證實驗的經(jīng)濟(jì)性和安全性，方便實現(xiàn)資源共享。

1 虛擬實驗系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 實驗項目內(nèi)容設(shè)計[10]

根據(jù)殺爆彈靜爆實驗的要求，可將實驗項目內(nèi)容分為實驗準(zhǔn)備、扇形靶的布置、測試彈丸的安裝、測速裝置的布置與連線、測壓傳感器的安放、實驗結(jié)果的整理與評定等內(nèi)容。

(1) 實驗準(zhǔn)備。主要包括扇形靶、測試彈體、測速裝置、實驗場地等準(zhǔn)備。扇形靶是由在自然條件下干燥的3等松木板或強(qiáng)度相當(dāng)?shù)钠渌景逯瞥?。厚度?5 mm，長度不小于1 m，每塊扇形靶的扇面弧長，等于各扇形靶板所處的1/6圓周的弧長，高度為3 m。被試彈體依據(jù)實驗?zāi)康亩鴾?zhǔn)備，要注意排除一切干擾，以求獲得滿意的實驗結(jié)果。測速裝置選用網(wǎng)格線通靶和多通道計時儀等。沖擊波超壓是通過壓電傳感器測得沖擊波速度，根據(jù)公式計算得到。

(2) 扇形靶的布置。在寬廣平坦的地面上，靶板分別安裝在6個同一圓心不同直徑的圓周上，每個扇形靶的分布角為60°。扇形靶的布置示意圖如圖1所示。

(3) 測試彈丸的安裝。將改造后的彈丸豎直放置在爆樁上，使被試彈丸放置后其質(zhì)心距地面的距離為1.5 m。

(4) 測速裝置的布置與連線。在以爆點為圓心的3個不同半徑的圓周上分別確定2～5個測速靶點，各圓周上靶點安置前后互不遮擋，各測速通靶所在圓周距爆點的距離根據(jù)被測彈丸的口徑確定。測速通靶安放完畢后，接線計時儀，準(zhǔn)備實驗。

圖1 扇形靶布置示意圖

(5)實驗結(jié)果的整理與評定。根據(jù)每發(fā)彈丸的爆炸結(jié)果，將全部爆炸過的彈丸編制一份各扇形靶上穿透的破片、卡入的破片和殺傷破片數(shù)量的綜合表，并求出平均結(jié)果。最后按照彈丸爆炸平均結(jié)果繪制出表示1/6圓周上穿透的破片和殺傷破片數(shù)量與炸點距離的關(guān)系圖。

1.2 虛擬實驗功能設(shè)計

為達(dá)到良好的學(xué)習(xí)和教學(xué)效果，本實驗系統(tǒng)分為學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核等模式。學(xué)習(xí)模式下:用戶通過鼠標(biāo)左鍵點擊相應(yīng)的按鈕，可查看實驗?zāi)康?、實驗?zhǔn)備、場景布置、實驗步驟、數(shù)據(jù)分析等指導(dǎo)內(nèi)容。訓(xùn)練模式下:用戶可參照學(xué)習(xí)模式下的指導(dǎo)內(nèi)容，在虛擬場景中按步驟完成彈丸選擇與放置，通靶放置，連線，彈丸靜爆等操作訓(xùn)練?？己四Ｊ较?用戶在規(guī)定的時間內(nèi)，按步驟完成虛擬實驗操作，用戶提交實驗報告后，系統(tǒng)自動給出考核成績。虛擬實驗系統(tǒng)的整體框架見圖2。

圖2 虛擬實驗系統(tǒng)的整體框架

1.3 虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)流程

針對測試彈之類對尺寸精度要求高的物件首先采用計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)軟件建模，然后將模型導(dǎo)入3ds Max軟件中優(yōu)化并制作UV貼圖；而針對通靶、測試儀器和實驗場景中的其他物件采用3ds Max直接建模、優(yōu)化并制作UV貼圖。繼而將模型、UV貼圖等文件導(dǎo)入Unity3D軟件中，進(jìn)行界面設(shè)計和C#腳本添加。最終在Unity3D中發(fā)布成基于個人計算機(jī)(Personal Computer,PC)平臺的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統(tǒng)。

2 實驗場景及物件的三維建模

2.1 三維實體模型的快速構(gòu)建與轉(zhuǎn)換

三維模型的建立是整個實驗系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。目前，三維建模的方式主要可分為幾何建模、物理建模和行為建模[12]。本系統(tǒng)的開發(fā)過程中主要采用幾何建模的方法，使用的主要建模軟件有Unigraphics NX(簡稱UG)、3ds Max等。UG軟件是一款三維設(shè)計軟件，所建模型精確完整，但材質(zhì)的真實感不強(qiáng)，交互性不足。3ds Max是一款優(yōu)秀的三維動畫渲染和制作軟件，可解決UG建模真實感不強(qiáng)的問題，并可以制作部分動畫效果。Unity3D軟件是一款跨平臺的綜合游戲開發(fā)工具，具有強(qiáng)大的編輯功能，可實現(xiàn)本實驗系統(tǒng)所需資源的整合、添加組件、設(shè)置交互等功能。

本文采用的快速建模與轉(zhuǎn)換思路是：首先通過UG軟件建立模型，另存為.IGES格式文件；再導(dǎo)入至3ds Max軟件中進(jìn)行模型優(yōu)化、添加材質(zhì)，分展UV，在Photoshop中制作對應(yīng)模型的UV貼圖；然后另存為.FBX格式的文件，導(dǎo)入至Unity3D中編輯[13-14]。

2.2 實驗場景的建模

殺爆彈靜爆實驗包含地形、天空、植物等場景模型，主要在Unity3D中完成。利用Unity3D中內(nèi)置的Terrain引擎創(chuàng)建地形，調(diào)整好地形的基本形狀后，選用合適的單元紋理賦給畫筆，畫筆所經(jīng)過的地方將會把對應(yīng)紋理貼到地形上。通過Terrain繼續(xù)在地形的適當(dāng)位置種植花草樹木等植物，最后通過Terrain Settings為地形添加模擬風(fēng)，使地形中的花草樹木非常生動地隨風(fēng)擺動。天空的表現(xiàn)通過Unity中的天空盒材質(zhì)渲染來實現(xiàn)。場景逼真程度很大程度上取決于材質(zhì)和燈光，在本實驗場景中使用烘焙貼圖技術(shù)(Render To Textures)將光照信息融入到紋理信息中，形成貼圖，減少渲染的計算量，保證虛擬交互過程的流暢性。

2.3 實驗設(shè)備和裝置的建模

靶板、靶架、測試彈、爆樁、測速通斷靶、導(dǎo)線、計時儀等實驗設(shè)備和裝置的建模主要在UG和3ds Max中完成。針對測試彈可利用已有的UG模型導(dǎo)出為.IGES格式文件，再導(dǎo)入至3ds Max中進(jìn)行優(yōu)化并添加材質(zhì)、制作UV貼圖。對其他實驗設(shè)備可參考實際尺寸在3ds Max中直接建模，并添加材質(zhì)、制作UV貼圖。最終所建實驗設(shè)備部分模型效果如圖3所示。

圖3 貼圖后的測試彈和電子測時儀

3 交互功能的設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)

3.1 交互功能的設(shè)計與編程思路

本文借鑒模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)組成的MVC設(shè)計模式[2]，來實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互功能。首先，用戶進(jìn)入View視圖，即虛擬實驗場景中，根據(jù)場景中的指導(dǎo)性文字、箭頭，開始進(jìn)行實驗操作，所做的操作將以命令的形式傳遞到Controller中，對用戶的操作進(jìn)行分類、判斷后，最后對模型進(jìn)行相應(yīng)的控制，如移動測試彈、放置測試彈、接線等。模型受到相應(yīng)的操作控制后，在View中顯示出來，反饋給用戶。用戶繼而根據(jù)反饋，進(jìn)行下一步的操作，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能。Unity3D主要通過腳本程序組件對模型進(jìn)行控制，即通過腳本程序控制模型的材質(zhì)改變、動作方式等。Unity3D主要支持C#、JavaScript兩種腳本語言[15-16]，本文主要采用C#腳本編程實現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能。

3.2 交互功能的實現(xiàn)

在Unity3D中開發(fā)殺爆彈靜爆虛擬實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵是正確使用程序中的腳本函數(shù)，實現(xiàn)場景中的物件與用戶的交互。下面對彈丸的選擇、模型移動、虛擬實驗系統(tǒng)的搭建、彈丸靜爆特效、考核計分等交互功能的實現(xiàn)進(jìn)行簡要的介紹。

(1)彈丸的選擇功能實現(xiàn)。本例中用到57 mm高射榴彈、85 mm榴彈、105 mm殺爆榴彈等彈丸。在虛擬環(huán)境中將彈丸設(shè)置為預(yù)制體，在彈丸的安裝初始位置上添加3個彈丸預(yù)制體。通過點擊用戶界面(User Interface,UI)上的切換彈丸按鈕觸發(fā)彈丸預(yù)制體隱藏或顯示效果，從而實現(xiàn)彈丸的選擇功能。

(2)實驗裝置模型移動功能的實現(xiàn)。在虛擬實驗操作中會涉及到場景中測速通靶、電子測時儀、壓電傳感器等裝置模型的移動操作，鼠標(biāo)點擊響應(yīng)后，截取到鼠標(biāo)點擊的屏幕上的那條射線，并將其進(jìn)行碰撞檢測，連續(xù)判斷指針上是否有模型，鼠標(biāo)右鍵判斷其ID是否一致，若一致則模型位置就是鼠標(biāo)位置，即鼠標(biāo)拖動模型移動到相應(yīng)位置。

(3)測試彈丸的放置。按實驗要求，經(jīng)改造后的彈丸應(yīng)豎直放置在爆樁上，并使被試彈丸放置后其質(zhì)心距地面的距離為1.5 m。在本實驗系統(tǒng)中，對實際操作過程簡化后，設(shè)計了一個虛擬人并結(jié)合Mecanim動畫系統(tǒng)來完成測試彈的安裝。在Unity中，Mecanim動畫系統(tǒng)是一種高效、方便的動畫制作的工具，通過動畫控制器可以讓大部分的動畫開發(fā)工作與代碼分離，使用簡單的單擊和拖拽就能完成動畫控制器的創(chuàng)建。用戶操作的交互過程采用UI界面交互來實現(xiàn)，最終效果如圖4所示。

圖4 測試彈丸的安裝

(4)彈丸靜爆特效的實現(xiàn)。彈丸靜爆是在按下起爆開關(guān)后，觸發(fā)引信，被測彈丸被引爆，產(chǎn)生火光，破片飛散，穿過或卡入靶板和通靶的過程。為表現(xiàn)殺爆彈的靜爆效果，可用Unity集成開發(fā)環(huán)境中粒子系統(tǒng)來模擬爆炸時的火焰及煙霧等效果。為彈丸預(yù)制體添加粒子系統(tǒng)(Particle System)對象，設(shè)置Transform和粒子參數(shù)，模擬彈丸爆炸時產(chǎn)生火光和破片飛散的效果。效果如圖5所示。

圖5 炮彈觸發(fā)特效的實現(xiàn)

(5)考核計分功能的實現(xiàn)。根據(jù)用戶的實驗操作，在用戶點擊提交按鈕后，系統(tǒng)自動給出考核成績，滿分為100分。在系統(tǒng)中可根據(jù)實驗要求設(shè)計實驗步驟，對每一個步驟進(jìn)行順序編號形成一個序列。在每次實驗過程中記錄操作者的操作步驟序列，再與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的步驟序列進(jìn)行比對，從而計算出考核分?jǐn)?shù)。

4 軟件系統(tǒng)的集成驗證

系統(tǒng)各模塊開發(fā)完成后，發(fā)布后的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統(tǒng)的格式為.exe，在Windows系統(tǒng)中可直接打開運行。打開后，首先進(jìn)入登錄界面，用戶輸入學(xué)號、密碼，點擊登錄后，即可進(jìn)入殺爆彈靜爆虛擬實驗系統(tǒng)界面。點擊扇形靶實驗按鈕，進(jìn)入實驗?zāi)Ｊ竭x擇界面，分別點擊學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式、考核模式按鈕，即可進(jìn)入對應(yīng)的實驗?zāi)Ｊ?。扇形靶實驗?zāi)Ｊ竭x擇界面如圖6所示。

圖6 扇形靶實驗?zāi)Ｊ竭x擇

在考核模式下，用戶可查看實驗?zāi)康?、實驗?zhǔn)備、場景布置并根據(jù)實驗步驟完成實驗操作，提交后，即可查看成績。界面如圖7所示，圖中①為實驗步驟按鈕區(qū)；②為實驗計時區(qū)；③為實驗場景俯視圖和幫助按鈕區(qū)；④為彈丸測試菜單，包含工具選擇、炮彈觸發(fā)、切換彈丸、靶板材料等；⑤為工具選擇子菜單，包含測試彈、通靶靶板、多通道計時儀等實驗工具和儀器的選擇；⑥為實驗步驟提示面板；⑦為提交后彈出的成績面板，顯示得分與實驗用時。

圖7 考核模式界面

5 結(jié) 語

本文基于Unity3D平臺，結(jié)合殺爆彈靜爆實驗開展的實際情況，對實驗的過程進(jìn)行交互設(shè)計，建立了殺爆彈靜爆實驗的虛擬場景，完成了實驗過程的虛擬仿真，分別通過學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式、考核模式滿足不同的實驗需求。

虛擬實驗系統(tǒng)解決了高校此類實驗教學(xué)無法開展的問題，沒有真實實驗的危險性。本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，未來將進(jìn)一步完善其內(nèi)容和功能。具體的工作包括：增強(qiáng)系統(tǒng)的沉浸性、增加實時仿真模塊等。