王慶江 單 鑫 盛 沛

（海軍航空大學(xué) 山東·煙臺 264001）

裝備教學(xué)，就是依托裝備，圍繞其原理、功能、使用操作等開展的教學(xué)訓(xùn)練。裝備教學(xué)是院校教學(xué)的重要手段之一。但是，在實際的裝備教學(xué)過程中，由于人員、場地、教學(xué)安排等各種教學(xué)條件的限制，造成部分教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到。

虛擬現(xiàn)實（Virtual reality,VR）技術(shù)為教學(xué)單位提供了一種理想的、“真實的”教學(xué)手段，它能完美的契合教與學(xué)，改進(jìn)教學(xué)實踐活動，并且已在實操教學(xué)中得到了應(yīng)用。本文根據(jù)實際情況和教學(xué)經(jīng)驗，研究利用VR技術(shù)構(gòu)建仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，以解決當(dāng)前裝備實操課程的瓶頸問題。

1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)基本情況

基于VR技術(shù)的仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)（簡稱：VR訓(xùn)練系統(tǒng)）以教學(xué)裝備的操作流程和內(nèi)容為基礎(chǔ)，由裝備模塊、工具模塊、環(huán)境模塊、語音及文字提示模塊組成。

1.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是通過VR技術(shù)打造一套高沉浸感、可交互性、滿足教學(xué)訓(xùn)練應(yīng)用地沉浸式VR仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)。

VR訓(xùn)練系統(tǒng)為了實現(xiàn)高度仿真的虛擬操作體驗和訓(xùn)練環(huán)境功能，利用三維建模、虛擬現(xiàn)實、仿真和其它仿真技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)建成并投入教學(xué)后將提高裝備教學(xué)的效率，擴大裝備教學(xué)受眾面，使學(xué)生全面掌握裝備和工具的實際操作技能。

通過建設(shè)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，可以實現(xiàn)虛擬訓(xùn)練場景中裝備操作動作以及操作者與虛擬設(shè)備之間交互的作用。為此，需提供必要的交互控制手段，以實現(xiàn)受訓(xùn)者實時、交互地參與虛擬教學(xué)訓(xùn)練。整個訓(xùn)練過程，通過人機交互控制一系列設(shè)備操作動作來完成，保證虛擬環(huán)境的真實感和學(xué)生的沉浸感。

1.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)功能組件

構(gòu)建VR訓(xùn)練系統(tǒng)目的是將其用裝備教學(xué)，其功能組件主要是：

（1）在系統(tǒng)基礎(chǔ)仿真組件中完成三維模型的建立，并將三維模型文件與三維模型調(diào)用功能、材質(zhì)燈光調(diào)用功能、三維動畫調(diào)用功能、物理建模調(diào)用功能所建立的系統(tǒng)基礎(chǔ)素材和運行內(nèi)容，以一定的格式輸入到組件數(shù)據(jù)庫中，便于系統(tǒng)操作過程中的調(diào)用；

（2）在裝備與工具操作仿真組件中，通過裝備、工具仿真操作功能，完成對訓(xùn)練各科目中裝備和工具的運行操作仿真，使裝備和工具在訓(xùn)練操作過程中更為真實合理；

（3）在教學(xué)訓(xùn)練操作場景仿真組件中，通過訓(xùn)練操作功能區(qū)域建立、位置切換功能、訓(xùn)練工具調(diào)取功能、部件拆卸操作、設(shè)備工具車、設(shè)備按鍵操作等功能，實現(xiàn)教學(xué)訓(xùn)練場景中各類物品的交互操作仿真；

（4）在教學(xué)訓(xùn)練綜合應(yīng)用仿真組件中，通過訓(xùn)練科目選擇、教學(xué)裝備介紹、語音和文字輔助提示、虛擬現(xiàn)實操作幫助，實現(xiàn)操作流程、內(nèi)容的指導(dǎo)，幫助學(xué)生快速上手操作；

（5）在教學(xué)訓(xùn)練科目仿真組件中，依據(jù)實際訓(xùn)練環(huán)節(jié)操作流程與內(nèi)容，劃分系統(tǒng)框架內(nèi)的訓(xùn)練內(nèi)容，形成各類訓(xùn)練科目，實現(xiàn)訓(xùn)練科目選擇，便于學(xué)生選擇不同訓(xùn)練科目，開展針對性訓(xùn)練，提高學(xué)生技能掌握效率；

（6）在訓(xùn)練結(jié)果評估仿真組件中，通過訓(xùn)練科目、操作時長、操作熟練程度、錯誤操作的次數(shù)，實現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果的評估和顯示；

（7)軟/硬件接口組件，它實現(xiàn)交互設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集，在虛擬環(huán)境中反映為三維模型交互操作、學(xué)生在景中位置移動等互動內(nèi)容。

2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)

2.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的架構(gòu)

VR訓(xùn)練系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看分為三層：

（1）系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐層。即系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、美術(shù)資源等系統(tǒng)運行相關(guān)的基礎(chǔ)資源與支撐，它包括：材質(zhì)燈光調(diào)用功能、設(shè)備操作調(diào)用功能等模塊；訓(xùn)練操作區(qū)域建立；位置切換、設(shè)備按鍵操作、工具調(diào)取等功能；軟/硬件接口組件。

（2）系統(tǒng)業(yè)務(wù)層。它是學(xué)生在系統(tǒng)中開展訓(xùn)練的部分，分為以下三部分：教學(xué)業(yè)務(wù)給予學(xué)生引導(dǎo)式教學(xué)操作；訓(xùn)練業(yè)務(wù)采用學(xué)生自主判斷訓(xùn)練內(nèi)容；綜合應(yīng)用分為四部分，它用于引導(dǎo)學(xué)生選擇科目并開展訓(xùn)練。

（3）訓(xùn)練結(jié)果評估層。該層用于反映學(xué)生對訓(xùn)練科目操作的系統(tǒng)評估。

2.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的邏輯與流程VR訓(xùn)練系統(tǒng)軟件流程分為三部分

（1）系統(tǒng)操作科目部分。此部分匯集學(xué)生訓(xùn)練內(nèi)容需求，組織需求分析審核，形成訓(xùn)練需求說明書，明確訓(xùn)練要求，確定訓(xùn)練各科目內(nèi)容邊界。以教學(xué)與訓(xùn)練兩類操作形式，設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)與建設(shè)任務(wù)。

（2）系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)與資源部分。按照裝備操作內(nèi)容建設(shè)任務(wù)的要求，依據(jù)操作數(shù)據(jù)需求規(guī)格說明書的指標(biāo)，建立裝備、工具三維資源與仿真操作數(shù)據(jù)，形成各訓(xùn)練科目操作內(nèi)容、操作引導(dǎo)與操作判斷流程。

（3）系統(tǒng)運行結(jié)果部分。通過完善系統(tǒng)操作內(nèi)容，從而對訓(xùn)練科目操作數(shù)據(jù)進(jìn)行測評，引導(dǎo)學(xué)生完成訓(xùn)練科目的虛擬化使用。

2.3 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件組成

VR訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要由計算機、顯示系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、VR設(shè)備等組成。其中，一套VR設(shè)備包含VR頭戴式顯示器（也稱為頭盔顯示器，簡稱：頭顯）一個，VR位置追蹤定位傳感器（簡稱：位置追蹤器）兩個，VR交互操作手柄（簡稱：操作手柄）兩個。

（1）計算機。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)多使用高性能計算機并將系統(tǒng)資源存儲在此機中。連接計算機和VR設(shè)備，即可使用系統(tǒng)。

（2）頭顯。利用頭顯將人對外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)人員產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。頭顯與計算機相連，以接受來自主機的3DVR圖形圖像信號。頭顯輔以三自由度的位置追蹤器可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實環(huán)境中各角度所輸出效果觀察，同時操作者可做空間上的自由移動，如自由行走、旋轉(zhuǎn)等操作。

（3）位置追蹤器。位置追蹤蹤器是進(jìn)行空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備配合使用使操作者在空間上能夠自由移動、旋轉(zhuǎn)。位置追蹤蹤器能夠感受到操作者的位置和方位并提供動態(tài)的、實時的位置（三維笛卡爾坐標(biāo)）和方位（俯仰角、偏行角、滾動角）信息。

（4）操作手柄。通過軟件編程，操作手柄可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)、熱點切換、界面操作等動作，它為操作者提供一種非常真實、自然的三維交互工具。

（5）顯示系統(tǒng)和音響系統(tǒng)。VR訓(xùn)練系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)除了頭顯，還可以通過HDMI高清線將計算機與顯示設(shè)備（例如計算機顯示器）連接起來以同步顯示操作者當(dāng)前看到的內(nèi)容。VR訓(xùn)練系統(tǒng)的頭顯中配有一副耳麥供操作者聽到操作聲音和背景聲音。

本VR訓(xùn)練系統(tǒng)特意將其計算機與播放廳的專用顯示屏、音響相連，以保證某位學(xué)生在操作VR訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練時其它學(xué)生可以同步觀看到、聽到其操作內(nèi)容和聲音。

2.4 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件環(huán)境

VR訓(xùn)練系統(tǒng)是通過Unity3D引擎開發(fā)，編程語言為C#，運行平臺為PC端運行，軟件版本為Unity2018.3.8f1，代碼編輯器版本為Visual Studio2013。

3 VR訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用

按照VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)計劃，目前此系統(tǒng)已建成并通過了項目驗收。

3.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)中設(shè)備的連接

VR訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)備連接如下：

（1）高性能計算機通過HDMI、USB3.0與數(shù)據(jù)接收處理器連接；（2）數(shù)據(jù)接收處理器與位置追蹤器、操作手柄采用WiGig無線方式連接；（3）數(shù)據(jù)接收處理器與位置追蹤器需要獨立供電，操作手柄使用充電電池供電；（4）數(shù)據(jù)接收處理器與頭顯采用5米長的集成線連接（HDMIUSB3.0音頻），便于用戶在虛擬環(huán)境中的移動。

VR訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)備及其訓(xùn)練場地如圖1所示，其操作界面如圖2所示。

圖1：VR訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)備及其場地

圖2：VR訓(xùn)練系統(tǒng)操作界面

3.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)在裝備實操課中的應(yīng)用

VR訓(xùn)練系統(tǒng)驗收后已投入多個批次的學(xué)生裝備教學(xué)中，多名學(xué)生已使用其進(jìn)行了訓(xùn)練。通過學(xué)生使用的反饋及制定的教學(xué)計劃，我們做了以下教學(xué)安排：

（1）VR訓(xùn)練系統(tǒng)用于裝備教學(xué)是有益的，使用的時機應(yīng)該是學(xué)生完成裝備操作基礎(chǔ)訓(xùn)練后、課程考試前的時間段；

（2）VR訓(xùn)練系統(tǒng)可以與實裝同步用于教學(xué)，使用時可以將學(xué)生分成幾部分，其中一部分專門使用其進(jìn)行訓(xùn)練，一段時間后可以與實裝訓(xùn)練的學(xué)生進(jìn)行輪換；

（3）使用VR訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行裝備教學(xué)時，每套VR設(shè)備只能滿足一名學(xué)生操作，其余學(xué)生可以通過播放廳的專用顯示屏和音響系統(tǒng)進(jìn)行同步觀看；

（4）在裝備教學(xué)中，VR訓(xùn)練系統(tǒng)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對裝備的操作流程和操作內(nèi)容訓(xùn)練，實裝訓(xùn)練側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對裝備的操作手感和操作細(xì)節(jié)的訓(xùn)練，兩者相互配合的教學(xué)效果好過單獨使用一種手段的效果。

4 結(jié)束語

在院校教育中，裝備教學(xué)對學(xué)生畢業(yè)后的崗位任職有重大影響。所以，完善裝備教學(xué)手段、優(yōu)化裝備教學(xué)資源，從而提高裝備教學(xué)效率，就顯得尤為必要。通過教學(xué)實踐可以發(fā)現(xiàn)，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以顯著地提高教學(xué)效率。因此，虛擬仿真技術(shù)在院校的裝備訓(xùn)練中有廣闊的應(yīng)用前景。