裝甲裝備虛擬教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)研究

李萍 謝運(yùn)燈 謝志宏

摘 要： 針對(duì)新型裝甲裝備維修難的問題，提出虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)思路。采用三維建模軟件構(gòu)建了裝備的三維模型，從多角度展示裝備外觀及其內(nèi)部構(gòu)造；運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，仿真了裝備拆裝、主要工作過程及成像原理。文章介紹了系統(tǒng)開發(fā)思路和主要功能，總結(jié)了幾點(diǎn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。該研究對(duì)實(shí)施裝備維修培訓(xùn)和教學(xué)意義重大，在最大限度地保證了裝備良好性能的同時(shí)，節(jié)約了時(shí)間，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，提高了效率。

關(guān)鍵詞： 三維模型； 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件； 虛擬教學(xué)系統(tǒng)； 開發(fā)思路； 開發(fā)經(jīng)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）07-09-04

Abstracts： The article puts forward a development thinking of the virtual maintenance teaching system according to the problem that new type armored equipment is difficult to be repaired. The system builds three-dimensional model of equipment via the three-dimensional modeling software. The appearance and the inner construction of equipment are showed from multiple angles. And the disassembly and assembly of equipment， the main work process and imaging principle are simulated with the help of the virtual reality software. The article also introduces the development thinking and main function of this system and sums up some development experiences. The study has an important meaning for carrying out teaching and training in equipment maintenance. On one hand， it makes sure the good performance of equipment to the utmost extent； on the other hand， it saves time and money and improves the efficiency.

Key words： three-dimensional model； virtual reality software； virtual teaching system； development thinking； development experience

0 引言

目前，我軍新型裝甲裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)先進(jìn)、精密度提高，因此設(shè)備修理的難度也大。由于缺乏專業(yè)的維修人才，對(duì)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成造成極大的影響[1]。另外，對(duì)于院校而言，裝備配備數(shù)量少，學(xué)員人數(shù)多，難以滿足學(xué)員的學(xué)習(xí)需求；同時(shí)，頻繁的拆裝練習(xí)也會(huì)減少裝備使用壽命[2]。所以，開發(fā)裝備虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)具有重要的意義。

本文基于三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究了裝備的虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)[3-4]。論文介紹了開發(fā)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的基本思路，說明了系統(tǒng)的主要功能，闡述了開發(fā)裝備虛擬教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)心得。該系統(tǒng)的三維模型直觀、逼真，演示動(dòng)畫生動(dòng)、形象，表現(xiàn)力強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行流暢、交互性好。該研究縮短了裝備維修學(xué)習(xí)和培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)省了人力和財(cái)力，提高了效率，最大限度地保證了裝備的良好技術(shù)性能。

1 系統(tǒng)開發(fā)思路

一個(gè)好的虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)首先要滿足維修人員或待培訓(xùn)對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的使用需求；其次要界面友好、運(yùn)行流暢；最后要有高逼真度的模型、強(qiáng)表現(xiàn)力的動(dòng)畫。因此開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)前先與系統(tǒng)使用對(duì)象溝通，熟悉用戶的實(shí)際需求、知識(shí)水平及操作習(xí)慣，以便有的放矢。爾后要力求系統(tǒng)操作簡單、容易上手，有良好的人機(jī)交互界面和推廣應(yīng)用價(jià)值。接下來構(gòu)建高質(zhì)量、高效率的模型。模型是系統(tǒng)的靈魂，只有模型簡潔、真實(shí)，占用內(nèi)存空間盡可能小，才能使系統(tǒng)運(yùn)行流暢、富有表現(xiàn)力。最后再運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件或游戲引擎搭建維修系統(tǒng)?；谶@些考慮，該虛擬維修系統(tǒng)開發(fā)思路如下。

1.1 根據(jù)使用對(duì)象需求和知識(shí)背景，確定系統(tǒng)基本功能和主要功能界面

系統(tǒng)主要用于對(duì)維修人員或?qū)W員培訓(xùn)，培訓(xùn)面臨的主要問題是裝備數(shù)量少，學(xué)員實(shí)踐機(jī)會(huì)少，理解原理和工作過程有困難[1]。為此，系統(tǒng)的基本功能是讓使用者通過該系統(tǒng)深入了解和熟悉裝備的構(gòu)造和工作過程、促進(jìn)學(xué)員對(duì)原理的理解和掌握，通過模擬故障現(xiàn)象分析故障原因、定位故障部位、實(shí)施故障維修的目的。綜合考慮部隊(duì)維修人員接觸裝備多，但理論基礎(chǔ)差；而學(xué)員理論基礎(chǔ)好，對(duì)裝備構(gòu)造感受不深的實(shí)際情況，確定系統(tǒng)的主要功能為多方位展示裝備的整體和內(nèi)部構(gòu)造、動(dòng)畫分步演示拆裝過程及工作過程。界面以文字加語音提示方式給出拆裝步驟，操作簡單、交互性好。如圖1為系統(tǒng)的主要功能界面。

1.2 根據(jù)系統(tǒng)功能特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境要求，確定模型構(gòu)建基本方法和優(yōu)化思路

目前，三維建模軟件3DS Max由于其豐富的建模方式和良好的軟件兼容性而廣為流行[5-6]。其建模方式靈活，所建模型細(xì)膩，完全能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能，模型經(jīng)過優(yōu)化后，也能夠達(dá)到運(yùn)行環(huán)境要求。

為簡化建模過程，在建模前首先根據(jù)系統(tǒng)功能特點(diǎn)，細(xì)化任務(wù)。即先弄清楚哪些部件要制作動(dòng)畫，動(dòng)畫表現(xiàn)形式怎樣，進(jìn)而區(qū)分哪些部件需要單獨(dú)建模，哪些部件可作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，這樣可大大節(jié)省建模時(shí)間，提高效率，同時(shí)還可減少內(nèi)存占用，使系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。3DS Max軟件有多種建模方法[5-6]，但建立基礎(chǔ)模型時(shí)較常采用的是內(nèi)置幾何體建?；驑訔l線建模，模型細(xì)化時(shí)多采用復(fù)合對(duì)象建模、修改器建?；蚨噙呅谓！?/p>

模型建好后，為進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，進(jìn)行模型優(yōu)化處理是必不可少的。優(yōu)化的基本原則是在保證模型逼真的前提下，盡可能減少內(nèi)存空間占有率。優(yōu)化的最基本方法是進(jìn)行減面處理和模型簡化，一般將不影響視覺效果的部分刪減或者減面，通常發(fā)生在建模中和建模后，可以邊建模邊觀察，盡量降低分段和邊數(shù)；對(duì)于特別復(fù)雜的模型，為減少其面數(shù)，通常的方法是先構(gòu)建復(fù)雜模型，然后將其烘焙成*.tga或*.jpg圖片，之后再構(gòu)建簡單模型，將*.tga或*.jpg圖片作為貼圖加載到模型表面；對(duì)于相同的部件，在建模時(shí)盡量選擇實(shí)例，這樣只是指向原對(duì)象的一個(gè)指針，大大節(jié)省了內(nèi)存空間；還可以利用細(xì)節(jié)層次LOD（Level of Detail）來簡化模型，如果物體離視點(diǎn)遠(yuǎn)，或比較小，用較粗的LOD繪制；如果物體離視點(diǎn)近，或比較大，用較細(xì)的LOD繪制。

1.3 考慮系統(tǒng)兼容性和動(dòng)畫的生動(dòng)、流暢性，選擇合適的軟件搭建虛擬維修系統(tǒng)

EON Studio是極受海內(nèi)外歡迎的VR制作軟件，易學(xué)易用，常用于制作產(chǎn)品的虛擬演示，在醫(yī)療、教育等行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用[7-8]。3DS Max與EON Studio有很好的兼容性，由3DS Max構(gòu)建的模型可方便地導(dǎo)入EON Studio中，并通過添加節(jié)點(diǎn)、設(shè)置屬性，可給模型加上動(dòng)作、行為。為此，將3DS Max 2012與 EON Studio 7.0結(jié)合開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)不失為一種好的選擇。

需要注意的是：3DX Max模型直接導(dǎo)入EON后，容易出現(xiàn)零件位置變動(dòng)、材質(zhì)和顏色信息丟失等問題。最好通過EON Raptor插件導(dǎo)出，這樣可以保留模型的所有信息；另外在建模前要做好單位設(shè)置，即選擇菜單欄中的[自定義]|[單位設(shè)置]命令，在彈出的[單位設(shè)置]對(duì)話框中，將[顯示單位比例]和[系統(tǒng)單位比例]設(shè)置為[毫米]，否則合并后的部件模型導(dǎo)入EON后將出現(xiàn)位置錯(cuò)亂。

2 系統(tǒng)主要功能和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)介紹

2.1 系統(tǒng)主要功能

本虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)概述、構(gòu)造、工作過程和成像原理四大部分。其功能框架圖如下圖2所示。概述部分從系統(tǒng)角度出發(fā)，通過動(dòng)畫方式逐次展示系統(tǒng)的構(gòu)成；構(gòu)造部分以動(dòng)畫方式展示各分部件的安裝位置、構(gòu)成及拆裝過程；工作過程部分根據(jù)不同工況來演示操作流程和信號(hào)流向；成像原理部分動(dòng)態(tài)展示了系統(tǒng)的光路走向。每部分均輔以同步文字和語音。

2.2 幾點(diǎn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)

⑴ 模型減面技巧

下面列舉幾個(gè)建模中非常實(shí)用的減面方法。構(gòu)建圓柱體時(shí)，默認(rèn)的高度分段為5，一般設(shè)為1即可；默認(rèn)的邊數(shù)為18，根據(jù)需要修改為12或6；構(gòu)建圓環(huán)時(shí)，如果不要求很精細(xì)的情況下，最好不直接利用內(nèi)置幾何體中的圓環(huán)建模，而是先構(gòu)建一個(gè)圓柱體，然后利用復(fù)合對(duì)象建模挖掉中間（利用“布爾”運(yùn)算）；構(gòu)建電線或電纜時(shí)，不用圓柱體建模，采用二維線條加大徑向厚度的建模方法，可大大減少面數(shù)。當(dāng)然，具體到某個(gè)對(duì)象，也可以在建模中根據(jù)視覺效果實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)修改。

⑵ EON中對(duì)象命名方法

三維模型導(dǎo)入EON后，基本模型對(duì)象將以框架節(jié)點(diǎn)的形式呈現(xiàn)。無論在三維軟件中模型的名稱為漢字還是英文，導(dǎo)入EON后文件名稱均變?yōu)橛⑽暮蛿?shù)字的結(jié)合，如何在龐大的節(jié)點(diǎn)群中找到具體的部件對(duì)象，對(duì)使用者來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。下面給出了快速找出節(jié)點(diǎn)和對(duì)象對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法，以供參考。

打開EON文件，運(yùn)行模擬程序，選中工具菜單中的工具按鈕，按住Alt鍵不放，單擊模擬窗口中對(duì)象，這時(shí)在模擬樹窗口會(huì)將相應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)紅顯示。單擊該節(jié)點(diǎn)，修改為容易辨認(rèn)的名稱即可，受版本限制，建議最好用英文字母表示。

⑶ EON中顏色和貼圖修改

多數(shù)情況下，模型導(dǎo)入EON后，會(huì)出現(xiàn)色差或貼圖丟失，返回3DS MAX修改顏色或者貼圖比較麻煩，筆者根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，摸索出在EON中修改顏色和貼圖信息的方法。技巧如下：在模擬樹窗口中展開需要修改顏色的對(duì)象節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊Material下的default，在右側(cè)的屬性窗口修改其Ambient屬性（見圖3），運(yùn)行后可以看到顏色已經(jīng)改變；如果修改或添加貼圖，找到對(duì)象下的Material，將默認(rèn)屬性default刪掉，重新添加一個(gè)Material2節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)下的Diffuse Texture下加入Texture2節(jié)點(diǎn)，在Texture2節(jié)點(diǎn)的Filename屬性下加載貼圖文件（見圖4）。

⑷ EON制作分步拆裝動(dòng)畫技巧

用EON制作動(dòng)畫常用的節(jié)點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)ClickSensor、位置節(jié)點(diǎn)Place、任務(wù)組節(jié)點(diǎn)MemoryTask和任務(wù)節(jié)點(diǎn)Task。ClickSensor節(jié)點(diǎn)用于響應(yīng)鼠標(biāo)在指定對(duì)象上的單擊；Place節(jié)點(diǎn)用于設(shè)置對(duì)象的位置坐標(biāo)；MemoryTask節(jié)點(diǎn)用于將各Task節(jié)點(diǎn)成組，并依序執(zhí)行；Task節(jié)點(diǎn)用于設(shè)置對(duì)象激活之前和之后的行為（注意：程序一運(yùn)行即激活MemoryTask下的第一個(gè)Task節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)Task節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完RequestCompleted后，則自動(dòng)激活第二個(gè)Task節(jié)點(diǎn)。）。

下面結(jié)合EON的模擬樹和路由窗口詳細(xì)闡述這一過程。圖5、6分別為模擬樹窗口和路由窗口的部分截屏。

如圖5，從節(jié)點(diǎn)/元件窗口分別拖放ClickSensor節(jié)點(diǎn)（此處命名為“保護(hù)玻璃分解”）、Place節(jié)點(diǎn)（分別命名為“前保護(hù)玻璃”和“Place1”）、MemoryTask節(jié)點(diǎn)（命名為“手動(dòng)”）、Task節(jié)點(diǎn)（依次命名為“Task”、“Task1”、……）、Frame節(jié)點(diǎn)（命名為“Frame”、“Frame1”）和TextBox節(jié)點(diǎn)到模擬樹窗口相應(yīng)節(jié)點(diǎn)下。

根據(jù)圖6中的路由圖依次將各節(jié)點(diǎn)從模擬樹窗口拖放至路由窗口，并將輸入和輸出進(jìn)行相應(yīng)關(guān)聯(lián)即可。需要說明的是：Frame節(jié)點(diǎn)初始屬性設(shè)置為隱藏，見圖7中紅框。當(dāng)Task1激活時(shí)，執(zhí)行ActiveOnStarted，這時(shí)Frame節(jié)點(diǎn)屬性由“隱藏”變?yōu)椤帮@示”（意味著激活），當(dāng)將ClickSensor的輸出屬性O(shè)nButtonDownTrue連接到Frame的輸入屬性SetRun_，并單擊保護(hù)玻璃對(duì)象時(shí)，F(xiàn)rame節(jié)點(diǎn)屬性由“顯示”變?yōu)椤半[藏”，此時(shí)其輸出屬性“OnRunFalse”為真，激活后面的Place節(jié)點(diǎn)的SetRun輸入屬性，保護(hù)玻璃移動(dòng)到Place節(jié)點(diǎn)設(shè)置的位置。而當(dāng)Task1未激活時(shí)，F(xiàn)rame屬性一直為“隱藏”，即使單擊對(duì)象，F(xiàn)rame節(jié)點(diǎn)也不會(huì)有響應(yīng)，即仍然為“隱藏”，此時(shí)其輸出屬性“OnRunFalse”始終為假，對(duì)后面的Place節(jié)點(diǎn)不會(huì)有任何影響，所以對(duì)象不會(huì)移動(dòng)。這樣的設(shè)置保證了拆裝過程的順序性（即在前一步未執(zhí)行完成時(shí)，在下一個(gè)對(duì)象或部件上單擊鼠標(biāo)，不會(huì)有任何反應(yīng)，只有當(dāng)前一個(gè)部件拆裝完成后，單擊下一個(gè)部件時(shí)該部件才動(dòng)作。）。為了以文字方式顯示拆裝步驟，在Task1節(jié)點(diǎn)的ActivateOnStarted下面還增加了Frame1節(jié)點(diǎn)，并在其下放置了TextBox節(jié)點(diǎn)（可以在其屬性窗口中添加文字，見圖8），用于在分解之前進(jìn)行文字提示。

為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)分解、裝配功能，還可以在Camera節(jié)點(diǎn)下增加元件TextBoxButton，并在路由窗口中進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論與展望

本文將三維建模軟件3DS Max 2012和虛擬仿真軟件EON Studio 7.0結(jié)合，基于C語言，用Unity軟件構(gòu)建系統(tǒng)界面，探索了虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，解決了裝備短缺和實(shí)踐教學(xué)之間的突出矛盾，提高了維修培訓(xùn)和院校課堂教學(xué)的效率，是虛擬技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)很好實(shí)例。研究表明，系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)赝卣购?，還可實(shí)現(xiàn)維修保養(yǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。

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