基于EON Studio的某型装备虚拟维修训练系统设计*

韩立群,周建钊

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007)

基于EON Studio的某型装备虚拟维修训练系统设计*

韩立群,周建钊

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007)

针对传统训练维修中人员、环境、条件和成本的限制,虚拟维修的安全、经济、可控、可重复、无风险等高效率、高效益一直备受关注。通过某型装备为研究对象,设计了一种实用的虚拟维修训练系统。通过Pro/e和3DS MAX建立素材模型,然后导入EON Studio中进行运动的编排,包括拆装训练、维修训练、训练考核、零件及维修工具识别等模块的制作,实现了良好的人机交互和可操作性。同时为其他装备的虚拟维修训练系统提供了依据。关键词:虚拟现实;人机交互模;拟树结构;维修训练;碰撞检测

0 引 言

虚拟现实是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术,由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维虚拟环境。人们在这种环境中,可与之进行交互作用,相互影响。目前,虚拟现实已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用,渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术[1]。

在大型复杂武器装备的使用以及维修过程中,存在涉及人员多、操作规范复杂等现象,对操作人员的熟练程度要求高,对维修人员的技术水平要求更高,由于受到环境、条件和成本的限制,其训练难以达到理想的效果。虚拟技术的出现有效弥补了传统训练的不足。传统的工程装备保养、维修训练通常以录像、挂图、三维动画与实物相结合的方式进行[2]。虚拟现实技术是利用计算机生成一种仿真环境,让受训人员“沉浸”其中,实现受训人员与虚拟环境直接进行交互的技术[2]。虚拟现实技术改变了过去人与计算机之间单调枯燥的交流方式。这种方法安全、经济、可控、可重复、无风险,不受气候条件和场地空间的限制,既能常规操作训练又能培训出多情况下的应变能力。其训练的高效率、高效益等独特优势,一直受到各国各行各业方的高度重视[3]。

1 模型构建

虚拟维修训练系统要用到许多实体模型,而且装备模型的构建是整个虚拟维修训练系统的基础,它的质量决定了系统的好坏,考虑到Pro/e模型建立效果好,功能强大,建模完整性好,即选择用Pro/e建立大量模型,然后通过3ds Max接口转换文件格式,直接导入EON Studio中,然后进行模型动画制作,比如拆装序列,维修序列,模拟考核等内容。如图1所示。

图1 三维模型EON模型

在构建虚拟场景时,也可用三维建模软件3DS MAX直接建模,然后使用 EON描述其运动,3DS MAX建模方法有很多,主要有:多边形建模、非均匀有理样条曲线(NURBS)建模、旋转建模、loft放样建模、Boolean建模、组合建模[4]。

(1)多边形建模 多边形建适于创建形状规则、无曲面的对象。它的思想是用小平面来模拟曲面,小平面可以是三角形、矩形或其他多边形,实际多用三角形或矩形,多边形建模主要优点是简单、方便和快速。目前,游戏、建筑角色建模大多使用多边形建模。

(2)NURBS建模NURBS建模方法是曲面造型中最常用的方法,适用于创建光滑的、复杂的、细节逼真的模型,NURBS曲面只有有限的几种拓扑结构,很难制作拓扑结构复杂的物体。

(3)旋转模型 用于具有中心轴对称的物体,用line工具绘出对称截面,加入lathe修改器可得到三维实体。

(4)Loft放样建模 用于在一段路径上具有一致截面或少数截面的情况。首选绘出截面形状和截面的走样路径的二维线形,进行loft放样可得到。

(5)Boolean建模 将两个造型物体进行Boolean合成。合成的常用方法有union,subtraction,intersection和cut四种。

(6)组合建模 使用旋转、移动、缩放、对齐、阵列等各种常用工具,完成一个完整的有机部分。

采用3D建模后保存成.3ds格式,并插入到模拟树状结构中,格式为.eon。利用 EON提供的3DS MAX插件EON Raptor将模型导入到EON中。EON Raptor能够完整的识别和导出3DS MAX模型的位置关系和层次结构,方便后期设计模型动作,而且对模型进行进一步优化处理,避免了不必要的调整。如图2所示。

2 系统设计

根据虚拟维修训练系统功能要求,系统主要划分为结构组成、视角观测、拆装训练、保养训练、维修训练、训练考核、零件及维修工具以及系统帮助。每一个模块均包含大量的子模块和资源,如图3所示。

图2 导入3DS后的树状图

图3 主要模块图

2.1 节点逻辑结构分析

EON主要是利用树状层次进行动作的编排,利用母节点控制子节点的所有属性来改变子节点的移动、旋转、放大、隐藏、上色。模拟树视窗就像 Windows操作系统中的资源管理器一样,是树状结构,可以展开、折叠,节点可以被复制和粘贴。构建一个模拟程式的重点在于如何在模拟树结构中排列节点,而模拟树是通过从节点元件视窗中复制功能节点来建立的[5],如图4所示。

节点被放在节点库中,主要用到四类节点:基本节点、代理节点、运动模型节点和传感器节点,可以在节点视窗中加入新的视窗就可以了[6]。一个节点只有在被放于一个可以与其他节点相互作用的环境中后才能在一个模拟程式中发挥作用。通过在模拟树层次中放置节点和在逻辑关系设定视窗中连接节点,就可以实现节点之间的交互。当节点连接好之后,他们就可以在模拟程式运动时交换信息。一个节点所获得的信息可以引起许多行为,如目标物体的移动、声音或视频的播放等。

2.2 场景生成

EON模拟树结构的根节点是Simulation,其中最重要也是最基本的节点为Scene节点和Camera节点,Scene节点可以编辑物体的位置、方向、大小、背景和云雾效果。它是模拟树的父节点。Camera节点控制着整个模拟程式的摄像机。摄像机的位置、角度决定了在模拟程式视窗中的观看角度和方位。

图4 模拟树视窗图

图5 Camera属性图

EON Studio提供了实现各种运动的组合,方便在虚拟环境下进行人机交互和三维部件的运动,例如,将Place节点和Rotate节点放在Frame节点下,此时的Frame节点可以控制子节点的位置、旋转、大小, Frame节点是一个模块节点,能让模拟树保持一个很好的可视化结构,又如将ClickSensor节点和frame节点放在Task节点下,可以利用Task节点的先后实现运动顺序的先后,如图6所示。

2.3 属性控制

每个节点都有自身的属性,在装备的维修训练中不同视角的转换是通过场景框架 Active Viewport Camera下添加Place节点来实现的,当需要变换不同的视角来展示不同位置的形状时,我们可以通过改变Place的属性来控制视角的切换,通过Place的位置变换改变Camera的位置变化,即可实现多角度观测。如图7所示,即1 s后z的位移为-0.5 m。

图6 树状关系图

图7 Place属性图

2.4 碰撞检测

碰撞检测是虚拟现实技术的核心问题。它是指虚拟场景中的几何体表面在即将或已经发生碰撞时自动进行报告的一种机制。EON Studio中的Collision节点可以实现发动机虚拟维修训练中的碰撞检测,实现方法是:通过将Collision节点添加到选定的维修工具框架节点内,关联复制所有发动机零部件的框架节点,然后将其粘贴到Collision节点下的CollisionObjects文件夹下[7]。

2.5 人机交互设计

人机交互通过各种外界设备让受训者与虚拟仿真场景中的虚拟模型发生逻辑的交互关系,实现对虚拟模型的操作。人机交互的质量关系系统的使用寿命,由于本系统用Delphi编译为一个软件,所以受训者可以通过鼠标和键盘感受软件的使用过程,在EON中可以设置Walk节点的属性来改变鼠标滚轮控制镜头滑动的快慢,也可以通过Headlight节点控制灯光的光源模式和灯光的颜色,还可以通过KeyboardSensor节点和Walkabout节点通过键盘指定键操控物体和镜头的移动。通过鼠标点击也可以实现交互,如图8所示。

图8 ClickSensor节点属性图

3 软件制作

虚拟维修系统仿真部分采用EON Studio软件进行设计开发,最后利用Delphi 7对开发程序进行整合。通过在Delphi中安装EonX插件,可以调用、控制EON仿真程序,增加了人机交互的深度,拓宽了人机交互的范围。在Delphi中通过编程可以完美的将EON结合到软件的编译中,如图9所示。

图9 Delphi界面图

4 结 语

虚拟现实为装备维修训练提供了强有力的技术手段。针对装备维修训练的现状和传统虚拟维修设计上的缺陷,对EON和Delphi软件平台进行了封装,开发了一个三维的、可交互的虚拟维修训练系统,为装备维修提供了现代化的、经济实用的训练手段,解决了实物训练耗费大、限制条件多,安全性低的问题,具有广泛的应用前景。随着我国制造业信息化水平的不断提高,虚拟现实技术对解决机械投产后的使用、维修保障、功能演示等复杂问题十分有用,为新装备提供了现代化的、经济实用的维修保障训练手段,具有显著地社会经济效益。

[1] 黄金陵.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 赵文娟.YD02赛车车架结构设计及其轻量化研究[D].秦皇岛:燕山大学,2009.

[3] 马如宇,冯英伟.EON Studio在网络三维互动课件开发中的应用[J].中小学信息技术教育,2006(9):71-72.

[4] EON Reality Inc.EON Reference Guide[Z].USA:EON Reality Inc,2008.

[5] 王 岚.EON虚拟现实软件应用教程[M].天津:南开大学出版社,2004.

[6] 王 炜.虚拟仿真系统导论[M].北京:国防科技出版社,2007.

[7] 赵金才,王宪成,孙 坦,等.基于EON Studio5.0的装甲车辆发动机虚拟维修关键技术研究[J].装甲兵工程学院学报,2008 (2):46-47.

Virtual Maintenance Training System Design for a Certain Type of Equipment Based on the EON Studio

HAN Li-qun,ZHOU Jian-zhao
(College of Field Engineering,PLA University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

In view of the constraints of poor environment,bad conditions,much cost and less workers in traditional maintenance training,the virtual maintenance training could perfectly solve the problems.It is safer,more economic,more controllable,more repeatable,no risk and has attracted much attention from the world.A practical virtual maintenance training system has been designed by regarding a certain type of equipment as the research object.The material models of the training system are set up through Pro/e and 3DS MAX and then arranging them by imported into the EON Studio,including disassembling training,maintenance training,assessment training,parts and repair tools identification training.The good human-computer interaction and operability are achieved,and it provides basis for the other virtual maintenance training systems.

virtual reality;human-computer interaction;simulation tree structure;maintenance training;collision detection

TP391.9

A

1007-4414(2015)05-0227-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.084

2015-08-31

韩立群(1990-),男,山东日照人,研究生,研究方向:虚拟维修技术。