黃 鵬 吳微露

（國防科技大學電子對抗學院 合肥 230037）

1 引言

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭形式多變，各種高科技武器裝備的不斷運用，對參戰(zhàn)人員的生命構成極大威脅，對其造成極大的心理壓力。戰(zhàn)爭的制勝方法也從過去的由參戰(zhàn)兵力的數(shù)量規(guī)模轉變?yōu)橛煽萍紝嵙σ约靶睦韺筟1]。

傳統(tǒng)的訓練更加注重對軍人身體素質進行強化，以及單一的技能培訓，對于心理訓練的重視程度不夠。而在引入心理行為訓練之后，對于官兵基礎心理素質以及健康水平有了顯著提高。作為軍校學員的一門必修課程，心理行為訓練也取得了良好的教學效果，而高空心理行為訓練由于在真實的場景中進行演練受到許多外在因素的干擾，天氣因素、設施因素以及人為的操作因素等，這些都使高空心理行為訓練的開展存在一定的局限性，因此設計一種高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)具有很好的實用性。

虛擬現(xiàn)實技術能夠克服傳統(tǒng)訓練存在的問題，實現(xiàn)事半功倍的效果。文獻[2]對于維和裝備保障的模擬訓練系統(tǒng)進行了研究，設計了系統(tǒng)架構、系統(tǒng)組成、技術架構和信息關系等內(nèi)容，對相關關鍵技術進行了初步探討，初步構建了維和裝備保障訓練的理論框架。文獻[3]將虛擬現(xiàn)實技術運用在坦克綜合模擬訓練系統(tǒng)中，立足于部隊訓練需求，通過分析對比，選用HMD，利用虛擬現(xiàn)實技術對系統(tǒng)進行開發(fā)，并給出了設計方案。文獻[4]講述了虛擬消防與安全教育系統(tǒng)的開發(fā)過程。該系統(tǒng)應用3ds Max建立三維模型，導入Unity 3D后搭建典型訓練場景，用C#語言進行腳本編寫，最終和HTC VIVE進行交互，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實沉浸式體驗。文獻[5]設計了一套虛擬現(xiàn)實防化模擬訓練系統(tǒng)，主要針對城市街道出現(xiàn)的化學恐怖襲擊事故，對現(xiàn)場未知氣體偵查檢測、中毒傷員急救處理、毒劑采樣處理等環(huán)節(jié)實現(xiàn)了可視與交互仿真，系統(tǒng)具有教學訓練功能和實戰(zhàn)考核評價功能。

本文的高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)在充分考慮了各種外在因素影響的條件下，針對訓練的主要特點并結合虛擬現(xiàn)實技術，為訓練者提供接近真實的訓練環(huán)境，具有較好的沉浸感和交互性，為高空心理行為訓練提供了一種新理念、新方法。

2 綜合模擬訓練系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)需求分析

高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)是通過結合實際高空心理行為訓練課程設置，對相應的內(nèi)容進行虛擬化。并對相應的場景進行模擬，來獲得接近真實訓練場景的逼真環(huán)境。針對此系統(tǒng)預定的設計目標，構建綜合模擬訓練系統(tǒng)，需要解決下面幾個問題。

1）系統(tǒng)設計必須與實際情況相符合，課程內(nèi)容可視化，能夠將訓練課程虛擬化。虛擬課堂能夠模擬出各種學習對象，學員通過沉浸式設備可獲得沉浸式體驗。

2）系統(tǒng)有著良好的用戶交互以及靈活的配置，系統(tǒng)涉及到心理行為訓練的實施操作，對人物模型的移動、跑以及跳躍等過程需要有很好的交互效果。并需要有相應的指示提醒，及時指導學員完成相應課程的訓練[6]。

2.2 系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)結合現(xiàn)實中開展高空心理行為訓練課程內(nèi)容，將相應的訓練環(huán)境模擬化，構建出可用于模擬訓練的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要分為四層，分別是硬件層、接口層、支撐層以及運用層。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。其中硬件層是整個系統(tǒng)的基礎，支撐整套系統(tǒng)的運行，主要包括系統(tǒng)主機、HMD設備以及工作站；接口層是相互連接的橋梁與紐帶，包括有引擎接口、HMD接口和人機交互接口；支撐層是整個系統(tǒng)的核心，包括有3D建模、渲染優(yōu)化、場景設置、訓練課程拆分、數(shù)據(jù)連接、人機交互、視頻學習以及實時顯示等功能。通過層次化的設計，可使其耦合度明顯減低，便于軟件維護以及更新[8]。

圖1 虛擬系統(tǒng)整體框架設計

3 系統(tǒng)開發(fā)及關鍵技術

3.1 系統(tǒng)開發(fā)路線

高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)主要有下面幾個步驟：收集相關資料、3D建模、系統(tǒng)構建、系統(tǒng)運行測試，具體的開發(fā)內(nèi)容如圖2所示。收集資料主要是將課程相關資料、訓練規(guī)范、操作細則以及注意事項等內(nèi)容整理齊全，保證課程順利展開；3D建模是對訓練場景、人物模型等進行處理并優(yōu)化；系統(tǒng)構建主要是通過Unity 3D引擎將場景搭建起來，并對底層腳本進行編寫，實現(xiàn)相應的功能；系統(tǒng)試行是對系統(tǒng)進行測試與調(diào)試，修改存在問題并及時更新。

圖2 虛擬系統(tǒng)開發(fā)路線

3.2 仿真環(huán)境建模

仿真環(huán)境的搭建是系統(tǒng)的關鍵，精細化的建模能夠讓整個訓練環(huán)境更加真實地出現(xiàn)在虛擬場景中，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實沉浸式的體驗[5]。搭建過程如圖3所示。

圖3 仿真環(huán)境搭建過程

3D建模就是通過專門的建模軟件，構建具有三維數(shù)據(jù)的模型，這些三維數(shù)據(jù)模型能夠在二維屏幕上顯示。本文主要利用3ds Max建模軟件進行系統(tǒng)模型的建模。三維建模軟件其工作原理就是利用一些基本的集合元素，再經(jīng)過一系列的幾何操作來構建復雜的三維模型及場景[6]。利用軟件中豐富的貼圖效果以及渲染能力，使制作的模型更加接近實際。該系統(tǒng)通過3D建模所生成的逼真的視覺空間，并且能夠在游戲開發(fā)引擎中進行處理以及可視化，能夠接近真實的高空心理行為訓練場地，使受訓者能夠在虛擬的訓練環(huán)境中有很好的訓練體驗，達到良好的訓練效果。

圖4 建模過程

圖5 建模過程

首先在3ds Max中創(chuàng)建好相應的模型，將設計好的場景以及模型導入到Unity 3D中，進行場景組件的交互設計以及觸發(fā)控制，之后通過渲染加入光照與材質效果。在Unity 3D的操作環(huán)境下，只有保證好設計的紋理的質量，虛擬沉浸感才能達到更好的效果。因此在建模過程中應該先確定好各種模型材質紋理以及其物理屬性，使其更容易導入到Unity 3D 中[10～11，13]。

Unity 3D是可讓操作者創(chuàng)建實時三維動畫、建筑可視化等類型互動內(nèi)容的綜合型開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[6，14]。利用Unity 3D引擎可對相應訓練場景進行建模，其中主要包括地形建模以及天氣建模。通過使用引擎中的Terrain組件以及相應工具，可根據(jù)訓練場實際情況繪制相應的地形，使用Skybox插件可對天氣情況進行建模處理[7，17]。仿真環(huán)境的構建是實現(xiàn)模擬高空心理行為訓練系統(tǒng)的基礎，精細化的建?？梢允褂柧殘鼍昂芎玫貜同F(xiàn)在虛擬場景中[8]。

圖6 模型導入

圖7 系統(tǒng)搭建

其次要設計好各種運動狀態(tài)的人物建模，例如：向前、向后、站立、蹲下和跳躍等動作，建好模型后保存為可導入Unity 3D中的格式文檔，之后導入到Unity 3D的項目文件夾[12，14～15]。通過利用控制移動軸來對人物移動進行設計，其主要用到的是input.GetAxis()方法，返回的“axis”就是控制軸的值。下面是利用C#語言進行腳本文件編程的例子。

這是利用C#語言進行腳本編程的簡單實例，在系統(tǒng)對人物移動的設計及實現(xiàn)時，對于一些動畫模型添加相應的控制器可以對虛擬人物進行任意移動[13]。

3.3 關鍵技術

3.3.1 層次細節(jié)技術

在實際的系統(tǒng)運行過程中，占用內(nèi)存較大，容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。通過采用層次細節(jié)技術（levels of detail，LOD），可以有效減少渲染的三角面數(shù)。其基本原理是根據(jù)模型節(jié)點在環(huán)境中的位置以及重要程度，來確定渲染的資源分配，有效降低其面數(shù)與細節(jié)度。根據(jù)高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)的實際情況，通過使用Unity 3D中的LOD Group組件來控制LOD等級，確定好對應的比例，盡可能縮短渲染時間，使整套系統(tǒng)運行更加流暢，畫面更加清晰[8]。

3.3.2 碰撞檢測技術

剛體（Rigidbody）組件可使操作對象在物理系統(tǒng)的控制下運動，可接受外力與扭矩力來確保操作對象像在真實世界中那樣進行運動。碰撞檢測，就是判斷空間兩個幾何體是不是相交的過程，這是在提高虛擬現(xiàn)實交互性過程中出現(xiàn)的問題。當進行場景切換時，要先選擇碰撞，根據(jù)檢測結果進行切換[14，16]。碰撞檢測主要分為下面三種情況：

1）Discrete：離散碰撞檢測。用于被選對象與場景中其他所有碰撞體進行碰撞檢測。

2）Continuous：連續(xù)碰撞檢測。用于檢測被選對象與動態(tài)碰撞體的碰撞。

3）Continuous Dynamic：連續(xù)動態(tài)碰撞檢測。用于連續(xù)碰撞或動態(tài)碰撞模式對象的檢測。

通過碰撞檢測，將系統(tǒng)中不合理的模型搭建調(diào)整，使訓練系統(tǒng)能夠完成正常的虛擬操作訓練。

3.3.3 人機交互技術

人機交互是系統(tǒng)較為關鍵的技術，其沉浸效果的優(yōu)劣直接決定了整個模擬系統(tǒng)訓練的效果。目前的交互方式主要有三種：直接交互、物理交互和虛擬交互。直接交互是通過動作指令來控制虛擬系統(tǒng)，使其做出反應；物理交互是利用物理設備，比如方向盤、操縱桿等，來達到與虛擬環(huán)境交互的目的；虛擬交互是通過直接在虛擬環(huán)境中，利用虛擬按鍵等方式設置好相應的虛擬控制。本系統(tǒng)采用的是第三種方式，利用虛擬按鍵進行控制與操作，具有較好的交互效果。

4 虛擬交互和系統(tǒng)發(fā)布

通過虛擬交互技術可以讓參訓人員更好地融入到模擬訓練系統(tǒng)當中，達到更好的交互性以及沉浸性的效果[18]。本文構建的高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)，其主要是通過HTC VIVE設備來實現(xiàn)這種交互以及沉浸效果[9]。系統(tǒng)采用的虛擬現(xiàn)實眼鏡是HTC VIVE設備的較新版本，配套的設備還有VR頭盔、可移動的操作手柄以及紅外跟蹤傳感器。通過這些軟件以及硬件設備的配合使用，可以實現(xiàn)模擬仿真系統(tǒng)的基本操作內(nèi)容，其中主要涉及到的操作有對物體的抓取、發(fā)射操作射線和關鍵的人物的移動等。按照系統(tǒng)提示通過提示進行操作，選擇相應的內(nèi)容進行訓練，通過PC與交互設備的配合使用，完成高空心理行為模擬訓練。

圖8 模擬操作訓練

5 結語

本文設計了一套基于Unity 3D的高空心理行為模擬訓練系統(tǒng)，結合虛擬現(xiàn)實技術設計了系統(tǒng)框架，搭建起相應環(huán)境，最后基于Unity 3D技術完成該系統(tǒng)的仿真及實現(xiàn)，驗證了該系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)可對學員在進行心理行為訓練課程時提前進行模擬演練，熟悉相關訓練環(huán)節(jié)，感受訓練環(huán)境，為參加真實的高空心理行為訓練做好準備，作為心理行為訓練的輔助手段。這為心理行為訓練教學課程提供了一種新理念、新方法。