基于VR技術(shù)的射擊訓(xùn)練交互設(shè)計研究

馬志宏

摘要：為優(yōu)化射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的成本消耗和安全程度，運用VR技術(shù)對射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。基于Unity3D引擎和HTCvive虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)，為VR交互設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：交互設(shè)計;虛擬現(xiàn)實;射擊訓(xùn)練

近年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展，利用計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建虛擬場景，用戶通過VR設(shè)備在場景中的進(jìn)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(xùn)練效果，降低射擊訓(xùn)練的安全隱患和訓(xùn)練成本，打破傳統(tǒng)射擊訓(xùn)練對場地要求高、審批復(fù)雜、槍械保養(yǎng)工作量大的不足，本文致力于開發(fā)基于Unity 3D引擎和HTC vive虛擬現(xiàn)實解決方案下的虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的解決方案。

一、射擊訓(xùn)練現(xiàn)狀

1、射擊訓(xùn)練

槍作為士兵的第二生命，守護(hù)著士兵和國家的安全。正確持槍是射擊訓(xùn)練的基礎(chǔ)，是否能夠正確持槍直接決定射擊的準(zhǔn)確程度。平穩(wěn)的持槍狀態(tài)、四點一線的瞄準(zhǔn)方式，是提高射擊訓(xùn)練效果的必要因素。現(xiàn)有的射擊訓(xùn)練系統(tǒng)往往側(cè)重于獲取彈著點位置，進(jìn)行準(zhǔn)確報靶，相對不太重視持槍動作的判定。而傳統(tǒng)的射擊訓(xùn)練完全依賴于教練的射擊經(jīng)驗，主觀性強(qiáng)，作為射擊訓(xùn)練人員只是機(jī)械的按照教練所要求的方式調(diào)整設(shè)計姿態(tài)，很難完全理解其中的緣由。

2、射擊訓(xùn)練現(xiàn)存問題

（1）過程繁瑣

目前新兵射擊訓(xùn)練主要分為瞄準(zhǔn)和實彈射擊兩個部分，傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)訓(xùn)練需要士兵瞄準(zhǔn)——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(huán)節(jié)，雖然擊發(fā)只是射擊訓(xùn)練最后的一環(huán)，但因槍支無意擊發(fā)走火所帶來的安全問題一直以一定的概率威脅著訓(xùn)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(zhǔn)備檢查工作、設(shè)計過程中安全員、救護(hù)員、警戒人員的全員戒備和射擊后的清點統(tǒng)計都需要耗費大量的人力財力，急需解決安全以及訓(xùn)練成本的問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其擁有高沉浸體驗已經(jīng)在教育、軍事等其他領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性的體驗和學(xué)習(xí)流程。如果將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用于射擊訓(xùn)練，完全可以杜絕安全問題。同時后臺監(jiān)督和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能可以大幅提高訓(xùn)練成效、縮短訓(xùn)練時長、提升我軍專業(yè)技能。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

從上世紀(jì) 40 年代開始，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，直至如今，虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域仍然是模擬訓(xùn)練。后來由于計算能力的限制，虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉寂了很多年。2014 年開始，隨著計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(tǒng)。這套自動報靶系統(tǒng)可以根據(jù)聲音的爆炸波來判斷確定彈著點的位置。南京師范大學(xué)的物理系梁忠誠教授團(tuán)隊運用激光技術(shù)進(jìn)行發(fā)射設(shè)備的設(shè)計和光電感應(yīng)靶的信息接收設(shè)計，實現(xiàn)模擬射擊過程，判斷彈著點和損傷程度，在實際的射擊訓(xùn)練中有較好的訓(xùn)練表現(xiàn)，對射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計有極高的價值。虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練目前在模擬實戰(zhàn)的環(huán)境中有比較集中的應(yīng)用和開發(fā)，虛擬現(xiàn)實的高沉浸特性得以充分應(yīng)用。“紗窗效應(yīng)”等基礎(chǔ)技術(shù)難題還沒有得到根本解決，基礎(chǔ)射擊訓(xùn)練在應(yīng)用過程中還有一些問題。

2、虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計設(shè)計要素

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

（2）交互方式和交互邏輯。虛擬現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)被發(fā)現(xiàn)時開始，幾十年來人們一直在研究如何在虛擬世界進(jìn)行交流和溝通。從傳統(tǒng)意義上的鍵鼠到手柄，到體感設(shè)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(yīng)的交互邏輯來支撐。鍵鼠將人們的打開關(guān)閉轉(zhuǎn)化為點擊動作，體感設(shè)備將人們的互動形式轉(zhuǎn)化為簡單的揮動，交互邏輯的構(gòu)建起著決定性作用。

（3）交互界面設(shè)計。虛擬現(xiàn)實世界同樣需要界面設(shè)計，但是不完全等同于傳統(tǒng)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(guī)律和人機(jī)尺寸以及人的固有認(rèn)知，虛擬世界的界面設(shè)計一方面需要考慮人機(jī)關(guān)系，另一方面還需要考慮用戶的接受度，甚至還需要考慮設(shè)備的承載能力、技術(shù)指標(biāo)。

（4）實體設(shè)計，包括功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等。虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計的主要內(nèi)容之一就是交互設(shè)備的設(shè)計。交互設(shè)備首先是以實體的形式出現(xiàn)的，同時功能的實現(xiàn)又針對的是虛擬世界的交互內(nèi)容。同傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計不同，虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備的使用環(huán)境和目標(biāo)場景是真實和虛擬兩個不同的空間。虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備作為聯(lián)通虛擬世界和真實世界的橋梁，一方面讓用戶進(jìn)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(xiàn)實交互設(shè)備的設(shè)計是滿足兩個使用環(huán)境的整合型設(shè)備。

三、基于VR技術(shù)的射擊訓(xùn)練交互設(shè)計

1、設(shè)計要素

原始階段的射擊訓(xùn)練系統(tǒng)一般為電子化的靶紙設(shè)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(fēng)險。但是電子靶往往存在電路易損壞、線路架設(shè)工作量大等弊端，訓(xùn)練易被中斷，體驗效果不是很好。室內(nèi)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(xùn)人員訓(xùn)練;同時室內(nèi)多媒體射擊訓(xùn)練系統(tǒng)解決了自然條件的限制，保證了射擊訓(xùn)練任務(wù)可以如期完成。

虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)不僅僅擁有室內(nèi)多媒體靶場的優(yōu)勢摒除了自然環(huán)境條件的影響，同時也規(guī)避了室內(nèi)多媒體靶場的不足。虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)大幅壓縮了訓(xùn)練需求空間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的立體顯示頭顯設(shè)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(xùn)練上來說，虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)不光只是提示報靶信息，還會從握持、射擊姿態(tài)等要素上進(jìn)行規(guī)范和提示。

2、開發(fā)工具

常用的虛擬現(xiàn)實引擎有 Unity 3D、UE4、VRP、Virtools 等，這些引擎都有各自的優(yōu)缺點，適用于不同情況的虛擬現(xiàn)實開發(fā)。Unity 3D 是目前在虛擬現(xiàn)實以及游戲領(lǐng)域市場份額最高的開發(fā)工具，相比其他的虛擬現(xiàn)實引擎，它有著學(xué)習(xí)成本低、功能完善、綜合畫質(zhì)優(yōu)秀、跨平臺可同步開發(fā)、價格相對平易近人的特點。各擬現(xiàn)實制作軟件中，Unity3D 擁有嵌套多種開發(fā)語言的功能和特點，使得其在虛擬現(xiàn)實項目上得到了認(rèn)可。Unity 3D 具有強(qiáng)大的交互功能設(shè)計模塊，本身自帶的 UGUI 系統(tǒng)方便用戶快速架構(gòu)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(tǒng)性能優(yōu)良，實時渲染畫質(zhì)優(yōu)越，并自帶烘焙工具，方便虛擬場景整合。

目前常見的虛擬現(xiàn)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(tǒng)，Oculus Rift 主要為坐姿體驗虛擬現(xiàn)實工具。PlayStation VR 主要為針對索尼自家的 PlayStation 而開發(fā)的虛擬現(xiàn)實工具，三星 Gear VR 主要是針對三星的手機(jī)而做的虛擬現(xiàn)實頭顯設(shè)備。

3、設(shè)計過程

（1）初始環(huán)境場景建立

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

（2）訓(xùn)練大廳場景建立

訓(xùn)練大廳的功能為讓用戶做出射擊場景選擇和對射擊細(xì)節(jié)功能進(jìn)行設(shè)置。訓(xùn)練大廳的環(huán)境參考軍事訓(xùn)練大廳的圖片信息進(jìn)行三維重建，從功能上來說，一方面繼續(xù)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(zhuǎn)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(jù)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(yīng)地域的高程圖，使用 Unity 3D 的地形系統(tǒng)對地面進(jìn)行整平操作，導(dǎo)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(shè)計

①新手引導(dǎo)界面設(shè)計

依據(jù)初始環(huán)境交互設(shè)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(rèn)知提示界面、握持器功能鍵認(rèn)知提示界面、握持器扳機(jī)鍵認(rèn)知提示界面、虛擬空間認(rèn)知提示界面、退出新手教程提示界面以及警告界面。

②訓(xùn)練大廳界面設(shè)計

通過對訓(xùn)練大廳功能的分析，訓(xùn)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(huán)境的設(shè)置，最后是開始訓(xùn)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(jié)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(dāng)前選擇槍械種類。右側(cè)為場景具體環(huán)境設(shè)置功能，如果需要進(jìn)行 200 米以上的特殊射擊訓(xùn)練，需要對溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。中間一欄上側(cè)為可選的幾種靶場類型，用戶可以選擇不同的訓(xùn)練科目，選擇好后按下中間下部的開始訓(xùn)練按鈕，開始射擊訓(xùn)練。

③打靶場界面設(shè)計

打靶場的交互界面功能主要有：報靶界面顯示;環(huán)數(shù)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(bǔ)充功能;水平儀關(guān)閉打開功能;返回訓(xùn)練大廳功能以及退出訓(xùn)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(guān)注的功能，包括報靶界面顯示;環(huán)數(shù)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(bǔ)充功能;水平儀關(guān)閉打開功能;返回訓(xùn)練大廳功能以及退出訓(xùn)練功能。

（5）握持器設(shè)計與實現(xiàn)

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

握持器定位設(shè)備采用 HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實套裝中的 TRACKER 模塊來實現(xiàn)，大致原理為模塊上的 24 個光電傳感器接受 HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實套裝定位設(shè)備發(fā)射的紅外線，依據(jù)接收紅外線強(qiáng)度的不同以及陀螺儀狀態(tài)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(jù) TRACKER 模塊的位置信息生成虛擬步槍模型的位置。扳機(jī)及功能鍵模塊由于需要實現(xiàn)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(xiàn)。除此之外，配以電池模塊以及狀態(tài)顯示 LED 二極管。由于射擊訓(xùn)練時間短任務(wù)重，容易忘記關(guān)掉開關(guān)，并且不容易被發(fā)現(xiàn)。水銀位置開關(guān)可以很好的解決這個問題，當(dāng)槍倒置放置時開關(guān)關(guān)閉，正常握持時開關(guān)打開。

從功能需求的角度出發(fā)，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(jī)結(jié)構(gòu)，在前握把處增加了功能鍵設(shè)計，方便用戶完成虛擬空間的交互。重量重心的填充調(diào)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(diào)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(guān)的加入，需要為握持器設(shè)計一個倒置放置的支架。

四、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣大人群所了解，但是虛擬現(xiàn)實的交互設(shè)計還沒有受到相應(yīng)的關(guān)注。在虛擬現(xiàn)實射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計過程中，始終以易懂和易用性為虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計的首要考慮原則，對軟硬件交互進(jìn)行整合系統(tǒng)式設(shè)計。通過功能論、系統(tǒng)論思想的指導(dǎo)，以用戶體驗為中心，利用交叉學(xué)科優(yōu)勢，結(jié)合科學(xué)設(shè)計方法提出虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計策略和設(shè)計方案。在充分研究射擊訓(xùn)練需求的前提下，對虛擬現(xiàn)實交互設(shè)計提出了更高的要求，最終實現(xiàn)交互的流暢性與射擊訓(xùn)練效果的提升，實現(xiàn)設(shè)計為用戶服務(wù)的目的讓用戶可以在低人工輔助指導(dǎo)的前提下迅速熟練運用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，有助于規(guī)模化訓(xùn)練使用，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)普及使用。

參考文獻(xiàn)

[1] ?牛亞峰， 吳聞宇， 周蕾 et al. 融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互式電子技術(shù)手冊在機(jī)械制圖教學(xué)中的展望[J]. 機(jī)械設(shè)計， 2018， 35（S2）： 51-53.

[2] ?吳群彪， 方海峰， 范紀(jì)華 et al. 基于VR/AR技術(shù)的機(jī)械課程教學(xué)方法探索[J]. 機(jī)械設(shè)計， 2018， 35（S2）： 432-434.

[3] ?郝慶威， 郝婉全. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的競技體育仿真應(yīng)用開發(fā)研究[J]. 電視技術(shù)， 2018， 42（08）： 88-92.