穿戴式多人网络虚拟现实训练系统设计研究

刘志伟 李法忠 牛效兵

摘要： 为提高舰艇武器装备训练保障质量，满足舰艇武器装备岗位能力训练的实际需求，引入可穿戴技术，开发穿戴式多人网络虚拟现实训练系统。研究武器装备三维模型开发思路，梳理系统训练科目，建立训练效果评估指标，搭建基于层级管理架构的系统框架，分析系统建设中需解决的关键问题。

关键词：武器装备;可穿戴技术;训练保障;设计研究;关键技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）16-0226-03

Abstract： In order to improve the quality of Ship weaponry equipment training and support ，and to meet the actual needs of Ship weaponry equipment post practical training，wearable technology is Introducedtodevelopa wearable multiplayer network virtual reality training system .Research on the development of three-dimensional model of weapon equipment and Sort out systematic training subjects，establish evaluation indicators for training effects，build a system framework based on hierarchical management architecture ，and analyze Key issuesthat need to be addressed in the construction of the system.

Keywords：weaponry;Wearable technology;training support;design research;Key Technologies

舰艇武器装备多是技术密集的大型复杂机电系统，内部结构复杂，拆装、技术保障困难，对人员技术和工具设备要求很高。如何让操作人员顺利完成舰艇武器装备技术检查，提高作业效率、减少操作差错，这是在技术保障中急需解决的问题。当前舰艇武器装备技术保障人员的技能训练囿于实装和限制条件过多的传统虚模拟训练系统，限制了训练工作的普及性和有效性，影响了保障人才队伍建设的速度和质量。从当前的技术手段和发展前景来看，将可穿戴式技术引入武器装备训练保障中，开发武器装备穿戴式多人网络虚拟现实训练系统，能有效改善训练效率，提高训练质量，加快人才队伍建设速度。

1可穿戴技术简介

可穿戴技术是指探索和创造能直接穿在身上或者整合进用户衣服或配件的设备的科学技术。其目的是通过内在连通性实现快速数据获取，通过超快的数据分享能力高效保持社交联系，摆脱传统的手持设备而获得无缝的网络访问体验。可穿戴技术可以将多媒体、传感器、无线通信等技术进行有机融合，载入可穿戴硬件设备中，还可通过手势、语音、眼部动作等多种方式进行交互。与传统智能设备相比，可穿戴技术硬件更加轻便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定区域内无持使用。

随着信息化和智能化技术手段的不断发展，可穿戴技术的应用逐渐进入发展机遇期。智能手表及手环、Core运动追踪器、3L Lab智能鞋垫、Moverio BT-200智能眼镜、Avengant Glyph头戴显示器等产品不断涌现体现了可穿戴技术已经逐渐成熟，并在运动健康、工业、军事、医疗、教育等领域表现出广阔的应用前景。

将可穿戴技术引入舰艇武器装备训练保障过程，可打破传统训练保障模式的束缚。高精度手指穿戴式设备的实际应用可解决早期VR训练无法进行武器准备手部操作的局限性;可穿戴式电脑和非预先设置型VR系统的结合可解决训练空间限定在较小范围内的问题;基于次世代三维引擎Unreal4三维引擎可实现更多网络结点下低延迟、高响应的真实多人VR训练场景。结合以上优势，开发武器装备穿戴式多人网络虚拟现实训练系统，可精确指导操作使用人员进行武器装备单人或多人协同技术保障训练，提高操作使用人员培训效率和武器装备技术保障效率，可有效促进武器装备伴随式维修保障能力的快速生成。

2 武器装备穿戴式多人网络虚拟现实训练系统建设内容

武器装备穿戴式多人网络虚拟现实训练系统以舰艇武器装备为研究对象，实现武器装备原理教学、单人/多人协同技能训练、考核评估等功能。研究内容主要包括以下方面：

（1）开发舰艇武器装备三维模型

收集测量武器装备详细的尺寸数据，建立精确三维模型。对创建完成的模型进行上色、赋予材质及纹理，然后在虚拟场景中模拟现实灯光进行渲染，通过调试灯光及材质等参数达到最佳效果，最后进行模型烘焙、贴图制作，让模型拥有与现实环境中同样的视觉效果。按照实际的装配流程，实时进行碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理，完成组装结构创建。

（2）梳理訓练科目，建立训练效果评估指标

针对舰艇部队武器装备实际使用情况，结合训练考核大纲标准与人才培养方案要求，梳理武器装备单人/多人协同训练科目。按照部队武器装备操作使用流程和技术检查要求，合理分配训练科目模块，建立通用性强、评价标准高、涵盖范围广的训练效果评估指标体系。

（3）进行项目功能开发，完成系统集成

基于以上梳理的训练科目、建立的三维模型，开发研究武器准备原理教学、技术保障单人/多人协同训练、考核评估等功能模块的操作流程和业务数据，编写脚本和功能组件。按照业务需求，基于高速实时仿真数据总线，实现各场景之间的切换和数据模型集成，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，并使各个模块之间能彼此协调工作，完成系统集成。

3 穿戴式多人网络虚拟现实训练系统设计实现

项目设计拟选用Unreal4作为开发引擎，采用VIVE COSMOS的非预设型VR系统构建一对多的管理端——操作端模式。根据舰艇武器装备岗位任职能力要求，管理端合理选择设置不同的训练科目，下发到操作端，操作端即可选择不同难易级别展开训练。操作端训练过程数据可发送回服务端实时记录。

武器装备穿戴式多人网络虚拟现实训练系统由软件和硬件两部分，采用层级管理架构，包括硬件设备层、操作系统层、基础支撑层和系统应用业务层，如图1所示。硬件设备层由高性能统一渲染服务器、数据库服务器、穿戴式背负电脑、穿戴式手套、非预置VR系统等组成。高性能统一渲染服务器用于进行网络同步计算;数据库服务器存储系统的学员数据、场景数据、考核数据、训练数据;背负式VR穿戴电脑为系统的VR终端设备;非预设VR系统为虚拟现实显示设备;高精度穿戴手套负责系统的高精度VR操作输入。硬件系统布局如图2所示。

操作系统层规范管理端和操作端计算机的操作系统，使用Windows7及以上操作系统。

基础支撑层包括模型库、素材库、声音库、特效库、数据库、和其他SDK。模型库中包括项目所需所有模型文件;素材库包括各部件的真实图片，法向贴图，剖面图，示例图，动态说明，使用动画，示意性及教学说明性视频等;声音库中包括各种音效、音频讲解等;特效库包含项目所有功能的特效，如粒子、光影、shader等;数据库中包括个人ID、ID类型、得分、操作指令集等各种数据类型的保存信息;其他SDK包括HTC-Vive设备SDK和语音系统SDK等。

系统应用业务层主要包括管理端和操作端，管理端作为统一管理平台，可以管理多个操作端，操作端主要包括穿戴式背负电脑、穿戴式手套和非预置VR系统等。

4穿戴式多人网络虚拟现实训练系统关键技术

（1）高精度VR操作输入技术

为实现高精度手部动作追踪和手指操作的同步映射，本系统拟采用具备触感传感技术的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系统和基于VIVE COSMOS的非预设型VR系统，两种设备均是新一代可穿戴技术产品，相关开发资料和技术积累较少。技术难点是两者的深度结合，需要软件开发人员深入研究利用手部穿戴系统模拟舰艇武器装备操作中手部的各类动作和响应，并在非预设型VR系统中精确定位。

（2）多人协同训练时的通信技术

系统处于多人协同训练时，需要多个或全部操作端同时与管理端通信，此时通信服务能否顺利支持完成系统规定的各种训练任务，实现协同训练与考核，对于系统效能的实现程度至关重要。本系统通信主要通过发布——订阅通信模型实现台位之间的实时通信。采用这种编程模型的优势在于简化编程模型，同时实现高性能的网络通信。网络通信系统主要采用.Net框架的事件编程（Event/Listener）模型和WCF（Windows Communication Foundation）框架實现。利用WCF框架实现双工通信，利用事件编程模型实现消息的实时分发。

（3）三维模型轻量化技术

针对大量高精度的武器装备三维模型在系统中调用速度慢，存储资源消耗高的问题，拟采用三维模型轻量化技术，保证在不影响技术保障体验与工程可用性的前提下，尽可能地降低文件大小，从而降低系统渲染压力，节省系统存储空间。对零部件进行几何压缩，采用XML（Extensible Markup Language）格式来描述模型产品结构和属性数据，通过引用的方式以减少冗余。

参考文献：

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【通联编辑：梁书】