導(dǎo)彈裝備分布式虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡啟航， 王 潔， 史 通， 韓要昌

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

0 引 言

目前部隊(duì)裝備操作訓(xùn)練依然以實(shí)裝訓(xùn)練為主，這直接導(dǎo)致以下2個(gè)問題：裝備操作復(fù)雜，難以快速形成戰(zhàn)斗力，實(shí)裝訓(xùn)練對(duì)裝備損耗大，訓(xùn)練成本高；戰(zhàn)訓(xùn)矛盾沖突，部隊(duì)裝備擔(dān)負(fù)著戰(zhàn)備任務(wù)，實(shí)裝訓(xùn)練受時(shí)間、環(huán)境和裝備限制很大。以虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬訓(xùn)練為武器裝備的人員培訓(xùn)提供了一種新的訓(xùn)練方式。

國(guó)內(nèi)對(duì)桌面式虛擬系統(tǒng)的研究較多，方傳磊等人[1]設(shè)計(jì)了基于EON Studio開發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通用平臺(tái)；王崴等人[2]開發(fā)了分布式虛擬裝配訓(xùn)練通用平臺(tái)；王文舉、李光耀[3]以Vega Prime開發(fā)工具研發(fā)了桌面虛擬維修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。桌面式虛擬系統(tǒng)具有易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)性好、交互簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，隨著交互技術(shù)的發(fā)展以及交互設(shè)備的普及，對(duì)于沉浸式體驗(yàn)的需求也越來(lái)越大。

針對(duì)以上問題，本文基于VR技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)構(gòu)建分布式虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練平臺(tái)，解決裝備的戰(zhàn)訓(xùn)矛盾問題，使戰(zhàn)士訓(xùn)練不再受時(shí)間、環(huán)境和裝備限制，在逼真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練，快速掌握裝備協(xié)同操作技能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)勤操作訓(xùn)練的需求分析，系統(tǒng)采用多層結(jié)構(gòu)體系框架，如圖1所示，系統(tǒng)由平臺(tái)層、人機(jī)交互層、應(yīng)用層和對(duì)象層組成。其中平臺(tái)層由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，相互間能實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信。人機(jī)交互層是實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬壞境的交互層，為用戶提供自然的人機(jī)交互方式。應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的核心。對(duì)象層用于存取、生成、維護(hù)和管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各模型提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，完成模型對(duì)象的數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和提取。

圖1 虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)

虛擬建模可分為外形建模和功能建模。外形建模主要反映對(duì)象中基元的基本輪廓、形狀、表面特點(diǎn)和基元結(jié)構(gòu)或?qū)ο蟮耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用3ds Max作為三維建模軟件。功能建模主要是對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行物理屬性設(shè)置和運(yùn)動(dòng)模擬。真實(shí)裝備的運(yùn)動(dòng)方式由客觀的物理規(guī)律和裝備內(nèi)部運(yùn)行規(guī)則確定，要模擬真實(shí)裝備的工作，勢(shì)必要對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束和添加碰撞檢測(cè)。

碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)是評(píng)價(jià)虛擬系統(tǒng)逼真度的關(guān)鍵要素。在虛擬場(chǎng)景中需要為相互作用的物體添加碰撞盒，碰撞盒接觸被認(rèn)定為物體運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)碰撞盒檢測(cè)到兩者接觸時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，調(diào)用相關(guān)函數(shù)對(duì)物體模型產(chǎn)生作用力，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物體運(yùn)動(dòng)通過綁定在物體模型上的驅(qū)動(dòng)腳本實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)腳本調(diào)用運(yùn)動(dòng)學(xué)程序或關(guān)鍵幀動(dòng)畫，對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)采用幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)，而對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)使用運(yùn)動(dòng)學(xué)程序控制。在力作用完后，碰撞盒檢測(cè)到接觸退出，發(fā)送退出信號(hào)，模型根據(jù)程序邏輯進(jìn)入下一狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程模擬。

Unity引擎擁有強(qiáng)大的三維互動(dòng)開發(fā)能力，能快速創(chuàng)建訓(xùn)練場(chǎng)地地形，能直接設(shè)置三維對(duì)象的物理屬性，支持給三維對(duì)象添加腳本進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，提供了多種碰撞器進(jìn)行碰撞檢測(cè)，因此能夠較好地完成功能建模任務(wù)。同時(shí)3ds Max文件可直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎軟件中進(jìn)行配置，能較好地解決建模軟件與驅(qū)動(dòng)軟件的兼容問題。

以虛擬人外形建模為例，虛擬建模與碰撞盒如圖2、圖3所示，虛擬人的移動(dòng)控制仿真通過添加Animator組件和C#程序腳本實(shí)現(xiàn)。

圖2 虛擬人外形建模

圖3 虛擬人碰撞盒

2.2 分布式虛擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)裝備戰(zhàn)勤操作的多人協(xié)同訓(xùn)練，考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一致性、實(shí)時(shí)性和可控性，設(shè)計(jì)了分布式協(xié)同訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

2.2.1 基于Unity引擎的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

在虛擬操作訓(xùn)練中，各終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信采用傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol,IP)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在TCP/IP協(xié)議的傳輸層包含TCP[4]和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議((user datagram protocol,UDP)兩種通信協(xié)議。本系統(tǒng)中，為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用TCP，對(duì)其存在的網(wǎng)絡(luò)開銷大的問題，在小型局域網(wǎng)中基本可以忽略。

Unity引擎支持C#語(yǔ)言，因此在.NET環(huán)境下直接使用UDPClient類來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)通過不斷刷新主程序函數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互功能，在需要發(fā)送(send)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用UDPClient實(shí)例的send函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。在數(shù)據(jù)接收(receive)端，UDPClient實(shí)例的接收函數(shù)置于主程序中，通過異步調(diào)用方式，持續(xù)監(jiān)聽并接收遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù),通信完成后調(diào)用close函數(shù)斷開連接。

2.2.2 分布式虛擬訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)各終端協(xié)同操作訓(xùn)練，相互之間傳遞的網(wǎng)絡(luò)信息包括：虛擬人信息(虛擬人的位置和動(dòng)作信息)；任務(wù)同步信息(裝備的運(yùn)行狀態(tài)以及與裝備操作相關(guān)的全部信息)；系統(tǒng)信息(大量支持系統(tǒng)正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息)。

系統(tǒng)中任務(wù)同步信息和系統(tǒng)信息需集中管控，而虛擬人信息則不需要加以限制，為降低同步延遲、增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、提高系統(tǒng)性能，將客戶端/服務(wù)器(client/server， C/S)模式與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer-to-peer，P2P)模型相結(jié)合組成混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由3個(gè)客戶端和1個(gè)服務(wù)器構(gòu)成。每名操作員分配1個(gè)客戶端，每個(gè)客戶端中指定4個(gè)端口用于網(wǎng)絡(luò)通信。其中3個(gè)端口用于P2P模式下與其他客戶端以及服務(wù)器通信；1個(gè)端口用于C/S模式下與服務(wù)器通信。在此結(jié)構(gòu)下，任務(wù)同步信息和系統(tǒng)信息采用C/S模式，通過服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和控制，充分利用客戶端的處理能力。與C/S模式相比,虛擬人信息采用P2P模式，直接在局域網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳輸，將信息的傳輸路徑減半，提高了虛擬人同步的實(shí)時(shí)性；虛擬人信息在發(fā)送方和接收方之間直接傳輸，減少了中間服務(wù)器對(duì)虛擬人數(shù)據(jù)信息的加工處理環(huán)節(jié)，減小了服務(wù)器工作量，提高系統(tǒng)整體性能。

圖4 混合模式下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

2.3 虛擬訓(xùn)練過程仿真技術(shù)

2.3.1 虛擬人移動(dòng)仿真

在導(dǎo)彈裝備的協(xié)同操作訓(xùn)練過程中，操作人員的移動(dòng)和操作動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，且動(dòng)作多有統(tǒng)一規(guī)范。針對(duì)這一特點(diǎn)，對(duì)虛擬人仿真采用關(guān)鍵幀的方法。通過定義仿真過程中關(guān)鍵時(shí)刻的仿真數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)插值來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真過程。同時(shí)為了提高虛擬人仿真的真實(shí)感，采用運(yùn)動(dòng)捕獲的方法得到虛擬人的運(yùn)動(dòng)路線。引入VR外設(shè)頭盔顯示器，跟蹤定位裝置捕捉真實(shí)人的運(yùn)動(dòng)路線。通過關(guān)鍵幀和運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法既能實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的虛擬人運(yùn)動(dòng)，又能避免虛擬人與虛擬物體出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，提高了仿真的真實(shí)感。

2.3.2 虛擬人訓(xùn)練操作仿真

虛擬人訓(xùn)練操作仿真主要包括虛擬手的移動(dòng)控制和操作動(dòng)作以及虛擬手與物體之間的碰撞檢測(cè)。針對(duì)現(xiàn)有虛擬手交互仿真方法[5～9]的缺陷，對(duì)虛擬手仿真：本文通過引入VR虛擬手柄，利用虛擬手柄的定位裝置檢測(cè)真實(shí)手的實(shí)時(shí)坐標(biāo)來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬手的移動(dòng)?？紤]到在導(dǎo)彈裝備的虛擬訓(xùn)練中虛擬手主要完成的動(dòng)作有抓取、釋放和按壓3個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，通過關(guān)鍵幀的方法實(shí)現(xiàn)虛擬手的訓(xùn)練操作仿真。

3 應(yīng)用實(shí)例

在上述分析研究基礎(chǔ)上，基于C#編程語(yǔ)言，結(jié)合Unity引擎軟件，以MySQL Server為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，開發(fā)了分布式虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練系統(tǒng)。分析戰(zhàn)勤操作教令形成任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上再開發(fā)任務(wù)推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練功能。開發(fā)考核評(píng)價(jià)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬訓(xùn)練過程的全面評(píng)價(jià)。最后設(shè)計(jì)圖形界面和虛擬人交互方式完成系統(tǒng)開發(fā)。

以某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射車協(xié)同操作訓(xùn)練為例，該訓(xùn)練需要3人協(xié)同操作完成。基于此平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈發(fā)射車的虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練，在3名操作員的協(xié)同操作下完成了導(dǎo)彈發(fā)射車訓(xùn)練任務(wù)，觀察員在服務(wù)器端觀察操作過程，訓(xùn)練結(jié)束后系統(tǒng)給出考核結(jié)果。虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景

4 結(jié) 論

構(gòu)建了分布式虛擬協(xié)同操作訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效改善院校和部隊(duì)?wèi)?zhàn)勤操作訓(xùn)練存在的問題，提高裝備訓(xùn)練效費(fèi)比、增強(qiáng)操作人員的技能水平。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷發(fā)展，人們對(duì)虛擬系統(tǒng)的沉浸感和逼真度要求更高，因此人機(jī)交互技術(shù)以及交互設(shè)備有待進(jìn)一步研究。