基于人機(jī)交互原語的遠(yuǎn)火火控模型設(shè)計(jì)研究＊

邢立新 陳 潿 王瑾玨 沈中卿

（陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 遠(yuǎn)火火控分布式虛擬環(huán)境

虛擬環(huán)境是計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字空間，它應(yīng)當(dāng)可以表現(xiàn)為逼真的三維虛擬環(huán)境。當(dāng)多個(gè)不同地點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)終端需要聯(lián)結(jié)起來進(jìn)行交互，它們就必須共同營造維護(hù)同一個(gè)虛擬環(huán)境。

動(dòng)態(tài)變化性是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)，從分布式系統(tǒng)的角度看待這個(gè)虛擬世界，應(yīng)該提取常量和不變量，從三維圖形繪制的角度看，遠(yuǎn)火火控虛擬世界中涉及到的地形、地貌、目標(biāo)和天空等，操作員對這些的交互性很弱，因此相對的修改要求較小，而氣象信息、車體狀況、炸點(diǎn)偏差和射擊參數(shù)等計(jì)算機(jī)生成的角色是虛擬世界中主要的數(shù)據(jù)變化主體，將它們統(tǒng)稱為對象，需要發(fā)生動(dòng)態(tài)更改的自然環(huán)境也被看成物體，屬于對象。所以，虛擬世界中的變化應(yīng)當(dāng)主要是對象的狀態(tài)變化或相關(guān)操作，所以很容易得出：

遠(yuǎn)火火控虛擬環(huán)境＝（環(huán)境數(shù)據(jù)＋設(shè)備模型＋智能實(shí)體＋網(wǎng)絡(luò)交互）＋應(yīng)用邏輯

將遠(yuǎn)火火控分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行問題抽象，如圖1所示，多個(gè)操作員共享一個(gè)虛擬環(huán)境，并進(jìn)行操作，得到相應(yīng)的反饋，真實(shí)物體也可以通過仿真或機(jī)械等手段進(jìn)行虛實(shí)的相互操作，虛擬場景可以從真實(shí)世界的數(shù)據(jù)生成。對抽象的元素進(jìn)行應(yīng)用分析，分布式虛擬環(huán)境有三個(gè)基本要求：1）一致性；2）交互性；3）實(shí)時(shí)性[1]。

圖1 遠(yuǎn)火火控虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的問題抽象

2 虛擬環(huán)境下人機(jī)交互輸入原語系統(tǒng)

遠(yuǎn)火火控模擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用常用的交互設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、操作桿、顯示器、揚(yáng)聲器等，半實(shí)物仿真還需要構(gòu)建一些專用的交互設(shè)備接口，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還會(huì)出現(xiàn)更多的人機(jī)交互設(shè)備。由于交互設(shè)備的多樣性和可能的復(fù)雜性，給應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造帶來與設(shè)備相關(guān)的問題。

輸入原語系統(tǒng)是將交互設(shè)備的輸入映射為原語，并利用原語作為輸入來控制仿真實(shí)體動(dòng)作及行為的系統(tǒng)，它定義了輸入原語的表示形式，描述了物理設(shè)備的輸入如何映射為原語，以及應(yīng)用程序如何使用原語。設(shè)備操作、原語及實(shí)體動(dòng)作三者之間的關(guān)系如圖2所示[2]。

圖2 設(shè)備操作、原語及實(shí)體動(dòng)作三者之間的關(guān)系

輸入原語是命令的最小構(gòu)成單位，是外設(shè)的一次動(dòng)作對應(yīng)的原型。在火控模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)應(yīng)用中，外設(shè)的輸入信息可被分為兩種：離散的和連續(xù)的。離散的輸入信息是指如鍵盤、鼠標(biāo)等點(diǎn)擊輸入，連續(xù)的輸入信息是指如操縱桿、數(shù)據(jù)手套等高頻輸入。離散輸入信息可以用來表示一個(gè)事件，因而可以代表實(shí)體動(dòng)作的程度，遠(yuǎn)火火控模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中實(shí)體的狀態(tài)包括其位置和方向信息。輸入原語的定義如下：

其中，GunFireControl表示一種操作抽象的動(dòng)作，標(biāo)識(shí)對應(yīng)邏輯操作的原語類別；六個(gè)參數(shù)分別表示輸入在三維空間中位置和方向信息；time＿stamp為時(shí)間戳，用于實(shí)時(shí)交互約束處理；可選的Device是設(shè)備類型；可選參數(shù)Reserved用來儲(chǔ)存額外的必要信息，如對于操縱桿輸入設(shè)備而言，便可以利用此項(xiàng)儲(chǔ)存各個(gè)信息。

原語系統(tǒng)中用于表示空間的位置和方向信息的六個(gè)參數(shù)沒有給出一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示，它們只在各自的設(shè)備空間中有意義，即仍然是設(shè)備相關(guān)的，也就使得各個(gè)設(shè)備所表示的方向信息彼此之間不具備可比性。為此，需要定義遠(yuǎn)火火控的邏輯設(shè)備坐標(biāo)系、物理設(shè)備坐標(biāo)系到邏輯設(shè)備坐標(biāo)系的映射以及歸一化函數(shù)來解決這個(gè)問題。

遠(yuǎn)火火控邏輯設(shè)備坐標(biāo)系的定義如圖3所示。α，β，γ表示輸入方向信息的歐拉角，單位為rad。其旋轉(zhuǎn)順序定義為依次繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γrad，繞x軸旋轉(zhuǎn)αrad，繞y軸旋轉(zhuǎn)βrad，其中α，β，γ的取值范圍從（－∞，＋∞）。

從遠(yuǎn)火火控物理設(shè)備坐標(biāo)系到邏輯設(shè)備坐標(biāo)系的映射如圖4所示，物理設(shè)備坐標(biāo)系上取值范圍包圍盒的中點(diǎn)對應(yīng)邏輯設(shè)備坐標(biāo)系的原點(diǎn)，各坐標(biāo)軸和“同向”的邏輯設(shè)備坐標(biāo)系坐標(biāo)軸相對應(yīng)。圖中，xmax，ymax，zmax分別為物理設(shè)備空間最大值在x，y，z坐標(biāo)軸上對應(yīng)的坐標(biāo)[3]。

圖3 邏輯設(shè)備坐標(biāo)系

圖4 物理設(shè)備坐標(biāo)系到邏輯設(shè)備坐標(biāo)系的映射

物理設(shè)備坐標(biāo)系中的坐標(biāo)映射到邏輯設(shè)備坐標(biāo)系中相應(yīng)的坐標(biāo)后，還不能直接使用，需經(jīng)過歸一化函數(shù)進(jìn)行歸一化。歸一化函數(shù)f定義為：（X，Y，Z，α，β，γ）＝f（x，y，z，a，b，c），其中，（x，y，z）為物理設(shè)備位置輸入值在其設(shè)備坐標(biāo)系中對應(yīng)的坐標(biāo)位置，取值范圍與具體的物理設(shè)備相關(guān)；（X，Y，Z）為其在邏輯設(shè)備坐標(biāo)系中對應(yīng)值，取值范圍定義為[－1，＋1]；（a，b，c）為物理設(shè)備方向輸入值在其設(shè)備坐標(biāo)系中對應(yīng)的方向坐標(biāo)，取值范圍與具體的物理設(shè)備相關(guān)；（α，β，γ）為其在邏輯設(shè)備坐標(biāo)系中的對應(yīng)值，取值范圍為（－∞，＋∞）。

設(shè)當(dāng)物理設(shè)備坐標(biāo)（x，y，z）的取值范圍為x∈歸一化函數(shù)f的定義如下

其中，f′函數(shù)為從物理設(shè)備坐標(biāo)系中的方向坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成邏輯設(shè)備坐標(biāo)系定義的歐拉角的函數(shù)。例如，當(dāng)鼠標(biāo)的輸入為豎直方向192，水平方向256時(shí)，對應(yīng)的物理設(shè)備坐標(biāo)為（192，256，0），則其在邏輯設(shè)備坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（－0.5，0，－0.5），此處設(shè)屏幕的分辨率為1024×768[4]。

輸入原語映射是建立在交互輸入設(shè)備上的，與物理設(shè)備相關(guān)，涉及物理設(shè)備的操作特性。它首先定義好輸入設(shè)備的可能操作對應(yīng)的原語中的Tpye，即輸入原語表，輸入原語表是設(shè)備操作集合到Tpye的一個(gè)滿射。輸入原語系統(tǒng)將直接獲得的設(shè)備輸入中的位置和方向信息首先從相應(yīng)的物理設(shè)備坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到邏輯設(shè)備坐標(biāo)系中，然后按照輸入原語表中的映射關(guān)系找到對應(yīng)的Tpye，從而形成原語輸入。最終，如圖5所示為遠(yuǎn)火火控中按照人機(jī)交互原語系統(tǒng)所建立的遠(yuǎn)火射擊模型效果圖。

圖5 遠(yuǎn)火模型射擊效果圖

3 結(jié)語

遠(yuǎn)火火控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)模型的建立中涉及很多人機(jī)交互的方面，包括行軍、操瞄調(diào)炮、解算諸元、參數(shù)修正等。輸入原語的解釋與執(zhí)行是建立在原語基礎(chǔ)上的，與具體的物理輸入設(shè)備無關(guān)。仿真應(yīng)用在接收到原語輸入之后，根據(jù)其所表示的語義動(dòng)作，取出相應(yīng)的參數(shù)信息，并以此來控制仿真實(shí)體的動(dòng)作及行為。輸入原語系統(tǒng)將設(shè)備輸入與實(shí)體控制在軟件實(shí)現(xiàn)上相分離，使得交互輸入原語與物理輸入設(shè)備、實(shí)體控制相關(guān)，而實(shí)體控制變得與輸入設(shè)備無關(guān)，從而簡化了軟件的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了軟件的靈活性和可擴(kuò)展性。

[1]周忠，吳威.分布式虛擬環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社，2009：17－19.

[2]段作義，唐少剛，劉鵬.分布式交互仿真應(yīng)用系統(tǒng)輸入輸出模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（1）：102－105.

[3]Andreas T，James A M.2004.M＆S whitin the model driven architecture.Proceedings of Interservice／Industry Traning，Simulation，and Education Conference（I／ITSEC 04）Montevery Cal－iforma：161－163.

[4]趙沁平，懷進(jìn)鵬，李波，等.虛擬現(xiàn)實(shí)研究概況[M].北京：科學(xué)出版社，1996：7－9.