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虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地面火炮構(gòu)造教學(xué)中的應(yīng)用研究

2018-11-08 03:09韓超
電子測試 2018年21期
關(guān)鍵詞:火炮虛擬現(xiàn)實(shí)裝備

韓超

(陸軍工程大學(xué),河北石家莊,050000)

0 引言

隨著科技迅猛發(fā)展和國防現(xiàn)代化的需要,各種新型地面火炮不斷裝配部隊(duì),軍校學(xué)員對裝備的掌握程度直接影響了部隊(duì)對裝備的掌握程度,也間接影響著未來戰(zhàn)爭的勝負(fù)。然而,新式地面火炮技術(shù)含量和復(fù)雜程度越來越高,這給相關(guān)課程教學(xué)加大了難度,傳統(tǒng)教學(xué)手段表現(xiàn)出極大的局限性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有強(qiáng)大的表現(xiàn)力和形象性,作為一種新的教學(xué)手段,在提高地面火炮教學(xué)質(zhì)量方面有著其它教育手段無法替代的優(yōu)點(diǎn)[1,2]。

1 傳統(tǒng)火炮裝備教學(xué)缺陷

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,火炮裝備科技含量和復(fù)雜程度越來越高,這給仍采用傳統(tǒng)教育模式進(jìn)行裝備教學(xué)的軍事院校帶來了不小的挑戰(zhàn)[3],主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)以實(shí)裝操作為主的教學(xué)模式,裝備的數(shù)量難以保證,訓(xùn)練場地和環(huán)境也相當(dāng)有限,教學(xué)效果不佳,造成學(xué)員使用裝備不熟練,裝備本身的技術(shù)性能打了折扣,嚴(yán)重影響部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。(2)現(xiàn)代化火炮裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過傳統(tǒng)教學(xué)方式去教授各種故障的判斷與排除變得異常困難,因?yàn)橐恍┕收鲜强捎龆豢汕蟮?,這就使得在有限的課時(shí)內(nèi)掌握全部故障情況變得越發(fā)不現(xiàn)實(shí),給教員和學(xué)員都帶來了很大的挑戰(zhàn)。不少故障的講解都是以原理的角度出發(fā),而講原理又是繁瑣、枯燥和乏味的,學(xué)員理解不了,易產(chǎn)生厭學(xué)情緒,極大影響了火炮裝備的維修保障水平。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,簡稱VR),即計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境。具體說就是采用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù),生成特定范圍內(nèi),集逼真的視聽、觸覺為一體的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境的對象進(jìn)行交互作用、互相影響,從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3個(gè)最基本特征:沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination),即3I特征。它是對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義的定性闡述,也可作為一種重要標(biāo)志,判斷虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量[5]。

沉浸性指所建立虛擬環(huán)境,應(yīng)該讓用戶有置身其中的感覺,讓用戶覺得自己與虛擬環(huán)境已融為一體,而不僅僅是觀看者。交互性是指人與計(jì)算機(jī)之間的交互方式更加自然,例如:行走、抓握等,不同于以往采用鼠標(biāo)鍵盤等工具。想象性是指虛擬環(huán)境是由設(shè)計(jì)者結(jié)合實(shí)物再加上想象,從而所設(shè)計(jì)出來的,可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的思想采用一些夸大的形式[6]。研究表明,人類對基于聲音、圖像等感官信息的理解能力要遠(yuǎn)大于對數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力,所以結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)手段能極大改善教學(xué)效果,起到事半功倍的作用。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的火炮裝備課程教學(xué),可以突破實(shí)裝操作在時(shí)間和空間上的限制,在可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)操作環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)逼真的火炮裝備全方位展示。相比傳統(tǒng)教學(xué)方法,基于虛擬現(xiàn)實(shí)的火炮裝備課程教學(xué)存在以下諸多優(yōu)點(diǎn):(1)操作和維修訓(xùn)練可擺脫環(huán)境、時(shí)間等限制;(2)功能齊全,可包含所有分解結(jié)合、故障演示及維修等科目,避免了少見故障不易理解的現(xiàn)象;(3)虛擬操作和維修可一定程度降低教學(xué)成本;(4)學(xué)員和裝備安全性較好。

從以上基于虛擬現(xiàn)實(shí)的火炮裝備課程教學(xué)所存在的諸多優(yōu)點(diǎn)可以看出,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)火炮裝備教學(xué)中出現(xiàn)的操作實(shí)踐機(jī)會(huì)缺乏,故障及維修科目少等問題[7]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)基本組成

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人際交互式教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠形象、直觀地演示裝備結(jié)構(gòu)、原理及分解結(jié)合過程,同時(shí)能夠復(fù)現(xiàn)各種使用過程中遇到的故障。能夠指導(dǎo)學(xué)員針對故障現(xiàn)象開展故障維修訓(xùn)練,包括維修前準(zhǔn)備、故障檢測、原因分析、拆卸、換件或修復(fù)元件、安裝、調(diào)試及檢驗(yàn)等全部的實(shí)裝維修活動(dòng)[8]。

為了達(dá)到裝備類課程教學(xué)的目標(biāo)與要求,虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)基本組成設(shè)計(jì)如下:

(1)訓(xùn)練內(nèi)容。虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠針對課程要求開展構(gòu)造原理、操作使用、分解結(jié)合、檢測調(diào)整與故障排除等方面的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。(2)訓(xùn)練模式。為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的和要求,采用多種訓(xùn)練方式,例如系統(tǒng)講解演示,學(xué)員自主學(xué)習(xí),引導(dǎo)訓(xùn)練與自主訓(xùn)練。在學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程中,被訓(xùn)人員可根據(jù)自己課程掌握情況調(diào)整訓(xùn)練內(nèi)容,隨時(shí)請求幫助,操作過程中存在誤操作時(shí),會(huì)有提示。(3)交互操作方式。被訓(xùn)人員在該系統(tǒng)上的操作如同在實(shí)際裝備上一樣,可開展與實(shí)際維修訓(xùn)練相關(guān)的科目,包括使用工具選擇,零部件拆卸、更換、檢測等。(4)考核功能。為了檢測受訓(xùn)人員課程掌握情況,利用考核模塊可以開展考核環(huán)節(jié),并可生成測試報(bào)告。(5)軟件管理。系統(tǒng)包含用戶基本信息管理,考核信息存儲(chǔ)、功能添加及使用教程等。

3.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)上述訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練方式、操作方式和考核功能等組成來看,虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)該包括以下四個(gè)模塊,如圖1所示,并對以下模塊進(jìn)行描述。

圖1 系統(tǒng)功能模塊組成

(1)構(gòu)造原理模塊。該模塊具有演示部件構(gòu)造,各個(gè)分系統(tǒng)和整體的三維視圖。在該模式下,可選擇任意機(jī)構(gòu),系統(tǒng)會(huì)顯示相應(yīng)的三維視圖、原理,配以對應(yīng)文字,視頻講解等。

(2)分解結(jié)合模塊。分解結(jié)合作為裝備類課程教學(xué)重要環(huán)節(jié),虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)包含地面火炮所有機(jī)構(gòu)零部件分解與結(jié)合的完整流程,可用來訓(xùn)練學(xué)員對各個(gè)機(jī)構(gòu)的分解與結(jié)合。

(3)故障與排除模塊。該模塊可以演示各個(gè)機(jī)構(gòu)部件的故障現(xiàn)象及排除流程。學(xué)員既可以通過此模塊學(xué)習(xí)各個(gè)機(jī)構(gòu)故障及排除方法,又可作為教員考核學(xué)員學(xué)習(xí)成果的手段。

(4)考核與強(qiáng)化模塊。在此模塊中,教員可自定義考核內(nèi)容,系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄考試人員整個(gè)操作流程。系統(tǒng)利用評價(jià)系統(tǒng),自動(dòng)生成考核報(bào)告,內(nèi)容包括:完成操作用時(shí),誤操作記錄及更正,分析統(tǒng)計(jì)誤操作類型并給出改進(jìn)意見。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)問題識別

在建立模型之前,需要識別可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的對象。對地面火炮裝備教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行可行性分析。屬于概念理解的內(nèi)容則不需要虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué),屬于動(dòng)手能力培養(yǎng)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容,則可運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)[9]。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)是以應(yīng)用層面與對象層面各種資源的仿真建模實(shí)現(xiàn)為核心,然而,系統(tǒng)、完善的建模需要以科學(xué)、合理的課程要求與目標(biāo)為前提。因此虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該首先識別和獲取以下數(shù)據(jù):首先,深入分析裝備的系統(tǒng)組成、大部構(gòu)成及原理,針對各個(gè)子系統(tǒng)的特點(diǎn),確定訓(xùn)練內(nèi)容和要求。其次,根據(jù)教學(xué)要求和目標(biāo)及對應(yīng)裝備的修理科目,進(jìn)一步細(xì)化操作步驟和要求。對所有訓(xùn)練科目進(jìn)行分類,形成立體化訓(xùn)練科目體系。最后,形成構(gòu)造原理,分解結(jié)合,故障與排除和考核與強(qiáng)化四個(gè)大模塊。

(2)仿真建模

建立系統(tǒng)中的仿真建模環(huán)節(jié)是開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝備教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)最重要的工作。仿真建模包括環(huán)境建模、裝備虛擬樣機(jī)建模、分解結(jié)合及維修設(shè)備與工具建模、故障建模和人機(jī)交互過程建模等。

環(huán)境建模。利用三維軟件構(gòu)建虛擬裝備訓(xùn)練場所,做到與實(shí)際訓(xùn)練操作場所一致,包括裝備教室,工具臺等。

裝備虛擬樣機(jī)建模。虛擬樣機(jī)建模是虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ),模型的好壞直接影響系統(tǒng)的沉浸性、交互性和想象性。

分解結(jié)合及維修設(shè)備與工具建模。分解結(jié)合及維修過程中所需的各種工具及檢測設(shè)備的三維實(shí)體模型建模,并對每個(gè)工具及檢測設(shè)備進(jìn)行功能性描述,以備選用。

故障與排除模型。能夠演示各種故障現(xiàn)象,以及故障設(shè)置及排除,并配有故障原因描述。

人機(jī)交互過程建模。對教學(xué)訓(xùn)練過程進(jìn)行建模,賦予人與真實(shí)裝備真實(shí)的交互行為特征,使得在虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)上的操作與實(shí)裝操相一致。

在虛擬檢修環(huán)境應(yīng)用中,人機(jī)交互是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新型人機(jī)接口,在生成虛擬世界的同時(shí),還可以為用戶提供一種與虛擬世界通信的手段,在用戶操作虛擬世界三維物體模型對象時(shí),該對象可對用戶的操作做出實(shí)時(shí)反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)為用戶在生產(chǎn)中提供了豐富的人際交互方法,包括:音頻系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)等[10]。

根據(jù)教學(xué)要求和目標(biāo),為受訓(xùn)人員提供實(shí)踐平臺,建立交互式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境。比如學(xué)習(xí)炮閂的動(dòng)作和分解結(jié)合為例。運(yùn)用3Dmax技術(shù)將實(shí)際炮閂的動(dòng)作場景模擬成3D動(dòng)畫,根據(jù)實(shí)際動(dòng)作過程,配置靜態(tài)與動(dòng)態(tài)物體。根據(jù)實(shí)際動(dòng)作速度,配置動(dòng)態(tài)器件的運(yùn)動(dòng)速度(考慮到一些過程速度過快,可等比例較小運(yùn)動(dòng)速度)。

(3)建立人機(jī)交互模塊

當(dāng)前人機(jī)交互的形式主要有兩種,一是通過語言命令控制虛擬信息,二是通過人體動(dòng)作對虛擬信息進(jìn)行相關(guān)操作。對于人體動(dòng)作的識別有基于傳感器的識別和視覺識別兩種形式。人體動(dòng)作識別有手勢識別和肢體識別兩類。手勢識別控制具有簡單易操作的特點(diǎn),通過識別手部的姿態(tài)信息,對系統(tǒng)輸入不同的指令,從而完成對虛擬物體的相應(yīng)操作。手勢識別主要包括手部分割、手部跟蹤、特征提取、分類識別四個(gè)步驟。

為虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)配置人機(jī)交互界面是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題。將訓(xùn)練科目與操作指令輸入設(shè)備,讓學(xué)員帶上數(shù)字頭盔和數(shù)字手套等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備后能夠通過數(shù)字頭盔觀察場景,手勢選擇不同模塊,并按照操作步驟和要求執(zhí)行操作,具體組成及關(guān)系如圖2所示。

(4)考核與強(qiáng)化建模

受訓(xùn)人員可借助立體眼鏡在虛擬三維世界中觀察、認(rèn)知裝備環(huán)境,讓受訓(xùn)人員置身于實(shí)際操作環(huán)境中。考核與強(qiáng)化模塊是受訓(xùn)人員提升操作水平,檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的一件利器。在考核環(huán)節(jié)中,教員可根據(jù)當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容,從故障數(shù)據(jù)庫中選擇故障科目組成考題。學(xué)員則需要穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行考試,考核評估系統(tǒng)會(huì)針對操作過程對學(xué)員操作進(jìn)行打分及評估,最終以考核報(bào)告形式展現(xiàn),報(bào)告中會(huì)顯示在操作過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤,操作熟練程度,以及一些錯(cuò)誤可能會(huì)引發(fā)裝備使用中所出現(xiàn)的問題甚至是事故,以增強(qiáng)記憶。報(bào)告中會(huì)提示考生需要強(qiáng)化的內(nèi)容,比如,完成一項(xiàng)故障排除用時(shí)過長,則會(huì)被系統(tǒng)認(rèn)定操作不熟練,同時(shí),系統(tǒng)會(huì)提示需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容。

圖2 虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)交互技術(shù)示意圖

4 結(jié)論

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng),可有效解決當(dāng)前地面火炮裝備教學(xué)中存在的種種問題,提高了裝備教學(xué)效果,有效解決了地面火炮構(gòu)造類課程教學(xué)訓(xùn)練操作中條件有限,故障不易復(fù)現(xiàn)等關(guān)鍵難題,最大程度滿足了軍事院校裝備教學(xué)的需求。

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