某火箭炮裝填車學習系統的設計與實現

摘要:針對因缺少實裝使新裝備教學受到制約的現狀，提出了支持網絡瀏覽的基于VRML的某火箭炮裝填車學習系統的總體設計。采用Creator和UG建模軟件構造了系統實體模型，使用VRML的Script節點結合JavaScript實現了系統的交互功能，運用Access搭建了系統數據庫并通過ASP技術了實現了數據庫的連接。系統為學員提供了一個形象逼真、交互性強的學習環境，提升了新裝備教學效果。

關鍵詞:火箭炮裝填車;虛擬現實;VRML;交互;學習

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6725-03

The Design and Realization of Learning System for Certain Rocket Launcher Loading Vehicle

LI Hui-xiang， YANG Qing-wen， YAN Yan， DONG Fei

(Fifth Department， Artillery Academy of PLA， Hefei 230031， China)

Abstract: The new equipments teaching is limited by the lack of real equipments. According to this situation ， the learning system based on VRML for certain rocket laucher loading vehicle which can be browsed by network is designed. Creator and UG are used to make the solid model. The Script code in the VRML and JavaScript are combined to realize the interactive function. The database is constructed by Access and ASP is used to contract the database. This system supplies a vivid learning environment for students and improves the teaching effect.

Key words: rocket laucher loading vehicle; virtual reality; VRML; interaction; learning

某火箭炮裝填車是某新型火箭炮的重要保障裝備，該裝備科技含量高、操作復雜、對操作手的協同和熟練程度要求較高。然而院校在新裝備教學過程中存在實裝少、受訓人員多，掛圖演示等傳統的教學手段難以達到預期效果等諸多制約因素。

隨著網絡技術和虛擬現實技術的發展，支持網絡瀏覽的學習系統越來越多的應用于教學。學習系統憑借其形象逼真的展示和良好的交互，極大的提高了教學效率取得了良好的效果。

本文擬用虛擬現實技術和網絡技術開發某火箭炮裝填車學習系統，以解決新裝備教學過程中的存在的問題，提高教學效果。

1 系統設計

1.1 系統功能

根據新裝備教學的內容和要求，學習系統應讓學員熟悉裝備和重要部件的構造，明白武器系統工作原理，清楚操作武器系統的動作步驟、要領和所使用的工具，并能根據教學的需要對系統中的資源進行實時的更新。因此，學習系統應具有以下功能:

1)系統漫游功能:能夠對裝填車三維模型進行漫游并通過模型中的連接實現重要部件的單體查看和學習。

2)智能拆裝功能:能夠對重要部件進行虛擬拆裝，在拆裝過程中實現拆裝部件和使用工具的匹配檢測。

3)查詢學習功能:能夠依據使用者的選擇或三維場景中的交互實時的顯示相關的學習內容。

4)流程學習功能:能夠通過三維演示結合訓練視頻形象展示操作訓練的流程。

5)系統管理功能:能夠對系統資源進行實時的更新并對系統用戶進行管理。

1.2 系統組成

系統采用B/S結構，瀏覽器分為教員瀏覽器和學員瀏覽器，在服務器中建立部件模型庫、工具模型庫和相應的數據庫。系統構成如圖1所示。

1.3 系統操作頁面

使用軟件Dreamweaver為系統搭建操作頁面，頁面分為四個區域，頂部為導航區，左側為選擇欄和公告欄，右側載入三維場景。其效果如圖2所示。

2 關鍵技術

2.1 實體模型的建立

構建VRML的實體模型有兩種方法:一種是通過VRML語言直接編寫。這種方法不直觀、步驟繁瑣，適合建立簡單的模型。另一種是通過建模軟件建模，再導入VRML。由于裝填車部件多，構造復雜，本系統采用第二種方式構造系統實體模型。采用Creator建立裝填車的整體模型，并通過紋理貼圖和渲染，增強模型的真實感。對于需要拆裝的部件，對其實體模型要求較高，故采用UG建立實體模型。為滿足智能拆裝的需要，首先建立單個部件的模型然后在UG組裝模式下對模型進行組裝，以保持單個部件間的獨立性。

2.2 實體模型動態載入的實現

實體模型的動態載入分為部件實體模型的動態載入和拆裝工具實體模型的動態載入兩種。為實現實體模型的動態載入，提高系統的可操作性，建立部件模型庫和工具模型庫。采用Access為系統創建數據庫“db1”和“db2”，建立“bujian”表和“gongju”表分別用來存儲部件模型和工具模型的相關信息。“bujian”表有5個字段:ID、名稱、地址、功能和備注;“gongju”表有4個字段:ID、名稱、功能和備注。兩個表都將ID設為主鍵作為系統查詢數據庫的標識。

2.2.1 部件模型動態載入的實現

部件模型的動態載入的實現分由VRML文件的嵌入和VRML文件的動態生成兩部分組成，后者用于根據用戶的選擇查詢數據庫動態生成VRML文件，前者將生成的VRML文件嵌入到當前頁面中。

本系統采用HTML的標簽將VRML文件嵌入在當前頁面中。標簽的缺省屬性有:src，width和height，還有一些可選的參數、插件用來控制嵌入的數據類型。使用其中的src屬性調用動態生成VRML文件的ASP頁面，以實現VRML文件的動態載入。

VRML文件的動態生成需使用VRML中的Inline節點，通過其中的url域值指定一個VRML文件的Url地址列表，便可以將這個VRML文件插入到當前的虛擬場景中。因此，通過改變url域值即將需要的Url地址列表放入其中，便可實現VRML文件的動態生成。

系統中，利用ASP提供的request函數接收調用頁面提供的url參數，并以此構造查詢條件查詢數據庫。最后將查詢結果載入VRML的Inline節點中的url域中。默認情況下，WEB服務器不能夠識別VRML內容并生成正確的VRML文件。因此，必須在被調用ASP頁面開始生成一個合適的擴展MIME類型，并聲明常用的VRML頭信息。其關鍵代碼如下:

<% Response.ContentType = \"model/vrml\" %>

<% Response.Write(\"#VRML V2.0 utf8\") %>

<%

Set conn1=

server.CreateObject(\"ADODB.Connection\")

str1=\"Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;

Data Source=\" Server.MapPath(\"db1.mdb\")

conn1.ConnectionString=str1

conn1.Open

Dim no

no= Request.QueryString (\"url\")

Set rs=conn1.Execute (\"SELECT 地址 from bujian WHERE ID=\" no)

Set conn1=nothing

%>

Inline {

url\"<%= rs(\"地址\")%>\"

}

2.2.2 工具模型動態載入的實現

工具的模型的載入必須保證拆裝的連續性，不能打亂原有拆裝的步驟。為避免因頁面的重新載入導致拆裝的不連貫，使用腳本語言JavaScript在VRML 的Script節點中編寫腳本函數完成工具模型在場景中的動態載入。

為方便用戶操作，場景中使用Billboard(布告牌)節點建立工具載入開關，并為此節點添加TouchSensor(觸摸傳感器)節點和Anchor(錨)節點。用戶點擊載入開關的鼠標操作被TouchSensor節點檢測后，該節點通過路由ROUTE向Script節點傳遞一個BOOL值TRUE以調用相應的腳本函數。在腳本函數中，將場景中需要的工具模型地址存儲在MFString類型變量中。函數被調用后，通過變量間的值傳遞將地址賦予VRML文件中Inline節點的url域，實現工具的載入。同時Anchor節點檢測到鼠標點擊動作后，通過url域調用ASP頁面查詢數據庫將該工具的相關屬性和操作信息顯示在新建頁面中。當使用完工具后，點擊工具模型再次調用Script節點中腳本函數，將空值賦予Inline節點的url域實現工具的消失。

2.3 智能拆裝的實現

智能拆裝包括部件的順序拆裝和工具匹配兩個方面。在拆裝練習中，當用戶按真實的拆裝順序用鼠標點擊相應的部件時，部件會按照設定好的路徑依次移動。當點擊的順序不對時不能完成移動，并通過VRML控制臺給出相應的提示。對于需要專門工具的拆裝，為了增加操作的真實感，拆裝中需要對拆裝工具和零部件進行匹配。當把正確的工具移至相對應的零件時，啟動約束解除(安裝)動畫后才能進行下一步的分解(結合)。

2.3.1 順序拆裝的實現

順序拆裝的實現需要VRML的多個節點和路由共同構建完成。TouchSensor節點用于感知用戶控制輸入操作，實現系統的交互性;Script節點用于實現自定義運算功能，相當于一個智能插值器;TimeSensor(時間傳感器)節點用于實現定時和時間分度功能;PositionInterpolator(位置插補器)節點和OrientationInterpolator(方位插補器)節點分別用于與設定時刻關鍵值相對應的空間位置關鍵值和空間旋轉關鍵值，實現模型移動的軌跡控制;Transform(轉換)節點用于完成模型的移動。其原理如圖3所示。

其中Script節點的創建是實現順序拆裝的關鍵。使用TouchSensor節點調用相應的腳本函數時，除傳遞BOOL類型的參數外，還會傳遞SFTime類型的參數timestamp。參數timestamp中記錄了鼠標點擊操作的時間，操作沒有發生時其初始值為0。在程序中，通過對其是否為零和數值大小的比較實現對拆裝順序進行判斷。順序正確時，將timestamp的值傳遞給TimeSensor(時間傳感器)節點的startTime域，開始執行部件位置變化動畫。順序不正確時，使用JavaScript自帶的print(' ') 函數，將正確的拆裝順序顯示在VRML控制臺上，給操作用戶以提示。

2.3.2 工具匹配的實現

VRML自帶的節點不能檢測虛擬空間中模型間的碰撞，為了達到既定效果需要借助虛擬空間中的坐標。通過TouchSensor節點的hitPoint_changed域可以獲取工具模型、部件模型中心點的三維坐標，從而獲得兩者之間的坐標差;通過PlaneSensor(平面傳感器)節點的translation_changed域可以獲取工具模型在隨鼠標拖動過程中三維坐標的偏移值。在此基礎上，在Script節點中建立相應的函數實時計算工具模型和相應部件模型之間的距離，當兩者之間的距離小于設定值時，啟動約束解除(安裝)動畫。

為了提高真實性，需將工具模型和部件模型的PositionInterpolator節點和OrientationInterpolator節點中的時間關鍵值設定為一樣，以確保兩者運動的一致性。由于PlaneSensor節點只能在平面中拖動模型，所以在編寫Script函數時只需要拖動平面的兩維坐標即可。部分實現函數代碼如下:

function bool6(value，timestamp) {

if(bool6)

{x=((gongju.translation_changed.x)-180);

# -180=(gongju.hitPoint_changed.x)-

(bujian.hitPoint_changed.x)

y=((gongju.translation_changed.y)+120);

# 120=( gongju. hitPoint_changed.y) –

(bujian. hitPoint_changed.y)

if((x*x+y*y)<=10)

{gongju.enabled=1;

touch6.enabled=true;

banshou.url=str;

tartTime3 =timestamp;

startTime6=timestamp; }

}

}

2.4 其它功能的實現

裝填車整體模型構建完成后，通過VRML中的NavigationInfo(航行信息)節點設置瀏覽者替身在虛擬空間的寬度參數、身高參數和步高參數，通過Collision(碰撞感知器)節點進行瀏覽者替身和實體模型間的碰撞檢測。在需要鏈接的部件模型VRML文件中添加Anchor節點調用ASP頁面查詢數據庫以載入單個部件的實體模型，實現系統的漫游功能。流程學習功能的實現和順序拆裝的實現基本類似，順序拆裝以鼠標點擊的時間作為模型動作的激發時間，而在流程學習中動作的激發時間為設定值。按照實裝操作的內容設定每個部件的動作路徑和順序，并按順序依次設定每次動作的激發時間即設置TimeSensor節點的startTime域，以實現操作流程的自動演示。

3 結束語

根據新裝備教學的內容和要求，運用虛擬現實技術和網絡技術開發了某火箭炮裝填車學習系統，實現了系統漫游、智能拆裝和流程學習等功能。該系統增強了教學的交互性、提高了教學的效果為虛擬現實技術應用于教學進行了有益的嘗試。

參考文獻:

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[6] 何海霞.Dreamweaver8完美網頁設計[M].北京:清華大學出版社，2006.