某型飛機(jī)機(jī)務(wù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)

郭巍++王洪強(qiáng)++王旭東

【摘要】同傳統(tǒng)機(jī)務(wù)訓(xùn)練方式相比，機(jī)務(wù)虛擬訓(xùn)練具有演示形象生動(dòng)、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，能有效的縮短培訓(xùn)周期、減少培訓(xùn)資源浪費(fèi)。針對某型飛機(jī)機(jī)務(wù)維護(hù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的功能需求，給出了一種基于UDK的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)流程，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)開發(fā)中主要技術(shù)問題的解決方法，最后通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)說明了本文提出方法的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】機(jī)務(wù)維護(hù) ?UDK ?虛擬訓(xùn)練 ?虛擬現(xiàn)實(shí)

【中圖分類號】G77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? ?【文章編號】2095-3089（2016）11-0233-04

Designing and Realization of a Type Aircraft Maintence Virtual Reality Training System

GUO Wei，WANG Hong-qiang，WANG Xu-dong

（1. China PLA 95997 Unit， Beijing Fengtai 100076）

【Abstract】Compared with the traditional aircraft maintence training mode， virtual reality training has the presentation of vivid， flexible operation， etc.， and it can effectively shorten the training cycle and reduce the waste of training resources. According to the functional requirements of the aircraft maintence virtual reality training system of a certain type of aircraft， this paper presents a virtual training system development process that based on the UDK， and introduces the methods to solve the key technical problems during system development in detail. Finally， through an system example to illustrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.

【Keywords】 Aircraft Maintence; UDK; Virtual Reality Training; Virtual Reality

一、引 言

航空機(jī)務(wù)工作是對飛機(jī)及其裝備在使用過程中進(jìn)行維護(hù)和修理的保障工作，是航空兵部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗、訓(xùn)練保障工作的一個(gè)重要組成部分。飛機(jī)上的各種裝備比飛機(jī)有更快的發(fā)展，不僅更為高級、精密和復(fù)雜，而且在數(shù)量和種類上成倍增長，其維護(hù)難度大，對作業(yè)人員的操作技術(shù)和專業(yè)素質(zhì)要求較高。

傳統(tǒng)的機(jī)務(wù)培訓(xùn)模式主要采用理論學(xué)習(xí)和實(shí)裝訓(xùn)練相結(jié)合，存在許多缺陷。如理論學(xué)習(xí)不夠形象、生動(dòng)，造成培訓(xùn)效果差;實(shí)裝訓(xùn)練影響裝備壽命，訓(xùn)練過程中稍有不慎，容易造成裝備損壞，存在巨大的安全隱患;同時(shí)實(shí)裝訓(xùn)練受到裝備數(shù)量和訓(xùn)練場地空間的限制，一次性培訓(xùn)人員較少，培訓(xùn)周期過長，造成大量人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使其產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在人工智能、CAD、軍用和民用圖形仿真、模擬訓(xùn)練、遙感、游戲娛樂等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，同時(shí)采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬擬訓(xùn)練已成為一種重要的軍事訓(xùn)練手段[4-6]，并開始應(yīng)用于航空機(jī)務(wù)維護(hù)人員培訓(xùn)，取得了良好的培訓(xùn)效果。

二、機(jī)務(wù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析

針對該系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)虛擬訓(xùn)練就是研制模擬訓(xùn)練的虛擬仿真系統(tǒng)，完成該型飛機(jī)機(jī)械、特設(shè)和電子等專業(yè)的維護(hù)操作科目的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核等功能，并提供相應(yīng)的人員信息管理功能。

虛擬訓(xùn)練軟件在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)設(shè)三維虛擬訓(xùn)練場景，操作人員通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊場景中的物品、設(shè)備、部附件等進(jìn)行操作，以完成各項(xiàng)科目的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。運(yùn)行環(huán)境為運(yùn)行訓(xùn)練軟件所必需的硬件設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

根據(jù)訓(xùn)練系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿藱C(jī)交互、模式選擇、數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫和核心工作引擎等部分，其中模式選擇部分根據(jù)使用情況選擇不同的模式，可以完成教學(xué)模式、練習(xí)模式和考核模式等不同模式的設(shè)定。其基本組成如圖1所示。

圖1 ?訓(xùn)練系統(tǒng)的基本組成

人機(jī)交互部分將操作人員的操作指令變換為虛擬訓(xùn)練的動(dòng)作指令，并在訓(xùn)練系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來。根據(jù)訓(xùn)練層次不同，操作人員可以選擇教學(xué)模式、練習(xí)模式、考核系統(tǒng)模式滿足不同操作人員的使用要求。核心工作引擎是虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，包含模型控制、通信、數(shù)據(jù)生成和動(dòng)作跟蹤等核心功能，通過對接口的封裝，屏蔽了對模型的讀取、控制等具體操作，上層應(yīng)用系統(tǒng)不需要和三維仿真平臺(tái)直接交互，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性和可擴(kuò)展性。模型庫中存儲(chǔ)了仿真系統(tǒng)運(yùn)行需要的設(shè)備、人員、工具及其他物品的三維模型。數(shù)據(jù)庫中包含了訓(xùn)練系統(tǒng)維護(hù)科目的操作內(nèi)容、檢查標(biāo)準(zhǔn)、操作代碼、分?jǐn)?shù)、人員信息等內(nèi)容。知識庫中包含了操作考核所需的操作過程及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

三、系統(tǒng)開發(fā)流程

UDK（Unreal Development Kit）是Epic公司對外發(fā)布的虛擬環(huán)境引擎，它提供了完全集成的編輯環(huán)境，所有主要工具都可以通過UnrealEd訪問，使得管理網(wǎng)格物體、材質(zhì)、聲效及動(dòng)畫等資源比以前更加容易，并能使虛擬環(huán)境呈現(xiàn)出前所未有的生動(dòng)真實(shí)的效果[7]。UDK在視景仿真、訓(xùn)練模擬、教育培訓(xùn)等方面都有較好的應(yīng)用[8，9]，具有很大的靈活性。

基于UDK開發(fā)的機(jī)務(wù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)流程為：3ds Max等軟件完成三維模型建模;Photoshop等圖片處理軟件完成貼圖的處理和制作;Flash/Scaleform技術(shù)完成軟件界面資源的制作;VS2010等軟件完成底層代碼的編寫;UDK編譯代碼;三維模型和軟件界面資源導(dǎo)入U(xiǎn)DK后，在UDK中制作關(guān)卡文件;最后由UDK進(jìn)行軟件的打包發(fā)布。

依據(jù)開發(fā)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，具體制定的實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 ?仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線

四、主要技術(shù)問題及解決方法

1.三維物體建模及導(dǎo)入

三維建模是整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)，實(shí)體模型在虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境下的有效表達(dá)是構(gòu)建整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境的重要因素，并且對實(shí)體模型的維修操作仿真和工作過程仿真也是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

在本系統(tǒng)軟件中，三維虛擬場景中的實(shí)體模型均為三維模型，都需要應(yīng)用三維建模軟件進(jìn)行建模。本系統(tǒng)采用3ds Max三維建模軟件對各物體進(jìn)行三維建模，并根據(jù)真實(shí)場景中的材質(zhì)、尺寸、重要標(biāo)識等進(jìn)行貼圖坐標(biāo)設(shè)定。本系統(tǒng)三維建模對象包括機(jī)體及部附件、保障器材及車輛、人物角色、機(jī)場建筑及附屬設(shè)施、樹木等。下圖為部分模型的建模結(jié)果。

圖3 ?模型建模結(jié)果

三維模型的導(dǎo)出/導(dǎo)入可以分為靜態(tài)網(wǎng)格物體和骨骼物體兩類。相比靜態(tài)網(wǎng)格物體，骨骼物體就是帶有動(dòng)作或動(dòng)畫的物體，比如人物角色、有動(dòng)作顯示的設(shè)備、移動(dòng)車輛等等。由于UDK不接受骨骼的縮放，因此任何骨骼動(dòng)畫都只能看作骨骼的旋轉(zhuǎn)，設(shè)定UDK中的骨骼為動(dòng)畫物體之間的層級關(guān)系，比如制作打開艙門的動(dòng)畫，就可以艙門軸為根物體，其他部件都鏈接其上，形成層級關(guān)系，然后制作各部件動(dòng)作，大大簡化了動(dòng)態(tài)模型的制作。

2.材質(zhì)制作及其動(dòng)態(tài)顯示

材質(zhì)是UDK三維環(huán)境形成的基本單元，它能夠使物體看起來凹凸不平、閃閃發(fā)光、反射光源與折射光源，甚至可以讓人產(chǎn)生錯(cuò)覺，以為材質(zhì)所提供的皺紋、疤痕和毛孔等細(xì)節(jié)都是物體在建模過程中做出來的。在UDK中制作材質(zhì)，可以看作對貼圖進(jìn)行一系列變換。按照材質(zhì)的光照模型，常用的貼圖有漫反射貼圖、高光貼圖和法線貼圖，這些貼圖的制作是制作材質(zhì)的關(guān)鍵點(diǎn)，也往往是難點(diǎn)所在，往往需要對照片、圖片進(jìn)行多次變換和修改，如不同尺寸、拍攝角度的照片進(jìn)行拼合，改變圖片的色調(diào)、對比度，添加特殊效果，去除雜斑等等。

下圖為飛機(jī)上的大氣溫度傳感器實(shí)物照片，以及分別使用了材質(zhì)文件和一般貼圖的模型的對比，從圖中可以看到，相比于只是應(yīng)用了一般貼圖的物體模型，采用了材質(zhì)文件的模型在真實(shí)度上效果非常明顯。

圖4 ?設(shè)備實(shí)物圖片

圖5 ?使用了材質(zhì)和貼圖的幾何體對比

在UDK三維引擎的材質(zhì)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)允許用戶重寫在材質(zhì)上定義的參數(shù)，來創(chuàng)建給定材質(zhì)的自定義實(shí)例。這樣通過在環(huán)境的材質(zhì)中使用一些材質(zhì)表達(dá)式，設(shè)計(jì)者能夠以每個(gè)實(shí)例為基礎(chǔ)來提供參數(shù)。對參數(shù)的編輯使用是通過UDK中的一個(gè)可視化腳本設(shè)計(jì)系統(tǒng)Kismet實(shí)現(xiàn)的，它允許用戶快速簡便地創(chuàng)設(shè)復(fù)雜的腳本序列，而無需具有改動(dòng)底層的編程代碼。

在Kismat中添加一個(gè)關(guān)于顏色控制的Matinee組件，添加新的材質(zhì)參數(shù)控制軌跡，并在特定時(shí)刻設(shè)置想要設(shè)置的參數(shù)值，如下圖所示。這樣在虛擬場景中，操作人員的相應(yīng)操作可以影響到材質(zhì)實(shí)例參數(shù)得數(shù)值，材質(zhì)實(shí)例參數(shù)的變化可以影響材質(zhì)顯示出的結(jié)果，在場景中就變現(xiàn)為操作人員通過相應(yīng)的操作得到了設(shè)備的顯示現(xiàn)象。

圖6 ?顏色控制組件的設(shè)置

3.運(yùn)動(dòng)建模

維護(hù)工作中的運(yùn)動(dòng)建模包括車輛運(yùn)動(dòng)建模、設(shè)備的運(yùn)動(dòng)建模和操作仿真中飛機(jī)附件的運(yùn)動(dòng)過程以及工具使用過程中的運(yùn)動(dòng)建模。這些運(yùn)動(dòng)建?？梢栽黾臃抡娴恼鎸?shí)程度，達(dá)到更好的仿真效果。

在UDK中一種完成運(yùn)動(dòng)建模的方法是使用Matinee，它是一種為場景中Actor的屬性隨著時(shí)間變化設(shè)置關(guān)鍵幀的工具。運(yùn)動(dòng)建模的實(shí)現(xiàn)可以有多種方式，訓(xùn)練系統(tǒng)采用了制作AnimeSet動(dòng)畫文件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體設(shè)置。對三維物體建模后，分析其運(yùn)動(dòng)的方式，在位移運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部位分別設(shè)置骨骼及定點(diǎn)，通過建模軟件的動(dòng)畫功能，設(shè)置關(guān)鍵幀完成動(dòng)畫設(shè)置，如下圖所示。

圖7 ?三維建模軟件中設(shè)置關(guān)鍵幀

動(dòng)畫設(shè)置好以后，將其數(shù)據(jù)輸出，導(dǎo)入到UDK中，形成動(dòng)畫文件。Matinee與Kismet緊密集成，它顯示為Kismet中的一種Action（操作）類型，將它的一個(gè)輸入端連接到關(guān)卡中的某個(gè)事件，便可開始播放動(dòng)作了。如下圖為使用動(dòng)畫文件及動(dòng)畫顯示效果。

圖8 ?Matinee模塊中使用動(dòng)畫文件

圖9 ?實(shí)現(xiàn)的登機(jī)門動(dòng)畫

4.虛擬操作實(shí)現(xiàn)

虛擬操作是整個(gè)維修作業(yè)的重要過程，虛擬操作技術(shù)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立的虛擬環(huán)境，通過分析、可視化數(shù)據(jù)表示等技術(shù)幫助維護(hù)人員進(jìn)行操作工作。在虛擬維護(hù)仿真系統(tǒng)中，對虛擬裝備進(jìn)行操作，其操作順序主要憑借用戶的感觀與經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判定，具有一定的盲目性和不確定性;另外當(dāng)設(shè)備零件數(shù)目過多時(shí)，交互操作易使用戶產(chǎn)生疲勞，難以保證操作序列的正確性和最優(yōu)性，為此還需借助操作序列生成方法，來設(shè)置具有一定操作規(guī)則的設(shè)備操作序列。

在操作過程中，并不是任務(wù)開始時(shí)所有設(shè)定的操作物體都可以觸發(fā)相應(yīng)的操作事件的，也就是操作任務(wù)中要設(shè)定一定的操作序列。使用UDK的Kismat設(shè)定操作任務(wù)時(shí)要使用一定的控制變量完成操作任務(wù)的操作序列。同時(shí)在設(shè)定復(fù)雜序列會(huì)遇到的一個(gè)問題，就是可能需要從很多地方、在序列層次的任何點(diǎn)上引用一個(gè)變量，這里可以使用“命名變量”簡化設(shè)計(jì)流程。

UDK場景中不同的物體將會(huì)支持產(chǎn)生不同的事件。比如，Trigger（觸發(fā)器）支持Touch（觸摸）和 Untouch（未觸摸）事件。這樣，通過設(shè)置操作任務(wù)中的物體的事件，就可以為操作任務(wù)設(shè)定一定的觸發(fā)事件。一個(gè)典型的操作序列通過Kismat實(shí)現(xiàn)，可以得到如圖的操作序列。圖中包含了Kismat中的創(chuàng)建事件、創(chuàng)建變量、命名變量、層次劃分、對象注釋等內(nèi)容。一個(gè)典型的操作序列如下圖所示。

圖10 ?利用Kismat設(shè)計(jì)的操作序列

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)根據(jù)訓(xùn)練要完成的功能，結(jié)合操作任務(wù)模式選擇等，設(shè)計(jì)訓(xùn)練系統(tǒng)的界面。系統(tǒng)界面分為菜單界面和操作界面兩部分。菜單界面的設(shè)計(jì)選擇了動(dòng)態(tài)型較好的Scale from技術(shù)，可以完成任務(wù)種類、操作模式、操作人員登錄、服務(wù)器選擇、系統(tǒng)退出等功能，限于篇幅，這里就不詳細(xì)介紹了。操作界面作為虛擬訓(xùn)練中的人機(jī)交互界面，主要顯示操作過程中的一些數(shù)據(jù)，包括操作名稱、評價(jià)文字、操作錯(cuò)誤數(shù)、操作得分、選擇的工具名稱及圖標(biāo)顯示。根據(jù)選擇的模式的不同，操作界面顯示的內(nèi)容會(huì)有一定的差別。

在操作訓(xùn)練進(jìn)行的過程中，操作人員還可以根據(jù)操作的情況選擇打開一些臨時(shí)窗口，比如操作標(biāo)準(zhǔn)信息、操作過程信息、操作科目的得分信息等，通過查看這些信息，操作人員可以盡快的熟悉練習(xí)科目的要求和步驟，更好的掌握操作訓(xùn)練過程和操作維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

六、結(jié)論

本訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用UDK引擎、3D建模等技術(shù)，解決了三維物體建模、物體材質(zhì)控制、物體運(yùn)動(dòng)建模、訓(xùn)練交互控制等技術(shù)問題，較為真實(shí)的模擬了某型飛機(jī)的機(jī)務(wù)任務(wù)場景，實(shí)現(xiàn)了機(jī)務(wù)常作科目的操作訓(xùn)練，滿足了研制要求。在使用的過程中訓(xùn)練效果好，能使學(xué)習(xí)人員掌握機(jī)務(wù)維護(hù)技能，了解操作規(guī)范，熟悉機(jī)務(wù)工作任務(wù)內(nèi)容，掌握操作的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此應(yīng)用本訓(xùn)練系統(tǒng)能很大程度上改善訓(xùn)練飛機(jī)培訓(xùn)器材短缺、無法進(jìn)行實(shí)裝訓(xùn)練的現(xiàn)狀，成為機(jī)務(wù)訓(xùn)練中改善訓(xùn)練條件、提高訓(xùn)練效果的有效手段。

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