虛擬維修訓練系統關鍵技術研究

郭志榮，王其林，高 峰

(海軍士官學校兵器系， 安徽 蚌埠 233012)

現有的虛擬維修訓練系統存在兩個方面的不足：一是系統的通用性較差、可擴展性不強[1-3]。主要原因是不同裝備的維修數據信息大不相同[4-6]；二是現有的虛擬維修訓練系統大部分還沒有用戶化身，無法正確表達人與設備的交互關系，人在虛擬場景中僅僅以虛擬手或者鼠標的形式存在。而采用一種基于虛擬人的交互表達方式，可以大大的增強系統的交互性，提高應用效果。目前國內基于虛擬人的交互式虛擬訓練仿真較少，代表性的工作有：南京理工大學和軍械工程學院開發的基于DI-GUY軟件的某型導彈虛擬訓練系統[7]，國防科學技術大學開發的基于Jack的虛擬維修訓練系統[8-9]。這些虛擬訓練系統的開發軟件昂貴，硬件復雜導致其推廣應用成本大大增加，另外還存在虛擬人動作模擬不夠真實、不能構造大規模的場景、系統的通用性不好等缺陷。

本文針對上述問題，提出一種基于虛擬人的交互式虛擬維修系統研究方法，主要解決3個方面的問題，一是采用數據庫技術，提出了“數據”與“邏輯”分離的設計思想，將裝備和維修過程信息存儲于數據庫中，當重新生成另一裝備的虛擬維修訓練系統時，只需要在裝備建模后修改數據庫中的數據即可實現另一裝備訓練系統的開發，無須再大規模修改程序，實現了開發平臺的通用性；二是利用關鍵幀的方法解決虛擬人的運動行為模擬，增強了系統的交互性；三是利用基于軸向(aligned axis bounding box，AABB)包圍盒與基于幾何約束相結合的虛擬物體間碰撞處理方法，有效地解決了機械類裝備虛擬維修中虛擬人與虛擬物體之間的穿越、虛擬人所攜帶零件與其他零件之間的穿越現象，增強了虛擬維修的逼真性。

1 數據庫的設計與管理

交互式虛擬裝備維修過程中存在著大量的數據信息，如模型屬性信息、維修規則信息、故障狀態信息、維修任務信息及虛擬人的動作信息等，其數據類型比較復雜，包括模型、圖片、動畫、文本等。這些信息放在程序中工作量大，而且不便于管理，建立相應的數據庫則可以方便數據調用，提高仿真效率。本文根據數據的用途不同，將數據分為兩大類：維修數據信息庫和虛擬人的動作模型庫。

1.1 維修數據信息庫

交互式虛擬維修過程中，維修數據信息量很大，主要包括以下類型：維修對象信息、維修任務信息、維修規則信息、故障現象信息、用戶信息、維修日志信息等。根據這些信息分類，本文設計了以下數據庫表：任務信息表、任務零件表、零件表、維修規則表、工具表、故障樹表、故障現象顯示表、維修日志表、用戶信息表[8-11]。

1.2 虛擬人的動作模型庫

真實人的維修動作千變萬化，必須對真實人的動作進行合理簡化。本文的簡化原則是：體現關鍵動作、操作員易于理解、易于實現、符合人的交互運動規律。本文以人體運動為核心，針對維修任務分解后的3個維修過程(人體移動過程、姿態調整過程、維修作業過程)，將虛擬人維修動作分為3大類25個動作，即人體移動類動作要素、姿態調整類動作要素、維修作業類動作要素，設計了一套適合虛擬維修的動作模型，建立了層次化的虛擬人動作數據庫。

人體移動類動作要素：人體移動過程中要用到的動素，該類動素的功能是完成虛擬人從一個作業位置變換到另一個位置。人的移動可以分為位置變換、轉向兩種。其中位置變換即人移動重心從空間位置A到B的動作。轉向指人的重心基本保持不動，只是人體由面向物體A到B的過程。人體移動過程是這兩種移動方式交叉運用的過程。

姿態調整類動作要素：當虛擬人變換到作業位置時，要調整姿態以能夠對目標零件進行操作，這期間的所有動素都屬于姿態調整類。

維修作業類動作要素：利用工具或徒手完成對零件拆、移動、修理、更換、安裝等操作過程中用到的動素。維修作業類動素最為復雜多樣，對其進行分析總結后發現可以將其分為：徒手類作業、使用工具作業。

2 虛擬人的運動行為仿真

本文的設計思想是將整個維修任務分解為人體移動過程、姿態調整過程、維修作業過程3個過程，并對每個過程要完成的動作進行了詳細的分類。因此在虛擬人的運動生成和控制分別針對3個過程采用關鍵幀技術[12-14]。

2.1 虛擬人行走運動關鍵幀設計

人體的行走運動是整個人體運動最為復雜的過程，雙臂不斷前后擺動保持身體平衡，雙腳不斷交替確保身體前移。根據虛擬維修系統對人體移動過程中人體運動的精細程度要求不高，為了簡化行走運動，把虛擬人一個周期的行走運動必須要達到的動作分為5個，故可在一個行走周期內設計5個關鍵幀，如圖1所示。

圖1 行走關鍵幀設計

第一個關鍵幀為左腳抬起準備向前邁出，身體由右腳支撐，兩臂準備前后擺動。這一關鍵幀是人體行走開始的時刻，左腳即將向前邁，腳尖離地，膝蓋向前抬起，右腿挺直支撐整個身體；第二關鍵幀設在虛擬人的左腳向前邁出，左腳跟磕地，右腳尖接觸地面，身體重心在兩腿之間，重心下移， 同時左腳尖有一定的彎曲；第三關鍵幀為右腿呈直立狀態，右腳全腳掌著地，左腳跟進到體側，左膝蓋向前向上抬起，重心上移，為右腳的向前邁進做準備；第四關鍵幀是第二關鍵幀的相反動作，右腳跟磕地，左腳尖接觸地面，身體重心在兩腿之間，重心下移；第五關鍵幀和第一關鍵幀完全相同，虛擬人身體的各個部位在空間的位置和狀態和第一關鍵幀完全相同，因為這一關鍵幀既是整個人體行走循環運動的結束點又是開始點。只有讓開始點和結束點完全相同才能保證整個循環動畫的連續性。

各個關鍵幀之間要通過插值生成連續的動畫，3DS Max通過Bezier樣條曲線插值構造運動軌跡。根據以上行走關鍵幀的設計思路，可以設計出其他人體移動類動素的各個關鍵幀。

2.2 姿態調整過程關鍵幀設計

姿態調整過程式虛擬人移動到作業位置時調整自身姿態以便完成操作作業的過程，該過程其實是虛擬人從正常的直立狀態變換到各種姿態，各個動作關鍵幀的設計方法也大同小異，但是工作量比較大。以虛擬人彎腰站且前腳踩在臺子上的姿態調整為例，介紹姿態調整過程動作的關鍵幀設計，如圖2所示。

圖2 調整姿態關鍵幀設計

第一關鍵幀是一個初始狀態，就是當虛擬人到達某個作業位置時所保持的狀態，本文中所有姿態調整過程動素的初始狀態都用這一個狀態——正直站，兩腿挺直，上體保持正直，頭正勁直，兩臂保持拿初始工具螺絲刀的狀態；第二關鍵幀是初始幀與結束幀的過渡幀，重心下移，膝蓋彎曲，腰關節彎曲，重心前移，身體前傾；第三關鍵幀是除了重心沒有前移到位外，其他姿勢都已經調整完畢，左腳抬起成踩在某物體上的狀態，腰部頭部向下彎曲；第四關鍵幀虛擬人中心前移到位，使虛擬人的手能夠到維修對象。

在整個過程中虛擬人的手臂動作可以保持和第一幀完全一樣，也可以做適當調整，因為手臂動作放在維修作業的過程中進行調整，針對不同的維修對象做出不同的維修姿態，運用混合動畫將兩個動作進行混合，從而生產各種不同的動作。

2.3 維修作業過程關鍵幀設計

維修作業過程中的動作是虛擬人將零件拆下、裝上、擰緊等拆裝動作或修理動作，這些動作是在姿態調整完畢后進行的，在不同的姿態條件下針對不同的維修對象調整手腕關節、手指關節和肘關節完成各種維修作業。以虛擬人用大錘敲擊啟動器，后用右手將啟動器拿下的維修動作為例，介紹維修作業中用工具進行作業的關鍵幀設計，如圖3所示。

圖3 維修作業動作關鍵幀設計

3 基于軸向包圍盒和幾何約束的碰撞處理

虛擬維修中對碰撞檢測的精度要求較高，特別是在虛擬拆裝時零件與零件之間的碰撞檢測精度要求更高，為了同時滿足碰撞精度和速度的要求，本文采用一種基于包圍盒和移動限制相結合的碰撞解決方案。首先采用軸向包圍盒(AABB)進行粗略的碰撞檢測，主要用于解決虛擬人在場景中移動位置時和場景中的裝備等其他物體發生穿越；采用多方向移動限制的方法解決零件與零件之間的穿越，而虛擬人身體各個部位之間的穿越，則在設計制作動畫時將其解決，制作動畫時不能使虛擬身體各個部位發生穿越[15-18]。

3.1 軸向包圍盒(AABB)碰撞算法

軸向包圍盒是一個長方體包圍盒，其各軸的方向與坐標軸的方向一致，即一個給定對象的AABB被定義為包含該對象且邊平行于坐標軸的最小六面體。具體算法如圖4。

圖4 AABB包圍盒碰撞算法示意圖

圖4中A、B分別為兩個可能發生碰撞的包圍盒。Ax1、Ax2、Ay1、Ay2、Az1、Az2為包圍盒A分別在X、Y、Z3個坐標軸上的投影區間；Bx1、Bx2、By1、By2、Bz1、Bz2為包圍盒B分別在X、Y、Z3個坐標軸上的投影區間。

圖4中Ay1>By1>Ay2>By2即兩包圍盒在Y軸上發生穿越，Bz2>Az2>Bz1>Az1即兩包圍盒在Z軸上發生穿越，Bx2>Bx1>Ax2>Ax1即兩包圍盒在X軸上沒有發生穿越。從圖上顯然可得，兩包圍盒在空間上并沒有發生穿越，因此可得結論：

【結論1】AABB包圍盒A和B發生穿越現象的充分必要條件是A和B在3個坐標軸上的投影區間分別同時發生重疊。

【結論2】AABB包圍盒A和B剛好發生碰撞的充分必要條件是A和B在3個坐標軸上的投影區間分別同時發生頭尾相連。

由結論1和結論2可知基于AABB包圍盒的碰撞檢測算法將三維求交問題轉化為一維求交問題，大大簡化了碰撞檢測過程，運算速度較快。顯然，給定對象的AABB的計算比較簡便，只需分別計算對象中各個元素頂點的X坐標、Y坐標和Z坐標的最大值和最小值即可。AABB包圍盒間的相交測試也比較簡單，兩個AABB包圍盒相交當且僅當它們在3個坐標軸上的投影區間均重疊。定義AABB包圍盒的6個最大最小值分別確定了它在3個坐標軸上的投影區間，因此AABB 包圍盒間的相交測試最多只需要6次比較運算。當對象發生旋轉后，需要對AABB包圍盒進行更新。根據定義AABB包圍盒的6個最大最小值組合，可以得到AABB包圍盒8個頂點，對這8個頂點進行相應的旋轉，并根據旋轉后的頂點計算新的AABB包圍盒。

3.2 基于幾何約束的碰撞處理

包圍盒的碰撞檢測是初始的粗略的碰撞檢測，并不能滿足虛擬維修要求。在虛擬拆裝過程中，零件與零件之間的穿越不可避免。通過分析拆裝過程，可將拆裝的零件分為3類：第一類，不需要對其進行移動約束的零件，該零件與其他零件之間的接觸面很少；第二類，移動方向單一的零件，該類零件從裝備上拆下的過程中，零件移動方向是單一的；第三類，需要旋轉操作的零件，該類零件往往需要先將零件旋轉至某個狀態然后才能將其取出或者拆下。對于不同的類型器處理方法不同：

對第一類零件的處理方法是調用虛擬人姿態調整類動素和維修作業類動素直接將該類零件從裝備上拿下，避免發生穿越的可能性。

對第二類零件的處理方法是調用虛擬人姿態調整類動素和維修作業類動素，限制零件和虛擬人的移動方向，讓虛擬人沿著某個方向將零件拆下。

對第三類零件的處理方法是：調用虛擬人姿態調整類動素和維修作業類動素中的旋轉類動作，將零件繞其旋轉軸旋轉一定角度，然后按照第二類的處理方法處理

在第二、三類零件的處理方法中，都要對其進行移動約束，具體的算法思想是：得到零件在三維空間的移動方向，將該移動方向標準化后投影到TGE世界坐標系的3個坐標軸上，從而得到3個在X、Y、Z軸上的矢量，用這3個矢量作為權值限制零件和虛擬人的移動方向；移動距離通過獲取零件的移動參考零件在移動方向上的長度，用該長度作為移動限制的距離。

4 應用實例

以某型艦炮為例，實現了一套交互式虛擬維修系統。整套系統分為6大功能模塊，由虛擬維修環境、維修任務管理、交互控制、維修仿真、數據管理和視景生成模塊組成，各個模塊完成相對獨立的功能，在系統消息循環控制下模塊間進行數據通信， 在PC機上實現的效果如圖5、圖6所示。

圖5 防護罩和護板的虛擬拆裝過程

圖6 密封環的更換過程

5 結論

本文針對虛擬維修系統的特點，采用數據庫技術，對系統中的數據進行合理化管理，實現了系統的可維護性和可擴展性；利用關鍵幀技術解決了虛擬人的運動行為生成和控制，實現了系統的交互性；利用軸向包圍盒算法與幾何約束相結合算法有效解決了系統中的穿越現象。初步構建了基于虛擬人的交互式虛擬維修系統。進一步的工作是要不斷豐富虛擬人動作庫，使虛擬人能夠完成各種動作，更加形象逼真地完成維修過程，同時使系統具有更好的通用性。由于大型的裝備的維修需要多人進行協同配合，基于網絡的多人協同虛擬維修也是今后工作的方向。

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

[2] 楊壹斌，李敏，解鴻文.基于Unity3Dd的桌面式虛擬維修訓練系統[J].計算機應用,2016,36(S2):125-128.

[3] 方傳磊,蘇群星,劉鵬遠,等.導彈裝備虛擬維修訓練系統通用平臺[J].計算機工程,2009,2(3):274-276.

[4] 林德江，秦國偉，王國德.基于Unity3D技術的某裝備便攜式虛擬訓練系統研究[J].火炮發射與控制學報,2014,35(4):91-95.

[5] 馮宇晨,劉金林,曾凡明.通用虛擬維修訓練仿真軟件的設計與實現[J].中國修船,2008,8(4):42-44.

[6] 劉金林,曾凡明.基于CATIA/VIRTOOLS的艦船主動力裝置虛擬維修訓練技術研究[J].艦船科學技術,2008,12(6):140-142.

[7] 汪晗，吳巧巧，張鵬.基于四元插值的虛擬人運動建模與實現[J].武漢工程大學學報,2016,38(5):511-516.

[8] 盧曉軍.維修仿真中虛擬人動作建模與行為控制技術研究[D].長沙:國防科學技術大學,2006.

[9] 彭曉軍,李焱.面向人素分析的虛擬維修系統的設計與實現[J].計算機仿真,2008,25(9):242-320.

[10] TOMOHIKO M,SHIGERU K,PTOYOHISA K.Keyframe animation of virtual humans via motion data learning[J].Systems and Computers in Japan,2006,37(5):30-35.

[11] LEE S H,KWON K R.3D Keyframe Animation Watermarking Based on Orientation Interpolator[J].IEICE-Transactions on Information and Systems,2007,E90-D(3):1751-1761.

[12] 羅冠.虛擬人的運動生成及控制技術研究[D].西安:西北工業大學,2003:57-70.

[13] 王葳，周斌，楊云.面向虛擬維修的碰撞檢測算法[J].計算機應用,2016,33(4):235-238.

[14] 楊友紅.虛擬訓練仿真中人的運動控制研究[D].大慶:大慶石油學院,2007:15-40.

[15] 鄭延斌，郭凌云，劉晶晶.基于混合包圍盒的碰撞檢測優化算法[J].計算機工程與科學，2013,35(4):87-92.

[16] LIN M,CANNY J F.Efficient algorithms for incremental distance computation[J].IEEE Conference on Robotics and Automation,1991:1008-1014.

[17] 王曉榮,金漢均,王萌.基于AABB樹的碰撞檢測算法的內存優化[J].計算機工程與設計,2008,29(1):256-258.

[18] 常高祥,徐曉剛.火炮虛擬拆裝[J].海軍大連艦艇學院學報,2009,32(5):39-41.