基于虛擬現實技術的末制導炮彈檢測訓練系統

范志鋒 徐敬青

1(武昌工學院機械工程學院 湖北 武漢 430065)2(湖北省綠色風機協同創新中心 湖北 武漢 430065)3(陸軍工程大學石家莊校區 河北 石家莊 050003)

0 引 言

末制導炮彈是一種高技術彈藥，能夠實現對目標的精確打擊[1]。與傳統無控彈藥相比，末制導炮彈內部含有復雜的光電系統。在長期儲存過程中，為確保其質量，需要利用專用檢測儀器對末制導炮彈內部的光電系統開展性能檢測。文獻[1]介紹了利用虛擬儀器開展末制導炮彈檢測的具體實現方法，但基于虛擬儀器的末制導炮彈性能檢測操作過程較為繁瑣，需要對操作人員開展專門的末制導炮彈性能檢測訓練，才能勝任該項工作。文獻[2]介紹了一種末制導炮彈檢測彈的設計方案，認為開展末制導炮彈性能檢測訓練，需要使用末制導炮彈性能檢測儀和相應的檢測彈。根據文獻[2]中介紹的方法開展末制導炮彈性能檢測訓練，存在的主要問題是：要想實現“人手一套”，費用較高，推廣應用較難。

近年來，隨著計算機軟硬件技術的不斷發展，虛擬現實技術已經成功應用到教育、醫療、建筑、航天、汽車、導航、軍事等社會各個行業和領域[3-9]。虛擬現實技術是一種能夠產生與真實場景在視覺、聽覺以及觸覺等方面及其相似的虛擬場景的計算機技術，用戶通過必要的交互設備，在虛擬場景中進行交互操作，達到身臨其境的效果，具有強大的沉浸性、交互性和構想性等特征[10-11]。本文克服文獻[2]中的方法開展末制導炮彈檢測訓練的缺點，以虛擬現實技術為理論指導，基于Unity3D、3DMAX、Dreamweaver和Photoshop等軟件，設計末制導炮彈檢測訓練系統，提供末制導炮彈檢測虛擬訓練功能，以解決院校和彈藥檢測機構缺乏訓練條件的現實問題。

1 總體設計

1.1 功能設計

目前，虛擬現實系統主要分為4類：桌面虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、增強虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統[12]。考慮系統的開發費用和運行成本，末制導炮彈檢測訓練系統采用桌面虛擬現實技術進行開發，即開發的訓練系統是一套軟件，利用鼠標進行人機交互操作。整個系統既能夠實現單機運行，也能夠實現基于局域網多人在線訓練。

為提高末制導炮彈檢測訓練效果，系統應具備檢測知識學習功能、檢測虛擬操作功能以及訓練考核功能。

1.2 模塊設計

根據系統應具備的功能，末制導炮彈檢測訓練系統設計5個功能模塊：訓練幫助、靜態展示、訓練演示、虛擬訓練、訓練考核。

訓練幫助模塊主要以文字和圖片等形式，介紹系統的功能、檢測操作步驟、系統操作使用說明等內容。

靜態展示模塊采用交互操作的形式，主要以圖片配合文字說明，展示末制導炮彈檢測操作過程中需要使用的所有設備工具以及被測對象。

訓練演示模塊采用視頻的形式，自動演示末制導炮彈檢測的操作步驟。

虛擬訓練模塊采用交互操作的形式，保證訓練者按照正確的檢測流程進行末制導炮彈檢測虛擬訓練。

訓練考核模塊采用交互操作的形式，可以對末制導炮彈檢測訓練者實施考核，在考核結束后，能自動對訓練者進行評分。

2 開發流程

根據系統的功能和模塊，結合軟件開發的一般流程，本文將末制導炮彈檢測訓練系統開發過程分為5個步驟：

(1) 廣泛收集末制導炮彈檢測操作的各種素材，包括圖片、文字、聲音、視頻等，并對原始素材對象進行特征分析和歸類，以供后續建模使用。

(2) 對檢測設備工具、檢測對象、訓練操作環境等素材采用3D MAX進行三維靜態建模，以檢測操作真實動作為依據，通過3D MAX軟件自帶的腳本功能生成的檢測動作模型，并輸出FBX格式文件。

(3) 在Unity 3D軟件中載入FBX文件，以檢測操作真實流程為依據，編寫C#腳本實現交互，輸出靜態展示、虛擬訓練、訓練考核等3個獨立的功能模塊。

(4) 使用Apowersoft錄屏軟件，錄制虛擬訓練全過程操作視頻，輸出訓練演示模塊。

(5) 運用Dreamweaver和Photoshop軟件設計交互界面，將完成的靜態展示、虛擬訓練、訓練考核以及訓練演示模塊插入相應的網頁中，并添加訓練幫助模塊，完善后打包發布成網頁版訓練系統。

系統的具體開發流程如圖1所示。

圖1 系統開發流程

3 系統實現

由于篇幅限制，本文只對系統實現的一些主要技術環節進行說明。

3.1 三維模型建立

系統需要建立的三維模型包括兩類：一是檢測過程中需要使用的設備工具和檢測彈；二是檢測訓練操作環境。

三維建模主要在3D MAX軟件中進行開發，最終輸出FBX格式文件。三維建模按照靜態建模、動態建模、FBX文件輸出3個步驟進行。

三維靜態模型的建立包括創建模型、編輯材質和渲染3個步驟。上述兩類三維模型的創建模型方法類似。在3DMAX中均采用多邊形建模方法(polygon)進行建模。任何物體都是由點、線、面所組成的，本文需要建立的模型都是以基本形狀為基礎，通過改變點、線、面來修正造型。對于部分比較復雜的模型，可以在建立基礎模型后通過修改命令進行調整。

為了提高三維靜態模型的逼真程度，部分三維模型的表面需要使用貼圖，如檢測儀內置的使用說明書、設備的銘牌等。對于該類貼圖，一般采用相機拍攝圖片，然后用Photoshop軟件對圖像進行調節，放大或者縮小貼圖尺寸，使貼圖適應模型的大小，并更改圖像顏色使其與模型匹配。建立的部分三維靜態模型見圖2。

(a) 電阻檢測儀 (b) 性能檢測儀

(c) 檢測彈 (d) 檢測操作臺圖2 系統部分三維模型

3D MAX軟件自帶的各類腳本可實現單步虛擬檢測操作的各類動作。在得到檢測設備工具和檢測彈以及檢測訓練操作環境的三維靜態模型后，依據末制導炮彈檢測操作的真實動作，對模型添加對應的動作腳本，生成單步三維動態模型。

在生成三維動態模型后，在3D MAX軟件中輸出FBX格式文件。FBX格式文件包含了模型主要的三維數據元素以及二維、音頻和視頻媒體元素，有利于下一步使用Unity 3D軟件進行交互構建。

3.2 交互構建

本文研究的末制導炮彈檢測訓練系統是一套桌面虛擬現實系統，交互操作是通過鼠標實現的。交互構建是在Unity 3D軟件中通過編寫C#腳本實現的，是整個系統開發的核心。下面對3個交互模塊的一些典型環節腳本代碼進行說明。

1) 靜態展示模塊 靜態展示模塊的交互操作，主要要求訓練人員用鼠標移動到檢測設備工具或檢測彈后，系統會自動高亮顯示該對象并且提示該對象的具體名稱，用鼠標左鍵點擊該對象后，會彈出該介紹該對象的詳細圖片。部分C#代碼如下：

void OnGUI(){

//描邊顯示文字

if (isShowTip) {

GUIStyle bb=new GUIStyle ();

//GUI文字

bb.normal.background=null;

//GUI背景為空

bb.normal.textColor=new Color (1,0,0);

//字體顏色

bb.fontSize=25;

//字體大小為25

GUIStyle cc=new GUIStyle ();

cc.normal.background=null;

cc.normal.textColor=new Color (0,0,0);

cc.fontSize=25;

GUI.Label(new Rect(Input.mousePosition.

x+22.5f,Screen.height-Input.mousePosi

tion.y-20f,100,40),_name,cc);

//顯示字體位置

GUI.Label(new Rect(Input.mousePosition.

x+20f,Screen.height-Input.mousePosi

tion.y-20f,100,40),_name,bb);

}

}

2) 虛擬訓練模塊 虛擬訓練模塊的交互操作，主要要求是在操作界面上實時顯示操作步驟的前提下，訓練人員用鼠標移動到正確的位置并點擊左鍵后，系統開始播放相應的檢測動作，直到完成整個檢測操作流程。

編寫C#代碼，主要完成預先存儲鼠標在操作界面中的位置信息，并判斷當前鼠標位置信息是否與預定的儲存位置發生碰撞的功能。當判斷射線檢測到發生碰撞時，即將鼠標移動到操作對象處時，鼠標指針變為指示箭頭，當訓練人員點擊鼠標左鍵時，播放動畫。部分C#代碼如下：

void Click() {

var gg=Input.mousePosition;

//存儲鼠標點信息

Ray ray=Camera.main.ScreenPointToRay (gg);

//存儲由相機發出的射線信息

RaycastHit hitInfo;

//存儲涉嫌碰撞信息

if (Physics.Raycast (ray, out hitInfo)) {

//判斷射線檢測

Name=hitInfo.collider.transform.name;

//存儲射線碰撞到的物體名字

if (Input.GetMouseButtonDown (0)) {

//如果點擊鼠標左鍵

switch (Name) {

//判斷物體名字

case "0":

playAnimbbb (0);

//播放打開抽屜的動畫

break;

case "1":

playAnimbbb (1);

//播放檢測工具取出的動畫

foreach (var item in UIgj._instance.uizong) {

//顯示物體,遍歷數組

item.SetActive (true);

}

3) 訓練考核模塊 訓練考核模塊的交互操作，與虛擬訓練模塊的交互操作類似，不同的是訓練考核模塊的操作界面上不實時顯示操作步驟，同時增加考核計分功能。實現當訓練人員需要查看操作步驟時，系統將扣除相應步驟的分數，并在打分板上顯示所有的扣分步驟和最終的得分。部分C#代碼如下：

public void xianshi(){

//顯示提示文字

if (isPre1) {

isPre1=false;

}

if (aa.isPlaying==true) {

isPre=false;

} else {

if (tsLab.enabled==false) {

fen (5);

//扣除分數

tsLab.enabled=true;

ls.Add (tsLab.text);

for (int i=0; i

for (int j=i; j

ooo[i].text=ls[i]+"[000000FF]-5分[000000FF]";

}

//記錄窗口中顯示扣分步驟以及扣除的分數

}

}

}

}

public void fen(int i){

//減分函數

if (num>0) {

num-=i;

}

GameObject.Find ("ff").GetComponent().text=num.ToString ();

}

public void jilu(){

//記錄按鈕打開和關閉

if (ison1) {

zz.SetActive (true);

ison1=false;

} else{

zz.SetActive (false);

ison1=true;

}

}

3.3 界面設計與系統集成發布

本文研究的末制導炮彈檢測訓練系統界面，用Photoshop軟件進行設計。設計的登錄界面如圖3所示。

圖3 系統登陸界面

將設計的界面導入Dreamweaver軟件，將各個獨立的模塊進行系統集成，最終得到打包發布的網頁版系統。系統最終生成的主文件名為index.html，是一個網頁格式的文件。系統在單機運行時，只需要雙擊index.html，就進入圖3所示的登錄界面。系統在局域網運行時，只需要輸入Web地址，同樣進入系統登錄界面。

4 結 語

本文將虛擬現實技術應用于末制導炮彈檢測訓練領域，運用3D MAX進行了三維建模，運用Unity 3D實現了交互操作，運用Photoshop設計了系統界面，運用Dreamweaver實現了系統集成，最終發布完成了網頁版的末制導炮彈檢測訓練系統。該系統實現了末制導炮彈檢測操作全過程模擬，為開展相應的訓練提供了平臺，具有良好的推廣應用前景。同時該系統的設計思路為類似的彈藥檢測虛擬訓練系統設計提供了參考。