穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統設計研究

劉志偉 李法忠 牛效兵

摘要： 為提高艦艇武器裝備訓練保障質量，滿足艦艇武器裝備崗位能力訓練的實際需求，引入可穿戴技術，開發穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統。研究武器裝備三維模型開發思路，梳理系統訓練科目，建立訓練效果評估指標，搭建基于層級管理架構的系統框架，分析系統建設中需解決的關鍵問題。

關鍵詞：武器裝備;可穿戴技術;訓練保障;設計研究;關鍵技術

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）16-0226-03

Abstract： In order to improve the quality of Ship weaponry equipment training and support ，and to meet the actual needs of Ship weaponry equipment post practical training，wearable technology is Introducedtodevelopa wearable multiplayer network virtual reality training system .Research on the development of three-dimensional model of weapon equipment and Sort out systematic training subjects，establish evaluation indicators for training effects，build a system framework based on hierarchical management architecture ，and analyze Key issuesthat need to be addressed in the construction of the system.

Keywords：weaponry;Wearable technology;training support;design research;Key Technologies

艦艇武器裝備多是技術密集的大型復雜機電系統，內部結構復雜，拆裝、技術保障困難，對人員技術和工具設備要求很高。如何讓操作人員順利完成艦艇武器裝備技術檢查，提高作業效率、減少操作差錯，這是在技術保障中急需解決的問題。當前艦艇武器裝備技術保障人員的技能訓練囿于實裝和限制條件過多的傳統虛模擬訓練系統，限制了訓練工作的普及性和有效性，影響了保障人才隊伍建設的速度和質量。從當前的技術手段和發展前景來看，將可穿戴式技術引入武器裝備訓練保障中，開發武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統，能有效改善訓練效率，提高訓練質量，加快人才隊伍建設速度。

1可穿戴技術簡介

可穿戴技術是指探索和創造能直接穿在身上或者整合進用戶衣服或配件的設備的科學技術。其目的是通過內在連通性實現快速數據獲取，通過超快的數據分享能力高效保持社交聯系，擺脫傳統的手持設備而獲得無縫的網絡訪問體驗。可穿戴技術可以將多媒體、傳感器、無線通信等技術進行有機融合，載入可穿戴硬件設備中，還可通過手勢、語音、眼部動作等多種方式進行交互。與傳統智能設備相比，可穿戴技術硬件更加輕便小巧，便于穿戴，且可以不局限在某一特定區域內無持使用。

隨著信息化和智能化技術手段的不斷發展，可穿戴技術的應用逐漸進入發展機遇期。智能手表及手環、Core運動追蹤器、3L Lab智能鞋墊、Moverio BT-200智能眼鏡、Avengant Glyph頭戴顯示器等產品不斷涌現體現了可穿戴技術已經逐漸成熟，并在運動健康、工業、軍事、醫療、教育等領域表現出廣闊的應用前景。

將可穿戴技術引入艦艇武器裝備訓練保障過程，可打破傳統訓練保障模式的束縛。高精度手指穿戴式設備的實際應用可解決早期VR訓練無法進行武器準備手部操作的局限性;可穿戴式電腦和非預先設置型VR系統的結合可解決訓練空間限定在較小范圍內的問題;基于次世代三維引擎Unreal4三維引擎可實現更多網絡結點下低延遲、高響應的真實多人VR訓練場景。結合以上優勢，開發武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統，可精確指導操作使用人員進行武器裝備單人或多人協同技術保障訓練，提高操作使用人員培訓效率和武器裝備技術保障效率，可有效促進武器裝備伴隨式維修保障能力的快速生成。

2 武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統建設內容

武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統以艦艇武器裝備為研究對象，實現武器裝備原理教學、單人/多人協同技能訓練、考核評估等功能。研究內容主要包括以下方面：

（1）開發艦艇武器裝備三維模型

收集測量武器裝備詳細的尺寸數據，建立精確三維模型。對創建完成的模型進行上色、賦予材質及紋理，然后在虛擬場景中模擬現實燈光進行渲染，通過調試燈光及材質等參數達到最佳效果，最后進行模型烘焙、貼圖制作，讓模型擁有與現實環境中同樣的視覺效果。按照實際的裝配流程，實時進行碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理，完成組裝結構創建。

（2）梳理訓練科目，建立訓練效果評估指標

針對艦艇部隊武器裝備實際使用情況，結合訓練考核大綱標準與人才培養方案要求，梳理武器裝備單人/多人協同訓練科目。按照部隊武器裝備操作使用流程和技術檢查要求，合理分配訓練科目模塊，建立通用性強、評價標準高、涵蓋范圍廣的訓練效果評估指標體系。

（3）進行項目功能開發，完成系統集成

基于以上梳理的訓練科目、建立的三維模型，開發研究武器準備原理教學、技術保障單人/多人協同訓練、考核評估等功能模塊的操作流程和業務數據，編寫腳本和功能組件。按照業務需求，基于高速實時仿真數據總線，實現各場景之間的切換和數據模型集成，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理，并使各個模塊之間能彼此協調工作，完成系統集成。

3 穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統設計實現

項目設計擬選用Unreal4作為開發引擎，采用VIVE COSMOS的非預設型VR系統構建一對多的管理端——操作端模式。根據艦艇武器裝備崗位任職能力要求，管理端合理選擇設置不同的訓練科目，下發到操作端，操作端即可選擇不同難易級別展開訓練。操作端訓練過程數據可發送回服務端實時記錄。

武器裝備穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統由軟件和硬件兩部分，采用層級管理架構，包括硬件設備層、操作系統層、基礎支撐層和系統應用業務層，如圖1所示。硬件設備層由高性能統一渲染服務器、數據庫服務器、穿戴式背負電腦、穿戴式手套、非預置VR系統等組成。高性能統一渲染服務器用于進行網絡同步計算;數據庫服務器存儲系統的學員數據、場景數據、考核數據、訓練數據;背負式VR穿戴電腦為系統的VR終端設備;非預設VR系統為虛擬現實顯示設備;高精度穿戴手套負責系統的高精度VR操作輸入。硬件系統布局如圖2所示。

操作系統層規范管理端和操作端計算機的操作系統，使用Windows7及以上操作系統。

基礎支撐層包括模型庫、素材庫、聲音庫、特效庫、數據庫、和其他SDK。模型庫中包括項目所需所有模型文件;素材庫包括各部件的真實圖片，法向貼圖，剖面圖，示例圖，動態說明，使用動畫，示意性及教學說明性視頻等;聲音庫中包括各種音效、音頻講解等;特效庫包含項目所有功能的特效，如粒子、光影、shader等;數據庫中包括個人ID、ID類型、得分、操作指令集等各種數據類型的保存信息;其他SDK包括HTC-Vive設備SDK和語音系統SDK等。

系統應用業務層主要包括管理端和操作端，管理端作為統一管理平臺，可以管理多個操作端，操作端主要包括穿戴式背負電腦、穿戴式手套和非預置VR系統等。

4穿戴式多人網絡虛擬現實訓練系統關鍵技術

（1）高精度VR操作輸入技術

為實現高精度手部動作追蹤和手指操作的同步映射，本系統擬采用具備觸感傳感技術的SteamVR Knuckles EV3手部穿戴系統和基于VIVE COSMOS的非預設型VR系統，兩種設備均是新一代可穿戴技術產品，相關開發資料和技術積累較少。技術難點是兩者的深度結合，需要軟件開發人員深入研究利用手部穿戴系統模擬艦艇武器裝備操作中手部的各類動作和響應，并在非預設型VR系統中精確定位。

（2）多人協同訓練時的通信技術

系統處于多人協同訓練時，需要多個或全部操作端同時與管理端通信，此時通信服務能否順利支持完成系統規定的各種訓練任務，實現協同訓練與考核，對于系統效能的實現程度至關重要。本系統通信主要通過發布——訂閱通信模型實現臺位之間的實時通信。采用這種編程模型的優勢在于簡化編程模型，同時實現高性能的網絡通信。網絡通信系統主要采用.Net框架的事件編程（Event/Listener）模型和WCF（Windows Communication Foundation）框架實現。利用WCF框架實現雙工通信，利用事件編程模型實現消息的實時分發。

（3）三維模型輕量化技術

針對大量高精度的武器裝備三維模型在系統中調用速度慢，存儲資源消耗高的問題，擬采用三維模型輕量化技術，保證在不影響技術保障體驗與工程可用性的前提下，盡可能地降低文件大小，從而降低系統渲染壓力，節省系統存儲空間。對零部件進行幾何壓縮，采用XML（Extensible Markup Language）格式來描述模型產品結構和屬性數據，通過引用的方式以減少冗余。

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【通聯編輯：梁書】