基于NGRAIN的虛擬訓練保障裝備開發方法研究＊

喬 軼 程 晉

（1.91550部隊 大連 116023）（2.海軍工程大學信息安全系 武漢 430033）（3.91278部隊 大連 116041）

1 引言

隨著軍隊信息化建設的逐步深入，大量新型裝備列裝到部隊，如何開展有效的、有針對性的保障訓練使新裝備更快地形成并保持其戰斗力成為難題。另外，現代計算機性能不斷提高和虛擬現實技術的發展使得虛擬訓練器材廣泛應用于裝備的使用、維護、操控訓練，實裝訓練和仿真模擬訓練相結合已成趨勢［1］。近年，軍隊在裝備技術支援保障過程中同樣需要虛擬訓練保障裝備的支持，新裝備列裝部隊在這方面類似需求強烈。為此選擇NGRAIN軟件平臺，開展了虛擬裝備訓練評估系統開發方法研究。

2 國內外研究現狀

NGRAIN軟件如何在虛擬訓練中應用問題，目前已有不少國家（如美國、加拿大）已在航母、魚雷、飛機、坦克等裝備上進行應用研究和開發；國內軍械工程學院等單位對制作交互式虛擬訓練課件等方面做了一些研究［2］。但存在一些問題，如發布的交互式訓練課件僅是裝備維修訓練素材，無法實現訓練過程中的管理。鑒于此，本文提出了具有全三維仿真環境、多人協同操作、真實再現裝備的內外部結構等特 點 的 NGRAIN 三 維 知 識 對 象 （3KO－3Dimensional Knowledge Objects）作為裝備保障訓練系統開發方法，為基于Web3D（基于網絡的三維仿真應用程序）的操控訓練、數字化演練以及訓練效果評估提供技術支持。

3 虛擬訓練

虛擬訓練可以分為武器平臺級的模擬訓練、戰術級模擬訓練以及更高級別的模擬訓練。利用虛擬現實技術構件的虛擬裝備，模擬的是裝備的內部結構和操控特性，作為模擬部隊、模擬戰場、模擬攻擊、模擬作戰甚至模擬指揮控制等一系列模擬化軍事訓練活動的底層支持，基礎性作用不言而喻。采用虛擬現實系統進行訓練，可以實現訓練中的視覺、聽覺和觸覺三者統一，達到“反復實景操作訓練”、“操訓綜合處理”和“訓練信息即時反饋”的要求。研究表明，人的神經系統接受信息能力是需反復實踐磨練才能提高的，如果僅靠讀或聽只能接受10%～20%，那么通過虛擬現實系統訓練可達到90%，可見，虛擬訓練有助于提高參訓人員的接受能力［3］。

3.1 虛擬訓練的特點

虛擬訓練作為一種新型訓練方法，顯而易見，有許多不可比擬的優點：首先，虛擬訓練是增強課堂教學效果和擴大訓練效果的有效手段；其次，虛擬訓練能在同一模擬現場完成各種不同環境下的訓練?？墒故勘w驗到實際操訓中一般不大可能遇到的事情，并可實現基于分布式網絡的遠程協同訓練。另外，采用虛擬現實系統進行訓練，除上述固有特點外，還具有獨特的效益，主要體現在減少訓練傷亡和節約訓練經費兩個方面。許多國家之所以在短短幾年中舍得投資數十億美元研制虛擬現實模擬系統，原因就在于它既經濟又安全，是能訓練出精良部隊的最佳手段［4］。

3.2 NGRAIN軟件特點

利用NGRAIN系列軟件開發虛擬系統，其開發工具Producer和應用工具Mobilizer是分開的，兩者中均都集成有三維引擎。利用Producer軟件用戶不需要編程或寫腳本就可以快速制作并發布交互式三維知識對象3KO，利用該軟件可以對裝備的機電產品的虛擬操控進行模擬仿真3KO中包含程序動畫、用戶定義的裝備機械部件特性、裝配和拆卸任務、指向其他子系統模型和其他參考材料的鏈接。

3.3 NGRAIN三維引擎

在以往的三維仿真和虛擬樣機應用中，采用的還是多邊形處理方式，當模型復雜時，比如整機、整船的模擬，三角形數量會上百萬，數據容量在若干GB，這就對計算機的圖形處理能力要求非常高，只能在高檔圖形工作站上才能開發和運行，更不可能進行網絡發布和批量發布，無法用于復雜裝備的虛擬［5］。此外，虛擬訓練系統還涉及多任務、多輸入／輸出、動態模擬及圖形綜合等更為復雜的軟硬件結構，作為虛擬訓練的終端設備，如果為每一個訓練崗位都配置上昂貴的圖形工作站顯然不現實。因此，基于體圖形的三維引擎應運而生［6～7］。

NGRAIN采用獨特的體素模型轉換、渲染以及存儲技術，其可交互的體素化三維引擎采用Cell將三維實體實行網格分割，而非傳統的面圖形，避免了復雜設備多邊形面的巨量計算問題，做到了三維模型的超輕量化，保證模型物理屬性、外觀真實條件下的高比例壓縮，渲染引擎完全軟件實現，不需要硬件三維加速，支持低端計算機平臺。

4 虛擬訓練系統設計

4.1 系統架構

虛擬訓練系統采用B／S模式架構（如圖1所示），從功能上由配置管理系統、NGRAIN虛擬裝備管理系統、NGRAIN保障裝備管理系統、嵌入式LabWindowsCVI軟件系統、單員交互訓練系統、崗位協同操訓系統、教學演示系統、參訓人員數據庫管理系統、訓練考評管理系統、教員在回路控制系統、訓練信息查詢系統等組成。底層支撐數據庫包括虛擬裝備數據庫、訓練人員數據庫、訓練考評數據庫、訓練即時信息數據庫等［8］。

圖1 某虛擬訓練評估系統體系結構圖

4.2 主要功能

目標軟件系統是一個基于B／S架構的支持 Web3D的軟件，某種程度上類似于現在流行的三維網游，能夠讓用戶以“體驗游戲”的方式，達到虛擬訓練的目的［9～10］。為此提出系統主要功能如下

1）提供與實裝功能一致的三維虛擬訓練裝備／軟件，通過真實場景和運動實體建模，建立仿真模型，對操作人員在操作過程中作出的一系列決策和動作進行實時仿真，提供逼真的顯示效果和操作感受，提高訓練的演示效果和交互性；

2）建立基于實裝的模型庫，模型精細程度達到單位最高級操作訓練和使用維護需求，為方便系統功能的擴展，建立裝備管理數據庫；

3）系統支持單員虛擬交互操訓和網絡多人協同訓練；

4）提供自由瀏覽和引導模式（限定步驟）下的虛擬交互操訓訓練；

5）根據教學訓練需要配置各種難度的訓練科目，量化訓練標準，對操作人員進行全面培訓；

6）系統提供教員在回路控制和過程回放機制，訓練即時信息庫實時記錄參訓人員的訓練動作，教員可以隨時凍結場景進行針對性講評；

7）利用訓練考評系統（理論考核＋虛擬實操）對操作手的操作質量進行綜合評分。

4.3 技術路線

系統設計目標即面向部隊操控訓練的用戶，采用業內領先的軟件開發平臺進行：三維建模采用Unigraghic或Pro.E；模型轉換控制采用Okino Poly Trans、Transmagic；采用NGRAIN Producer及其二次開發工具包API開發三維虛擬訓練裝備；在對NGRAIN Mobilizer進行二次開發時使用.NET語言C＃能最全面、最直接的訪問其所有的功能。C＃是對NGRAIN Mobilizer進行二次開發的首選語言。采用該技術路線具有如下幾個特點：

1）具有強大的 Web3D動畫功能，支持高質量的三維畫面，全三維實時渲染，畫質效果好，采用高數據壓縮比，能最大限度節省磁盤和內存空間；

2）高性能的渲染算法。渲染速度快，幀率高而穩定，支持海量三角面的大場景渲染。要支持管線渲染、頂點渲染和像素渲染以及多種烘焙貼圖；

3）用戶界面（GUI）及交互功能友好，居于可擴充性，方便參數配置和優化，內存占用量低，運行流暢；

4）要有高性能的物理引擎：可模擬剛體運動、流體運動等物理效果，物體之間的相互作用精準而高效。先進的碰撞檢測算法和強大的腳本系統；

5）基于B／S模式的服務器模塊功能強大而穩定，服務器之間協同工作高效穩定；

6）對市面流行的CAE建模軟件的良好支持，具有強大的二次開發接口。

5 虛擬訓練評估系統關鍵技術

5.1 主要研發內容

本著教學與訓練相結合的原則，采用多媒體集成技術、三維交互技術、虛擬現實技術以及嵌入式軟件開發技術開發虛擬訓練裝備，借助業內領先的NGRAIN開發平臺將三維知識對象集成到虛擬訓練裝備中，采用C＃、SQL Sever 2005等開發工具進行系統研發。主要完成了研制內容如下

1）建立與實際裝備實裝功能一致的三維體素模型；

2）建立實裝管理數據庫，方便系統功能的擴展；

3）研究網絡多人協同訓練的虛擬訓練方法；

4）研制與實裝界面一致的嵌入式系統模擬訓練軟件；

5）建立訓練人員、考評等信息管理數據庫；

6）研究“理論考核＋虛擬實操”訓練考評方法，對操作手的操作進行綜合評分。

以下僅闡述C＃環境下的NGRAIN虛擬裝備的集成、協同訓練方法設計以及訓練效果評估設計等關鍵技術。

5.2 關鍵技術問題與對策

5.2.1 C＃環境下的NGRAIN虛擬裝備的集成

以虛擬裝備的程序動畫播放為例，簡要介紹裝備虛擬訓練評估系統的集成步驟如下：

1）利用Visual Studio 2005，創建基于Windows的C＃應用程序項目。

2）添加項目引用NGrain.PKM.Mobilizer.dll等動態鏈接庫。

3）在MainForm窗體的設計窗口，添加如下代碼：

另在MainForm中增加如下代碼：

4）調用Mobilizer功能（以執行動畫為例）。

回到窗體設計窗口，增加一個按鈕以及其響應事件添加代碼如下

編譯并執行程序，按下btnTest按鈕，Mobilizer窗口將執行其中的動畫。

5.2.2 協同訓練方法設計

為了在系統間傳遞統一的控制信息及控制信息的擴展，需定義一套統一的控制原語集。在協同訓練評估控制流程過程中，需要一套標準的、簡單易讀的語法來控制整個流程，為了實現協同訓練評估控制流程編輯的通用化、易讀性，語法采用標準的XML標準；同時，因為大部分的原語是異步方式執行，因此需要使用事件通知方式獲得原語執行結果，并同時更新系統狀態的變化，以便實現信息實時共享，協同訓練、演練。這樣就可以使虛擬訓練系統中的每一個訓練者及時了解團隊的工作狀態，以及使管理者及時了解整個系統的工作狀態和訓練狀況，實現對整個訓練過程的管理和控制。

5.2.3 虛擬實操訓練評估設計

利用網絡技術，如采用TCP／IP協議，可以把評估內容發送到評估中心，評估中心可以對訓練者的訓練效果進行客觀評估，便于及時發現保障訓練中的薄弱環節，及時解決存在的問題。通過建立訓練考核題庫，虛擬實操考核網上進行，隨機抽取試題，即時提交、即時評分。支持理論考核成績入庫，查詢。

以logEvent記錄器形式記錄客戶端用戶的操作事件（記錄到可操作的零部件級），并上傳至服務器，入即時訓練信息數據庫。比如

等等

表1 用戶操作事件表

以logEvent記錄器形式記錄答題內容和結果（僅記錄考評關鍵點的事件），并上傳至服務器，入考評數據庫。比如：

p.LogEvent（"答題內容"，"錯誤：＃"＋question）；

表2 用戶考評結果事件表

提供訓練信息回放：訪問即時訓練信息數據庫、考評數據庫，運行評估軟件模塊，自動生成考評報表，僅服務器管理員有此權限。對訓練信息數據庫、考評數據庫進行維護：數據刪除、備份、恢復。

6 結語

基于NGRAIN軟件開發的虛擬裝備，支持B／S模式，具有全三維仿真環境、深度交互、自助式學習、多人協同操作、真實再現裝備的內外部結構等特點，有利于促進自主學習維修原理和技術，而且具有良好的教學、維修訓練和評估作用，為裝備維修及使用培訓提供了新的形式，作為裝備保障訓練的專家支持系統，具有廣闊的推廣應用前景?？梢詾榛赪eb3D的遠程協同訓練、操控訓練保障、數字化演練裝備以及訓練效果評估提供技術支持。

［1］王曉光，蘇群星.沉浸式虛擬維修訓練系統的關鍵技術［J］.兵工自動化，2006（2）：33－34.

［2］趙吉昌.基于NGRAIN的裝備虛擬維修訓練研究與實現［J］.四川兵工學報，2009（9）：25－31.

［3］劉學慧，吳恩華.虛擬現實的圖形生成技術［J］.中國圖像圖形學報，1997（4）：205－212.

［4］莊益夫.基于NGRAIN的仿真訓練保障裝備開發方法［J］.戰術導彈技術，2012（4）：118－123.

［5］管偉光，解林，馬頌德.體圖形學［J］.中國圖象圖形學報，1999（6）：67－71.

［6］張繼開.三維圖形引擎技術的研究［D］.北京：北方工業大學，2004：30－62.

［7］溫佩芝.一種三維實體模型的離散表示方法［J］.計算機工程與應用，2003（15）：35－39.

［8］譚繼帥.虛擬維修訓練系統的交互設計研究［D］.石家莊：軍械工程學院，2007：8－13.

［9］郝建平.虛擬維修仿真理論與技術［M］.北京：國防工業出版社，2008：126－141.

［10］郝建平，蔣科藝.基于虛擬維修仿真的維修性分析評價及系統實現［J］.數字制造科學，2004，2（3）：44－98.