基于VR技术的某型鱼雷虚拟训练系统的设计与实现

周杰

摘 要：为提高某型鱼雷的训练效率，降低训练成本，保障训练安全，文中采用虚拟现实技术构建了某型鱼雷模拟训练系统。文中给出了该系统的功能设计和实现方法。系统利用桌面虚拟现实技术实现了某型鱼雷火工品装配和鱼雷发射准备、发射过程操作训练，首次实现了面向鱼雷武器发射准备全过程的虚拟训练。实际应用表明，该系统稳定可靠，具有较强的实用性。

关键词：虚拟现实；系统设计；Virtools；鱼雷

中图分类号：TP317 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-00-04

0 引 言

虚拟现实技术（VR）通过综合利用视频、三维动画和声音等多媒体素材，营造出具有沉浸性、交互性、构想性的软件操作环境[1]。虚拟现实技术已广泛应用于设计测试、模拟训练、游戏娱乐和教学科研等多个领域，随着VR头戴设备、应力反馈设备等各种终端设备的大量使用，VR技术的应用广度和深度也逐年提升。某型鱼雷武器由于造价高昂，加之武器系统寿命维护的限制，导致鱼雷武器准备操作训练的代价过高。为降低训练成本，提高訓练效益，利用虚拟现实技术开发鱼雷模拟训练系统可节省训练经费，且所有训练过程部件动作均对学习者可见，比实装更适合专业理论学习和培训操作人员。本文论述了基于VR技术的某型鱼雷模拟训练系统的设计与实现。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术通过构建三维模型营造了多种视角，提供了具有沉浸性和交互性的操作环境，操作者可以亲身漫游虚拟世界，多角度观察操作方法，参与交互，给操作者强烈的临场感和逼真感，这种深层的自然的人机交互，可使操作人员将以往被动的知识接受模式变为主动探究，积极寻求新知识，形成潜在技能，为实际操作技能的最终形成奠定坚实的基础[2]。

虚拟现实的最终实现效果与硬件设备有直接关系，为利用通用设备实现虚拟现实效果，可采用桌面虚拟现实，也称为窗口VR，成本低，是本文主要使用的VR技术。

将虚拟现实技术融合到模拟训练系统中，解决传统模拟操作中临场感弱，操作训练不充分，难以形成有效技能的问题，通过逼真的武器、工具模型和高度还原的操作过程调动操作者的主动性，提升知识技能构建的效率，在保证设备和人员安全的前提下实践所学知识，加速知识到技能的转换过程。

2 系统设计

2.1 硬件结构

硬件系统主要由主控台、综合训练控制台Ⅰ～Ⅴ、网络与接口系统、投影仪组成，基本构成如图1所示。

主控台不仅可以进行系统数据库的后台管理，虚拟操作考试监控，还可以进行投影演示。综合训练台Ⅰ～Ⅴ主要完成鱼雷武器系统结构原理理论知识学习、鱼雷准备和发射相关虚拟操作和考核功能。控制台依次安装鱼雷发射电控系统对应操作台的虚拟操作模块，完成鱼雷发射过程的系统联调和操作。系统各计算机之间的信息通过网络交换机传输。

2.2 软件设计

本训练系统在技术实现上采用Visual C++作为系统框架主开发平台，VC兼容性好，具有多种控件，可以高效完成数据库管理和网络通讯，并整合Flash、Authorware及Virtools等软件，形成兼容、健壮的系统软件。

训练系统多媒体资料采用Authorware软件开发，具有交互性，可提高学习主动性。虚拟操作使用Virtools软件实现对武器操作流程和专用控制设备的虚拟操作，操作中可进行视角变换、专用工具使用、鱼雷雷体操作、面板按钮操作和指示灯、数据显示等。Vritools利用图形化编程，设计思路形象直接，能够高效完成三维虚拟操作编程[3]。鱼雷武器准备过程中部分步骤局部细节操作较多，视角相对固定，为避免三维视角变化繁琐的操作步骤，提高操作效率，将3DSMAX和Flash相结合开发软件模块完成虚拟操作，利用3DSMAX输出多层次、多视角和多种表现形式的三维动画，以动画为基础利用Flash良好的交互性和平台移植性开发出具有三维浸入感和良好交互性，且对硬件要求低的软件模块。系统软件结构如图2所示。各模块功能如下：

（1）讲解操作模块：通过技术检查和准备过程后，演示三维动画操作步骤，并通过Authorware互动演示教材，讲授演示武器原理。

（2）资料查询模块：利用数据库存放视频和文档资料，通过SQL语言编程实现对数据库资料的查询与更新，提高受训人员数据检索效率。针对不同资料的检索结果分别显示，调用Mediaplayer控件播放视频资料；使用COM组件调用WORD控件浏览和修改文档资料。

（3）自我考核模块：通过题库自动出题，完成理论考核，利用随机算法从题库中随机抽取选择、判断和填空三种题型，试卷显示利用EDITBOX控件，答案输入使用LISTBOX控件，试卷成绩自动评定并存入档案数据库。通过考核专用虚拟操作模块完成操作考试，主控台通过对其他控制台进行监控，实现操作考核成绩实时评估。

（4）模拟操作模块：分析鱼雷准备过程和发射流程的所有操作步骤，对于视角相对固定，装备动作细节展示要求较高的步骤，可通过Virtools编程对三维模型进行虚拟操作，增加硬件设备操作的临场感和浸入感。对于使用工具种类繁杂，需要与视角进行精确配合的精细操作，则利用3DMAX输出详细的三维动画，结合Flash创建虚拟仿真环境，兼顾硬件要求和三维显示效果。

（5）档案管理模块：查询用户的考试成绩、考试时间、姓名和学号。为保证数据库安全，对各控制台设定不同的权限，仅主控台可对档案数据库信息进行修改，对其他控制台仅开放查询浏览功能。

（6）网络通信模块：通过套接字编程和开发专用通讯模块完成数据的封装、解析、发送与接受，实现不同软件平台开发的软件模块之间的数据交互。

（7）电控系统操作模块：模拟艇上指控系统和发射装置电控系统的各控制台，完成发射鱼雷全过程的虚拟操作。

3 关键技术

3.1 鱼雷武器最后准备虚拟操作

在某型鱼雷武器的最后准备过程中，最为重要和最具危险性的工作是火工品的安装，使用虚拟装配完成该项操作可以降低训练风险，提升训练效率。虚拟装配在计算机环境中进行，通过可视化的模型和数据交互，辅助完成与装配有关的工程决策[4]。基于Virtools构建火工品虚拟装配模块的流程如图3所示。

（1）通过烘焙处理将3DSMAX软件中建立的火工品模型和操作场景的材质、纹理、灯光等输出成为贴图文件，模型的文件以NMO文件格式输出。其中静态模型设定为对象输出，动态模型设定为虚拟角色输出。

（2）把NMO文件导入Virtools软件，选择对应材质纹理贴图，调整参数，取得最佳视觉效果。

（3）使用Building Blocks行为模块（BB模块）完成模型交互动作的编程，按照操作步骤实现预定操作。部分模型、材质、摄像机可使用脚本语言编程。

（4）对象资源整合，交互界面设计，完成虚拟装配软件模块。

操作过程中利用鼠标或触摸屏选取装配体，进行位置移动、视角旋转，将部件移动到指定位置附近完成装配。部件装配序列和装配过程路径规划，从装配数据库中根据部件名称实时读取。为协助受训人员完成装配，可首先进行虚拟装配动画演示，操作过程中配合单步装配提示。部件装配过程中的碰撞检测和装配体位置距离判断使用专用BB模块完成。虚拟装配操作流程如图4所示。

3.2 VC与Virtools通讯

Virtools的网络通讯模块必须在VirtoolsDev软件平台下调用这些功能模块才能构建通信网络。即所有网络通信节点都要用Virtools来开发，才能构建通讯体系[5]。当需要Virtools软件平台和其它软件平台之间进行通讯时，Virtools通讯的局限性就凸显出来。

在虚拟训练系统开发中利用Virtools阵列输出机制完成Virtools与VC之间的信息交互。Virtools阵列用于建立数据、时间变量控制等，它由Column（列）和Row（行）组成，在Virtools程序运行时，通过Test和2D Picking行为交互模块判断此时被用户操作的虚拟物体，并将虚拟物体的参数变化通过SetCell行为交互模块对阵列的每一个元素及相应参数进行设置。然后利用Array Save行为交互模块将数组数据储存成指定路径下的文件档案[6]。完成存储后利用Windows API 函数ReadDirectoryChangesW（）实现对指定目录中文件的监控[7]，ReadDirectoryChangesW（）函数使用CreateFile（）获取要监控目录的句柄，然后循环调用ReadDirectoryChangesW（）判断文件是否改变，并分配内存以存放目录变化通知并传给该函数。一旦发现文件改变，函数便把目录变化通知存放在指定内存区域，并立即读取文件内容进行相应处理，处理完成后结果可再次写入数组文件。

Virtools利用Array Load模块读取指定路径的数组文件，并利用数组元素完成虚拟物体的控制[8]。阵列输出机制流程如图5所示。

3.3 Flash与3DSMAX结合创建虚拟操作环境

鱼雷武器在发射准备过程中，操作步骤必须跟随鱼雷武器装管的过程，操作步骤固定，涉及诸多细微部件的操作。单纯使用Virtools建立虚拟环境，视角变换将消耗大量的系统资源和操作时间，降低操作效率。对于此部分操作，采用Flash软件与3DSMAX结合创建虚拟操作环境。使用3DSMAX为武器各部件和工具建立三维模型，为武器准备过程建立三维动画，然后将三维动画导入Flash为FLV文件。使用Flash的Action Scrip函数来控制动画的播放顺序和播放过程，实现交互操作。利用onEnterFrame函数对导入的FLV文件进行帧控制[9]，在指定帧暂停视频，根据提示信息，使用者从控件工具箱中选择工具或部件，利用onRelease函数响应鼠标单击选择的工具和部件的正确位置，工具和位置选择正确则视频继续播放，错误则显示提示信息，重新操作。两种软件的结合使用在降低硬件要求的同时，保证虚拟软件具有三维空间感，操作过程逼真。软件流程如图6所示。

4 结 语

VR技术已经在军事领域展示了其显著的应用价值，发展潜力巨大[10]。本文结合具体项目，提出了硬件要求低，训练费效比高、功能齐全的某型鱼雷虚拟训练系统的设计方案。利用VR技术实现模拟实装训练，降低了训练成本和训练风险，提高了训练效率，增强了教学效果，减少了教学设施的建设投入，极大地提高了参训人员对装备的驾驭能力。

参考文献

[1]于修洪，项辉宇，牛凯.虚拟现实技术在机械产品装配中的应用[J].现代制造工程，2011（5）：39-42.

[2]李姝博.虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究[J].遼宁高职学报，2013（7）：13-15.

[3]牛彦，张烁男.基于Virtools技术的产品虚拟交互式操作指导系统构建[J].沈阳建筑大学学报，2012（5）：569-572.

[4]刘航，王春水，王积忠.基于视景仿真技术的某型装备虚拟操作训练系统[J].指挥控制与仿真，2007，29（2）：79-82.

[5]于修洪，项辉宇，牛凯.虚拟现实技术在机械产品装配中的应用[J].现代制造工程，2011（5）：39-42.

[6]于丹东，徐英新，胥林.三维游戏设计师宝典一Virtools行为模块词典大全[M].北京：电脑报电子音像出版社，2009.

[7]杨芳，马君显.用VC++6.0开发服务器网络日志程序[J].计算机应用，2003（6）：136-138.

[8]牛彦，张烁男.基于Virtools技术的产品虚拟交互式操作指导系统构建[J].沈阳建筑大学学报，2012 （5）：569-572.

[9]董明，刘加，刘润生.适宜于嵌入式多媒体应用的FLASH文件系统[J].电子技术应用，2002（9）：24-27.

[10]刘航，王春水，王积忠.基于视景仿真技术的某型装备虚拟操作训练系统[J].指挥控制与仿真，2007，29（2）：79-82.