虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝備保障教學(xué)中的應(yīng)用

盛沛 陳育良 顧鈞元

（海軍航空大學(xué) 山東煙臺 264001）

目前，為了保證可靠性，充分發(fā)揮使用效能，部分大型裝備在使用前必須對其進行必要的檢查和維護，以確認其主要技術(shù)參數(shù)是否合格，另外，一些裝備的出廠驗收和定期維修也是依靠地面設(shè)備完成的。完成檢查和維護任務(wù)的地面設(shè)備包括地面測試設(shè)備及綜合保障設(shè)備。裝備檢測技術(shù)研究的是在地面測試設(shè)備中所應(yīng)用的檢測裝備各種參數(shù)的一系列技術(shù)措施，包括虛擬儀器技術(shù)、總線技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、目標模擬與控制技術(shù)等［1］。

電子技術(shù)使測量過程的自動化易于實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和微型計算機的應(yīng)用，使電子測量出現(xiàn)了嶄新的局面。在測量中可以實現(xiàn)遙控、程控、量程自動切換、自校準、自修復(fù)、自動記錄、自動處理多種功能［2］。帶微處理器的“智能”儀器具有記憶存儲、邏輯判斷、數(shù)學(xué)運算和命令識別等特點［3］。此外，還可以利用微機通過標準接口總線連接多臺儀器，組成自動測試系統(tǒng)，快速準確地完成大量測試任務(wù)。

電子測量技術(shù)的一系列優(yōu)點使它廣泛地應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域。裝備測試設(shè)備也經(jīng)歷了從應(yīng)用分立元件、集成電路到目前“智能”儀器的技術(shù)發(fā)展過程，逐步由專用測試設(shè)備向集成化的通用測試系統(tǒng)發(fā)展。學(xué)習(xí)和熟練掌握相關(guān)測試設(shè)備的使用和維護方法是一個單位盡快形成技術(shù)保障能力的重要保證。

但是，院校目前還有相當多型裝備及配套設(shè)備無法配套到位，無法開展相關(guān)的裝備實操課程，致使學(xué)員在校期間不能掌握重點裝備，參加工作后無法勝任本職崗位工作。另外，在實際的培訓(xùn)過程中，各型裝備的操作過程對場地要求高（防爆、防潮、防火、防靜電），輔助設(shè)備多（電站、氣源、吊車、消防車）；同時，對教員技能和素質(zhì)要求高，要精通專業(yè)，并且學(xué)員要按規(guī)章操作。頻繁的實操訓(xùn)練會造成設(shè)備的磨損與消耗，同時，增加裝備及設(shè)備的維修頻率，降低其可靠性。

當前，高科技、高技術(shù)含量的新型裝備教學(xué)訓(xùn)練，是裝備保障的主要任務(wù)，裝備實操培訓(xùn)屬于技能培訓(xùn)，需大量投入裝備器材供學(xué)員操作、拆裝、檢測、維修。新型裝備造價較高且其編配數(shù)量多、科技化程度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、訓(xùn)練保障訓(xùn)練工作量大，易造成裝備的二次損傷。由于裝備系統(tǒng)自動化程度高，結(jié)合實裝訓(xùn)練局限性大，尤其是部分裝備一旦發(fā)生誤操作危險系數(shù)大，受裝備數(shù)量及裝備完好率等因素限制，院校難以在實裝基礎(chǔ)上開展大量裝備實訓(xùn)，目前較為常用的輔助教學(xué)演示內(nèi)容雖能直觀展示訓(xùn)練過程但不能有效地與訓(xùn)練任務(wù)相結(jié)合，沒有合適的訓(xùn)練系統(tǒng)、平臺，影響到課程的教學(xué)和訓(xùn)練。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為計算機圖形學(xué)的創(chuàng)新應(yīng)用之一，用戶可以通過計算機實現(xiàn)虛擬世界的創(chuàng)建和體驗，形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的多維信息空間”。計算機在完成這些交互作用的同時，可以根據(jù)用戶的操作給出實時響應(yīng)并給出評價、考核結(jié)果。在諸如醫(yī)療業(yè)、軍工業(yè)、建筑業(yè)等多個領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)得到了大力的發(fā)展，被評價為一種具有強大綜合性的高新信息類技術(shù)［4］。

總體來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展至今可大致經(jīng)歷了4 個發(fā)展階段，即蘊含階段、萌芽階段、初步形成階段及完善應(yīng)用階段。最早的記載是1929年，Edward Link設(shè)計出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器。1972年，Nolan Bushell 開發(fā)出第一個交互式虛擬現(xiàn)實技術(shù)電子游戲。1987年，Jim Humphries 設(shè)計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。21 世紀以來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品不斷發(fā)展創(chuàng)新，各種軟件開發(fā)平臺不斷涌現(xiàn)，其中，較有代表性的有Open Scene Graph、Multi?Gen Vega、Virtools等［5］。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點

總體來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性、自主性5大優(yōu)點。它允許用戶把自己想象成虛擬現(xiàn)實世界的一部分，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感本質(zhì)取決于用戶的感知系統(tǒng)，當用戶感知虛擬世界的刺激，包括觸覺、味覺、嗅覺、動體知覺等，將產(chǎn)生思維共鳴，導(dǎo)致心理沉浸，感覺仿佛進入了真實世界。交互性是指用戶在模擬環(huán)境中操作對象的能力和從環(huán)境中獲得反饋的自然性。用戶進入虛擬空間，相應(yīng)的技術(shù)使用戶能夠與環(huán)境進行交互，當用戶做某事時，環(huán)境會做出反應(yīng)。多元感知意味著計算機技術(shù)應(yīng)該具有多種感官，如聽覺、觸覺、嗅覺等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有所有人都具有的感知功能。在虛擬空間中，使用者可以與周圍的物體進行交互，拓寬認知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能的環(huán)境。例如，當受到推力時，物體會向力的方向移動、翻轉(zhuǎn)等。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于裝備訓(xùn)練、裝備保障具有以下優(yōu)點［5］。

2.1 有利于裝備盡快形成戰(zhàn)斗力

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的保障訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)，可以滿足相關(guān)單位訓(xùn)練和院校教學(xué)，特別適合裝備少而訓(xùn)練任務(wù)重的院校和單位使用。系統(tǒng)的重復(fù)使用性可以提高受訓(xùn)人員的操作熟練程度，大大縮短培訓(xùn)時間，使裝備盡快形成戰(zhàn)斗力。

2.2 提高訓(xùn)練效益和降低訓(xùn)練費用

系統(tǒng)使裝備技術(shù)保障培訓(xùn)教材的內(nèi)容形象直觀，使學(xué)員更容易理解和接受，提高業(yè)務(wù)技能和培訓(xùn)效率，也提高了部隊保障能力。同時，降低了裝備培訓(xùn)對實際裝備的損耗，減少場地占用面積，大大降低了培訓(xùn)費用。

2.3 安全訓(xùn)練的重要手段

解決了實裝進行培訓(xùn)場地要求高、輔助設(shè)備多、通常會造成裝備損壞和安全的問題。該系統(tǒng)的應(yīng)用既不要求防爆、防潮、防火、防靜電的操作環(huán)境，也不需要專門配套電站、氣源、吊車、消防車；既不會因操作和裝備原因造成事故損失，又不會受到天氣、環(huán)境等因素的影響，是保證訓(xùn)練安全的有效手段。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝備保障教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要包括動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術(shù)。

由于虛擬現(xiàn)實的立體感和真實感，人們可以利用計算機在地圖上編制山川地貌、海洋和湖泊的數(shù)據(jù)，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將原來的平面地圖轉(zhuǎn)化為立體的地形圖，更有利于訓(xùn)練，提高我國的綜合國力。常見的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用場景如圖1 所示，有以下幾部分內(nèi)容。

圖1 典型虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用場景

（1）基礎(chǔ)操作教學(xué)。根據(jù)學(xué)校實際需求，更好地讓學(xué)員通過本系統(tǒng)進行設(shè)備科目訓(xùn)練，劃分為基礎(chǔ)操作教學(xué)、工具訓(xùn)練教學(xué)、科目訓(xùn)練教學(xué)、科目訓(xùn)練考核4個主要的功能模塊。根據(jù)使用需求，對系統(tǒng)使用人員進行基礎(chǔ)操作教學(xué)訓(xùn)練，包含3個主要的模塊，手柄移動操作、手柄射線選定和手柄交互操作。

（2）科目訓(xùn)練教學(xué)模塊用于針對性科目訓(xùn)練流程的教學(xué)，通過對實際情況模擬出的科目訓(xùn)練教學(xué)流程的學(xué)習(xí)，使學(xué)員更清晰地了解該科目所涉及的設(shè)備及工具的使用情況。

（3）工具訓(xùn)練教學(xué)用于訓(xùn)練工具的使用。

（4）多類工具的使用、掌握多類工具的使用教學(xué)。科目訓(xùn)練考核用于建立科目訓(xùn)練流程的考核標準，通過直觀的打分系統(tǒng)來體現(xiàn)學(xué)員對所學(xué)科目流程的熟悉與掌握程度。

4 某裝備保障軟件開發(fā)

專業(yè)培訓(xùn)往往要求更高的現(xiàn)實客觀條件和一定數(shù)量的財政支持，但也要求操作人員具有超高和高度熟練的專業(yè)技能和能力。現(xiàn)在，人們可以反復(fù)進行因危險程度高、實際操作條件不足、訓(xùn)練難度系數(shù)極高等因素造成的限制性或接地性訓(xùn)練，從而加深熟悉程度，降低風險。例如，現(xiàn)在無處不在的飛行員，使用高性能計算機、3D 圖形生成器、立體聲音和各種傳感器來模擬飛機在高空的實際飛行，它被處理、分析和傳輸?shù)矫總€系統(tǒng)，生成一個實時的虛擬環(huán)境。此外，除了飛行模擬之外，虛擬現(xiàn)實也逐漸應(yīng)用于外科手術(shù)、裝備操作等高度專業(yè)化的領(lǐng)域。在線制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置在虛擬現(xiàn)實線索引導(dǎo)、提示消息等功能。對于那些不熟悉虛擬環(huán)境或設(shè)備、知識儲備有限的學(xué)生，如果他們自己難以完成任務(wù)，可以通過提示幫助他們成功完成任務(wù)，避免過早或過早地打擊他們的學(xué)習(xí)熱情。例如，在學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)中了解巖石成分的任務(wù)時，可以設(shè)置在界面上的“幫助”功能，當難以識別情況時，學(xué)生可以點擊“幫助”，界面上會顯示少量的關(guān)鍵詞或主題詞，以提示和幫助學(xué)生更好地理解，使學(xué)生能夠不斷地進行識別和區(qū)分，提高自己的知識水平?；谝陨戏治?，結(jié)合某航空導(dǎo)彈裝備保障教學(xué)使用實際，開發(fā)出教學(xué)訓(xùn)練軟件。軟件分為系統(tǒng)操作模塊和教學(xué)訓(xùn)練模塊［6］。

如圖2所示，在系統(tǒng)操作模塊中，使用者在主界面可進行VR 操作示例演示、場景屬性調(diào)節(jié)、科目選擇等操作。在科目選擇后進入教學(xué)訓(xùn)練子菜單。教學(xué)與訓(xùn)練模式的區(qū)別是是否帶有操作提示。

圖2 系統(tǒng)操作模塊

如圖3所示，在教學(xué)訓(xùn)練模塊中，系統(tǒng)根據(jù)操作者在科目操作選擇模塊中所選擇的場景模塊種類切換至相應(yīng)界面。

圖3 教學(xué)訓(xùn)練模塊

（1）當選擇裝備介紹場景后，將切換至裝備介紹模塊。在該模塊中所有虛擬裝備、設(shè)備、場景均以靜態(tài)模式顯示。使用者可利用手柄進行全場全景漫游，當漫游至某物品面前，可以點擊手柄彈出該物品的說明提示。

（2）當選擇教學(xué)場景后，將切換至教學(xué)模塊。在該模塊中，使用者根據(jù)實際操作流程進行裝備使用操作。利用手柄的漫游和動作鍵，可實現(xiàn)全場景的漫游及物品的抓、放、移等操作。在每一步操作后，系統(tǒng)以高亮顯示下一步需要操作的物體或移動位置，并在適當位置提示該步操作要領(lǐng)。在所有操作完畢后，系統(tǒng)自動給出整個操作使用流程的綜合評價，以表格的形式給出每一步的得分細節(jié)，幫助使用者改進操作技能。

（3）當選擇訓(xùn)練場景后，將切換至訓(xùn)練考核模塊。在該模塊中，裝備操作流程與教學(xué)場景一致但相應(yīng)的說明提示被隱藏。可以看出，該軟件將復(fù)雜的實裝操作步驟分解成相對簡單的單項動作。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將使用者帶入一種身臨其境的感官體驗當中。一方面，激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情，使其對枯燥的操作練習(xí)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，將每一個動作的重要性以分值的形式展現(xiàn)出來，使學(xué)習(xí)者在不知不覺中掌握了裝備操作的動作要領(lǐng)。因此說，該套教學(xué)訓(xùn)練軟件不僅能達到實裝訓(xùn)練的使用效果，更能幫助使用者達到教學(xué)、考評、演示等更多功能。

5 結(jié)語

以習(xí)近平主席關(guān)于國防和軍隊建設(shè)重要論述為指導(dǎo)，根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》以及《教育部辦公廳關(guān)于批準清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的通知》，依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維成像技術(shù)、交互仿真技術(shù)，采用虛擬現(xiàn)實替代復(fù)雜實物，取代使用成本較高的操作實訓(xùn)。依據(jù)以上指導(dǎo)思想，設(shè)計并建設(shè)的《某型裝備訓(xùn)練系統(tǒng)技術(shù)準備軟件設(shè)計方案》，實現(xiàn)了逼真的裝備測試專業(yè)設(shè)備操作，所提取的關(guān)于裝備、設(shè)備和工具的模型，融入測試專業(yè)實操內(nèi)容和流程，用于提高學(xué)員的實操能力和組訓(xùn)能力，解決了訓(xùn)練內(nèi)容、時間和裝備數(shù)量之間的諸多矛盾，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學(xué)培養(yǎng)模式，降低了實裝的損耗，豐富了教學(xué)內(nèi)容，擴展了教學(xué)資源，提高了訓(xùn)練效率和教學(xué)質(zhì)量。