基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)

范志鋒 徐敬青

1(武昌工學院機械工程學院 湖北 武漢 430065)2(湖北省綠色風機協(xié)同創(chuàng)新中心 湖北 武漢 430065)3(陸軍工程大學石家莊校區(qū) 河北 石家莊 050003)

0 引 言

末制導炮彈是一種高技術(shù)彈藥，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的精確打擊[1]。與傳統(tǒng)無控彈藥相比，末制導炮彈內(nèi)部含有復雜的光電系統(tǒng)。在長期儲存過程中，為確保其質(zhì)量，需要利用專用檢測儀器對末制導炮彈內(nèi)部的光電系統(tǒng)開展性能檢測。文獻[1]介紹了利用虛擬儀器開展末制導炮彈檢測的具體實現(xiàn)方法，但基于虛擬儀器的末制導炮彈性能檢測操作過程較為繁瑣，需要對操作人員開展專門的末制導炮彈性能檢測訓練，才能勝任該項工作。文獻[2]介紹了一種末制導炮彈檢測彈的設(shè)計方案，認為開展末制導炮彈性能檢測訓練，需要使用末制導炮彈性能檢測儀和相應(yīng)的檢測彈。根據(jù)文獻[2]中介紹的方法開展末制導炮彈性能檢測訓練，存在的主要問題是：要想實現(xiàn)“人手一套”，費用較高，推廣應(yīng)用較難。

近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到教育、醫(yī)療、建筑、航天、汽車、導航、軍事等社會各個行業(yè)和領(lǐng)域[3-9]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種能夠產(chǎn)生與真實場景在視覺、聽覺以及觸覺等方面及其相似的虛擬場景的計算機技術(shù)，用戶通過必要的交互設(shè)備，在虛擬場景中進行交互操作，達到身臨其境的效果，具有強大的沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征[10-11]。本文克服文獻[2]中的方法開展末制導炮彈檢測訓練的缺點，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為理論指導，基于Unity3D、3DMAX、Dreamweaver和Photoshop等軟件，設(shè)計末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)，提供末制導炮彈檢測虛擬訓練功能，以解決院校和彈藥檢測機構(gòu)缺乏訓練條件的現(xiàn)實問題。

1 總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

目前，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要分為4類：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[12]。考慮系統(tǒng)的開發(fā)費用和運行成本，末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)采用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行開發(fā)，即開發(fā)的訓練系統(tǒng)是一套軟件，利用鼠標進行人機交互操作。整個系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)單機運行，也能夠?qū)崿F(xiàn)基于局域網(wǎng)多人在線訓練。

為提高末制導炮彈檢測訓練效果，系統(tǒng)應(yīng)具備檢測知識學習功能、檢測虛擬操作功能以及訓練考核功能。

1.2 模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)設(shè)計5個功能模塊：訓練幫助、靜態(tài)展示、訓練演示、虛擬訓練、訓練考核。

訓練幫助模塊主要以文字和圖片等形式，介紹系統(tǒng)的功能、檢測操作步驟、系統(tǒng)操作使用說明等內(nèi)容。

靜態(tài)展示模塊采用交互操作的形式，主要以圖片配合文字說明，展示末制導炮彈檢測操作過程中需要使用的所有設(shè)備工具以及被測對象。

訓練演示模塊采用視頻的形式，自動演示末制導炮彈檢測的操作步驟。

虛擬訓練模塊采用交互操作的形式，保證訓練者按照正確的檢測流程進行末制導炮彈檢測虛擬訓練。

訓練考核模塊采用交互操作的形式，可以對末制導炮彈檢測訓練者實施考核，在考核結(jié)束后，能自動對訓練者進行評分。

2 開發(fā)流程

根據(jù)系統(tǒng)的功能和模塊，結(jié)合軟件開發(fā)的一般流程，本文將末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)開發(fā)過程分為5個步驟：

(1) 廣泛收集末制導炮彈檢測操作的各種素材，包括圖片、文字、聲音、視頻等，并對原始素材對象進行特征分析和歸類，以供后續(xù)建模使用。

(2) 對檢測設(shè)備工具、檢測對象、訓練操作環(huán)境等素材采用3D MAX進行三維靜態(tài)建模，以檢測操作真實動作為依據(jù)，通過3D MAX軟件自帶的腳本功能生成的檢測動作模型，并輸出FBX格式文件。

(3) 在Unity 3D軟件中載入FBX文件，以檢測操作真實流程為依據(jù)，編寫C#腳本實現(xiàn)交互，輸出靜態(tài)展示、虛擬訓練、訓練考核等3個獨立的功能模塊。

(4) 使用Apowersoft錄屏軟件，錄制虛擬訓練全過程操作視頻，輸出訓練演示模塊。

(5) 運用Dreamweaver和Photoshop軟件設(shè)計交互界面，將完成的靜態(tài)展示、虛擬訓練、訓練考核以及訓練演示模塊插入相應(yīng)的網(wǎng)頁中，并添加訓練幫助模塊，完善后打包發(fā)布成網(wǎng)頁版訓練系統(tǒng)。

系統(tǒng)的具體開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

由于篇幅限制，本文只對系統(tǒng)實現(xiàn)的一些主要技術(shù)環(huán)節(jié)進行說明。

3.1 三維模型建立

系統(tǒng)需要建立的三維模型包括兩類：一是檢測過程中需要使用的設(shè)備工具和檢測彈；二是檢測訓練操作環(huán)境。

三維建模主要在3D MAX軟件中進行開發(fā)，最終輸出FBX格式文件。三維建模按照靜態(tài)建模、動態(tài)建模、FBX文件輸出3個步驟進行。

三維靜態(tài)模型的建立包括創(chuàng)建模型、編輯材質(zhì)和渲染3個步驟。上述兩類三維模型的創(chuàng)建模型方法類似。在3DMAX中均采用多邊形建模方法(polygon)進行建模。任何物體都是由點、線、面所組成的，本文需要建立的模型都是以基本形狀為基礎(chǔ)，通過改變點、線、面來修正造型。對于部分比較復雜的模型，可以在建立基礎(chǔ)模型后通過修改命令進行調(diào)整。

為了提高三維靜態(tài)模型的逼真程度，部分三維模型的表面需要使用貼圖，如檢測儀內(nèi)置的使用說明書、設(shè)備的銘牌等。對于該類貼圖，一般采用相機拍攝圖片，然后用Photoshop軟件對圖像進行調(diào)節(jié)，放大或者縮小貼圖尺寸，使貼圖適應(yīng)模型的大小，并更改圖像顏色使其與模型匹配。建立的部分三維靜態(tài)模型見圖2。

(a) 電阻檢測儀 (b) 性能檢測儀

(c) 檢測彈 (d) 檢測操作臺圖2 系統(tǒng)部分三維模型

3D MAX軟件自帶的各類腳本可實現(xiàn)單步虛擬檢測操作的各類動作。在得到檢測設(shè)備工具和檢測彈以及檢測訓練操作環(huán)境的三維靜態(tài)模型后，依據(jù)末制導炮彈檢測操作的真實動作，對模型添加對應(yīng)的動作腳本，生成單步三維動態(tài)模型。

在生成三維動態(tài)模型后，在3D MAX軟件中輸出FBX格式文件。FBX格式文件包含了模型主要的三維數(shù)據(jù)元素以及二維、音頻和視頻媒體元素，有利于下一步使用Unity 3D軟件進行交互構(gòu)建。

3.2 交互構(gòu)建

本文研究的末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)是一套桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，交互操作是通過鼠標實現(xiàn)的。交互構(gòu)建是在Unity 3D軟件中通過編寫C#腳本實現(xiàn)的，是整個系統(tǒng)開發(fā)的核心。下面對3個交互模塊的一些典型環(huán)節(jié)腳本代碼進行說明。

1) 靜態(tài)展示模塊 靜態(tài)展示模塊的交互操作，主要要求訓練人員用鼠標移動到檢測設(shè)備工具或檢測彈后，系統(tǒng)會自動高亮顯示該對象并且提示該對象的具體名稱，用鼠標左鍵點擊該對象后，會彈出該介紹該對象的詳細圖片。部分C#代碼如下：

void OnGUI(){

//描邊顯示文字

if (isShowTip) {

GUIStyle bb=new GUIStyle ();

//GUI文字

bb.normal.background=null;

//GUI背景為空

bb.normal.textColor=new Color (1,0,0);

//字體顏色

bb.fontSize=25;

//字體大小為25

GUIStyle cc=new GUIStyle ();

cc.normal.background=null;

cc.normal.textColor=new Color (0,0,0);

cc.fontSize=25;

GUI.Label(new Rect(Input.mousePosition.

x+22.5f,Screen.height-Input.mousePosi

tion.y-20f,100,40),_name,cc);

//顯示字體位置

GUI.Label(new Rect(Input.mousePosition.

x+20f,Screen.height-Input.mousePosi

tion.y-20f,100,40),_name,bb);

}

}

2) 虛擬訓練模塊 虛擬訓練模塊的交互操作，主要要求是在操作界面上實時顯示操作步驟的前提下，訓練人員用鼠標移動到正確的位置并點擊左鍵后，系統(tǒng)開始播放相應(yīng)的檢測動作，直到完成整個檢測操作流程。

編寫C#代碼，主要完成預先存儲鼠標在操作界面中的位置信息，并判斷當前鼠標位置信息是否與預定的儲存位置發(fā)生碰撞的功能。當判斷射線檢測到發(fā)生碰撞時，即將鼠標移動到操作對象處時，鼠標指針變?yōu)橹甘炯^，當訓練人員點擊鼠標左鍵時，播放動畫。部分C#代碼如下：

void Click() {

var gg=Input.mousePosition;

//存儲鼠標點信息

Ray ray=Camera.main.ScreenPointToRay (gg);

//存儲由相機發(fā)出的射線信息

RaycastHit hitInfo;

//存儲涉嫌碰撞信息

if (Physics.Raycast (ray, out hitInfo)) {

//判斷射線檢測

Name=hitInfo.collider.transform.name;

//存儲射線碰撞到的物體名字

if (Input.GetMouseButtonDown (0)) {

//如果點擊鼠標左鍵

switch (Name) {

//判斷物體名字

case "0":

playAnimbbb (0);

//播放打開抽屜的動畫

break;

case "1":

playAnimbbb (1);

//播放檢測工具取出的動畫

foreach (var item in UIgj._instance.uizong) {

//顯示物體,遍歷數(shù)組

item.SetActive (true);

}

3) 訓練考核模塊 訓練考核模塊的交互操作，與虛擬訓練模塊的交互操作類似，不同的是訓練考核模塊的操作界面上不實時顯示操作步驟，同時增加考核計分功能。實現(xiàn)當訓練人員需要查看操作步驟時，系統(tǒng)將扣除相應(yīng)步驟的分數(shù)，并在打分板上顯示所有的扣分步驟和最終的得分。部分C#代碼如下：

public void xianshi(){

//顯示提示文字

if (isPre1) {

isPre1=false;

}

if (aa.isPlaying==true) {

isPre=false;

} else {

if (tsLab.enabled==false) {

fen (5);

//扣除分數(shù)

tsLab.enabled=true;

ls.Add (tsLab.text);

for (int i=0; i

for (int j=i; j

ooo[i].text=ls[i]+"[000000FF]-5分[000000FF]";

}

//記錄窗口中顯示扣分步驟以及扣除的分數(shù)

}

}

}

}

public void fen(int i){

//減分函數(shù)

if (num>0) {

num-=i;

}

GameObject.Find ("ff").GetComponent().text=num.ToString ();

}

public void jilu(){

//記錄按鈕打開和關(guān)閉

if (ison1) {

zz.SetActive (true);

ison1=false;

} else{

zz.SetActive (false);

ison1=true;

}

}

3.3 界面設(shè)計與系統(tǒng)集成發(fā)布

本文研究的末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)界面，用Photoshop軟件進行設(shè)計。設(shè)計的登錄界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登陸界面

將設(shè)計的界面導入Dreamweaver軟件，將各個獨立的模塊進行系統(tǒng)集成，最終得到打包發(fā)布的網(wǎng)頁版系統(tǒng)。系統(tǒng)最終生成的主文件名為index.html，是一個網(wǎng)頁格式的文件。系統(tǒng)在單機運行時，只需要雙擊index.html，就進入圖3所示的登錄界面。系統(tǒng)在局域網(wǎng)運行時，只需要輸入Web地址，同樣進入系統(tǒng)登錄界面。

4 結(jié) 語

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于末制導炮彈檢測訓練領(lǐng)域，運用3D MAX進行了三維建模，運用Unity 3D實現(xiàn)了交互操作，運用Photoshop設(shè)計了系統(tǒng)界面，運用Dreamweaver實現(xiàn)了系統(tǒng)集成，最終發(fā)布完成了網(wǎng)頁版的末制導炮彈檢測訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了末制導炮彈檢測操作全過程模擬，為開展相應(yīng)的訓練提供了平臺，具有良好的推廣應(yīng)用前景。同時該系統(tǒng)的設(shè)計思路為類似的彈藥檢測虛擬訓練系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。