虚拟现实技术在地面火炮构造教学中的应用研究

时间：2024-08-31

韩超

（陆军工程大学，河北石家庄，050000）

0 引言

随着科技迅猛发展和国防现代化的需要，各种新型地面火炮不断装配部队，军校学员对装备的掌握程度直接影响了部队对装备的掌握程度，也间接影响着未来战争的胜负。然而，新式地面火炮技术含量和复杂程度越来越高，这给相关课程教学加大了难度，传统教学手段表现出极大的局限性。虚拟现实技术具有强大的表现力和形象性，作为一种新的教学手段，在提高地面火炮教学质量方面有着其它教育手段无法替代的优点[1,2]。

1 传统火炮装备教学缺陷

随着科学技术的迅猛发展，火炮装备科技含量和复杂程度越来越高，这给仍采用传统教育模式进行装备教学的军事院校带来了不小的挑战[3]，主要表现在以下两个方面：（1）以实装操作为主的教学模式，装备的数量难以保证，训练场地和环境也相当有限，教学效果不佳，造成学员使用装备不熟练，装备本身的技术性能打了折扣，严重影响部队的战斗力。（2）现代化火炮装备结构复杂，通过传统教学方式去教授各种故障的判断与排除变得异常困难，因为一些故障是可遇而不可求的，这就使得在有限的课时内掌握全部故障情况变得越发不现实，给教员和学员都带来了很大的挑战。不少故障的讲解都是以原理的角度出发，而讲原理又是繁琐、枯燥和乏味的，学员理解不了，易产生厌学情绪，极大影响了火炮装备的维修保障水平。

2 虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality,简称VR），即计算机模拟的三维环境。具体说就是采用计算机相关技术，生成特定范围内，集逼真的视听、触觉为一体的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境的对象进行交互作用、互相影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验[4]。虚拟现实技术具有3个最基本特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），即3I特征。它是对虚拟现实技术定义的定性阐述，也可作为一种重要标志，判断虚拟现实技术实现质量[5]。

沉浸性指所建立虚拟环境，应该让用户有置身其中的感觉，让用户觉得自己与虚拟环境已融为一体，而不仅仅是观看者。交互性是指人与计算机之间的交互方式更加自然，例如：行走、抓握等，不同于以往采用鼠标键盘等工具。想象性是指虚拟环境是由设计者结合实物再加上想象，从而所设计出来的，可以根据设计者的思想采用一些夸大的形式[6]。研究表明，人类对基于声音、图像等感官信息的理解能力要远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力，所以结合了虚拟现实技术的教学手段能极大改善教学效果，起到事半功倍的作用。

基于虚拟现实技术的火炮装备课程教学，可以突破实装操作在时间和空间上的限制，在可视化的虚拟现实操作环境中，实现逼真的火炮装备全方位展示。相比传统教学方法，基于虚拟现实的火炮装备课程教学存在以下诸多优点：（1）操作和维修训练可摆脱环境、时间等限制；（2）功能齐全，可包含所有分解结合、故障演示及维修等科目，避免了少见故障不易理解的现象；（3）虚拟操作和维修可一定程度降低教学成本；（4）学员和装备安全性较好。

从以上基于虚拟现实的火炮装备课程教学所存在的诸多优点可以看出，虚拟现实技术可有效解决传统火炮装备教学中出现的操作实践机会缺乏，故障及维修科目少等问题[7]。

3 虚拟现实教学训练系统模块设计

3.1 系统基本组成

虚拟现实教学系统设计是利用计算机技术，开发基于虚拟现实技术的人际交互式教学训练系统。该系统能够形象、直观地演示装备结构、原理及分解结合过程，同时能够复现各种使用过程中遇到的故障。能够指导学员针对故障现象开展故障维修训练，包括维修前准备、故障检测、原因分析、拆卸、换件或修复元件、安装、调试及检验等全部的实装维修活动[8]。

为了达到装备类课程教学的目标与要求，虚拟教学训练系统基本组成设计如下：

（1）训练内容。虚拟教学训练系统能够针对课程要求开展构造原理、操作使用、分解结合、检测调整与故障排除等方面的学习与训练。（2）训练模式。为了达到预期的教学目的和要求，采用多种训练方式，例如系统讲解演示，学员自主学习，引导训练与自主训练。在学习与训练过程中，被训人员可根据自己课程掌握情况调整训练内容，随时请求帮助，操作过程中存在误操作时，会有提示。（3）交互操作方式。被训人员在该系统上的操作如同在实际装备上一样，可开展与实际维修训练相关的科目，包括使用工具选择，零部件拆卸、更换、检测等。（4）考核功能。为了检测受训人员课程掌握情况，利用考核模块可以开展考核环节，并可生成测试报告。（5）软件管理。系统包含用户基本信息管理，考核信息存储、功能添加及使用教程等。

3.2 系统模块设计

根据上述训练内容、训练方式、操作方式和考核功能等组成来看，虚拟现实教学训练系统应该包括以下四个模块，如图1所示，并对以下模块进行描述。

图1 系统功能模块组成

（1）构造原理模块。该模块具有演示部件构造，各个分系统和整体的三维视图。在该模式下，可选择任意机构，系统会显示相应的三维视图、原理，配以对应文字，视频讲解等。

（2）分解结合模块。分解结合作为装备类课程教学重要环节，虚拟现实教学训练系统包含地面火炮所有机构零部件分解与结合的完整流程，可用来训练学员对各个机构的分解与结合。

（3）故障与排除模块。该模块可以演示各个机构部件的故障现象及排除流程。学员既可以通过此模块学习各个机构故障及排除方法，又可作为教员考核学员学习成果的手段。

（4）考核与强化模块。在此模块中，教员可自定义考核内容，系统会实时监控并记录考试人员整个操作流程。系统利用评价系统，自动生成考核报告，内容包括：完成操作用时，误操作记录及更正，分析统计误操作类型并给出改进意见。

3.3 虚拟现实教学训练系统实现

（1）问题识别

在建立模型之前，需要识别可进行虚拟现实模拟的对象。对地面火炮装备教学中的教学内容进行可行性分析。属于概念理解的内容则不需要虚拟现实教学，属于动手能力培养与实践教学环节的内容，则可运用虚拟现实技术建立虚拟现实教学训练系统[9]。虚拟现实教学训练系统是以应用层面与对象层面各种资源的仿真建模实现为核心，然而，系统、完善的建模需要以科学、合理的课程要求与目标为前提。因此虚拟现实教学训练系统的实现应该首先识别和获取以下数据：首先，深入分析装备的系统组成、大部构成及原理，针对各个子系统的特点，确定训练内容和要求。其次，根据教学要求和目标及对应装备的修理科目，进一步细化操作步骤和要求。对所有训练科目进行分类，形成立体化训练科目体系。最后，形成构造原理，分解结合，故障与排除和考核与强化四个大模块。

（2）仿真建模

建立系统中的仿真建模环节是开发基于虚拟现实技术的装备教学训练系统最重要的工作。仿真建模包括环境建模、装备虚拟样机建模、分解结合及维修设备与工具建模、故障建模和人机交互过程建模等。

环境建模。利用三维软件构建虚拟装备训练场所，做到与实际训练操作场所一致，包括装备教室，工具台等。

装备虚拟样机建模。虚拟样机建模是虚拟现实教学训练系统的基础，模型的好坏直接影响系统的沉浸性、交互性和想象性。

分解结合及维修设备与工具建模。分解结合及维修过程中所需的各种工具及检测设备的三维实体模型建模，并对每个工具及检测设备进行功能性描述，以备选用。

故障与排除模型。能够演示各种故障现象，以及故障设置及排除，并配有故障原因描述。

人机交互过程建模。对教学训练过程进行建模，赋予人与真实装备真实的交互行为特征，使得在虚拟教学训练系统上的操作与实装操相一致。

在虚拟检修环境应用中，人机交互是非常重要的一项技术。虚拟现实作为一种新型人机接口，在生成虚拟世界的同时，还可以为用户提供一种与虚拟世界通信的手段，在用户操作虚拟世界三维物体模型对象时，该对象可对用户的操作做出实时反应。虚拟现实为用户在生产中提供了丰富的人际交互方法，包括：音频系统、触觉系统和跟踪系统等[10]。

根据教学要求和目标，为受训人员提供实践平台，建立交互式虚拟现实教学训练环境。比如学习炮闩的动作和分解结合为例。运用3Dmax技术将实际炮闩的动作场景模拟成3D动画，根据实际动作过程，配置静态与动态物体。根据实际动作速度，配置动态器件的运动速度（考虑到一些过程速度过快，可等比例较小运动速度）。

（3）建立人机交互模块

当前人机交互的形式主要有两种，一是通过语言命令控制虚拟信息，二是通过人体动作对虚拟信息进行相关操作。对于人体动作的识别有基于传感器的识别和视觉识别两种形式。人体动作识别有手势识别和肢体识别两类。手势识别控制具有简单易操作的特点，通过识别手部的姿态信息，对系统输入不同的指令，从而完成对虚拟物体的相应操作。手势识别主要包括手部分割、手部跟踪、特征提取、分类识别四个步骤。

为虚拟现实教学训练系统配置人机交互界面是虚拟现实技术实现的关键问题。将训练科目与操作指令输入设备，让学员带上数字头盔和数字手套等虚拟现实设备后能够通过数字头盔观察场景，手势选择不同模块，并按照操作步骤和要求执行操作，具体组成及关系如图2所示。

（4）考核与强化建模

受训人员可借助立体眼镜在虚拟三维世界中观察、认知装备环境，让受训人员置身于实际操作环境中。考核与强化模块是受训人员提升操作水平，检验学习效果的一件利器。在考核环节中，教员可根据当前教学内容，从故障数据库中选择故障科目组成考题。学员则需要穿戴虚拟现实设备进行考试，考核评估系统会针对操作过程对学员操作进行打分及评估，最终以考核报告形式展现，报告中会显示在操作过程中出现的错误，操作熟练程度，以及一些错误可能会引发装备使用中所出现的问题甚至是事故，以增强记忆。报告中会提示考生需要强化的内容，比如，完成一项故障排除用时过长，则会被系统认定操作不熟练，同时，系统会提示需要复习的内容。

图2 虚拟教学训练系统交互技术示意图