基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計

程鵬翔

(1.陜西藝術(shù)職業(yè)學院 影視系，西安 710000； 2.江西師范大學 軟件學院，南昌 330022)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種位于世界前沿的高科技技術(shù)，在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。通過結(jié)合各種不同的計算機圖像及設備控制技術(shù)制造一種虛擬的操作環(huán)境，經(jīng)由傳感設備將此些景象傳輸給用戶，使用戶獲得“沉浸”式體驗效果[1]。除此之外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可被應用于彈藥檢測虛擬訓練中，增強彈藥檢測的真實性，利于檢測系統(tǒng)的發(fā)展[2]。由于彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計在設計的過程中對于檢測環(huán)境的要求較高，需要在絕對安全的環(huán)境中進行，為此，在檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計時應注重對操作環(huán)境的掌控，實時監(jiān)測操作環(huán)境是否符合整體研究條件，并利用檢測調(diào)節(jié)方案對檢測系統(tǒng)進行精準調(diào)節(jié)，獲取良好的操作結(jié)果。

不少學者根據(jù)彈藥檢測系統(tǒng)的設計需求進行虛擬訓練系統(tǒng)設計，提升彈藥檢測系統(tǒng)的整體性能，控制檢測的力度，獲取更精準的彈藥裝備。文獻[3]提出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的炮彈檢測訓練系統(tǒng)，應用3D MAX實現(xiàn)檢測訓練系統(tǒng)三維建模，通過腳本編寫實現(xiàn)交互，利用Dreamweaver軟件生成訓練系統(tǒng)。文獻[4]提出基于形式活動圖的軍事虛擬訓練系統(tǒng)設計。依據(jù)形式活動圖重組系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將不同的結(jié)構(gòu)控件分類，按照分類后的控件數(shù)據(jù)集對應檢測性能進行控件調(diào)配，實現(xiàn)科學性檢測，提高檢測的有效性。上述檢測系統(tǒng)均具有一定的有效性，但對于部分彈藥數(shù)據(jù)信息的收集力度較小，無法完整掌控彈藥數(shù)據(jù)的真實信息，最終檢測的結(jié)果誤差較大。

針對上述問題，本文提出一種新式基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)。分別設計系統(tǒng)硬件及軟件部分，在3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)下構(gòu)建虛擬空間，通過系統(tǒng)自檢避免彈藥檢測過程中問題的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)彈藥檢測虛擬訓練成功進行。本文系統(tǒng)設計能夠提升整體檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通狀態(tài)，完善內(nèi)部檢測通道，優(yōu)化檢測的性能，經(jīng)過檢測后的彈藥復核通過率更高。

1 基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)硬件設計

彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)可在3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)下構(gòu)建虛擬空間，在虛擬空間中執(zhí)行檢測指令[5-6]，減少對外部資源的消耗數(shù)量，并獲取真實度較高的檢測結(jié)果。本文對彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)進行初始檢驗，排除系統(tǒng)中的不和諧因素，并將該類因素數(shù)據(jù)與干擾信號進行整合，標記異常位置，避免操作過程中對該些數(shù)據(jù)的使用[7-8]。

檢測系統(tǒng)硬件由主控操作機、檢測總線接口以及資源測試器組成[9-10]。主控操作機作為檢測系統(tǒng)的核心硬件存在。利用主控操作機對檢測的彈藥位置進行計算，快速分析所需檢測的目標信息，并及時將信息反饋至操作系統(tǒng)中，等待操作反轉(zhuǎn)命令的下達。綜合檢測總線接口，將計算的位置信息由檢測總線傳輸至檢測空間內(nèi)部，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)存儲操作。連接操作網(wǎng)絡與彈藥虛擬位置信息，構(gòu)建信息連接線，在整體硬件測試環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)進行控制與監(jiān)管，設置連接線如圖1所示。

圖1 連接線圖

避免內(nèi)部數(shù)據(jù)的外泄以及外部數(shù)據(jù)侵入現(xiàn)象的產(chǎn)生。分析并處理收集的彈藥檢測信息，并將其轉(zhuǎn)送至資源測試器中。

資源測試器由內(nèi)部電源、操縱開關(guān)、波形發(fā)射器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成。可激勵檢測信號的產(chǎn)生，并在產(chǎn)生的瞬間將信號收集至內(nèi)部存儲空間中。其內(nèi)部電源在為整體工作設備提供相應的動力條件時，同時促進檢測系統(tǒng)的正常運作。為此，本文檢測系統(tǒng)選用高適配性的控制電源為資源測試器提供良好的動力支撐。以數(shù)據(jù)編碼的形式輸出電源信息，根據(jù)彈藥的檢測需求對電源的路數(shù)、承受電壓以及通過電流進行調(diào)試，連接調(diào)試空間與主導操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)資源測試器的初始能量改造[11-13]。

操縱開關(guān)作為檢測系統(tǒng)中不可或缺的重要控件，可利用操縱開關(guān)切換電源信號以及激勵信號，構(gòu)建操縱開關(guān)工作如圖2所示。

圖2 操縱開關(guān)工作示意圖

根據(jù)信號的切換點判斷檢測位置的輸出點，按照輸出點信息查找檢測過程中的檢測路線，并添加響應信號開關(guān)，當產(chǎn)生檢測失誤狀況時，響應開關(guān)將自主進行危險信號響應，同時利用自身響應空間提升對信號的管理能力。在輸入檢測信號后，調(diào)節(jié)信號的波形狀態(tài)，直至其波形狀態(tài)與檢測空間相符。管理波形信號發(fā)射器，當檢測信號產(chǎn)生波動時，波形信號發(fā)射器將信號波動歸類為發(fā)射檢測訊號，在執(zhí)行檢測指令的同時需注意對初始檢測彈藥數(shù)據(jù)的調(diào)整，判斷該彈藥位置是否處于安全位置中[14]。利用A/D轉(zhuǎn)換器將檢測信號信息進行信號轉(zhuǎn)換，同時將收錄的信號數(shù)據(jù)傳輸至主控操作機中并存儲，方便后續(xù)信號的處理與監(jiān)管。由此，實現(xiàn)對整體系統(tǒng)硬件的設計。

2 基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)軟件設計

以硬件系統(tǒng)設計的傳輸數(shù)據(jù)為基礎，進行系統(tǒng)軟件設計操作。利用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)將彈藥測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入計算機應用界面中，選用適配度較高的鼠標進行檢測操作。檢測的軟件系統(tǒng)以Window2000作為背景操作平臺，以模塊化與開放式的設計思想執(zhí)行檢測指令[15]。

制定基礎的檢測軟件程序框架，根據(jù)所需進行檢測的項目確定程序框架的操控形式以及內(nèi)檢模式?？刂苾x器面板的檢測狀況，將儀器面板中的檢測指標數(shù)據(jù)由編碼代替。構(gòu)建檢測運算函數(shù)，對檢測指標的真實程度進行檢驗：

Q=ωlsinα+lsinφ

(1)

式中，Q為檢驗的結(jié)果數(shù)據(jù)，ω為相應的編碼信息，l代表當執(zhí)行控制儀器面板的操作指令時，內(nèi)部指標數(shù)據(jù)的變化情況參數(shù)，α與φ分別為在正常與異常情況下的彈藥位置檢測角度數(shù)據(jù)。

由此，獲取所需的檢測指標信息，將指標數(shù)據(jù)錄入軟件編程程序中等待程序響應。創(chuàng)建用戶操作界面，執(zhí)行操作指令，當進行檢測時，由檢測中心將檢測指令發(fā)出，經(jīng)過內(nèi)部程序傳輸通道將指令數(shù)據(jù)傳至用戶操作界面中，用戶操作界面根據(jù)檢測指標信息完善檢測指令，并構(gòu)建指令收集空間，實現(xiàn)對檢測指令的存儲。設置檢測控件的基本屬性，確定控件的回調(diào)函數(shù)，當產(chǎn)生程序控件失靈的現(xiàn)象時，回調(diào)函數(shù)將彈藥信息重新分解，使其適應控件環(huán)境，繼續(xù)進行檢測操作。編寫程序源代碼，當用戶界面自動保存數(shù)據(jù)后，由主控計算機自動生成檢測界面，同時產(chǎn)生檢測框架，由檢測框架設置相應的界面保存公式：

Fm(x)=F(m-1)(x)+βmh

(2)

Fm(x)為界面的保存觸動機制信息，m為保存觸發(fā)條件，βm為進行檢測操作過程中的界面轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，h為主控計算機的自動生成檢測界面指數(shù)。根據(jù)上述操作調(diào)整檢測軟件的框架，并利用框架模式調(diào)節(jié)整體程序的操作力度。當達到檢測需求時，增強系統(tǒng)軟件的自檢功能。系統(tǒng)自檢作為對檢測系統(tǒng)的自主檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)檢測系統(tǒng)在運行過程中存在的問題，并依據(jù)問題的發(fā)生形式判斷下一次問題發(fā)生的觸發(fā)機制，由此避免下一次問題的產(chǎn)生。在系統(tǒng)自檢的同時，自檢系統(tǒng)自動選用自檢公式對檢測的信息進行終極檢驗：

(3)

Ux為終極檢驗參數(shù)，L為進行檢驗的條件函數(shù)，對控制變量i與t做積分，取得觸發(fā)機制參數(shù)，R為問題的發(fā)生形式參數(shù)，U為整體檢測系統(tǒng)的檢驗指標，Up為隱藏性系統(tǒng)指標。設置檢測流程如圖3所示。

圖3 檢測流程圖

由此，獲取最終的檢驗結(jié)果，達到對系統(tǒng)軟件的設計目的。

3 實驗結(jié)果與分析

在實現(xiàn)以上系統(tǒng)設計后，利用所得的系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。在進行系統(tǒng)測試時，需建立三維模型，利用模型中的設備工具與測試指標檢驗系統(tǒng)的性能。本文三維模型在3D軟件中獲取，并輸出為文件形式。三維建模的步驟根據(jù)靜態(tài)三維建模、動態(tài)三維建模以及最終文件輸出幾方面。三維模型構(gòu)建過程如圖4所示。

圖4 三維模型構(gòu)建過程圖

首先創(chuàng)建系統(tǒng)三維測試模型，聯(lián)合內(nèi)部系統(tǒng)的檢測標準以及模型的構(gòu)建結(jié)構(gòu)要求處理模型的創(chuàng)建問題。選擇合適的編輯材料，將屬于同一種類的編輯材料進行集中收集管理，并按照管理的原則選取對應的空間存儲模型信息，直至其信息結(jié)果數(shù)據(jù)符合最終的檢測標準?？刂颇Ｐ偷臓顟B(tài)，防止無關(guān)數(shù)據(jù)對模型的狀態(tài)影響。渲染模型結(jié)構(gòu)，并深入剖析模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，由于操作的畫面由點線結(jié)合，在構(gòu)建模型的同時注重對模型基礎形狀的調(diào)整，緩解模型內(nèi)部的構(gòu)建壓力。對于某些操作困難性較高的復雜模型部件，在對其進行基礎構(gòu)建后利用指令下達的方式調(diào)整模型信息。

為進一步提升檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計的實驗檢測數(shù)據(jù)的真實性，在三維檢測模型表面進行貼圖處理，更加直觀地反應檢測數(shù)據(jù)的狀況。利用PS軟件對獲取的貼圖進行圖像處理，對貼圖的尺寸進行調(diào)整，促使貼圖更加符合模型的尺寸大小。

由于3D軟件自身所擁有的不同腳本系統(tǒng)可自動進行檢測操作，在收集到完整的檢測彈藥數(shù)據(jù)以及檢測裝備后，根據(jù)彈藥檢測的真實動作進行虛擬仿真操作，模仿檢測動作運動軌跡，在模型中添加腳本生成器，當產(chǎn)生重復性動作時，生成器將觸發(fā)預警系統(tǒng)，發(fā)出實驗檢測失誤指令，及時阻止錯誤動作的進行。在經(jīng)過初步檢測后，生成三維檢測動態(tài)模型，在生成動態(tài)模型后，監(jiān)測系統(tǒng)的3D軟件將自動生成文件形式，將檢測的數(shù)據(jù)輸出，并記錄于檢測主機空間中。文件中包括較為重要的模型構(gòu)建三維圖標以及檢測后的彈藥精準信息，可進一步與3D軟件實現(xiàn)交互構(gòu)建操作。

在實驗過程中，將屬于獨立系統(tǒng)的彈藥檢測系統(tǒng)輸出為桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，利用鼠標實現(xiàn)整體實驗研究操作。在3D軟件內(nèi)編寫內(nèi)部編碼信息，選取合適的編碼與彈藥檢測指標相匹配，同時及時掌握編碼的數(shù)據(jù)流動方向，避免方向不一致導致的檢測結(jié)果錯誤。構(gòu)建檢測交互模塊，在模塊調(diào)整的初始階段控制模型數(shù)據(jù)的生成信息，檢驗不同虛擬空間的彈藥檢測力度，同時集中彈藥檢測方案調(diào)節(jié)模型操作狀態(tài)。管理檢測典型環(huán)節(jié)的腳本信息，在腳本信息集中的同時設置實驗操控數(shù)據(jù)。構(gòu)建靜態(tài)模型展現(xiàn)模塊，在該模塊中可隨時查看檢測的彈藥狀態(tài)，防止異常狀態(tài)的出現(xiàn)，并在異常動作發(fā)生前發(fā)射干擾信號，有效阻止檢測意外的發(fā)生。

以文獻[3-4]系統(tǒng)作為實驗對比方法，編輯檢測編碼信息，調(diào)控監(jiān)測中的數(shù)據(jù)判斷模塊，將模塊中的判斷指標分離出來，持續(xù)進行檢測實驗，同時標記檢測過程中的彈藥檢測位置，將位置信息記錄入檢測主控系統(tǒng)中，等待后續(xù)主控系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)。經(jīng)由以上操作，獲取相應的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，并構(gòu)建實驗結(jié)果對比如圖5～7所示。

圖5 本文系統(tǒng)接收檢測信號圖

圖6 文獻[3]系統(tǒng)接收檢測信號圖

圖7 文獻[4]系統(tǒng)接收檢測信號圖

根據(jù)圖5～7可以看出，本文基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)接收的檢測信號相較于文獻對比系統(tǒng)較平穩(wěn)，表明本文系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)的檢測性能良好。由于本文系統(tǒng)在設計的前期提出硬件結(jié)構(gòu)調(diào)整框架，根據(jù)彈藥檢測的內(nèi)部系數(shù)以及操控數(shù)據(jù)執(zhí)行結(jié)構(gòu)調(diào)整指令，提升部分控件的操作性能，并按照操作的空間范圍進行操作劃分，將屬于相同操作的范圍信息歸為相同的操作類別，同時及時管理處于待檢測狀態(tài)的彈藥信息，防止彈藥在操作過程中產(chǎn)生意外情況。綜合了適配器與檢測平臺數(shù)據(jù)，在高度適配的前提下進行檢測管理，構(gòu)建良好的檢測橋梁，在檢測主要階段可自行進行信息查詢以及數(shù)據(jù)分析操作，實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)的主動升級，可自主接收來自不同檢測區(qū)域的檢測信號，且在接收的同時過濾干擾信號信息，獲取較為平穩(wěn)的接收信號數(shù)據(jù)，具有良好的檢測效果。

在實現(xiàn)以上對比分析后，構(gòu)建二次結(jié)果檢測實驗對本文設計的系統(tǒng)進行更加深入的性能檢驗。在實驗中設置虛擬訓練檢驗模塊，利用交互操作的形式檢驗主操作界面中的操作狀況，在界面中顯示操作的實時狀態(tài)，加強護理手段，當實驗檢測操作人員將操作指令全部指向操作鼠標的左鍵時，實驗檢測系統(tǒng)將自動播放檢測的操作動作，并根據(jù)動作的展現(xiàn)形式獲取初始檢測的實驗數(shù)據(jù)，對內(nèi)部動作傳輸波形進行圖像設置，完整了解信號波形傳輸過程如圖8所示。

圖8 動作傳輸波形圖

集中了解前提檢測信息，確保檢測的數(shù)據(jù)處于完整狀態(tài)中。利用C語言編寫相應的程序代碼，將預先存儲于操作界面的檢測位置進行分解處理，控制相同屬性的檢測位置處于較小的分散距離，預測檢測位置是否與實驗后的實際位置重合，當產(chǎn)生重合現(xiàn)象，則表示該位置為正確的數(shù)據(jù)檢測位置，可在該操作位置中實現(xiàn)科學性的信息檢測與彈藥查詢。在結(jié)束上述實驗操作后，對實驗結(jié)果進行審核，并構(gòu)建檢測虛擬訓練成功率對比如圖9所示。

圖9 檢測虛擬訓練成功率對比圖

根據(jù)圖9可以看出，本文基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)的檢測虛擬訓練成功率均高于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，檢測虛擬訓練系統(tǒng)的操作性較強。本文系統(tǒng)設計在軟件應用程序中加入了系統(tǒng)自主改造裝置，當系統(tǒng)發(fā)生一定的異常狀況時，將自主判定為需修復狀態(tài)，并進入自主修復中，執(zhí)行內(nèi)部修復指令，進而實現(xiàn)對虛擬訓練空間的穩(wěn)定。在設計的同時導入系統(tǒng)集成軟件，將分散的系統(tǒng)信息集中于同一操作位置中，方便后續(xù)研究操作，提升系統(tǒng)檢測的效率，并獲得更多的系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集時間，提高彈藥檢測數(shù)據(jù)的精準性，增強檢測虛擬訓練的成功率。

綜上所述，本文基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計能夠在一定程度上提升整體訓練系統(tǒng)的檢測性能，并按照檢測所需的操作標準查詢操作動作信息，根據(jù)動作狀態(tài)作出檢測判斷，符合操作系統(tǒng)的需求，具有更好的發(fā)展空間。

4 結(jié)束語

本文提出種新式基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)設計，優(yōu)化了檢測系統(tǒng)的彈藥收集信息空間，獲取精準的彈藥初始數(shù)據(jù)，檢測的基礎性較強，可在不同的檢測環(huán)境中進行合理檢測，操作性高，符合彈藥檢測標準。實驗結(jié)果表明，本文基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的接收信號數(shù)據(jù)，檢測準確率較高，檢測效果好，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)彈藥檢測系統(tǒng)的設計效果。