基于VR的殺爆彈靜爆實驗系統設計與開發

劉 闖， 曹紅松， 張 雨， 劉 勝， 劉松健

(1.中北大學 機電工程學院，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特別重要的實驗之一。學生了解相關的實驗規程、實驗設備和裝置、操作技巧等并進行實踐訓練，對提高其工程實踐能力和科研能力和創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，導致學生不能直觀感受彈丸爆炸、破片飛散的過程，也無法練習對沖擊波、破片速度進行測試。隨著虛擬現實技術(Virtual Reality,VR)的不斷發展，將VR技術應用于實驗教學，能夠有效地解決上述問題。目前，VR技術在工程訓練和實踐教學中的應用已越來越廣泛[1-9]，但尚無殺爆彈靜爆實驗方面的虛擬實驗系統。

殺爆彈靜爆實驗的目的在于研究和評比彈丸或戰斗部的殺傷作用，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[10-11]。本文結合殺爆彈靜爆實驗教學的要求：需要較好的交互性來實現實訓效果，系統的可移植性，包含自主學習、訓練、考核等模塊，使用Unity3D平臺，開發出基于虛擬現實交互的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統。學生可通過虛擬實驗系統，親身體驗殺爆彈靜爆實驗的過程。實踐證明，本系統不僅可以提高學生的學習興趣，輔助課堂教學，培養學生的動手能力，還可以保證實驗的經濟性和安全性，方便實現資源共享。

1 虛擬實驗系統的整體設計

1.1 實驗項目內容設計[10]

根據殺爆彈靜爆實驗的要求，可將實驗項目內容分為實驗準備、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、實驗結果的整理與評定等內容。

(1) 實驗準備。主要包括扇形靶、測試彈體、測速裝置、實驗場地等準備。扇形靶是由在自然條件下干燥的3等松木板或強度相當的其他木板制成。厚度為25 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。被試彈體依據實驗目的而準備，要注意排除一切干擾，以求獲得滿意的實驗結果。測速裝置選用網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被測彈丸的口徑確定。測速通靶安放完畢后，接線計時儀，準備實驗。

圖1 扇形靶布置示意圖

(5)實驗結果的整理與評定。根據每發彈丸的爆炸結果，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量的綜合表，并求出平均結果。最后按照彈丸爆炸平均結果繪制出表示1/6圓周上穿透的破片和殺傷破片數量與炸點距離的關系圖。

1.2 虛擬實驗功能設計

為達到良好的學習和教學效果，本實驗系統分為學習、訓練和考核等模式。學習模式下:用戶通過鼠標左鍵點擊相應的按鈕，可查看實驗目的、實驗準備、場景布置、實驗步驟、數據分析等指導內容。訓練模式下:用戶可參照學習模式下的指導內容，在虛擬場景中按步驟完成彈丸選擇與放置，通靶放置，連線，彈丸靜爆等操作訓練。考核模式下:用戶在規定的時間內，按步驟完成虛擬實驗操作，用戶提交實驗報告后，系統自動給出考核成績。虛擬實驗系統的整體框架見圖2。

圖2 虛擬實驗系統的整體框架

1.3 虛擬實驗系統的開發流程

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輔助設計(Computer Aided Design,CAD)軟件建模，然后將模型導入3ds Max軟件中優化并制作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、優化并制作UV貼圖。繼而將模型、UV貼圖等文件導入Unity3D軟件中，進行界面設計和C#腳本添加。最終在Unity3D中發布成基于個人計算機(Personal Computer,PC)平臺的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統。

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建與轉換

三維模型的建立是整個實驗系統實現的基礎。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]。本系統的開發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軟件是一款三維設計軟件，所建模型精確完整，但材質的真實感不強，交互性不足。3ds Max是一款優秀的三維動畫渲染和制作軟件，可解決UG建模真實感不強的問題，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工具，具有強大的編輯功能，可實現本實驗系統所需資源的整合、添加組件、設置交互等功能。

本文采用的快速建模與轉換思路是：首先通過UG軟件建立模型，另存為.IGES格式文件；再導入至3ds Max軟件中進行模型優化、添加材質，分展UV，在Photoshop中制作對應模型的UV貼圖；然后另存為.FBX格式的文件，導入至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中內置的Terrain引擎創建地形，調整好地形的基本形狀后，選用合適的單元紋理賦給畫筆，畫筆所經過的地方將會把對應紋理貼到地形上。通過Terrain繼續在地形的適當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，使地形中的花草樹木非常生動地隨風擺動。天空的表現通過Unity中的天空盒材質渲染來實現。場景逼真程度很大程度上取決于材質和燈光，在本實驗場景中使用烘焙貼圖技術(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 實驗設備和裝置的建模

靶板、靶架、測試彈、爆樁、測速通斷靶、導線、計時儀等實驗設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模型導出為.IGES格式文件，再導入至3ds Max中進行優化并添加材質、制作UV貼圖。對其他實驗設備可參考實際尺寸在3ds Max中直接建模，并添加材質、制作UV貼圖。最終所建實驗設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 交互功能的設計與技術實現

3.1 交互功能的設計與編程思路

本文借鑒模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)組成的MVC設計模式[2]，來實現用戶與系統的交互功能。首先，用戶進入View視圖，即虛擬實驗場景中，根據場景中的指導性文字、箭頭，開始進行實驗操作，所做的操作將以命令的形式傳遞到Controller中，對用戶的操作進行分類、判斷后，最后對模型進行相應的控制，如移動測試彈、放置測試彈、接線等。模型受到相應的操作控制后，在View中顯示出來，反饋給用戶。用戶繼而根據反饋，進行下一步的操作，如此循環往復，實現系統的交互功能。Unity3D主要通過腳本程序組件對模型進行控制，即通過腳本程序控制模型的材質改變、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#腳本編程實現系統的交互功能。

3.2 交互功能的實現

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

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

(2)實驗裝置模型移動功能的實現。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，鼠標點擊響應后，截取到鼠標點擊的屏幕上的那條射線，并將其進行碰撞檢測，連續判斷指針上是否有模型，鼠標右鍵判斷其ID是否一致，若一致則模型位置就是鼠標位置，即鼠標拖動模型移動到相應位置。

(3)測試彈丸的放置。按實驗要求，經改造后的彈丸應豎直放置在爆樁上，并使被試彈丸放置后其質心距地面的距離為1.5 m。在本實驗系統中，對實際操作過程簡化后，設計了一個虛擬人并結合Mecanim動畫系統來完成測試彈的安裝。在Unity中，Mecanim動畫系統是一種高效、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建。用戶操作的交互過程采用UI界面交互來實現，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。彈丸靜爆是在按下起爆開關后，觸發引信，被測彈丸被引爆，產生火光，破片飛散，穿過或卡入靶板和通靶的過程。為表現殺爆彈的靜爆效果，可用Unity集成開發環境中粒子系統來模擬爆炸時的火焰及煙霧等效果。為彈丸預制體添加粒子系統(Particle System)對象，設置Transform和粒子參數，模擬彈丸爆炸時產生火光和破片飛散的效果。效果如圖5所示。

圖5 炮彈觸發特效的實現

(5)考核計分功能的實現。根據用戶的實驗操作，在用戶點擊提交按鈕后，系統自動給出考核成績，滿分為100分。在系統中可根據實驗要求設計實驗步驟，對每一個步驟進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，再與系統預設的步驟序列進行比對，從而計算出考核分數。

4 軟件系統的集成驗證

系統各模塊開發完成后，發布后的殺爆彈靜爆虛擬實驗系統的格式為.exe，在Windows系統中可直接打開運行。打開后，首先進入登錄界面，用戶輸入學號、密碼，點擊登錄后，即可進入殺爆彈靜爆虛擬實驗系統界面。點擊扇形靶實驗按鈕，進入實驗模式選擇界面，分別點擊學習模式、訓練模式、考核模式按鈕，即可進入對應的實驗模式。扇形靶實驗模式選擇界面如圖6所示。

圖6 扇形靶實驗模式選擇

在考核模式下，用戶可查看實驗目的、實驗準備、場景布置并根據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；②為實驗計時區；③為實驗場景俯視圖和幫助按鈕區；④為彈丸測試菜單，包含工具選擇、炮彈觸發、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 語

本文基于Unity3D平臺，結合殺爆彈靜爆實驗開展的實際情況，對實驗的過程進行交互設計，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，分別通過學習模式、訓練模式、考核模式滿足不同的實驗需求。

虛擬實驗系統解決了高校此類實驗教學無法開展的問題，沒有真實實驗的危險性。本系統達到了預期的效果，未來將進一步完善其內容和功能。具體的工作包括：增強系統的沉浸性、增加實時仿真模塊等。