虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備教學(xué)中應(yīng)用的研究

王慶江 單 鑫 盛 沛

（海軍航空大學(xué) 山東·煙臺(tái) 264001）

裝備教學(xué)，就是依托裝備，圍繞其原理、功能、使用操作等開(kāi)展的教學(xué)訓(xùn)練。裝備教學(xué)是院校教學(xué)的重要手段之一。但是，在實(shí)際的裝備教學(xué)過(guò)程中，由于人員、場(chǎng)地、教學(xué)安排等各種教學(xué)條件的限制，造成部分教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality,VR）技術(shù)為教學(xué)單位提供了一種理想的、“真實(shí)的”教學(xué)手段，它能完美的契合教與學(xué)，改進(jìn)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，并且已在實(shí)操教學(xué)中得到了應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際情況和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，研究利用VR技術(shù)構(gòu)建仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，以解決當(dāng)前裝備實(shí)操課程的瓶頸問(wèn)題。

1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)基本情況

基于VR技術(shù)的仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)：VR訓(xùn)練系統(tǒng)）以教學(xué)裝備的操作流程和內(nèi)容為基礎(chǔ)，由裝備模塊、工具模塊、環(huán)境模塊、語(yǔ)音及文字提示模塊組成。

1.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是通過(guò)VR技術(shù)打造一套高沉浸感、可交互性、滿足教學(xué)訓(xùn)練應(yīng)用地沉浸式VR仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)。

VR訓(xùn)練系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高度仿真的虛擬操作體驗(yàn)和訓(xùn)練環(huán)境功能，利用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真和其它仿真技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)建成并投入教學(xué)后將提高裝備教學(xué)的效率，擴(kuò)大裝備教學(xué)受眾面，使學(xué)生全面掌握裝備和工具的實(shí)際操作技能。

通過(guò)建設(shè)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景中裝備操作動(dòng)作以及操作者與虛擬設(shè)備之間交互的作用。為此，需提供必要的交互控制手段，以實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者實(shí)時(shí)、交互地參與虛擬教學(xué)訓(xùn)練。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，通過(guò)人機(jī)交互控制一系列設(shè)備操作動(dòng)作來(lái)完成，保證虛擬環(huán)境的真實(shí)感和學(xué)生的沉浸感。

1.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)功能組件

構(gòu)建VR訓(xùn)練系統(tǒng)目的是將其用裝備教學(xué)，其功能組件主要是：

（1）在系統(tǒng)基礎(chǔ)仿真組件中完成三維模型的建立，并將三維模型文件與三維模型調(diào)用功能、材質(zhì)燈光調(diào)用功能、三維動(dòng)畫(huà)調(diào)用功能、物理建模調(diào)用功能所建立的系統(tǒng)基礎(chǔ)素材和運(yùn)行內(nèi)容，以一定的格式輸入到組件數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于系統(tǒng)操作過(guò)程中的調(diào)用；

（2）在裝備與工具操作仿真組件中，通過(guò)裝備、工具仿真操作功能，完成對(duì)訓(xùn)練各科目中裝備和工具的運(yùn)行操作仿真，使裝備和工具在訓(xùn)練操作過(guò)程中更為真實(shí)合理；

（3）在教學(xué)訓(xùn)練操作場(chǎng)景仿真組件中，通過(guò)訓(xùn)練操作功能區(qū)域建立、位置切換功能、訓(xùn)練工具調(diào)取功能、部件拆卸操作、設(shè)備工具車(chē)、設(shè)備按鍵操作等功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)訓(xùn)練場(chǎng)景中各類(lèi)物品的交互操作仿真；

（4）在教學(xué)訓(xùn)練綜合應(yīng)用仿真組件中，通過(guò)訓(xùn)練科目選擇、教學(xué)裝備介紹、語(yǔ)音和文字輔助提示、虛擬現(xiàn)實(shí)操作幫助，實(shí)現(xiàn)操作流程、內(nèi)容的指導(dǎo)，幫助學(xué)生快速上手操作；

（5）在教學(xué)訓(xùn)練科目仿真組件中，依據(jù)實(shí)際訓(xùn)練環(huán)節(jié)操作流程與內(nèi)容，劃分系統(tǒng)框架內(nèi)的訓(xùn)練內(nèi)容，形成各類(lèi)訓(xùn)練科目，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練科目選擇，便于學(xué)生選擇不同訓(xùn)練科目，開(kāi)展針對(duì)性訓(xùn)練，提高學(xué)生技能掌握效率；

（6）在訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估仿真組件中，通過(guò)訓(xùn)練科目、操作時(shí)長(zhǎng)、操作熟練程度、錯(cuò)誤操作的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果的評(píng)估和顯示；

（7)軟/硬件接口組件，它實(shí)現(xiàn)交互設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集，在虛擬環(huán)境中反映為三維模型交互操作、學(xué)生在景中位置移動(dòng)等互動(dòng)內(nèi)容。

2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)

2.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的架構(gòu)

VR訓(xùn)練系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看分為三層：

（1）系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐層。即系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、美術(shù)資源等系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的基礎(chǔ)資源與支撐，它包括：材質(zhì)燈光調(diào)用功能、設(shè)備操作調(diào)用功能等模塊；訓(xùn)練操作區(qū)域建立；位置切換、設(shè)備按鍵操作、工具調(diào)取等功能；軟/硬件接口組件。

（2）系統(tǒng)業(yè)務(wù)層。它是學(xué)生在系統(tǒng)中開(kāi)展訓(xùn)練的部分，分為以下三部分：教學(xué)業(yè)務(wù)給予學(xué)生引導(dǎo)式教學(xué)操作；訓(xùn)練業(yè)務(wù)采用學(xué)生自主判斷訓(xùn)練內(nèi)容；綜合應(yīng)用分為四部分，它用于引導(dǎo)學(xué)生選擇科目并開(kāi)展訓(xùn)練。

（3）訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估層。該層用于反映學(xué)生對(duì)訓(xùn)練科目操作的系統(tǒng)評(píng)估。

2.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的邏輯與流程VR訓(xùn)練系統(tǒng)軟件流程分為三部分

（1）系統(tǒng)操作科目部分。此部分匯集學(xué)生訓(xùn)練內(nèi)容需求，組織需求分析審核，形成訓(xùn)練需求說(shuō)明書(shū)，明確訓(xùn)練要求，確定訓(xùn)練各科目?jī)?nèi)容邊界。以教學(xué)與訓(xùn)練兩類(lèi)操作形式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)與建設(shè)任務(wù)。

（2）系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)與資源部分。按照裝備操作內(nèi)容建設(shè)任務(wù)的要求，依據(jù)操作數(shù)據(jù)需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)的指標(biāo)，建立裝備、工具三維資源與仿真操作數(shù)據(jù)，形成各訓(xùn)練科目操作內(nèi)容、操作引導(dǎo)與操作判斷流程。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果部分。通過(guò)完善系統(tǒng)操作內(nèi)容，從而對(duì)訓(xùn)練科目操作數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生完成訓(xùn)練科目的虛擬化使用。

2.3 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件組成

VR訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要由計(jì)算機(jī)、顯示系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、VR設(shè)備等組成。其中，一套VR設(shè)備包含VR頭戴式顯示器（也稱(chēng)為頭盔顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)：頭顯）一個(gè)，VR位置追蹤定位傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)：位置追蹤器）兩個(gè)，VR交互操作手柄（簡(jiǎn)稱(chēng)：操作手柄）兩個(gè)。

（1）計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)多使用高性能計(jì)算機(jī)并將系統(tǒng)資源存儲(chǔ)在此機(jī)中。連接計(jì)算機(jī)和VR設(shè)備，即可使用系統(tǒng)。

（2）頭顯。利用頭顯將人對(duì)外界的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)封閉，引導(dǎo)人員產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺(jué)。頭顯與計(jì)算機(jī)相連，以接受來(lái)自主機(jī)的3DVR圖形圖像信號(hào)。頭顯輔以三自由度的位置追蹤器可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中各角度所輸出效果觀察，同時(shí)操作者可做空間上的自由移動(dòng)，如自由行走、旋轉(zhuǎn)等操作。

（3）位置追蹤器。位置追蹤蹤器是進(jìn)行空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備配合使用使操作者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。位置追蹤蹤器能夠感受到操作者的位置和方位并提供動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的位置（三維笛卡爾坐標(biāo)）和方位（俯仰角、偏行角、滾動(dòng)角）信息。

（4）操作手柄。通過(guò)軟件編程，操作手柄可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、熱點(diǎn)切換、界面操作等動(dòng)作，它為操作者提供一種非常真實(shí)、自然的三維交互工具。

（5）顯示系統(tǒng)和音響系統(tǒng)。VR訓(xùn)練系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)除了頭顯，還可以通過(guò)HDMI高清線將計(jì)算機(jī)與顯示設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)顯示器）連接起來(lái)以同步顯示操作者當(dāng)前看到的內(nèi)容。VR訓(xùn)練系統(tǒng)的頭顯中配有一副耳麥供操作者聽(tīng)到操作聲音和背景聲音。

本VR訓(xùn)練系統(tǒng)特意將其計(jì)算機(jī)與播放廳的專(zhuān)用顯示屏、音響相連，以保證某位學(xué)生在操作VR訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)其它學(xué)生可以同步觀看到、聽(tīng)到其操作內(nèi)容和聲音。

2.4 VR訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件環(huán)境

VR訓(xùn)練系統(tǒng)是通過(guò)Unity3D引擎開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為C#，運(yùn)行平臺(tái)為PC端運(yùn)行，軟件版本為Unity2018.3.8f1，代碼編輯器版本為Visual Studio2013。

3 VR訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用

按照VR訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃，目前此系統(tǒng)已建成并通過(guò)了項(xiàng)目驗(yàn)收。

3.1 VR訓(xùn)練系統(tǒng)中設(shè)備的連接

VR訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)備連接如下：

（1）高性能計(jì)算機(jī)通過(guò)HDMI、USB3.0與數(shù)據(jù)接收處理器連接；（2）數(shù)據(jù)接收處理器與位置追蹤器、操作手柄采用WiGig無(wú)線方式連接；（3）數(shù)據(jù)接收處理器與位置追蹤器需要獨(dú)立供電，操作手柄使用充電電池供電；（4）數(shù)據(jù)接收處理器與頭顯采用5米長(zhǎng)的集成線連接（HDMIUSB3.0音頻），便于用戶在虛擬環(huán)境中的移動(dòng)。

VR訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)備及其訓(xùn)練場(chǎng)地如圖1所示，其操作界面如圖2所示。

圖1：VR訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)備及其場(chǎng)地

圖2：VR訓(xùn)練系統(tǒng)操作界面

3.2 VR訓(xùn)練系統(tǒng)在裝備實(shí)操課中的應(yīng)用

VR訓(xùn)練系統(tǒng)驗(yàn)收后已投入多個(gè)批次的學(xué)生裝備教學(xué)中，多名學(xué)生已使用其進(jìn)行了訓(xùn)練。通過(guò)學(xué)生使用的反饋及制定的教學(xué)計(jì)劃，我們做了以下教學(xué)安排：

（1）VR訓(xùn)練系統(tǒng)用于裝備教學(xué)是有益的，使用的時(shí)機(jī)應(yīng)該是學(xué)生完成裝備操作基礎(chǔ)訓(xùn)練后、課程考試前的時(shí)間段；

（2）VR訓(xùn)練系統(tǒng)可以與實(shí)裝同步用于教學(xué)，使用時(shí)可以將學(xué)生分成幾部分，其中一部分專(zhuān)門(mén)使用其進(jìn)行訓(xùn)練，一段時(shí)間后可以與實(shí)裝訓(xùn)練的學(xué)生進(jìn)行輪換；

（3）使用VR訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行裝備教學(xué)時(shí)，每套VR設(shè)備只能滿足一名學(xué)生操作，其余學(xué)生可以通過(guò)播放廳的專(zhuān)用顯示屏和音響系統(tǒng)進(jìn)行同步觀看；

（4）在裝備教學(xué)中，VR訓(xùn)練系統(tǒng)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)裝備的操作流程和操作內(nèi)容訓(xùn)練，實(shí)裝訓(xùn)練側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)裝備的操作手感和操作細(xì)節(jié)的訓(xùn)練，兩者相互配合的教學(xué)效果好過(guò)單獨(dú)使用一種手段的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在院校教育中，裝備教學(xué)對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的崗位任職有重大影響。所以，完善裝備教學(xué)手段、優(yōu)化裝備教學(xué)資源，從而提高裝備教學(xué)效率，就顯得尤為必要。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以顯著地提高教學(xué)效率。因此，虛擬仿真技術(shù)在院校的裝備訓(xùn)練中有廣闊的應(yīng)用前景。