談虛擬射擊裝置的應(yīng)用

李瑋 楊旭潔 郭笑男 牟全武

摘要：課題組擬將研究利用OGRE引擎強(qiáng)大的3D渲染效果構(gòu)造3D場景與人物互動的系統(tǒng)，比較不同算法的優(yōu)劣平衡顯示效果與實(shí)時性，基于ADXL345傳感器的參數(shù)采集與FPGA的數(shù)據(jù)處理，由上述模塊到執(zhí)行技術(shù)細(xì)節(jié)，最后整體性能達(dá)到滿足軍事訓(xùn)練和游戲體驗(yàn)的目的。

Abstract： The research team intends to study a system that uses the powerful 3D rendering effects of the OGRE engine to construct a 3D scene and character interaction， compare the advantages and disadvantages of different algorithms， and balance the display effect and real-time performance. Based on the ADXL345 sensor parameter acquisition and FPGA data processing，the above modules go to the execution technical details， and finally the overall performance reaches the purpose of satisfying military training and gaming experience.

關(guān)鍵詞：虛擬裝置;軍事訓(xùn)練;游戲引擎;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

Key words： virtual device;military training;game engine;virtual reality technology

中圖分類號：TJ06? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0266-02

0? 引言

本裝置利用FPGA進(jìn)行端口對接，實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)與3D技術(shù)的初步結(jié)合，從而能夠建立簡單的三維場景并實(shí)現(xiàn)簡單的三維互動應(yīng)用。該裝置在軍事領(lǐng)域和游戲領(lǐng)域的優(yōu)勢離不開以技術(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，該裝置的主要技術(shù)是傳感器、FPGA和3D技術(shù)。

1? 虛擬射擊技術(shù)在軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用

射擊技術(shù)是軍隊(duì)訓(xùn)練、戰(zhàn)場作戰(zhàn)所必需掌握的重要技能，隨著社會的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的飛快進(jìn)步，如何對射擊訓(xùn)練進(jìn)行現(xiàn)代化、數(shù)字化的教學(xué)已經(jīng)成為了目前軍隊(duì)士兵訓(xùn)練所面臨的重要問題?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)的射擊教學(xué)訓(xùn)練形式較為單調(diào)乏味，且訓(xùn)練模式、方法當(dāng)中都面臨著或多或少的問題。組織一次射擊訓(xùn)練耗時耗力，受到槍支管理?xiàng)l例以及安全保障問題的限制，士兵訓(xùn)練過程中實(shí)際接觸槍械訓(xùn)練的時間較短，無法完全將理論吃透運(yùn)用在實(shí)際戰(zhàn)場上，可謂是紙上談兵的教學(xué)方式。

虛擬射擊裝置在豐富教練訓(xùn)練方式的同時，可以讓士兵更好的理解訓(xùn)練內(nèi)容，增強(qiáng)士兵訓(xùn)練的參與性、互動性和操作性。該裝置融合了先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，可以模擬出多樣化的訓(xùn)練環(huán)境，隨著時代的發(fā)展，未來戰(zhàn)場環(huán)境不可預(yù)料，我國軍隊(duì)需要可以在未來戰(zhàn)場上成為指揮員和建設(shè)者的優(yōu)秀士兵。那么在目前的訓(xùn)練中，士兵不僅要擁有過硬的軍事素養(yǎng)，而且需要快速適應(yīng)不同的作戰(zhàn)環(huán)境。本裝置對訓(xùn)練或試驗(yàn)場地?zé)o要求，不受天氣的影響，從而可仿真各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的射擊訓(xùn)練。模擬出例如極寒、極熱、狂風(fēng)、暴雨等極端環(huán)境，同時大幅度的節(jié)省軍隊(duì)訓(xùn)練或科研實(shí)驗(yàn)開支，降低士兵訓(xùn)練的危險性。

使用本裝置進(jìn)行的射擊訓(xùn)練可以自動保存該訓(xùn)練者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)分析出該士兵的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來的訓(xùn)練方向，有效地提升了射擊訓(xùn)練的效果，讓每位士兵清楚的明白自己的不足之處，并加以改正。同時，通過該裝置進(jìn)行的虛擬射擊考核也會十分方便，一般的射擊考核由于安全保障級別較高，一般只有固定靶，很難完成復(fù)雜的射擊考核。通過該裝置可以模擬出考核所需的移動靶或?qū)凶有薷某蓴橙说膱D像等各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的射擊考核，更具真實(shí)性。在考核時，每位考生輸入自己的帳號以及密碼，計(jì)算機(jī)自動記錄該考生成績，無需人力監(jiān)考，也從根本上杜絕了修改成績的可能。有效降低人力物力資源浪費(fèi)的同時，增強(qiáng)了考核的難度和趣味性。

2? 虛擬射擊游戲

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其真實(shí)的體感交互性、感官沉浸性引發(fā)了顛覆傳統(tǒng)2D游戲想象的變革。在本文所述虛擬射擊裝置中，玩家佩戴3D眼鏡進(jìn)入三維虛擬空間手持游戲槍完成射擊，讓玩家有身臨其境的感覺，從而達(dá)到心流狀態(tài)。

所謂心流（Mental flow）是指一種某個體高度投入地參與某項(xiàng)活動的心理狀態(tài)，也就是玩家的最佳體驗(yàn)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，玩家會產(chǎn)生興奮感以及掌控感，時間感也隨之喪失，進(jìn)入完全忘我的狀態(tài)玩，是評價虛擬射擊裝置游戲中玩家體驗(yàn)的重要指標(biāo)之一。因此，若能讓用戶長時間處于在心流狀態(tài)中，有助于優(yōu)化虛擬射擊裝置的游戲設(shè)計(jì)。

根據(jù)游戲心流模型測試結(jié)果表明，游戲心流模型不但可以讓游戲設(shè)計(jì)者充分了解游戲中存在的缺陷，給游戲設(shè)計(jì)者明確的修改方向;還能夠以提升玩家體驗(yàn)為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)提出有效的幫助。評估游戲心流的方式主要為問卷調(diào)查法和以生理指標(biāo)為主的心流評估模型評估法，兩者相結(jié)合會給出較為準(zhǔn)確的心流評估報告，為我們的游戲開發(fā)和升級換代提供有效的信息。

隨著時代的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲方面的運(yùn)用也越來越多，展現(xiàn)方式主要分為以下三個類別：第一種是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，這種形式的虛擬環(huán)境是基于普通的PC平臺，是一種小型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過一些比較傳統(tǒng)的輸入設(shè)備來進(jìn)行交互，比如三位鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、定位儀等等，功能齊全，價格實(shí)惠，適用于教學(xué);第二種是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，主要是通過一些外部設(shè)備例如3D眼鏡、VR頭盔等將用戶對外界的感知封閉起來，基于雙目立體視覺技術(shù)，完成逼真的沉浸式效果體驗(yàn);第三種是聯(lián)合真實(shí)自然環(huán)境產(chǎn)生的裸眼3D效果的虛擬現(xiàn)實(shí)，主要通過激光束來控制場景的構(gòu)成，從而達(dá)到裸眼3D的交互環(huán)境。

本文中的虛擬射擊裝置屬于第二種類別，本裝置由傳感器接收信息，經(jīng)由FPGA算法處理，傳輸給計(jì)算機(jī)，最后將虛擬射擊的三維立體環(huán)境傳輸給三維立體眼鏡，加上輔以外部設(shè)備，構(gòu)成具有極強(qiáng)真實(shí)感沉浸感的虛擬射擊環(huán)境。游戲體驗(yàn)者使用游戲槍進(jìn)行射擊，完成封閉式的體驗(yàn)效果。

3? 核心技術(shù)

首先數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于ADXL345傳感器的參數(shù)采集與FPGA的數(shù)據(jù)處理的方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于FPGA的數(shù)字化解調(diào)方案測量電路最大頻差對最大頻偏有很好的效果。其次選用OGRE引擎強(qiáng)大的3D渲染效果構(gòu)造3D場景與人物互動的系統(tǒng)，旨在用OGRE編程實(shí)現(xiàn)三維情景的建立，OGRE將由傳感器采集的信息通過FPGA轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的參數(shù)進(jìn)行程序編寫，而后轉(zhuǎn)為相應(yīng)的信號，通過計(jì)算機(jī)端口將信號傳給三維立體眼鏡，嘗試在其上顯示出較為完整的三維圖像，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動態(tài)三維圖像用Maya和3Dmax進(jìn)行建模，比較不同算法的優(yōu)劣平衡顯示效果與實(shí)時性，由于外界實(shí)時參量的加入互動，解決了Maya和3Dmax單純依靠程序完成三維情景建立的問題實(shí)現(xiàn)了情景數(shù)據(jù)的快速實(shí)時更新以達(dá)到裝置完備的目的。

3.1 傳感器

ADXL345是一個三軸的加速度傳感器，既可以測量沖擊運(yùn)動狀態(tài)下的動態(tài)加速度，也可以測量靜止加速度，比如重力加速度，所以該系統(tǒng)是作為重要的傳感器技術(shù)之一。另外一個重要的傳感器就是三軸陀螺儀，顧名思義，有三個軸，能同時測量三個方向的矢量。傳統(tǒng)單軸的只可測量一個方向的量，相比較于傳統(tǒng)的三個單軸陀螺儀，三軸陀螺儀有較小的體積、較輕的重量、較簡單的結(jié)構(gòu)、可靠性良好，故也是重要的傳感器之一。

首先，把三軸加速度傳感器安裝到訓(xùn)練槍上，然后在程序中輸入一組初始值，即設(shè)置訓(xùn)練槍的初始坐標(biāo)位置，接下來，以初始值為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系X，Y，Z軸，三個軸兩兩正交，任意空間上的矢量變化情況均可以在X、Y、Z三個方向正交分解到對應(yīng)的坐標(biāo)軸上面，然后分別對分量進(jìn)行積分得到速度，再積分得到位移。這樣就將物體的位置和高度進(jìn)行了確定。接下來當(dāng)訓(xùn)練槍的位置確定下來以后，通過測量加速度，和重力加速度比較計(jì)算，可以確定設(shè)備與水平面的角度。同樣如果在X、Y兩個方向上，我們同樣可以通過兩個初始加速度和后來的靜態(tài)加速度計(jì)算比較來確定訓(xùn)練槍方向分別和X、Y方向的角度，這樣我們就可以確定訓(xùn)練槍的角度位置。

3.2 FPGA

基于FPGA的算法運(yùn)算速度快，可以高速處理圖像; FPGA可編程滿足不同檢測需要，使檢測系統(tǒng)更具兼容性; FPGA的編程技術(shù)發(fā)展較為成熟，有較為簡單的算法，較為容易的編程，具有很好的繼承性和可移植性。

FPGA還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳感器將采集到的位置信息和傾角信息傳給FPGA，首先設(shè)計(jì)傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的算法，然后使用Verilog語言將FPGA內(nèi)部電路設(shè)計(jì)成需要的結(jié)構(gòu)，這樣FPGA通過處理就可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（方向角，俯仰角，扣機(jī)時間），然后傳給計(jì)算機(jī)用于圖形顯示。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

OGRE：基于VR技術(shù)的虛擬射擊實(shí)現(xiàn)需要有配備裝置環(huán)境，OGRE技術(shù)是該裝置所配備的重要技術(shù)之一，可以展開談?wù)?。OGRE，是一種面對對象圖形渲染引擎，可以使用Microsoft Visual C++ 進(jìn)行開發(fā)的開源三維圖形渲染。雖然是免費(fèi)的3D渲染引擎，但其功能十分強(qiáng)大，和商業(yè)3D渲染引擎相比簡直難分伯仲，例如可以支持多個平臺，可以自動處理場景渲染，甚至很多方面已經(jīng)超越了商業(yè)3D渲染引擎。是一個非常穩(wěn)成熟其容易操作的平臺，在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、放縮等特定功能時開發(fā)人員只需要調(diào)用OGRE中的函數(shù)庫就能夠完成。

OGRE的設(shè)計(jì)理念非常人性化，設(shè)計(jì)者在使用引擎時不但操作簡單，而且功能完備，渲染效果也相當(dāng)出色。可以在保留操作簡單的基礎(chǔ)上，完成高度還原現(xiàn)實(shí)甚至超出現(xiàn)實(shí)的畫面效果。與普通的3D引擎相比，OGRE將場景節(jié)點(diǎn)與場景實(shí)體分開表達(dá)管理，互不干擾。場景實(shí)體只記錄那些可以被渲染的內(nèi)容信息，場景節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)記錄地址。只有這兩個部分綁定起來，才能完成渲染，由此以來，場景維護(hù)就會變得輕松愉悅，也提高了開發(fā)者的開發(fā)效率。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)省級項(xiàng)目，虛擬射擊裝置，S201910709064。

作者簡介：李瑋（2000-），女，河南南陽人，現(xiàn)就讀于西安工程大學(xué)本科數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè);楊旭潔（2000-），女，陜西渭南人，現(xiàn)就讀于西安工程大學(xué)本科數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè);郭笑男（2000-），女，陜西渭南人，現(xiàn)就讀于西安工程大學(xué)本科數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè);牟全武（通訊作者）（1977-），男，陜西洋縣人，副教授，博士，大創(chuàng)指導(dǎo)教師，主要從事應(yīng)用數(shù)學(xué)研究。