虛擬現實技術在裝備保障教學中的應用

盛沛 陳育良 顧鈞元

（海軍航空大學 山東煙臺 264001）

目前，為了保證可靠性，充分發揮使用效能，部分大型裝備在使用前必須對其進行必要的檢查和維護，以確認其主要技術參數是否合格，另外，一些裝備的出廠驗收和定期維修也是依靠地面設備完成的。完成檢查和維護任務的地面設備包括地面測試設備及綜合保障設備。裝備檢測技術研究的是在地面測試設備中所應用的檢測裝備各種參數的一系列技術措施，包括虛擬儀器技術、總線技術、傳感器技術、信號處理技術、目標模擬與控制技術等［1］。

電子技術使測量過程的自動化易于實現，特別是大規模集成電路和微型計算機的應用，使電子測量出現了嶄新的局面。在測量中可以實現遙控、程控、量程自動切換、自校準、自修復、自動記錄、自動處理多種功能［2］。帶微處理器的“智能”儀器具有記憶存儲、邏輯判斷、數學運算和命令識別等特點［3］。此外，還可以利用微機通過標準接口總線連接多臺儀器，組成自動測試系統，快速準確地完成大量測試任務。

電子測量技術的一系列優點使它廣泛地應用于科學技術的各個領域。裝備測試設備也經歷了從應用分立元件、集成電路到目前“智能”儀器的技術發展過程，逐步由專用測試設備向集成化的通用測試系統發展。學習和熟練掌握相關測試設備的使用和維護方法是一個單位盡快形成技術保障能力的重要保證。

但是，院校目前還有相當多型裝備及配套設備無法配套到位，無法開展相關的裝備實操課程，致使學員在校期間不能掌握重點裝備，參加工作后無法勝任本職崗位工作。另外，在實際的培訓過程中，各型裝備的操作過程對場地要求高（防爆、防潮、防火、防靜電），輔助設備多（電站、氣源、吊車、消防車）；同時，對教員技能和素質要求高，要精通專業，并且學員要按規章操作。頻繁的實操訓練會造成設備的磨損與消耗，同時，增加裝備及設備的維修頻率，降低其可靠性。

當前，高科技、高技術含量的新型裝備教學訓練，是裝備保障的主要任務，裝備實操培訓屬于技能培訓，需大量投入裝備器材供學員操作、拆裝、檢測、維修。新型裝備造價較高且其編配數量多、科技化程度高、結構復雜、訓練保障訓練工作量大，易造成裝備的二次損傷。由于裝備系統自動化程度高，結合實裝訓練局限性大，尤其是部分裝備一旦發生誤操作危險系數大，受裝備數量及裝備完好率等因素限制，院校難以在實裝基礎上開展大量裝備實訓，目前較為常用的輔助教學演示內容雖能直觀展示訓練過程但不能有效地與訓練任務相結合，沒有合適的訓練系統、平臺，影響到課程的教學和訓練。

1 虛擬現實技術介紹

虛擬現實技術作為計算機圖形學的創新應用之一，用戶可以通過計算機實現虛擬世界的創建和體驗，形成一種“人能沉浸其中、超越其上、進出自如、交互作用的多維信息空間”。計算機在完成這些交互作用的同時，可以根據用戶的操作給出實時響應并給出評價、考核結果。在諸如醫療業、軍工業、建筑業等多個領域，虛擬現實技術已經得到了大力的發展，被評價為一種具有強大綜合性的高新信息類技術［4］。

總體來說，虛擬現實技術發展至今可大致經歷了4 個發展階段，即蘊含階段、萌芽階段、初步形成階段及完善應用階段。最早的記載是1929年，Edward Link設計出用于訓練飛行員的模擬器。1972年，Nolan Bushell 開發出第一個交互式虛擬現實技術電子游戲。1987年，Jim Humphries 設計了雙目全方位監視器（BOOM）的最早原型。21 世紀以來，虛擬現實技術及相關產業、產品不斷發展創新，各種軟件開發平臺不斷涌現，其中，較有代表性的有Open Scene Graph、Multi?Gen Vega、Virtools等［5］。

2 虛擬現實技術的優點

總體來說，虛擬現實技術具沉浸性、交互性、多感知性、構想性、自主性5大優點。它允許用戶把自己想象成虛擬現實世界的一部分，而虛擬現實技術的沉浸感本質取決于用戶的感知系統，當用戶感知虛擬世界的刺激，包括觸覺、味覺、嗅覺、動體知覺等，將產生思維共鳴，導致心理沉浸，感覺仿佛進入了真實世界。交互性是指用戶在模擬環境中操作對象的能力和從環境中獲得反饋的自然性。用戶進入虛擬空間，相應的技術使用戶能夠與環境進行交互，當用戶做某事時，環境會做出反應。多元感知意味著計算機技術應該具有多種感官，如聽覺、觸覺、嗅覺等。理想的虛擬現實技術應該具有所有人都具有的感知功能。在虛擬空間中，使用者可以與周圍的物體進行交互，拓寬認知范圍，創造客觀世界不存在的場景或不可能的環境。例如，當受到推力時，物體會向力的方向移動、翻轉等。因此，將虛擬現實技術應用于裝備訓練、裝備保障具有以下優點［5］。

2.1 有利于裝備盡快形成戰斗力

基于虛擬現實技術的保障訓練教學系統的研發，可以滿足相關單位訓練和院校教學，特別適合裝備少而訓練任務重的院校和單位使用。系統的重復使用性可以提高受訓人員的操作熟練程度，大大縮短培訓時間，使裝備盡快形成戰斗力。

2.2 提高訓練效益和降低訓練費用

系統使裝備技術保障培訓教材的內容形象直觀，使學員更容易理解和接受，提高業務技能和培訓效率，也提高了部隊保障能力。同時，降低了裝備培訓對實際裝備的損耗，減少場地占用面積，大大降低了培訓費用。

2.3 安全訓練的重要手段

解決了實裝進行培訓場地要求高、輔助設備多、通常會造成裝備損壞和安全的問題。該系統的應用既不要求防爆、防潮、防火、防靜電的操作環境，也不需要專門配套電站、氣源、吊車、消防車；既不會因操作和裝備原因造成事故損失，又不會受到天氣、環境等因素的影響，是保證訓練安全的有效手段。

3 虛擬現實技術在裝備保障教學中的應用

虛擬現實的關鍵技術主要包括動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具、系統集成技術。

由于虛擬現實的立體感和真實感，人們可以利用計算機在地圖上編制山川地貌、海洋和湖泊的數據，并利用虛擬現實技術，將原來的平面地圖轉化為立體的地形圖，更有利于訓練，提高我國的綜合國力。常見的虛擬現實技術應用場景如圖1 所示，有以下幾部分內容。

圖1 典型虛擬現實技術應用場景

（1）基礎操作教學。根據學校實際需求，更好地讓學員通過本系統進行設備科目訓練，劃分為基礎操作教學、工具訓練教學、科目訓練教學、科目訓練考核4個主要的功能模塊。根據使用需求，對系統使用人員進行基礎操作教學訓練，包含3個主要的模塊，手柄移動操作、手柄射線選定和手柄交互操作。

（2）科目訓練教學模塊用于針對性科目訓練流程的教學，通過對實際情況模擬出的科目訓練教學流程的學習，使學員更清晰地了解該科目所涉及的設備及工具的使用情況。

（3）工具訓練教學用于訓練工具的使用。

（4）多類工具的使用、掌握多類工具的使用教學。科目訓練考核用于建立科目訓練流程的考核標準，通過直觀的打分系統來體現學員對所學科目流程的熟悉與掌握程度。

4 某裝備保障軟件開發

專業培訓往往要求更高的現實客觀條件和一定數量的財政支持，但也要求操作人員具有超高和高度熟練的專業技能和能力。現在，人們可以反復進行因危險程度高、實際操作條件不足、訓練難度系數極高等因素造成的限制性或接地性訓練，從而加深熟悉程度，降低風險。例如，現在無處不在的飛行員，使用高性能計算機、3D 圖形生成器、立體聲音和各種傳感器來模擬飛機在高空的實際飛行，它被處理、分析和傳輸到每個系統，生成一個實時的虛擬環境。此外，除了飛行模擬之外，虛擬現實也逐漸應用于外科手術、裝備操作等高度專業化的領域。在線制導系統設置在虛擬現實線索引導、提示消息等功能。對于那些不熟悉虛擬環境或設備、知識儲備有限的學生，如果他們自己難以完成任務，可以通過提示幫助他們成功完成任務，避免過早或過早地打擊他們的學習熱情。例如，在學習地質學中了解巖石成分的任務時，可以設置在界面上的“幫助”功能，當難以識別情況時，學生可以點擊“幫助”，界面上會顯示少量的關鍵詞或主題詞，以提示和幫助學生更好地理解，使學生能夠不斷地進行識別和區分，提高自己的知識水平。基于以上分析，結合某航空導彈裝備保障教學使用實際，開發出教學訓練軟件。軟件分為系統操作模塊和教學訓練模塊［6］。

如圖2所示，在系統操作模塊中，使用者在主界面可進行VR 操作示例演示、場景屬性調節、科目選擇等操作。在科目選擇后進入教學訓練子菜單。教學與訓練模式的區別是是否帶有操作提示。

圖2 系統操作模塊

如圖3所示，在教學訓練模塊中，系統根據操作者在科目操作選擇模塊中所選擇的場景模塊種類切換至相應界面。

圖3 教學訓練模塊

（1）當選擇裝備介紹場景后，將切換至裝備介紹模塊。在該模塊中所有虛擬裝備、設備、場景均以靜態模式顯示。使用者可利用手柄進行全場全景漫游，當漫游至某物品面前，可以點擊手柄彈出該物品的說明提示。

（2）當選擇教學場景后，將切換至教學模塊。在該模塊中，使用者根據實際操作流程進行裝備使用操作。利用手柄的漫游和動作鍵，可實現全場景的漫游及物品的抓、放、移等操作。在每一步操作后，系統以高亮顯示下一步需要操作的物體或移動位置，并在適當位置提示該步操作要領。在所有操作完畢后，系統自動給出整個操作使用流程的綜合評價，以表格的形式給出每一步的得分細節，幫助使用者改進操作技能。

（3）當選擇訓練場景后，將切換至訓練考核模塊。在該模塊中，裝備操作流程與教學場景一致但相應的說明提示被隱藏。可以看出，該軟件將復雜的實裝操作步驟分解成相對簡單的單項動作。結合虛擬現實技術，將使用者帶入一種身臨其境的感官體驗當中。一方面，激發了學習者的學習熱情，使其對枯燥的操作練習產生濃厚的學習興趣；另一方面，將每一個動作的重要性以分值的形式展現出來，使學習者在不知不覺中掌握了裝備操作的動作要領。因此說，該套教學訓練軟件不僅能達到實裝訓練的使用效果，更能幫助使用者達到教學、考評、演示等更多功能。

5 結語

以習近平主席關于國防和軍隊建設重要論述為指導，根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》以及《教育部辦公廳關于批準清華大學數字化制造系統虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知》，依托虛擬現實技術、三維成像技術、交互仿真技術，采用虛擬現實替代復雜實物，取代使用成本較高的操作實訓。依據以上指導思想，設計并建設的《某型裝備訓練系統技術準備軟件設計方案》，實現了逼真的裝備測試專業設備操作，所提取的關于裝備、設備和工具的模型，融入測試專業實操內容和流程，用于提高學員的實操能力和組訓能力，解決了訓練內容、時間和裝備數量之間的諸多矛盾，轉變了傳統教學培養模式，降低了實裝的損耗，豐富了教學內容，擴展了教學資源，提高了訓練效率和教學質量。