虛擬現實技術在地面火炮構造教學中的應用研究

韓超

（陸軍工程大學，河北石家莊，050000）

0 引言

隨著科技迅猛發展和國防現代化的需要，各種新型地面火炮不斷裝配部隊，軍校學員對裝備的掌握程度直接影響了部隊對裝備的掌握程度，也間接影響著未來戰爭的勝負。然而，新式地面火炮技術含量和復雜程度越來越高，這給相關課程教學加大了難度，傳統教學手段表現出極大的局限性。虛擬現實技術具有強大的表現力和形象性，作為一種新的教學手段，在提高地面火炮教學質量方面有著其它教育手段無法替代的優點[1,2]。

1 傳統火炮裝備教學缺陷

隨著科學技術的迅猛發展，火炮裝備科技含量和復雜程度越來越高，這給仍采用傳統教育模式進行裝備教學的軍事院校帶來了不小的挑戰[3]，主要表現在以下兩個方面：（1）以實裝操作為主的教學模式，裝備的數量難以保證，訓練場地和環境也相當有限，教學效果不佳，造成學員使用裝備不熟練，裝備本身的技術性能打了折扣，嚴重影響部隊的戰斗力。（2）現代化火炮裝備結構復雜，通過傳統教學方式去教授各種故障的判斷與排除變得異常困難，因為一些故障是可遇而不可求的，這就使得在有限的課時內掌握全部故障情況變得越發不現實，給教員和學員都帶來了很大的挑戰。不少故障的講解都是以原理的角度出發，而講原理又是繁瑣、枯燥和乏味的，學員理解不了，易產生厭學情緒，極大影響了火炮裝備的維修保障水平。

2 虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality,簡稱VR），即計算機模擬的三維環境。具體說就是采用計算機相關技術，生成特定范圍內，集逼真的視聽、觸覺為一體的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境的對象進行交互作用、互相影響，從而產生親臨真實環境的感受和體驗[4]。虛擬現實技術具有3個最基本特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），即3I特征。它是對虛擬現實技術定義的定性闡述，也可作為一種重要標志，判斷虛擬現實技術實現質量[5]。

沉浸性指所建立虛擬環境，應該讓用戶有置身其中的感覺，讓用戶覺得自己與虛擬環境已融為一體，而不僅僅是觀看者。交互性是指人與計算機之間的交互方式更加自然，例如：行走、抓握等，不同于以往采用鼠標鍵盤等工具。想象性是指虛擬環境是由設計者結合實物再加上想象，從而所設計出來的，可以根據設計者的思想采用一些夸大的形式[6]。研究表明，人類對基于聲音、圖像等感官信息的理解能力要遠大于對數字和文字等抽象信息的理解能力，所以結合了虛擬現實技術的教學手段能極大改善教學效果，起到事半功倍的作用。

基于虛擬現實技術的火炮裝備課程教學，可以突破實裝操作在時間和空間上的限制，在可視化的虛擬現實操作環境中，實現逼真的火炮裝備全方位展示。相比傳統教學方法，基于虛擬現實的火炮裝備課程教學存在以下諸多優點：（1）操作和維修訓練可擺脫環境、時間等限制；（2）功能齊全，可包含所有分解結合、故障演示及維修等科目，避免了少見故障不易理解的現象；（3）虛擬操作和維修可一定程度降低教學成本；（4）學員和裝備安全性較好。

從以上基于虛擬現實的火炮裝備課程教學所存在的諸多優點可以看出，虛擬現實技術可有效解決傳統火炮裝備教學中出現的操作實踐機會缺乏，故障及維修科目少等問題[7]。

3 虛擬現實教學訓練系統模塊設計

3.1 系統基本組成

虛擬現實教學系統設計是利用計算機技術，開發基于虛擬現實技術的人際交互式教學訓練系統。該系統能夠形象、直觀地演示裝備結構、原理及分解結合過程，同時能夠復現各種使用過程中遇到的故障。能夠指導學員針對故障現象開展故障維修訓練，包括維修前準備、故障檢測、原因分析、拆卸、換件或修復元件、安裝、調試及檢驗等全部的實裝維修活動[8]。

為了達到裝備類課程教學的目標與要求，虛擬教學訓練系統基本組成設計如下：

（1）訓練內容。虛擬教學訓練系統能夠針對課程要求開展構造原理、操作使用、分解結合、檢測調整與故障排除等方面的學習與訓練。（2）訓練模式。為了達到預期的教學目的和要求，采用多種訓練方式，例如系統講解演示，學員自主學習，引導訓練與自主訓練。在學習與訓練過程中，被訓人員可根據自己課程掌握情況調整訓練內容，隨時請求幫助，操作過程中存在誤操作時，會有提示。（3）交互操作方式。被訓人員在該系統上的操作如同在實際裝備上一樣，可開展與實際維修訓練相關的科目，包括使用工具選擇，零部件拆卸、更換、檢測等。（4）考核功能。為了檢測受訓人員課程掌握情況，利用考核模塊可以開展考核環節，并可生成測試報告。（5）軟件管理。系統包含用戶基本信息管理，考核信息存儲、功能添加及使用教程等。

3.2 系統模塊設計

根據上述訓練內容、訓練方式、操作方式和考核功能等組成來看，虛擬現實教學訓練系統應該包括以下四個模塊，如圖1所示，并對以下模塊進行描述。

圖1 系統功能模塊組成

（1）構造原理模塊。該模塊具有演示部件構造，各個分系統和整體的三維視圖。在該模式下，可選擇任意機構，系統會顯示相應的三維視圖、原理，配以對應文字，視頻講解等。

（2）分解結合模塊。分解結合作為裝備類課程教學重要環節，虛擬現實教學訓練系統包含地面火炮所有機構零部件分解與結合的完整流程，可用來訓練學員對各個機構的分解與結合。

（3）故障與排除模塊。該模塊可以演示各個機構部件的故障現象及排除流程。學員既可以通過此模塊學習各個機構故障及排除方法，又可作為教員考核學員學習成果的手段。

（4）考核與強化模塊。在此模塊中，教員可自定義考核內容，系統會實時監控并記錄考試人員整個操作流程。系統利用評價系統，自動生成考核報告，內容包括：完成操作用時，誤操作記錄及更正，分析統計誤操作類型并給出改進意見。

3.3 虛擬現實教學訓練系統實現

（1）問題識別

在建立模型之前，需要識別可進行虛擬現實模擬的對象。對地面火炮裝備教學中的教學內容進行可行性分析。屬于概念理解的內容則不需要虛擬現實教學，屬于動手能力培養與實踐教學環節的內容，則可運用虛擬現實技術建立虛擬現實教學訓練系統[9]。虛擬現實教學訓練系統是以應用層面與對象層面各種資源的仿真建模實現為核心，然而，系統、完善的建模需要以科學、合理的課程要求與目標為前提。因此虛擬現實教學訓練系統的實現應該首先識別和獲取以下數據：首先，深入分析裝備的系統組成、大部構成及原理，針對各個子系統的特點，確定訓練內容和要求。其次，根據教學要求和目標及對應裝備的修理科目，進一步細化操作步驟和要求。對所有訓練科目進行分類，形成立體化訓練科目體系。最后，形成構造原理，分解結合，故障與排除和考核與強化四個大模塊。

（2）仿真建模

建立系統中的仿真建模環節是開發基于虛擬現實技術的裝備教學訓練系統最重要的工作。仿真建模包括環境建模、裝備虛擬樣機建模、分解結合及維修設備與工具建模、故障建模和人機交互過程建模等。

環境建模。利用三維軟件構建虛擬裝備訓練場所，做到與實際訓練操作場所一致，包括裝備教室，工具臺等。

裝備虛擬樣機建模。虛擬樣機建模是虛擬現實教學訓練系統的基礎，模型的好壞直接影響系統的沉浸性、交互性和想象性。

分解結合及維修設備與工具建模。分解結合及維修過程中所需的各種工具及檢測設備的三維實體模型建模，并對每個工具及檢測設備進行功能性描述，以備選用。

故障與排除模型。能夠演示各種故障現象，以及故障設置及排除，并配有故障原因描述。

人機交互過程建模。對教學訓練過程進行建模，賦予人與真實裝備真實的交互行為特征，使得在虛擬教學訓練系統上的操作與實裝操相一致。

在虛擬檢修環境應用中，人機交互是非常重要的一項技術。虛擬現實作為一種新型人機接口，在生成虛擬世界的同時，還可以為用戶提供一種與虛擬世界通信的手段，在用戶操作虛擬世界三維物體模型對象時，該對象可對用戶的操作做出實時反應。虛擬現實為用戶在生產中提供了豐富的人際交互方法，包括：音頻系統、觸覺系統和跟蹤系統等[10]。

根據教學要求和目標，為受訓人員提供實踐平臺，建立交互式虛擬現實教學訓練環境。比如學習炮閂的動作和分解結合為例。運用3Dmax技術將實際炮閂的動作場景模擬成3D動畫，根據實際動作過程，配置靜態與動態物體。根據實際動作速度，配置動態器件的運動速度（考慮到一些過程速度過快，可等比例較小運動速度）。

（3）建立人機交互模塊

當前人機交互的形式主要有兩種，一是通過語言命令控制虛擬信息，二是通過人體動作對虛擬信息進行相關操作。對于人體動作的識別有基于傳感器的識別和視覺識別兩種形式。人體動作識別有手勢識別和肢體識別兩類。手勢識別控制具有簡單易操作的特點，通過識別手部的姿態信息，對系統輸入不同的指令，從而完成對虛擬物體的相應操作。手勢識別主要包括手部分割、手部跟蹤、特征提取、分類識別四個步驟。

為虛擬現實教學訓練系統配置人機交互界面是虛擬現實技術實現的關鍵問題。將訓練科目與操作指令輸入設備，讓學員帶上數字頭盔和數字手套等虛擬現實設備后能夠通過數字頭盔觀察場景，手勢選擇不同模塊，并按照操作步驟和要求執行操作，具體組成及關系如圖2所示。

（4）考核與強化建模

受訓人員可借助立體眼鏡在虛擬三維世界中觀察、認知裝備環境，讓受訓人員置身于實際操作環境中。考核與強化模塊是受訓人員提升操作水平，檢驗學習效果的一件利器。在考核環節中，教員可根據當前教學內容，從故障數據庫中選擇故障科目組成考題。學員則需要穿戴虛擬現實設備進行考試，考核評估系統會針對操作過程對學員操作進行打分及評估，最終以考核報告形式展現，報告中會顯示在操作過程中出現的錯誤，操作熟練程度，以及一些錯誤可能會引發裝備使用中所出現的問題甚至是事故，以增強記憶。報告中會提示考生需要強化的內容，比如，完成一項故障排除用時過長，則會被系統認定操作不熟練，同時，系統會提示需要復習的內容。

圖2 虛擬教學訓練系統交互技術示意圖

4 結論

應用虛擬現實技術建立的虛擬教學訓練系統，可有效解決當前地面火炮裝備教學中存在的種種問題，提高了裝備教學效果，有效解決了地面火炮構造類課程教學訓練操作中條件有限，故障不易復現等關鍵難題，最大程度滿足了軍事院校裝備教學的需求。