艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛效兵 劉志偉 白洪寶

摘 要：為提高艦艇武器裝備訓(xùn)練保障質(zhì)量，滿(mǎn)足艦艇武器裝備崗位能力訓(xùn)練的實(shí)際需求，引入可穿戴技術(shù)，開(kāi)發(fā)多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)。研究武器裝備三維模型開(kāi)發(fā)思路，梳理系統(tǒng)訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)，搭建基于層級(jí)管理架構(gòu)的系統(tǒng)框架，分析系統(tǒng)建設(shè)中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：武器裝備;穿戴技術(shù)

艦艇武器裝備多是技術(shù)密集的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝、技術(shù)保障困難，對(duì)人員技術(shù)和工具設(shè)備要求很高。如何讓操作人員順利完成艦艇武器裝備技術(shù)檢查，提高作業(yè)效率、減少操作差錯(cuò)，這是在技術(shù)保障中急需解決的問(wèn)題。當(dāng)前艦艇武器裝備技術(shù)保障人員的技能訓(xùn)練囿于實(shí)裝和限制條件過(guò)多的傳統(tǒng)虛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，限制了訓(xùn)練工作的普及性和有效性，影響了保障人才隊(duì)伍建設(shè)的速度和質(zhì)量。從當(dāng)前的技術(shù)手段和發(fā)展前景來(lái)看，將可穿戴式技術(shù)引入武器裝備訓(xùn)練保障中，開(kāi)發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，能有效改善訓(xùn)練效率，提高訓(xùn)練質(zhì)量，加快人才隊(duì)伍建設(shè)速度。

1 可穿戴技術(shù)簡(jiǎn)介

可穿戴技術(shù)是指探索和創(chuàng)造能直接穿在身上、或者整合進(jìn)用戶(hù)衣服或配件的設(shè)備的科學(xué)技術(shù)。其目的是通過(guò)內(nèi)在連通性實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)獲取，通過(guò)超快的數(shù)據(jù)分享能力高效保持社交聯(lián)系，擺脫傳統(tǒng)的手持設(shè)備而獲得無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)體驗(yàn)。可穿戴技術(shù)可以將多媒體、傳感器、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，載入可穿戴硬件設(shè)備中，還可通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音、眼部動(dòng)作等多種方式進(jìn)行交互。與傳統(tǒng)智能設(shè)備相比，可穿戴技術(shù)硬件更加輕便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定區(qū)域內(nèi)無(wú)持使用。

將可穿戴技術(shù)引入艦艇武器裝備訓(xùn)練保障過(guò)程，可打破傳統(tǒng)訓(xùn)練保障模式的束縛。高精度手指穿戴式設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用可解決早期VR訓(xùn)練無(wú)法進(jìn)行武器準(zhǔn)備手部操作的局限性;可穿戴式電腦和非預(yù)先設(shè)置型VR系統(tǒng)的結(jié)合可解決訓(xùn)練空間限定在較小范圍內(nèi)的問(wèn)題;基于三維引擎Unreal4可實(shí)現(xiàn)更多網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)下低延遲、高響應(yīng)的真實(shí)多人VR訓(xùn)練場(chǎng)景。結(jié)合以上優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，可精確指導(dǎo)操作使用人員進(jìn)行武器裝備單人或多人協(xié)同技術(shù)保障訓(xùn)練，提高操作使用人員培訓(xùn)效率和武器裝備技術(shù)保障效率，可有效促進(jìn)武器裝備伴隨式維修保障能力的快速生成。

2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)以艦艇武器裝備為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)武器裝備原理教學(xué)、單人/多人協(xié)同技能訓(xùn)練、考核評(píng)估等功能。研究?jī)?nèi)容主要包括以下方面：

（1）開(kāi)發(fā)艦艇武器裝備三維模型

收集測(cè)量武器裝備詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)，建立精確三維模型。對(duì)創(chuàng)建完成的模型進(jìn)行上色、賦予材質(zhì)及紋理，然后在虛擬場(chǎng)景中模擬現(xiàn)實(shí)燈光進(jìn)行渲染，通過(guò)調(diào)試燈光及材質(zhì)等參數(shù)達(dá)到最佳效果，最后進(jìn)行模型烘焙、貼圖制作，讓模型擁有與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中同樣的視覺(jué)效果。按照實(shí)際的裝配流程，實(shí)時(shí)進(jìn)行碰撞檢測(cè)、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理，完成組裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。

（2）梳理訓(xùn)練科目，建立訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)艦艇部隊(duì)武器裝備實(shí)際使用情況，結(jié)合訓(xùn)練考核大綱標(biāo)準(zhǔn)與人才培養(yǎng)方案要求，梳理武器裝備單人/多人協(xié)同訓(xùn)練科目。按照部隊(duì)武器裝備操作使用流程和技術(shù)檢查要求，合理分配訓(xùn)練科目模塊，建立通用性強(qiáng)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)高、涵蓋范圍廣的訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)體系。

（3）進(jìn)行項(xiàng)目功能開(kāi)發(fā)，完成系統(tǒng)集成

基于以上梳理的訓(xùn)練科目、建立的三維模型，開(kāi)發(fā)研究武器準(zhǔn)備原理教學(xué)、技術(shù)保障單人/多人協(xié)同訓(xùn)練、考核評(píng)估等功能模塊的操作流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，編寫(xiě)腳本和功能組件。按照業(yè)務(wù)需求，基于高速實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)景之間的切換和數(shù)據(jù)模型集成，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并使各個(gè)模塊之間能彼此協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)集成。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

選用Unreal4作為開(kāi)發(fā)引擎，采用VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)構(gòu)建一對(duì)多的管理端----操作端模式。根據(jù)艦艇武器裝備崗位任職能力要求，管理端合理選擇設(shè)置不同的訓(xùn)練科目，下發(fā)到操作端，操作端即可選擇不同難易級(jí)別展開(kāi)訓(xùn)練。操作端訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)可發(fā)送回服務(wù)端實(shí)時(shí)記錄。

艦艇武器裝備穿戴式多人網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分，采用層級(jí)管理架構(gòu)，包括硬件設(shè)備層、操作系統(tǒng)層、基礎(chǔ)支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層。

硬件設(shè)備層由高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套、非預(yù)置VR系統(tǒng)等組成。高性能統(tǒng)一渲染服務(wù)器用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步計(jì)算;數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的學(xué)員數(shù)據(jù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)、考核數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù);背負(fù)式VR穿戴電腦為系統(tǒng)的VR終端設(shè)備;非預(yù)設(shè)VR系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備;高精度穿戴手套負(fù)責(zé)系統(tǒng)的高精度VR操作輸入。

基礎(chǔ)支撐層包括模型庫(kù)、素材庫(kù)、聲音庫(kù)、特效庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、和其他SDK。模型庫(kù)中包括項(xiàng)目所需所有模型文件;素材庫(kù)包括各部件的真實(shí)圖片，法向貼圖，剖面圖，示例圖，動(dòng)態(tài)說(shuō)明，使用動(dòng)畫(huà)，示意性及教學(xué)說(shuō)明性視頻等;聲音庫(kù)中包括各種音效、音頻講解等;特效庫(kù)包含項(xiàng)目所有功能的特效，如粒子、光影、shader等;數(shù)據(jù)庫(kù)中包括個(gè)人ID、ID類(lèi)型、得分、操作指令集等各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的保存信息;其他SDK包括HTC-Vive設(shè)備SDK和語(yǔ)音系統(tǒng)SDK等。

系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)層主要包括管理端和操作端，管理端作為統(tǒng)一管理平臺(tái)，可以管理多個(gè)操作端，操作端主要包括穿戴式背負(fù)電腦、穿戴式手套和非預(yù)置VR系統(tǒng)等。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）高精度VR操作輸入技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高精度手部動(dòng)作追蹤和手指操作的同步映射，可采用具備觸感傳感技術(shù)的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系統(tǒng)和基于VIVE COSMOS的非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)，兩種設(shè)備均是新一代可穿戴技術(shù)產(chǎn)品，相關(guān)開(kāi)發(fā)資料和技術(shù)積累較少。技術(shù)難點(diǎn)是兩者的深度結(jié)合，需要軟件開(kāi)發(fā)人員深入研究利用手部穿戴系統(tǒng)模擬艦艇武器裝備操作中手部的各類(lèi)動(dòng)作和響應(yīng)，并在非預(yù)設(shè)型VR系統(tǒng)中精確定位。

（2）多人協(xié)同訓(xùn)練時(shí)的通信技術(shù)

系統(tǒng)處于多人協(xié)同訓(xùn)練時(shí)，需要多個(gè)或全部操作端同時(shí)與管理端通信，此時(shí)通信服務(wù)能否順利支持完成系統(tǒng)規(guī)定的各種訓(xùn)練任務(wù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同訓(xùn)練與考核，對(duì)于系統(tǒng)效能的實(shí)現(xiàn)程度至關(guān)重要。通信可通過(guò)發(fā)布—訂閱通信模型實(shí)現(xiàn)臺(tái)位之間的實(shí)時(shí)通信。采用這種編程模型的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化編程模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)通信。

（3）三維模型輕量化技術(shù)

針對(duì)大量高精度的武器武器裝備三維模型在系統(tǒng)中調(diào)用速度慢，存儲(chǔ)資源消耗高的問(wèn)題，擬采用三維模型輕量化技術(shù)，保證在不影響技術(shù)保障體驗(yàn)與工程可用性的前提下，盡可能的降低文件大小，從而降低系統(tǒng)渲染壓力，節(jié)省系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。對(duì)零部件進(jìn)行幾何壓縮，采用XML格式來(lái)描述模型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)，通過(guò)引用的方式以減少冗余。

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作者簡(jiǎn)介：

牛效兵，海軍士官學(xué)校兵器系副教授.

劉志偉，海軍士官學(xué)校兵器系講師.

白洪寶，海軍士官學(xué)校兵器系講師.

（海軍士官學(xué)校? 安徽? 蚌埠? 233012）