基于VR技術的射擊訓練交互設計研究

馬志宏

摘要：為優化射擊訓練系統的成本消耗和安全程度，運用VR技術對射擊訓練系統進行設計研究。基于Unity3D引擎和HTCvive虛擬現實技術設計虛擬現實射擊訓練系統，為VR交互設計提供參考。

關鍵詞：交互設計;虛擬現實;射擊訓練

近年，虛擬現實技術快速發展，利用計算機技術構建虛擬場景，用戶通過VR設備在場景中的進行交互，有高仿真性，高沉浸感。為了提高士兵新兵槍械的射擊訓練效果，降低射擊訓練的安全隱患和訓練成本，打破傳統射擊訓練對場地要求高、審批復雜、槍械保養工作量大的不足，本文致力于開發基于Unity 3D引擎和HTC vive虛擬現實解決方案下的虛擬現實射擊訓練系統的解決方案。

一、射擊訓練現狀

1、射擊訓練

槍作為士兵的第二生命，守護著士兵和國家的安全。正確持槍是射擊訓練的基礎，是否能夠正確持槍直接決定射擊的準確程度。平穩的持槍狀態、四點一線的瞄準方式，是提高射擊訓練效果的必要因素。現有的射擊訓練系統往往側重于獲取彈著點位置，進行準確報靶，相對不太重視持槍動作的判定。而傳統的射擊訓練完全依賴于教練的射擊經驗，主觀性強，作為射擊訓練人員只是機械的按照教練所要求的方式調整設計姿態，很難完全理解其中的緣由。

2、射擊訓練現存問題

（1）過程繁瑣

目前新兵射擊訓練主要分為瞄準和實彈射擊兩個部分，傳統的瞄準訓練需要士兵瞄準——教練一一檢驗，過程繁瑣耗時長，教練的工作量巨大。

（2）安全問題

在實彈射擊環節，雖然擊發只是射擊訓練最后的一環，但因槍支無意擊發走火所帶來的安全問題一直以一定的概率威脅著訓練的安全性。

（2）成本消耗大

由于安全因素的考量，每次的射擊前準備檢查工作、設計過程中安全員、救護員、警戒人員的全員戒備和射擊后的清點統計都需要耗費大量的人力財力，急需解決安全以及訓練成本的問題。

虛擬現實技術因其擁有高沉浸體驗已經在教育、軍事等其他領域產生顛覆性的體驗和學習流程。如果將虛擬現實系統應用于射擊訓練，完全可以杜絕安全問題。同時后臺監督和數據統計分析功能可以大幅提高訓練成效、縮短訓練時長、提升我軍專業技能。

二、虛擬現實技術

1、虛擬現實技術應用

從上世紀 40 年代開始，虛擬現實技術的出現，直至如今，虛擬現實交互技術的主要應用領域仍然是模擬訓練。后來由于計算能力的限制，虛擬現實技術沉寂了很多年。2014 年開始，隨著計算機技術的突飛猛進，虛擬現實技術開始走向民用市場。

2000 年我國解放軍某研究所研制了第一套聲電定位自動報靶系統。這套自動報靶系統可以根據聲音的爆炸波來判斷確定彈著點的位置。南京師范大學的物理系梁忠誠教授團隊運用激光技術進行發射設備的設計和光電感應靶的信息接收設計，實現模擬射擊過程，判斷彈著點和損傷程度，在實際的射擊訓練中有較好的訓練表現，對射擊訓練系統的設計有極高的價值。虛擬現實射擊訓練目前在模擬實戰的環境中有比較集中的應用和開發，虛擬現實的高沉浸特性得以充分應用。“紗窗效應”等基礎技術難題還沒有得到根本解決，基礎射擊訓練在應用過程中還有一些問題。

2、虛擬現實交互設計設計要素

（1）對相關交互技術的充分掌握和應用。虛擬現實交互設計屬于交叉學科，需要對多學科的理論和技術有充分的掌握和應用。不同的學科背景知識聚集會形成相乘的效果，從而讓虛擬現實交互設計的實施成為可能。

（2）交互方式和交互邏輯。虛擬現實交互的核心在于交互方式和交互邏輯的建立。自從虛擬現實技術被發現時開始，幾十年來人們一直在研究如何在虛擬世界進行交流和溝通。從傳統意義上的鍵鼠到手柄，到體感設備，到可穿戴衣物，到腦電波頭套，人們一直在探討何種方式的交互更有效，更自然。不同的交互方式需要對應的交互邏輯來支撐。鍵鼠將人們的打開關閉轉化為點擊動作，體感設備將人們的互動形式轉化為簡單的揮動，交互邏輯的構建起著決定性作用。

（3）交互界面設計。虛擬現實世界同樣需要界面設計，但是不完全等同于傳統的頁面交互。虛擬世界是一個理想空間，可以任意的排布界面和信息，同時虛擬世界也不是無法之地，受限于人體運動規律和人機尺寸以及人的固有認知，虛擬世界的界面設計一方面需要考慮人機關系，另一方面還需要考慮用戶的接受度，甚至還需要考慮設備的承載能力、技術指標。

（4）實體設計，包括功能、形態、結構等。虛擬現實交互設計的主要內容之一就是交互設備的設計。交互設備首先是以實體的形式出現的，同時功能的實現又針對的是虛擬世界的交互內容。同傳統產品設計不同，虛擬現實交互設備的使用環境和目標場景是真實和虛擬兩個不同的空間。虛擬現實交互設備作為聯通虛擬世界和真實世界的橋梁，一方面讓用戶進入虛擬世界，另一方面在真實世界給予用戶虛擬世界的反饋。所以虛擬現實交互設備的設計是滿足兩個使用環境的整合型設備。

三、基于VR技術的射擊訓練交互設計

1、設計要素

原始階段的射擊訓練系統一般為電子化的靶紙設計。通過電子靶獲取彈著點，相比報靶員報靶更為及時有效，同時也降低了安全風險。但是電子靶往往存在電路易損壞、線路架設工作量大等弊端，訓練易被中斷，體驗效果不是很好。室內多媒體靶場一般會借助幕布投影的形式來縮減靶場實際空間距離，使得相同單位面積的空間可以容納更多參訓人員訓練;同時室內多媒體射擊訓練系統解決了自然條件的限制，保證了射擊訓練任務可以如期完成。

虛擬現實射擊訓練系統不僅僅擁有室內多媒體靶場的優勢摒除了自然環境條件的影響，同時也規避了室內多媒體靶場的不足。虛擬現實射擊訓練系統大幅壓縮了訓練需求空間，虛擬現實技術的立體顯示頭顯設備卻可以完全還原真實靶場的物理大小，帶來更好的沉浸感。從射擊要素的訓練上來說，虛擬現實射擊訓練系統不光只是提示報靶信息，還會從握持、射擊姿態等要素上進行規范和提示。

2、開發工具

常用的虛擬現實引擎有 Unity 3D、UE4、VRP、Virtools 等，這些引擎都有各自的優缺點，適用于不同情況的虛擬現實開發。Unity 3D 是目前在虛擬現實以及游戲領域市場份額最高的開發工具，相比其他的虛擬現實引擎，它有著學習成本低、功能完善、綜合畫質優秀、跨平臺可同步開發、價格相對平易近人的特點。各擬現實制作軟件中，Unity3D 擁有嵌套多種開發語言的功能和特點，使得其在虛擬現實項目上得到了認可。Unity 3D 具有強大的交互功能設計模塊，本身自帶的 UGUI 系統方便用戶快速架構交互原型。模型方面接口全面，支持市面上主流的常用模型軟件，如 3Ds Max、Maya、Cinema4D、Modo 等軟件輸出的 fbx 或者 obj 格式。采用 C#，JavaScript 為主要編程語言，并擁有 PlayMaker 可視化編程插件。燈光系統性能優良，實時渲染畫質優越，并自帶烘焙工具，方便虛擬場景整合。

目前常見的虛擬現實解決方案主要有 HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR、三星 Gear VR 等。其中 HTC Vive、Oculus Rift 主要針對桌面級系統，Oculus Rift 主要為坐姿體驗虛擬現實工具。PlayStation VR 主要為針對索尼自家的 PlayStation 而開發的虛擬現實工具，三星 Gear VR 主要是針對三星的手機而做的虛擬現實頭顯設備。

3、設計過程

（1）初始環境場景建立

初始環境為用戶帶上虛擬現實頭戴顯示設備看到的第一個場景，也有可能是用戶第一次體驗虛擬現實環境。為了讓用戶盡快適應虛擬現實環境，弱化虛擬環境與現實環境的差距尤為重要。

（2）訓練大廳場景建立

訓練大廳的功能為讓用戶做出射擊場景選擇和對射擊細節功能進行設置。訓練大廳的環境參考軍事訓練大廳的圖片信息進行三維重建，從功能上來說，一方面繼續讓用戶過渡到一個相對熟悉的場景，另一方面避免用戶從小空間突然轉化到戶外開闊空間帶來的不適感。

（3）打靶場場景建立

打靶場依據真實打靶場的大小以及配置，從地圖中選擇一塊合適的地域，通過Unity 3D 加載對應地域的高程圖，使用 Unity 3D 的地形系統對地面進行整平操作，導入添加由 3Ds Max 制作的壕溝、靶位、安全壩等模型，完成打靶場模型搭建。

（4）交互界面設計

①新手引導界面設計

依據初始環境交互設計使用流程，將界面分為初始界面、介紹界面、握持器激光/水平儀功能認知提示界面、握持器功能鍵認知提示界面、握持器扳機鍵認知提示界面、虛擬空間認知提示界面、退出新手教程提示界面以及警告界面。

②訓練大廳界面設計

通過對訓練大廳功能的分析，訓練大廳主要完成的工作有四部分，首先是射擊武器的選擇，其次是射擊場的選擇，再次是模擬環境的設置，最后是開始訓練按鍵。我們將用戶界面使用距離分隔為三個主要部分，左邊為槍械選擇功能。為了讓用戶更直觀的選擇自己要使用的槍械，我們使用槍械的剪影造型結合槍械圖片、槍械文字說明輔助用戶選擇。由于槍械較多，將目前選擇槍支以實物顯示并增加它的圖片占用空間，可以讓用戶更直觀的知道當前選擇槍械種類。右側為場景具體環境設置功能，如果需要進行 200 米以上的特殊射擊訓練，需要對溫度、風速、風向等參數進行設置。中間一欄上側為可選的幾種靶場類型，用戶可以選擇不同的訓練科目，選擇好后按下中間下部的開始訓練按鈕，開始射擊訓練。

③打靶場界面設計

打靶場的交互界面功能主要有：報靶界面顯示;環數顯示;總成績顯示;剩余彈藥量提示;成績分析界面顯示;彈藥補充功能;水平儀關閉打開功能;返回訓練大廳功能以及退出訓練功能。通過對上述功能分析梳理，打靶場的主要交互界面功能大致分為兩部分，一部分為需要時時關注的功能，包括報靶界面顯示;環數顯示;總成績顯示;剩余彈藥量提示。另一部分為階段性觀察和使用的界面及按鍵，包括成績分析界面顯示;彈藥補充功能;水平儀關閉打開功能;返回訓練大廳功能以及退出訓練功能。

（5）握持器設計與實現

握持器分為兩大部分，首先是握持器主體，其次是扳機鍵及功能鍵狀態接收部件。握持器主體有兩個功能，一是扳機以及功能鍵模塊，二是槍身狀態傳感模塊。

握持器定位設備采用 HTC VIVE 虛擬現實套裝中的 TRACKER 模塊來實現，大致原理為模塊上的 24 個光電傳感器接受 HTC VIVE 虛擬現實套裝定位設備發射的紅外線，依據接收紅外線強度的不同以及陀螺儀狀態來判定 TRACKER 模塊的位置等信息，并在虛擬世界同樣位置生成一個虛擬的TRACKER模型。由于握持器與TRACKER模塊為剛性連接，依據 TRACKER 模塊的位置信息生成虛擬步槍模型的位置。扳機及功能鍵模塊由于需要實現無線控制，所以采用一塊封裝好的帶無線裝置的外置迷你 HID 鍵盤模塊實現。除此之外，配以電池模塊以及狀態顯示 LED 二極管。由于射擊訓練時間短任務重，容易忘記關掉開關，并且不容易被發現。水銀位置開關可以很好的解決這個問題，當槍倒置放置時開關關閉，正常握持時開關打開。

從功能需求的角度出發，握持器去掉了實體步槍的槍口造型，保留了步槍的大部分外觀造型和扳機結構，在前握把處增加了功能鍵設計，方便用戶完成虛擬空間的交互。重量重心的填充調整主要運用了配重塊和熱熔膠，熱熔膠固定配重塊并不斷對握持器稱重，并調整配重塊位置，使得握持器重心和真實步槍一致。此外，因為水銀位置開關的加入，需要為握持器設計一個倒置放置的支架。

四、結論

虛擬現實技術已經被廣大人群所了解，但是虛擬現實的交互設計還沒有受到相應的關注。在虛擬現實射擊訓練系統的設計過程中，始終以易懂和易用性為虛擬現實交互設計的首要考慮原則，對軟硬件交互進行整合系統式設計。通過功能論、系統論思想的指導，以用戶體驗為中心，利用交叉學科優勢，結合科學設計方法提出虛擬現實交互設計策略和設計方案。在充分研究射擊訓練需求的前提下，對虛擬現實交互設計提出了更高的要求，最終實現交互的流暢性與射擊訓練效果的提升，實現設計為用戶服務的目的讓用戶可以在低人工輔助指導的前提下迅速熟練運用虛擬現實系統，有助于規模化訓練使用，促進虛擬現實訓練系統普及使用。

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