某型彈藥虛擬維修訓練系統的三維模型設計

田濤，孫忠云，蘇鋒

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

某型彈藥虛擬維修訓練系統的三維模型設計

田濤，孫忠云，蘇鋒

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

利用3DS MAX軟件與Creator軟件相結合的方法建立逼真的某型彈藥模型和建立彈藥庫場景模型，建立一套某型彈藥虛擬維修的視景仿真模型，總結出實用的3DS MAX軟件與Creator軟件相結合的建模技巧。

虛擬現實；三維建模；仿真模型

0 引言

某型彈藥是我軍隨某型戰機引進的主戰彈藥，技術含量高、結構復雜、造價昂貴，至今沒有配套維修訓練實裝和成熟的維修技術方案。其彈藥輔助檢測維護設備是一套自動化彈藥檢測和技術準備系統，用于對戰機裝備的導彈及制導炸彈進行檢測、技術維護以及戰斗準備，確保彈藥處于良好的技術狀態。由于彈藥裝備的特殊性和潛在的危險性，實裝訓練時間不可能太長，參訓的人數有限，且訓練費用高，無法保證大規模，高強度的訓練，也無法快速提高維護人員彈藥檢測和戰斗準備的水平。采用虛擬現實技術構建一套虛擬維修訓練系統，對于訓練彈藥技術保障人員、提高部隊的戰斗力有重要意義[1-3]。實現這套彈藥虛擬維修訓練系統，必須建立逼真的維修檢測環境，不僅包含彈藥、輔助檢測維護設備、維修（檢測）工具等基礎檢測設施（設備）及檢測小車、彈藥運輸車等信息，還包括整個檢測廠區的地理環境信息。它們構成了某型彈藥虛擬維修訓練系統的運行和仿真基礎。利用3DS MAX軟件與Creator軟件相結合的方式，對某型彈藥、檢測設備以及地理環境進行三維視景建模的方法，為基于Eon Studio的虛擬維修訓練系統的驅動仿真提供了對象。

1 建模平臺概述

（1）3DS MAX軟件平臺。Autodesk 3DS Max是目前PC機上最流行、使用最廣泛的三維動畫軟件之一，隨著軟件的不斷升級，在多邊形建模方面，可以十分方便且自由地根據已有素材建立出精細的三維物理模型，并且可以對多邊形的構成點、邊、面進行獨立操作，很好的控制三維物理模型面片數的數量，滿足系統對物理模型的要求。

（2）Creator軟件平臺。Multi Gen Creator軟件提供了一種實時、靈活的建模方法，旨在實現建模的逼真性和在虛擬現實中的實時交互性，并且使用統一的圖形數據描述格式Open Flight描述模型[4]。Open Flight是一種分層結構的景觀描述數據庫，將數據列為樹狀結構進行管理。如圖1所示，由“樹干”向下依次細化，各節點所處位置一目了然，結構分明、管理方便，可大大提高建模效率。

采用3DS Max軟件建立三維物理模型，在Creator軟件中管理物理模型，并且對物理模型進行相應的優化及對動態物理模型進行DOF制作、LOD分級創建等。

2 模型數據庫的組成與設計

《某型彈藥虛擬維修訓練系統》中涉及的物理模型種類繁多，大體可以分為某型彈藥、檢測維護設備、載體車輛和地理環境4大類。每類物理模型依據不同的用途分類有具體型號。結合Creator軟件模型數據庫的管理方式，《某型彈藥虛擬維修訓練系統》中模型分類見圖2。

（1）某型彈藥。是該系統的主要物理模型，根據結構可劃分成“五大艙室”，即引導頭艙、引信艙、戰斗部艙、發動機艙和舵機艙。系統中維修訓練部分主要圍繞該型彈藥進行，因此在建模時要嚴格按照圖紙進行建模，使其具有細致、精確、逼真的特點。

（2）檢測維護設備。是某型彈藥檢測的重要仿真環節，主要涉及檢測工具、檢測設備、各型部件以及輔助設備等，結構尺寸要與某型彈藥的相關部件吻合。

（3）特種車輛。是模型彈藥的放置、檢測與運輸載體，在物理模型構建的過程中要對其運動、轉向等部件合理安排，放在專屬的數據分支之下，為后期在Creator軟件中設置自由度節點DOF做好前期的規劃。

（4）地理環境。包含整個檢測環境的地形信息、建筑結構信息等。在虛擬維修訓練過程中，存在著訓練科目的不同，檢測場地也不同的特點，由此在模型構建的過程中設置細節層次節點LOD，合理的顯示，有利于系統運行效率的提高。

圖1 Creator中的數據結構

圖2 《某型彈藥虛擬維修訓練系統》物理模型分類層次圖

3 三維模型的分析與建立

某型彈藥虛擬維修訓練系統及其輔助檢測維護設備是虛擬仿真的目標對象，設備的物理模型都要完整的構建出來。虛擬環境下的裝備物理模型要用在實時渲染引擎中，而不是用于動畫或靜態效果圖的制作，因此虛擬現實軟件對于模型的質量有更高的要求。物理模型的制作在3DS MAX軟件中完成，在Creator軟件中從3個方面對模型進行優化、管理與設置，分別是面片數量、層組關系、節點設置。具體的建模流程如圖3所示。

圖3 三維物理模型建模流程圖

（1）彈藥模型的建模。某型彈藥結構復雜，采用3DS MAX軟件多邊形建模的方法進行三維物理模型的構建。基本方法是：將處理好的圖紙素材紋理映射到一個矩形的平面上，以此平面為基準，先建立一個標準幾何體，再將其塌陷成多邊形，最后通過擠出、拉伸等操作，構建出與紋理吻合的彈藥基本模型。在彈藥基本模型的基礎上，使用切割、分離等操作制作出各檢測口蓋設備的模型。依照拍攝的照片紋理，使用以上操作命令，制作其他細節模型。最后，通過面操作，刪除一些不可見的面片，簡化模型細節等[5]。

（2）地理環境模型的建模。地理環境模型的建模主要通過真實環境的高程數據來生成模型的Flt文件。采用某地真實的高程數據使用Delaunay轉換算法生成該地的地形模型，利用Modify Delaunay修正工具對其進行更加精細的修改和調整，最后應用Bulldoze Tool工具將維護檢測廠區區域進行平整處理[6]。

4 三維模型的優化與設置

（1）三維模型中的紋理映射。在視景模型的建立過程中，為減少多邊形的數量，降低系統資源的消耗，需要采用三維模型紋理映射的方法，從而獲得具有更加真實感和質感的模型[7]。

由于紋理質量的高低決定著視景模型的真實感和質感，所以在建模過程中使用的貼圖紋理要通過實地拍攝的方式獲得。首先在PhotoShop軟件中對拍攝得到的數碼照片進行色階調整，得到相對一致的光影效果；然后通過剪切、拼接等方式摳出建模過程中需要用到的素材部分；再對拼接后的圖片進行修補等處理，得到更加美觀、無瑕疵的圖片。紋理圖片格式通常采用RGB或DDS壓縮格式，單位尺寸符合2的N次方，且最大尺寸不超過1024×1024。

由于模型構建是在3DS MAX軟件中使用多邊形方式建模，而該種建模方式具有點、線、面操作靈活的特點，因此紋理映射在該軟件建模的過程中完成。使用其“UV展開”命令，根據紋理的布局，將相關面片進行映射，這樣就可以得到一個細節豐富，質感真實的模型。圖4比較了某型彈藥紋理映射前后的效果。

（2）三維模型的LOD設置。細節層次節點LOD是指對同一場景或場景中的模型使用具有不同細節的描述方法，得到一組不同細節程度的模型，根據視點和該物體的距離決定顯示的模型，當視點遠離模型對象的情況下，調用簡單模型或完全不調用任何層級的模型，反之調用復雜模型。LOD節點的使用不但能夠提高系統運行的效率，而且使得系統在實時性與真實性之間取得了平衡。

LOD節點通過控制其節點下子節點中的模型，依照其屬性中“Switch In”和“Switch Out”的參數值來定義其可視范圍，通過“Transition”參數確定相鄰兩個LOD之間的平滑過度范圍，使之在一定程度上解決相鄰LOD之間進行轉換過程中模型突變問題。

（3）三維模型的DOF設置。《某型彈藥虛擬維修訓練系統》中，特定模型需要隨著維修檢測狀態的不同達到實時互動。例如在執行某型彈藥彈翼檢測科目的過程中，彈翼的運動情況等，這些都需要由自由度節點DOF技術來實現。

DOF節點通過定義坐標系和設定運動屬性，使模型對象具有各自由度的運動能力，可以控制它的子節點，按照設置的自由度范圍進行運動。

5 虛擬維修訓練系統的顯示效果

通過上述方法，可以構建出合理簡化的某型彈藥、檢測維護設備、載體車輛和地理環境等模型，賦以真實的紋理，實現了逼真的維修訓練環境。《某型彈藥虛擬維修訓練系統》運行效果如圖5所示。

圖4 某型彈藥紋理映射前后對照圖

圖5 《某型彈藥虛擬維修訓練系統》運行效果

6 建模技巧

通過《某型彈藥虛擬維修訓練系統》運行環境的物理模型建模，總結出相關的建模技巧。

（1）命名規范。團隊合作的建模方式可以縮短物理模型構建的時間，在團隊建模的初期階段，合理的對模型進行統一的命名，可以有效的規避后期模型在3DS MAX軟件中合并導入時重名的現象發生。

（2）基于紋理的建模方法。在模型構建的過程中，依據紋理輪廓進行建模，然后再賦予紋理，可以使模型與紋理達到高度的吻合，從而得到逼真的效果。

（3）模型的簡化。模型數據量的大小取決于其面片數的多少。通過刪除無效面（指在場景中不可觀察到的面）的方式可以達到減小模型數據量的目的；距離觀察點較遠的模型，使用細節豐富的紋理來代替多邊形造型也可以很大程度上簡化模型的數據量，而且又不降低其模型的逼真度。

（4）LOD技術。在可視化仿真運行的過程中，通過使用LOD技術可以有效提高模型數據庫的多邊形利用率，在有限的條件下取得最佳的視覺效果，并且可以通過使用LOD技術制作出一些簡單的特效，可以制作出隨著對象與視點的接近，對象的紋理由低分辨率到高分辨率的效果。

7 結論

對《某型彈藥虛擬維修訓練系統》中的三維視景模型進行了研究，分析某型彈藥、檢測設備與檢測環境等三維物理模型的層次和建模特點，給出了相關建模流程。通過實際建模，取得了良好的仿真效果，并且依據該建模方法建立的模型，具有數據存儲量小，仿真度高等特點，完全滿足視景仿真的實時驅動要求。為該類虛擬維修訓練系統的仿真打下了基礎。

［1］楊宇航，李志忠等.虛擬維修研究綜述[J].系統仿真學報.2005，（17）9: 2191-2195.

［2］伍永昌，楊宇航等.基于計算機技術的導彈維修仿真演示系統[J].計算機仿真.2003，（20）9:29-31.

［3］劉玉海，俞康倫等.基于虛擬現實的裝備維修仿真訓練系統研究[J].計算機仿真.2002，(19)2:49-51.

［4］趙經成，等.虛擬仿真訓練系統設計與實踐[M].國防工業出版社. 2008.

［5］洪光，李洪儒，牟建國.基于Creator的三維模型的簡化研究[J].計算機仿真.2004，（21）1:57-115.

［6］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

［7］梁波，基于Creator的三維場景模型優化技術研究[D].華中師范大學碩士論文，2009.

〔編輯 李波〕

TP311

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.52