劉桂峰 伍 潔

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院1） 武漢 430033）（海軍工程大學(xué)管理工程系2） 武漢 430033）

1 引言

利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，采取先進(jìn)訓(xùn)練方法，是推進(jìn)軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)變的重要內(nèi)容，也是提高信息化條件下作戰(zhàn)能力的有效途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）已發(fā)展成為涉及眾多學(xué)科的高新實(shí)用技術(shù)之一，并在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。虛擬維修是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來的一個重要研究方向，也是海軍當(dāng)前裝備維修訓(xùn)練的重要方法。結(jié)合部隊(duì)實(shí)際裝備積極開展模擬訓(xùn)練，對于提高訓(xùn)練質(zhì)量、縮短試驗(yàn)、研制和訓(xùn)練周期、降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)、減少訓(xùn)練消耗具有重要意義，并在各級指揮訓(xùn)練、武器裝備操作訓(xùn)練和部隊(duì)實(shí)兵對抗演練中得到廣泛應(yīng)用[2～4]。

2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從海軍裝備的信息化建設(shè)出發(fā)，以適應(yīng)信息化條件下裝備維修發(fā)展趨勢為目標(biāo)，具體應(yīng)考慮以下幾方面的需求：1）信息化條件下裝備維修保障需求；2）現(xiàn)代武器裝備對人員維修能力與效率的需求；3）資源與信息共享的需求；4）裝備維修決策的需求；5）實(shí)際過程中維修流程仿真與優(yōu)化的需求。

2.2 開發(fā)平臺選擇

某艦?zāi)逞b置虛擬維修系統(tǒng)，以Vega Prime交互式、實(shí)時可視化仿真應(yīng)用軟件為仿真開發(fā)平臺，以VC＋＋為開發(fā)語言，以Creator為三維實(shí)體建模軟件，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL＿SERVER，設(shè)計(jì)為基于組播方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际较到y(tǒng)，系統(tǒng)既可以獨(dú)立單機(jī)使用，又能作為網(wǎng)絡(luò)版進(jìn)行批量培訓(xùn)和遠(yuǎn)程維修支援使用[5]。

Vegaprime是MPI公司開發(fā)的用于開發(fā)交互式、可視化仿真應(yīng)用的軟件平臺和工具集，它最基本的功能是驅(qū)動、控制、管理虛擬場景并能夠方便地實(shí)現(xiàn)大量特殊視覺和聲音效果，它還提供了多種方便實(shí)用的可視化編輯設(shè)置工具。具有易用性、高效性、集成性、可擴(kuò)展性、跨平臺性等特點(diǎn)。由于Vega Prime大幅度減少了源代碼的編寫，使軟件的維護(hù)和實(shí)時性能的優(yōu)化變得更容易，大大提高了開發(fā)效率[6]。

MultiGen Creator是 Multigen－Paradigm公司專門針對可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)推出的一個功能強(qiáng)大、交互的實(shí)時可視化三維建模軟件系統(tǒng)[7]，可以在它所提供的“所見即所得”建模環(huán)境中建立我們所期望的、優(yōu)化的三維模型。Creator是目前模型建立和控制效果較好的軟件，Creator是精確產(chǎn)品建模，可以直接用于模具生產(chǎn)，能夠滿足艦船裝備建模尺寸精確的要求。

2.3 系統(tǒng)總體框架

在滿足系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，針對該裝置的特點(diǎn)和部隊(duì)使用需求，在綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求和工程需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出某裝置虛擬維修系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

受訓(xùn)人員通過人機(jī)交互環(huán)境與虛擬環(huán)境交互，數(shù)據(jù)庫中的信息在由硬件平臺、系統(tǒng)平臺、軟件平臺構(gòu)成的支持平臺導(dǎo)入虛擬環(huán)境，或直接由Vega軟件編程導(dǎo)入虛擬環(huán)境。受訓(xùn)人員的受訓(xùn)記錄和信息也可通過虛擬環(huán)境或者支持平臺完善補(bǔ)充到數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員共享數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)實(shí)時仿真應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

圖2 減搖鰭裝置虛擬維修系統(tǒng)實(shí)時仿真應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

減搖鰭裝置虛擬維修系統(tǒng)的實(shí)時仿真應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)思想是在收集減搖鰭裝置故障信息、維修信息等應(yīng)用環(huán)境數(shù)據(jù)[8]的基礎(chǔ)上，通過驅(qū)動設(shè)備（計(jì)算機(jī)技術(shù)），以Creator和Lynx軟件為支持工具，將編輯的數(shù)據(jù)、ADF 文 件 和FLT文件導(dǎo)入Vega應(yīng)用程序，最后生成減搖鰭裝置虛擬維修實(shí)時應(yīng)用程序，如圖2所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 實(shí)體建模

在開發(fā)虛擬系統(tǒng)之前，首先要創(chuàng)建裝置的實(shí)體模型，由于裝置的實(shí)體模型由諸多零件組成，為了方便后期編輯程序能夠精確快捷的操控所要拆卸的元件，采用整體創(chuàng)建，分步導(dǎo)入的方式進(jìn)行。

充分利用Creator的OpenFlight數(shù)據(jù)層級結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在創(chuàng)建時裝置模型即以“jyq”命名的組節(jié)點(diǎn)，并作為父節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建代表各個元件的組節(jié)點(diǎn)（組節(jié)點(diǎn)為CREATOR默認(rèn)的最高級的節(jié)點(diǎn)形式，其下可創(chuàng)建同級的組節(jié)點(diǎn)或是較低級的節(jié)點(diǎn)模式如體節(jié)點(diǎn)、面節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)節(jié)點(diǎn)等）。在創(chuàng)建模型時，以相應(yīng)零件的組節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，并在二維平面視圖上參照設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求畫出模型的側(cè)向剖視圖（Creator提供高精度的三維坐標(biāo)平面，可精確把握實(shí)體尺寸），然后繞其軸車削出多個閉合的片面來構(gòu)成其圓柱體結(jié)構(gòu)的表面。按此方法一次創(chuàng)建構(gòu)成減揺鰭的元件模型。

在Creator層級視圖中，不同級別的節(jié)點(diǎn)記錄著相應(yīng)模型的結(jié)構(gòu)信息[10]，如“jyq”組節(jié)點(diǎn)下包含構(gòu)成缸體的各個零件組節(jié)點(diǎn)，零件組節(jié)點(diǎn)下包含構(gòu)成該零件的各個三維實(shí)體的體節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)的體節(jié)點(diǎn)下則包含組成立體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面，并均以節(jié)點(diǎn)的形式記錄在層級視圖中。

完成各個零件實(shí)體的建模后應(yīng)對實(shí)體本身賦予相應(yīng)的紋理材質(zhì)信息，以達(dá)到仿真的視覺效果。

4.2 配置ADF文件

在完成實(shí)體的模型建立后，還要將模型導(dǎo)入到VEGA的Lynx中配置ADF文件，這樣可以大幅減少源代碼的編寫。Lynx配置ADF文件流程如圖3所示。

圖3 配置ADF文件流程圖

首先將各零件的FLT文件導(dǎo)入到Lynx中，并在Object模塊中依次對導(dǎo)入的實(shí)體進(jìn)行命名；隨后在Scenes模塊中加入所有已經(jīng)命名好的Object實(shí)體；然后在Scene（場景）選項(xiàng)框中依次將所創(chuàng)建的實(shí)體模型名稱項(xiàng)添加到選項(xiàng)框中，這樣Lynx就會完成虛擬場景的創(chuàng)建；然后開始通過調(diào)整vgMotionMode類模塊中的參數(shù)來設(shè)定一個運(yùn)動模式；最后為了實(shí)現(xiàn)減揺鰭零件實(shí)體能夠響應(yīng)用戶指令在虛擬場景中運(yùn)動，在vgPlayers模塊中創(chuàng)建相應(yīng)的運(yùn)動角色對象并分別綁定相對應(yīng)的零件實(shí)體模型，這樣每個零件實(shí)體模型就都被賦予了動態(tài)的運(yùn)動角色對象，導(dǎo)出ADF文件后就完成了虛擬拆卸系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備工作。

4.3 仿真模型的驅(qū)動

Vega API函數(shù)庫為用戶提供了一整套方便實(shí)用的仿真應(yīng)用程序接口，用戶可以在C＋＋平臺上編寫相應(yīng)的控制代碼，通過編譯和鏈接后就可實(shí)現(xiàn)對虛擬場景的交互性控制。在完成了Lynx配置底層文件后，系統(tǒng)會生成一個＊adf文件，整個VEGA程序代碼都是圍繞這個ADF文件編寫的。VEGA程序流程如圖4所示。

從流程圖可以看出，VEGA應(yīng)用程序可分為以下幾個基本步驟：

1）調(diào)用vgInitSys（）函數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

2）創(chuàng)建仿真應(yīng)用所需的各種VEGA類實(shí)例，通過調(diào)用vgDefineSys（）函數(shù)讀取事先定義好的某裝置ADF文件；

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)流程圖

3）調(diào)用vgConfigSys（）函數(shù)完成系統(tǒng)配置；

4）調(diào)用vgSynFrame（）函數(shù)進(jìn)行當(dāng)前幀的應(yīng)用進(jìn)程同步處理，即保證應(yīng)用進(jìn)程與給定的幀頻率同步；

5）調(diào)用vgFrame（）函數(shù)完成當(dāng)前幀的剔除和繪制進(jìn)程及其相關(guān)處理；

vgSyncFrame（）函數(shù)和vgFrame（）函數(shù)一起決定了VEGA進(jìn)程能夠與設(shè)定的幀頻率保持同步，從而能夠保證渲染出流暢的動態(tài)虛擬仿真畫面，再加入相應(yīng)的交互式控制代碼就可以完成各種復(fù)雜的仿真應(yīng)用。

下面是VEGA編程的總框架：

5 結(jié)語

本文在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用Creator建立三維模形，以Vega Prime為開發(fā)平臺，Visual C＋＋為開發(fā)語言，建立了一種可控制的交互式實(shí)時虛擬維修系統(tǒng)，并在海軍某型艦艇的減搖鰭裝置的虛擬維修系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提供生動、逼真的虛擬維修效果，并在實(shí)際訓(xùn)練中縮短訓(xùn)練周期，提高訓(xùn)練質(zhì)量和效果。

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