艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

牛效兵 劉志偉 白洪寶

摘 要：為提高艦艇武器裝備訓(xùn)練保障質(zhì)量，滿足艦艇武器裝備崗位能力訓(xùn)練的實際需求，引入可穿戴技術(shù)，開發(fā)多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)。研究武器裝備三維模型開發(fā)思路，梳理系統(tǒng)訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評估指標(biāo)，搭建基于層級管理架構(gòu)的系統(tǒng)框架，分析系統(tǒng)建設(shè)中需解決的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：武器裝備;穿戴技術(shù)

艦艇武器裝備多是技術(shù)密集的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝、技術(shù)保障困難，對人員技術(shù)和工具設(shè)備要求很高。如何讓操作人員順利完成艦艇武器裝備技術(shù)檢查，提高作業(yè)效率、減少操作差錯，這是在技術(shù)保障中急需解決的問題。當(dāng)前艦艇武器裝備技術(shù)保障人員的技能訓(xùn)練囿于實裝和限制條件過多的傳統(tǒng)虛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，限制了訓(xùn)練工作的普及性和有效性，影響了保障人才隊伍建設(shè)的速度和質(zhì)量。從當(dāng)前的技術(shù)手段和發(fā)展前景來看，將可穿戴式技術(shù)引入武器裝備訓(xùn)練保障中，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)，能有效改善訓(xùn)練效率，提高訓(xùn)練質(zhì)量，加快人才隊伍建設(shè)速度。

1 可穿戴技術(shù)簡介

可穿戴技術(shù)是指探索和創(chuàng)造能直接穿在身上、或者整合進(jìn)用戶衣服或配件的設(shè)備的科學(xué)技術(shù)。其目的是通過內(nèi)在連通性實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)獲取，通過超快的數(shù)據(jù)分享能力高效保持社交聯(lián)系，擺脫傳統(tǒng)的手持設(shè)備而獲得無縫的網(wǎng)絡(luò)訪問體驗?？纱┐骷夹g(shù)可以將多媒體、傳感器、無線通信等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，載入可穿戴硬件設(shè)備中，還可通過手勢、語音、眼部動作等多種方式進(jìn)行交互。與傳統(tǒng)智能設(shè)備相比，可穿戴技術(shù)硬件更加輕便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定區(qū)域內(nèi)無持使用。

將可穿戴技術(shù)引入艦艇武器裝備訓(xùn)練保障過程，可打破傳統(tǒng)訓(xùn)練保障模式的束縛。高精度手指穿戴式設(shè)備的實際應(yīng)用可解決早期VR訓(xùn)練無法進(jìn)行武器準(zhǔn)備手部操作的局限性;可穿戴式電腦和非預(yù)先設(shè)置型VR系統(tǒng)的結(jié)合可解決訓(xùn)練空間限定在較小范圍內(nèi)的問題;基于三維引擎Unreal4可實現(xiàn)更多網(wǎng)絡(luò)結(jié)點下低延遲、高響應(yīng)的真實多人VR訓(xùn)練場景。結(jié)合以上優(yōu)勢，開發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)，可精確指導(dǎo)操作使用人員進(jìn)行武器裝備單人或多人協(xié)同技術(shù)保障訓(xùn)練，提高操作使用人員培訓(xùn)效率和武器裝備技術(shù)保障效率，可有效促進(jìn)武器裝備伴隨式維修保障能力的快速生成。

2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)以艦艇武器裝備為研究對象，實現(xiàn)武器裝備原理教學(xué)、單人/多人協(xié)同技能訓(xùn)練、考核評估等功能。研究內(nèi)容主要包括以下方面：

（1）開發(fā)艦艇武器裝備三維模型

收集測量武器裝備詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)，建立精確三維模型。對創(chuàng)建完成的模型進(jìn)行上色、賦予材質(zhì)及紋理，然后在虛擬場景中模擬現(xiàn)實燈光進(jìn)行渲染，通過調(diào)試燈光及材質(zhì)等參數(shù)達(dá)到最佳效果，最后進(jìn)行模型烘焙、貼圖制作，讓模型擁有與現(xiàn)實環(huán)境中同樣的視覺效果。按照實際的裝配流程，實時進(jìn)行碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理，完成組裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。

（2）梳理訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評估指標(biāo)

針對艦艇部隊武器裝備實際使用情況，結(jié)合訓(xùn)練考核大綱標(biāo)準(zhǔn)與人才培養(yǎng)方案要求，梳理武器裝備單人/多人協(xié)同訓(xùn)練科目。按照部隊武器裝備操作使用流程和技術(shù)檢查要求，合理分配訓(xùn)練科目模塊，建立通用性強(qiáng)、評價標(biāo)準(zhǔn)高、涵蓋范圍廣的訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系。

（3）進(jìn)行項目功能開發(fā)，完成系統(tǒng)集成

基于以上梳理的訓(xùn)練科目、建立的三維模型，開發(fā)研究武器準(zhǔn)備原理教學(xué)、技術(shù)保障單人/多人協(xié)同訓(xùn)練、考核評估等功能模塊的操作流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，編寫腳本和功能組件。按照業(yè)務(wù)需求，基于高速實時仿真數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)各場景之間的切換和數(shù)據(jù)模型集成，使資源達(dá)到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并使各個模塊之間能彼此協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)集成。

3 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

選用Unreal4作為開發(fā)引擎，采用VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)構(gòu)建一對多的管理端----操作端模式。根據(jù)艦艇武器裝備崗位任職能力要求，管理端合理選擇設(shè)置不同的訓(xùn)練科目，下發(fā)到操作端，操作端即可選擇不同難易級別展開訓(xùn)練。操作端訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)可發(fā)送回服務(wù)端實時記錄。

艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分，采用層級管理架構(gòu)，包括硬件設(shè)備層、操作系統(tǒng)層、基礎(chǔ)支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層。

硬件設(shè)備層由高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套、非預(yù)置VR系統(tǒng)等組成。高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步計算;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲系統(tǒng)的學(xué)員數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)、考核數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù);背負(fù)式VR穿戴電腦為系統(tǒng)的VR終端設(shè)備;非預(yù)設(shè)VR系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備;高精度穿戴手套負(fù)責(zé)系統(tǒng)的高精度VR操作輸入。

基礎(chǔ)支撐層包括模型庫、素材庫、聲音庫、特效庫、數(shù)據(jù)庫、和其他SDK。模型庫中包括項目所需所有模型文件;素材庫包括各部件的真實圖片，法向貼圖，剖面圖，示例圖，動態(tài)說明，使用動畫，示意性及教學(xué)說明性視頻等;聲音庫中包括各種音效、音頻講解等;特效庫包含項目所有功能的特效，如粒子、光影、shader等;數(shù)據(jù)庫中包括個人ID、ID類型、得分、操作指令集等各種數(shù)據(jù)類型的保存信息;其他SDK包括HTC-Vive設(shè)備SDK和語音系統(tǒng)SDK等。

系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層主要包括管理端和操作端，管理端作為統(tǒng)一管理平臺，可以管理多個操作端，操作端主要包括穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套和非預(yù)置VR系統(tǒng)等。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）高精度VR操作輸入技術(shù)

為實現(xiàn)高精度手部動作追蹤和手指操作的同步映射，可采用具備觸感傳感技術(shù)的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系統(tǒng)和基于VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)，兩種設(shè)備均是新一代可穿戴技術(shù)產(chǎn)品，相關(guān)開發(fā)資料和技術(shù)積累較少。技術(shù)難點是兩者的深度結(jié)合，需要軟件開發(fā)人員深入研究利用手部穿戴系統(tǒng)模擬艦艇武器裝備操作中手部的各類動作和響應(yīng)，并在非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)中精確定位。

（2）多人協(xié)同訓(xùn)練時的通信技術(shù)

系統(tǒng)處于多人協(xié)同訓(xùn)練時，需要多個或全部操作端同時與管理端通信，此時通信服務(wù)能否順利支持完成系統(tǒng)規(guī)定的各種訓(xùn)練任務(wù)，實現(xiàn)協(xié)同訓(xùn)練與考核，對于系統(tǒng)效能的實現(xiàn)程度至關(guān)重要。通信可通過發(fā)布—訂閱通信模型實現(xiàn)臺位之間的實時通信。采用這種編程模型的優(yōu)勢在于簡化編程模型，同時實現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)通信。

（3）三維模型輕量化技術(shù)

針對大量高精度的武器武器裝備三維模型在系統(tǒng)中調(diào)用速度慢，存儲資源消耗高的問題，擬采用三維模型輕量化技術(shù)，保證在不影響技術(shù)保障體驗與工程可用性的前提下，盡可能的降低文件大小，從而降低系統(tǒng)渲染壓力，節(jié)省系統(tǒng)存儲空間。對零部件進(jìn)行幾何壓縮，采用XML格式來描述模型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)，通過引用的方式以減少冗余。

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作者簡介：

牛效兵，海軍士官學(xué)校兵器系副教授.

劉志偉，海軍士官學(xué)校兵器系講師.

白洪寶，海軍士官學(xué)校兵器系講師.

（海軍士官學(xué)校? 安徽? 蚌埠? 233012）