虛擬現實技術在裝備教學中應用的研究

王慶江 單 鑫 盛 沛

（海軍航空大學 山東·煙臺 264001）

裝備教學，就是依托裝備，圍繞其原理、功能、使用操作等開展的教學訓練。裝備教學是院校教學的重要手段之一。但是，在實際的裝備教學過程中，由于人員、場地、教學安排等各種教學條件的限制，造成部分教學目標難以達到。

虛擬現實（Virtual reality,VR）技術為教學單位提供了一種理想的、“真實的”教學手段，它能完美的契合教與學，改進教學實踐活動，并且已在實操教學中得到了應用。本文根據實際情況和教學經驗，研究利用VR技術構建仿真教學訓練系統，以解決當前裝備實操課程的瓶頸問題。

1 VR訓練系統基本情況

基于VR技術的仿真教學訓練系統（簡稱：VR訓練系統）以教學裝備的操作流程和內容為基礎，由裝備模塊、工具模塊、環境模塊、語音及文字提示模塊組成。

1.1 VR訓練系統建設目標

VR訓練系統建設目標是通過VR技術打造一套高沉浸感、可交互性、滿足教學訓練應用地沉浸式VR仿真教學訓練系統。

VR訓練系統為了實現高度仿真的虛擬操作體驗和訓練環境功能，利用三維建模、虛擬現實、仿真和其它仿真技術，進行系統建設。系統建成并投入教學后將提高裝備教學的效率，擴大裝備教學受眾面，使學生全面掌握裝備和工具的實際操作技能。

通過建設VR訓練系統，可以實現虛擬訓練場景中裝備操作動作以及操作者與虛擬設備之間交互的作用。為此，需提供必要的交互控制手段，以實現受訓者實時、交互地參與虛擬教學訓練。整個訓練過程，通過人機交互控制一系列設備操作動作來完成，保證虛擬環境的真實感和學生的沉浸感。

1.2 VR訓練系統功能組件

構建VR訓練系統目的是將其用裝備教學，其功能組件主要是：

（1）在系統基礎仿真組件中完成三維模型的建立，并將三維模型文件與三維模型調用功能、材質燈光調用功能、三維動畫調用功能、物理建模調用功能所建立的系統基礎素材和運行內容，以一定的格式輸入到組件數據庫中，便于系統操作過程中的調用；

（2）在裝備與工具操作仿真組件中，通過裝備、工具仿真操作功能，完成對訓練各科目中裝備和工具的運行操作仿真，使裝備和工具在訓練操作過程中更為真實合理；

（3）在教學訓練操作場景仿真組件中，通過訓練操作功能區域建立、位置切換功能、訓練工具調取功能、部件拆卸操作、設備工具車、設備按鍵操作等功能，實現教學訓練場景中各類物品的交互操作仿真；

（4）在教學訓練綜合應用仿真組件中，通過訓練科目選擇、教學裝備介紹、語音和文字輔助提示、虛擬現實操作幫助，實現操作流程、內容的指導，幫助學生快速上手操作；

（5）在教學訓練科目仿真組件中，依據實際訓練環節操作流程與內容，劃分系統框架內的訓練內容，形成各類訓練科目，實現訓練科目選擇，便于學生選擇不同訓練科目，開展針對性訓練，提高學生技能掌握效率；

（6）在訓練結果評估仿真組件中，通過訓練科目、操作時長、操作熟練程度、錯誤操作的次數，實現訓練結果的評估和顯示；

（7)軟/硬件接口組件，它實現交互設備數據信息采集，在虛擬環境中反映為三維模型交互操作、學生在景中位置移動等互動內容。

2 VR訓練系統建設

2.1 VR訓練系統的架構

VR訓練系統從結構上看分為三層：

（1）系統基礎支撐層。即系統仿真數據、運行數據、美術資源等系統運行相關的基礎資源與支撐，它包括：材質燈光調用功能、設備操作調用功能等模塊；訓練操作區域建立；位置切換、設備按鍵操作、工具調取等功能；軟/硬件接口組件。

（2）系統業務層。它是學生在系統中開展訓練的部分，分為以下三部分：教學業務給予學生引導式教學操作；訓練業務采用學生自主判斷訓練內容；綜合應用分為四部分，它用于引導學生選擇科目并開展訓練。

（3）訓練結果評估層。該層用于反映學生對訓練科目操作的系統評估。

2.2 VR訓練系統的邏輯與流程VR訓練系統軟件流程分為三部分

（1）系統操作科目部分。此部分匯集學生訓練內容需求，組織需求分析審核，形成訓練需求說明書，明確訓練要求，確定訓練各科目內容邊界。以教學與訓練兩類操作形式，設計系統架構與建設任務。

（2）系統操作數據與資源部分。按照裝備操作內容建設任務的要求，依據操作數據需求規格說明書的指標，建立裝備、工具三維資源與仿真操作數據，形成各訓練科目操作內容、操作引導與操作判斷流程。

（3）系統運行結果部分。通過完善系統操作內容，從而對訓練科目操作數據進行測評，引導學生完成訓練科目的虛擬化使用。

2.3 VR訓練系統的硬件組成

VR訓練系統硬件主要由計算機、顯示系統、音響系統、VR設備等組成。其中，一套VR設備包含VR頭戴式顯示器（也稱為頭盔顯示器，簡稱：頭顯）一個，VR位置追蹤定位傳感器（簡稱：位置追蹤器）兩個，VR交互操作手柄（簡稱：操作手柄）兩個。

（1）計算機。虛擬現實系統多使用高性能計算機并將系統資源存儲在此機中。連接計算機和VR設備，即可使用系統。

（2）頭顯。利用頭顯將人對外界的視覺、聽覺封閉，引導人員產生一種身在虛擬環境中的感覺。頭顯與計算機相連，以接受來自主機的3DVR圖形圖像信號。頭顯輔以三自由度的位置追蹤器可進行虛擬現實環境中各角度所輸出效果觀察，同時操作者可做空間上的自由移動，如自由行走、旋轉等操作。

（3）位置追蹤器。位置追蹤蹤器是進行空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設備配合使用使操作者在空間上能夠自由移動、旋轉。位置追蹤蹤器能夠感受到操作者的位置和方位并提供動態的、實時的位置（三維笛卡爾坐標）和方位（俯仰角、偏行角、滾動角）信息。

（4）操作手柄。通過軟件編程，操作手柄可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉、熱點切換、界面操作等動作，它為操作者提供一種非常真實、自然的三維交互工具。

（5）顯示系統和音響系統。VR訓練系統的顯示系統除了頭顯，還可以通過HDMI高清線將計算機與顯示設備（例如計算機顯示器）連接起來以同步顯示操作者當前看到的內容。VR訓練系統的頭顯中配有一副耳麥供操作者聽到操作聲音和背景聲音。

本VR訓練系統特意將其計算機與播放廳的專用顯示屏、音響相連，以保證某位學生在操作VR訓練系統進行訓練時其它學生可以同步觀看到、聽到其操作內容和聲音。

2.4 VR訓練系統的軟件環境

VR訓練系統是通過Unity3D引擎開發，編程語言為C#，運行平臺為PC端運行，軟件版本為Unity2018.3.8f1，代碼編輯器版本為Visual Studio2013。

3 VR訓練系統應用

按照VR訓練系統建設計劃，目前此系統已建成并通過了項目驗收。

3.1 VR訓練系統中設備的連接

VR訓練系統的設備連接如下：

（1）高性能計算機通過HDMI、USB3.0與數據接收處理器連接；（2）數據接收處理器與位置追蹤器、操作手柄采用WiGig無線方式連接；（3）數據接收處理器與位置追蹤器需要獨立供電，操作手柄使用充電電池供電；（4）數據接收處理器與頭顯采用5米長的集成線連接（HDMIUSB3.0音頻），便于用戶在虛擬環境中的移動。

VR訓練系統的設備及其訓練場地如圖1所示，其操作界面如圖2所示。

圖1：VR訓練系統設備及其場地

圖2：VR訓練系統操作界面

3.2 VR訓練系統在裝備實操課中的應用

VR訓練系統驗收后已投入多個批次的學生裝備教學中，多名學生已使用其進行了訓練。通過學生使用的反饋及制定的教學計劃，我們做了以下教學安排：

（1）VR訓練系統用于裝備教學是有益的，使用的時機應該是學生完成裝備操作基礎訓練后、課程考試前的時間段；

（2）VR訓練系統可以與實裝同步用于教學，使用時可以將學生分成幾部分，其中一部分專門使用其進行訓練，一段時間后可以與實裝訓練的學生進行輪換；

（3）使用VR訓練系統進行裝備教學時，每套VR設備只能滿足一名學生操作，其余學生可以通過播放廳的專用顯示屏和音響系統進行同步觀看；

（4）在裝備教學中，VR訓練系統側重于培養學生對裝備的操作流程和操作內容訓練，實裝訓練側重于培養學生對裝備的操作手感和操作細節的訓練，兩者相互配合的教學效果好過單獨使用一種手段的效果。

4 結束語

在院校教育中，裝備教學對學生畢業后的崗位任職有重大影響。所以，完善裝備教學手段、優化裝備教學資源，從而提高裝備教學效率，就顯得尤為必要。通過教學實踐可以發現，運用虛擬現實技術，可以顯著地提高教學效率。因此，虛擬仿真技術在院校的裝備訓練中有廣闊的應用前景。