某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)

田濤，孫忠云，蘇鋒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)

田濤，孫忠云，蘇鋒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

利用3DS MAX軟件與Creator軟件相結(jié)合的方法建立逼真的某型彈藥模型和建立彈藥庫(kù)場(chǎng)景模型，建立一套某型彈藥虛擬維修的視景仿真模型，總結(jié)出實(shí)用的3DS MAX軟件與Creator軟件相結(jié)合的建模技巧。

虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；仿真模型

0 引言

某型彈藥是我軍隨某型戰(zhàn)機(jī)引進(jìn)的主戰(zhàn)彈藥，技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，至今沒(méi)有配套維修訓(xùn)練實(shí)裝和成熟的維修技術(shù)方案。其彈藥輔助檢測(cè)維護(hù)設(shè)備是一套自動(dòng)化彈藥檢測(cè)和技術(shù)準(zhǔn)備系統(tǒng)，用于對(duì)戰(zhàn)機(jī)裝備的導(dǎo)彈及制導(dǎo)炸彈進(jìn)行檢測(cè)、技術(shù)維護(hù)以及戰(zhàn)斗準(zhǔn)備，確保彈藥處于良好的技術(shù)狀態(tài)。由于彈藥裝備的特殊性和潛在的危險(xiǎn)性，實(shí)裝訓(xùn)練時(shí)間不可能太長(zhǎng)，參訓(xùn)的人數(shù)有限，且訓(xùn)練費(fèi)用高，無(wú)法保證大規(guī)模，高強(qiáng)度的訓(xùn)練，也無(wú)法快速提高維護(hù)人員彈藥檢測(cè)和戰(zhàn)斗準(zhǔn)備的水平。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一套虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)于訓(xùn)練彈藥技術(shù)保障人員、提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力有重要意義[1-3]。實(shí)現(xiàn)這套彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，必須建立逼真的維修檢測(cè)環(huán)境，不僅包含彈藥、輔助檢測(cè)維護(hù)設(shè)備、維修（檢測(cè)）工具等基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)施（設(shè)備）及檢測(cè)小車(chē)、彈藥運(yùn)輸車(chē)等信息，還包括整個(gè)檢測(cè)廠區(qū)的地理環(huán)境信息。它們構(gòu)成了某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行和仿真基礎(chǔ)。利用3DS MAX軟件與Creator軟件相結(jié)合的方式，對(duì)某型彈藥、檢測(cè)設(shè)備以及地理環(huán)境進(jìn)行三維視景建模的方法，為基于Eon Studio的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)仿真提供了對(duì)象。

1 建模平臺(tái)概述

（1）3DS MAX軟件平臺(tái)。Autodesk 3DS Max是目前PC機(jī)上最流行、使用最廣泛的三維動(dòng)畫(huà)軟件之一，隨著軟件的不斷升級(jí)，在多邊形建模方面，可以十分方便且自由地根據(jù)已有素材建立出精細(xì)的三維物理模型，并且可以對(duì)多邊形的構(gòu)成點(diǎn)、邊、面進(jìn)行獨(dú)立操作，很好的控制三維物理模型面片數(shù)的數(shù)量，滿足系統(tǒng)對(duì)物理模型的要求。

（2）Creator軟件平臺(tái)。Multi Gen Creator軟件提供了一種實(shí)時(shí)、靈活的建模方法，旨在實(shí)現(xiàn)建模的逼真性和在虛擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)時(shí)交互性，并且使用統(tǒng)一的圖形數(shù)據(jù)描述格式Open Flight描述模型[4]。Open Flight是一種分層結(jié)構(gòu)的景觀描述數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)列為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。如圖1所示，由“樹(shù)干”向下依次細(xì)化，各節(jié)點(diǎn)所處位置一目了然，結(jié)構(gòu)分明、管理方便，可大大提高建模效率。

采用3DS Max軟件建立三維物理模型，在Creator軟件中管理物理模型，并且對(duì)物理模型進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化及對(duì)動(dòng)態(tài)物理模型進(jìn)行DOF制作、LOD分級(jí)創(chuàng)建等。

2 模型數(shù)據(jù)庫(kù)的組成與設(shè)計(jì)

《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》中涉及的物理模型種類(lèi)繁多，大體可以分為某型彈藥、檢測(cè)維護(hù)設(shè)備、載體車(chē)輛和地理環(huán)境4大類(lèi)。每類(lèi)物理模型依據(jù)不同的用途分類(lèi)有具體型號(hào)。結(jié)合Creator軟件模型數(shù)據(jù)庫(kù)的管理方式，《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》中模型分類(lèi)見(jiàn)圖2。

（1）某型彈藥。是該系統(tǒng)的主要物理模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)可劃分成“五大艙室”，即引導(dǎo)頭艙、引信艙、戰(zhàn)斗部艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和舵機(jī)艙。系統(tǒng)中維修訓(xùn)練部分主要圍繞該型彈藥進(jìn)行，因此在建模時(shí)要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行建模，使其具有細(xì)致、精確、逼真的特點(diǎn)。

（2）檢測(cè)維護(hù)設(shè)備。是某型彈藥檢測(cè)的重要仿真環(huán)節(jié)，主要涉及檢測(cè)工具、檢測(cè)設(shè)備、各型部件以及輔助設(shè)備等，結(jié)構(gòu)尺寸要與某型彈藥的相關(guān)部件吻合。

（3）特種車(chē)輛。是模型彈藥的放置、檢測(cè)與運(yùn)輸載體，在物理模型構(gòu)建的過(guò)程中要對(duì)其運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向等部件合理安排，放在專(zhuān)屬的數(shù)據(jù)分支之下，為后期在Creator軟件中設(shè)置自由度節(jié)點(diǎn)DOF做好前期的規(guī)劃。

（4）地理環(huán)境。包含整個(gè)檢測(cè)環(huán)境的地形信息、建筑結(jié)構(gòu)信息等。在虛擬維修訓(xùn)練過(guò)程中，存在著訓(xùn)練科目的不同，檢測(cè)場(chǎng)地也不同的特點(diǎn)，由此在模型構(gòu)建的過(guò)程中設(shè)置細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)LOD，合理的顯示，有利于系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高。

圖1 Creator中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖2 《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》物理模型分類(lèi)層次圖

3 三維模型的分析與建立

某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)及其輔助檢測(cè)維護(hù)設(shè)備是虛擬仿真的目標(biāo)對(duì)象，設(shè)備的物理模型都要完整的構(gòu)建出來(lái)。虛擬環(huán)境下的裝備物理模型要用在實(shí)時(shí)渲染引擎中，而不是用于動(dòng)畫(huà)或靜態(tài)效果圖的制作，因此虛擬現(xiàn)實(shí)軟件對(duì)于模型的質(zhì)量有更高的要求。物理模型的制作在3DS MAX軟件中完成，在Creator軟件中從3個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化、管理與設(shè)置，分別是面片數(shù)量、層組關(guān)系、節(jié)點(diǎn)設(shè)置。具體的建模流程如圖3所示。

圖3 三維物理模型建模流程圖

（1）彈藥模型的建模。某型彈藥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用3DS MAX軟件多邊形建模的方法進(jìn)行三維物理模型的構(gòu)建?；痉椒ㄊ牵簩⑻幚砗玫膱D紙素材紋理映射到一個(gè)矩形的平面上，以此平面為基準(zhǔn)，先建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾何體，再將其塌陷成多邊形，最后通過(guò)擠出、拉伸等操作，構(gòu)建出與紋理吻合的彈藥基本模型。在彈藥基本模型的基礎(chǔ)上，使用切割、分離等操作制作出各檢測(cè)口蓋設(shè)備的模型。依照拍攝的照片紋理，使用以上操作命令，制作其他細(xì)節(jié)模型。最后，通過(guò)面操作，刪除一些不可見(jiàn)的面片，簡(jiǎn)化模型細(xì)節(jié)等[5]。

（2）地理環(huán)境模型的建模。地理環(huán)境模型的建模主要通過(guò)真實(shí)環(huán)境的高程數(shù)據(jù)來(lái)生成模型的Flt文件。采用某地真實(shí)的高程數(shù)據(jù)使用Delaunay轉(zhuǎn)換算法生成該地的地形模型，利用Modify Delaunay修正工具對(duì)其進(jìn)行更加精細(xì)的修改和調(diào)整，最后應(yīng)用Bulldoze Tool工具將維護(hù)檢測(cè)廠區(qū)區(qū)域進(jìn)行平整處理[6]。

4 三維模型的優(yōu)化與設(shè)置

（1）三維模型中的紋理映射。在視景模型的建立過(guò)程中，為減少多邊形的數(shù)量，降低系統(tǒng)資源的消耗，需要采用三維模型紋理映射的方法，從而獲得具有更加真實(shí)感和質(zhì)感的模型[7]。

由于紋理質(zhì)量的高低決定著視景模型的真實(shí)感和質(zhì)感，所以在建模過(guò)程中使用的貼圖紋理要通過(guò)實(shí)地拍攝的方式獲得。首先在PhotoShop軟件中對(duì)拍攝得到的數(shù)碼照片進(jìn)行色階調(diào)整，得到相對(duì)一致的光影效果；然后通過(guò)剪切、拼接等方式摳出建模過(guò)程中需要用到的素材部分；再對(duì)拼接后的圖片進(jìn)行修補(bǔ)等處理，得到更加美觀、無(wú)瑕疵的圖片。紋理圖片格式通常采用RGB或DDS壓縮格式，單位尺寸符合2的N次方，且最大尺寸不超過(guò)1024×1024。

由于模型構(gòu)建是在3DS MAX軟件中使用多邊形方式建模，而該種建模方式具有點(diǎn)、線、面操作靈活的特點(diǎn)，因此紋理映射在該軟件建模的過(guò)程中完成。使用其“UV展開(kāi)”命令，根據(jù)紋理的布局，將相關(guān)面片進(jìn)行映射，這樣就可以得到一個(gè)細(xì)節(jié)豐富，質(zhì)感真實(shí)的模型。圖4比較了某型彈藥紋理映射前后的效果。

（2）三維模型的LOD設(shè)置。細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)LOD是指對(duì)同一場(chǎng)景或場(chǎng)景中的模型使用具有不同細(xì)節(jié)的描述方法，得到一組不同細(xì)節(jié)程度的模型，根據(jù)視點(diǎn)和該物體的距離決定顯示的模型，當(dāng)視點(diǎn)遠(yuǎn)離模型對(duì)象的情況下，調(diào)用簡(jiǎn)單模型或完全不調(diào)用任何層級(jí)的模型，反之調(diào)用復(fù)雜模型。LOD節(jié)點(diǎn)的使用不但能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，而且使得系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性與真實(shí)性之間取得了平衡。

LOD節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制其節(jié)點(diǎn)下子節(jié)點(diǎn)中的模型，依照其屬性中“Switch In”和“Switch Out”的參數(shù)值來(lái)定義其可視范圍，通過(guò)“Transition”參數(shù)確定相鄰兩個(gè)LOD之間的平滑過(guò)度范圍，使之在一定程度上解決相鄰LOD之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換過(guò)程中模型突變問(wèn)題。

（3）三維模型的DOF設(shè)置?！赌承蛷椝幪摂M維修訓(xùn)練系統(tǒng)》中，特定模型需要隨著維修檢測(cè)狀態(tài)的不同達(dá)到實(shí)時(shí)互動(dòng)。例如在執(zhí)行某型彈藥彈翼檢測(cè)科目的過(guò)程中，彈翼的運(yùn)動(dòng)情況等，這些都需要由自由度節(jié)點(diǎn)DOF技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

DOF節(jié)點(diǎn)通過(guò)定義坐標(biāo)系和設(shè)定運(yùn)動(dòng)屬性，使模型對(duì)象具有各自由度的運(yùn)動(dòng)能力，可以控制它的子節(jié)點(diǎn)，按照設(shè)置的自由度范圍進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

5 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的顯示效果

通過(guò)上述方法，可以構(gòu)建出合理簡(jiǎn)化的某型彈藥、檢測(cè)維護(hù)設(shè)備、載體車(chē)輛和地理環(huán)境等模型，賦以真實(shí)的紋理，實(shí)現(xiàn)了逼真的維修訓(xùn)練環(huán)境。《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》運(yùn)行效果如圖5所示。

圖4 某型彈藥紋理映射前后對(duì)照?qǐng)D

圖5 《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》運(yùn)行效果

6 建模技巧

通過(guò)《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》運(yùn)行環(huán)境的物理模型建模，總結(jié)出相關(guān)的建模技巧。

（1）命名規(guī)范。團(tuán)隊(duì)合作的建模方式可以縮短物理模型構(gòu)建的時(shí)間，在團(tuán)隊(duì)建模的初期階段，合理的對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)一的命名，可以有效的規(guī)避后期模型在3DS MAX軟件中合并導(dǎo)入時(shí)重名的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）基于紋理的建模方法。在模型構(gòu)建的過(guò)程中，依據(jù)紋理輪廓進(jìn)行建模，然后再賦予紋理，可以使模型與紋理達(dá)到高度的吻合，從而得到逼真的效果。

（3）模型的簡(jiǎn)化。模型數(shù)據(jù)量的大小取決于其面片數(shù)的多少。通過(guò)刪除無(wú)效面（指在場(chǎng)景中不可觀察到的面）的方式可以達(dá)到減小模型數(shù)據(jù)量的目的；距離觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的模型，使用細(xì)節(jié)豐富的紋理來(lái)代替多邊形造型也可以很大程度上簡(jiǎn)化模型的數(shù)據(jù)量，而且又不降低其模型的逼真度。

（4）LOD技術(shù)。在可視化仿真運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)使用LOD技術(shù)可以有效提高模型數(shù)據(jù)庫(kù)的多邊形利用率，在有限的條件下取得最佳的視覺(jué)效果，并且可以通過(guò)使用LOD技術(shù)制作出一些簡(jiǎn)單的特效，可以制作出隨著對(duì)象與視點(diǎn)的接近，對(duì)象的紋理由低分辨率到高分辨率的效果。

7 結(jié)論

對(duì)《某型彈藥虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)》中的三維視景模型進(jìn)行了研究，分析某型彈藥、檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)環(huán)境等三維物理模型的層次和建模特點(diǎn)，給出了相關(guān)建模流程。通過(guò)實(shí)際建模，取得了良好的仿真效果，并且依據(jù)該建模方法建立的模型，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，仿真度高等特點(diǎn)，完全滿足視景仿真的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)要求。為該類(lèi)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真打下了基礎(chǔ)。

［1］楊宇航，李志忠等.虛擬維修研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2005，（17）9: 2191-2195.

［2］伍永昌，楊宇航等.基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的導(dǎo)彈維修仿真演示系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真.2003，（20）9:29-31.

［3］劉玉海，俞康倫等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝備維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真.2002，(19)2:49-51.

［4］趙經(jīng)成，等.虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].國(guó)防工業(yè)出版社. 2008.

［5］洪光，李洪儒，牟建國(guó).基于Creator的三維模型的簡(jiǎn)化研究[J].計(jì)算機(jī)仿真.2004，（21）1:57-115.

［6］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

［7］梁波，基于Creator的三維場(chǎng)景模型優(yōu)化技術(shù)研究[D].華中師范大學(xué)碩士論文，2009.

〔編輯 李波〕

TP311

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.52