马志宏

摘要：为优化射击训练系统的成本消耗和安全程度，运用VR技术对射击训练系统进行设计研究。基于Unity3D引擎和HTCvive虚拟现实技术设计虚拟现实射击训练系统，为VR交互设计提供参考。

关键词：交互设计;虚拟现实;射击训练

近年，虚拟现实技术快速发展，利用计算机技术构建虚拟场景，用户通过VR设备在场景中的进行交互，有高仿真性，高沉浸感。为了提高士兵新兵枪械的射击训练效果，降低射击训练的安全隐患和训练成本，打破传统射击训练对场地要求高、审批复杂、枪械保养工作量大的不足，本文致力于开发基于Unity 3D引擎和HTC vive虚拟现实解决方案下的虚拟现实射击训练系统的解决方案。

一、射击训练现状

1、射击训练

枪作为士兵的第二生命，守护着士兵和国家的安全。正确持枪是射击训练的基础，是否能够正确持枪直接决定射击的准确程度。平稳的持枪状态、四点一线的瞄准方式，是提高射击训练效果的必要因素。现有的射击训练系统往往侧重于获取弹着点位置，进行准确报靶，相对不太重视持枪动作的判定。而传统的射击训练完全依赖于教练的射击经验，主观性强，作为射击训练人员只是机械的按照教练所要求的方式调整设计姿态，很难完全理解其中的缘由。

2、射击训练现存问题

（1）过程繁琐

目前新兵射击训练主要分为瞄准和实弹射击两个部分，传统的瞄准训练需要士兵瞄准——教练一一检验，过程繁琐耗时长，教练的工作量巨大。

（2）安全问题

在实弹射击环节，虽然击发只是射击训练最后的一环，但因枪支无意击发走火所带来的安全问题一直以一定的概率威胁着训练的安全性。

（2）成本消耗大

由于安全因素的考量，每次的射擊前准备检查工作、设计过程中安全员、救护员、警戒人员的全员戒备和射击后的清点统计都需要耗费大量的人力财力，急需解决安全以及训练成本的问题。

虚拟现实技术因其拥有高沉浸体验已经在教育、军事等其他领域产生颠覆性的体验和学习流程。如果将虚拟现实系统应用于射击训练，完全可以杜绝安全问题。同时后台监督和数据统计分析功能可以大幅提高训练成效、缩短训练时长、提升我军专业技能。

二、虚拟现实技术

1、虚拟现实技术应用

从上世纪 40 年代开始，虚拟现实技术的出现，直至如今，虚拟现实交互技术的主要应用领域仍然是模拟训练。后来由于计算能力的限制，虚拟现实技术沉寂了很多年。2014 年开始，随着计算机技术的突飞猛进，虚拟现实技术开始走向民用市场。

2000 年我国解放军某研究所研制了第一套声电定位自动报靶系统。这套自动报靶系统可以根据声音的爆炸波来判断确定弹着点的位置。南京师范大学的物理系梁忠诚教授团队运用激光技术进行发射设备的设计和光电感应靶的信息接收设计，实现模拟射击过程，判断弹着点和损伤程度，在实际的射击训练中有较好的训练表现，对射击训练系统的设计有极高的价值。虚拟现实射击训练目前在模拟实战的环境中有比较集中的应用和开发，虚拟现实的高沉浸特性得以充分应用。“纱窗效应”等基础技术难题还没有得到根本解决，基础射击训练在应用过程中还有一些问题。

2、虚拟现实交互设计设计要素

（1）对相关交互技术的充分掌握和应用。虚拟现实交互设计属于交叉学科，需要对多学科的理论和技术有充分的掌握和应用。不同的学科背景知识聚集会形成相乘的效果，从而让虚拟现实交互设计的实施成为可能。

（2）交互方式和交互逻辑。虚拟现实交互的核心在于交互方式和交互逻辑的建立。自从虚拟现实技术被发现时开始，几十年来人们一直在研究如何在虚拟世界进行交流和沟通。从传统意义上的键鼠到手柄，到体感设备，到可穿戴衣物，到脑电波头套，人们一直在探讨何种方式的交互更有效，更自然。不同的交互方式需要对应的交互逻辑来支撑。键鼠将人们的打开关闭转化为点击动作，体感设备将人们的互动形式转化为简单的挥动，交互逻辑的构建起着决定性作用。

（3）交互界面设计。虚拟现实世界同样需要界面设计，但是不完全等同于传统的页面交互。虚拟世界是一个理想空间，可以任意的排布界面和信息，同时虚拟世界也不是无法之地，受限于人体运动规律和人机尺寸以及人的固有认知，虚拟世界的界面设计一方面需要考虑人机关系，另一方面还需要考虑用户的接受度，甚至还需要考虑设备的承载能力、技术指标。

（4）实体设计，包括功能、形态、结构等。虚拟现实交互设计的主要内容之一就是交互设备的设计。交互设备首先是以实体的形式出现的，同时功能的实现又针对的是虚拟世界的交互内容。同传统产品设计不同，虚拟现实交互设备的使用环境和目标场景是真实和虚拟两个不同的空间。虚拟现实交互设备作为联通虚拟世界和真实世界的桥梁，一方面让用户进入虚拟世界，另一方面在真实世界给予用户虚拟世界的反馈。所以虚拟现实交互设备的设计是满足两个使用环境的整合型设备。

三、基于VR技术的射击训练交互设计

1、设计要素

原始阶段的射击训练系统一般为电子化的靶纸设计。通过电子靶获取弹着点，相比报靶员报靶更为及时有效，同时也降低了安全风险。但是电子靶往往存在电路易损坏、线路架设工作量大等弊端，训练易被中断，体验效果不是很好。室内多媒体靶场一般会借助幕布投影的形式来缩减靶场实际空间距离，使得相同单位面积的空间可以容纳更多参训人员训练;同时室内多媒体射击训练系统解决了自然条件的限制，保证了射击训练任务可以如期完成。

虚拟现实射击训练系统不仅仅拥有室内多媒体靶场的优势摒除了自然环境条件的影响，同时也规避了室内多媒体靶场的不足。虚拟现实射击训练系统大幅压缩了训练需求空间，虚拟现实技术的立体显示头显设备却可以完全还原真实靶场的物理大小，带来更好的沉浸感。从射击要素的训练上来说，虚拟现实射击训练系统不光只是提示报靶信息，还会从握持、射击姿态等要素上进行规范和提示。

2、开发工具

常用的虚拟现实引擎有 Unity 3D、UE4、VRP、Virtools 等，这些引擎都有各自的优缺点，适用于不同情况的虚拟现实开发。Unity 3D 是目前在虚拟现实以及游戏领域市场份额最高的开发工具，相比其他的虚拟现实引擎，它有着学习成本低、功能完善、综合画质优秀、跨平台可同步开发、价格相对平易近人的特点。各拟现实制作软件中，Unity3D 拥有嵌套多种开发语言的功能和特点，使得其在虚拟现实项目上得到了认可。Unity 3D 具有强大的交互功能设计模块，本身自带的 UGUI 系统方便用户快速架构交互原型。模型方面接口全面，支持市面上主流的常用模型软件，如 3Ds Max、Maya、Cinema4D、Modo 等软件输出的 fbx 或者 obj 格式。采用 C#，JavaScript 为主要编程语言，并拥有 PlayMaker 可视化编程插件。灯光系统性能优良，实时渲染画质优越，并自带烘焙工具，方便虚拟场景整合。

目前常见的虚拟现实解决方案主要有 HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR、三星 Gear VR 等。其中 HTC Vive、Oculus Rift 主要针对桌面级系统，Oculus Rift 主要为坐姿体验虚拟现实工具。PlayStation VR 主要为针对索尼自家的 PlayStation 而开发的虚拟现实工具，三星 Gear VR 主要是针对三星的手机而做的虚拟现实头显设备。

3、设计过程

（1）初始环境场景建立

初始环境为用户带上虚拟现实头戴显示设备看到的第一个场景，也有可能是用户第一次体验虚拟现实环境。为了让用户尽快适应虚拟现实环境，弱化虚拟环境与现实环境的差距尤为重要。

（2）训练大厅场景建立

训练大厅的功能为让用户做出射击场景选择和对射击细节功能进行设置。训练大厅的环境参考军事训练大厅的图片信息进行三维重建，从功能上来说，一方面继续让用户过渡到一个相对熟悉的场景，另一方面避免用户从小空间突然转化到户外开阔空间带来的不适感。

（3）打靶场场景建立

打靶场依据真实打靶场的大小以及配置，从地图中选择一块合适的地域，通过Unity 3D 加载对应地域的高程图，使用 Unity 3D 的地形系统对地面进行整平操作，导入添加由 3Ds Max 制作的壕沟、靶位、安全坝等模型，完成打靶场模型搭建。

（4）交互界面设计

①新手引导界面设计

依据初始环境交互设计使用流程，将界面分为初始界面、介绍界面、握持器激光/水平仪功能认知提示界面、握持器功能键认知提示界面、握持器扳机键认知提示界面、虚拟空间认知提示界面、退出新手教程提示界面以及警告界面。

②训练大厅界面设计

通过对训练大厅功能的分析，训练大厅主要完成的工作有四部分，首先是射击武器的选择，其次是射击场的选择，再次是模拟环境的设置，最后是开始训练按键。我们将用户界面使用距离分隔为三个主要部分，左边为枪械选择功能。为了让用户更直观的选择自己要使用的枪械，我们使用枪械的剪影造型结合枪械图片、枪械文字说明辅助用户选择。由于枪械较多，将目前选择枪支以实物显示并增加它的图片占用空间，可以让用户更直观的知道当前选择枪械种类。右侧为场景具体环境设置功能，如果需要进行 200 米以上的特殊射击训练，需要对温度、风速、风向等参数进行设置。中间一栏上侧为可选的几种靶场类型，用户可以选择不同的训练科目，选择好后按下中间下部的开始训练按钮，开始射击训练。

③打靶场界面设计

打靶场的交互界面功能主要有：报靶界面显示;环数显示;总成绩显示;剩余弹药量提示;成绩分析界面显示;弹药补充功能;水平仪关闭打开功能;返回训练大厅功能以及退出训练功能。通过对上述功能分析梳理，打靶场的主要交互界面功能大致分为两部分，一部分为需要时时关注的功能，包括报靶界面显示;环数显示;总成绩显示;剩余弹药量提示。另一部分为阶段性观察和使用的界面及按键，包括成绩分析界面显示;弹药补充功能;水平仪关闭打开功能;返回训练大厅功能以及退出训练功能。

（5）握持器设计与实现

握持器分为两大部分，首先是握持器主体，其次是扳机键及功能键状态接收部件。握持器主体有两个功能，一是扳机以及功能键模块，二是枪身状态传感模块。

握持器定位设备采用 HTC VIVE 虚拟现实套装中的 TRACKER 模块来实现，大致原理为模块上的 24 个光电传感器接受 HTC VIVE 虚拟现实套装定位设备发射的红外线，依据接收红外线强度的不同以及陀螺仪状態来判定 TRACKER 模块的位置等信息，并在虚拟世界同样位置生成一个虚拟的TRACKER模型。由于握持器与TRACKER模块为刚性连接，依据 TRACKER 模块的位置信息生成虚拟步枪模型的位置。扳机及功能键模块由于需要实现无线控制，所以采用一块封装好的带无线装置的外置迷你 HID 键盘模块实现。除此之外，配以电池模块以及状态显示 LED 二极管。由于射击训练时间短任务重，容易忘记关掉开关，并且不容易被发现。水银位置开关可以很好的解决这个问题，当枪倒置放置时开关关闭，正常握持时开关打开。

从功能需求的角度出发，握持器去掉了实体步枪的枪口造型，保留了步枪的大部分外观造型和扳机结构，在前握把处增加了功能键设计，方便用户完成虚拟空间的交互。重量重心的填充调整主要运用了配重块和热熔胶，热熔胶固定配重块并不断对握持器称重，并调整配重块位置，使得握持器重心和真实步枪一致。此外，因为水银位置开关的加入，需要为握持器设计一个倒置放置的支架。

四、结论

虚拟现实技术已经被广大人群所了解，但是虚拟现实的交互设计还没有受到相应的关注。在虚拟现实射击训练系统的设计过程中，始终以易懂和易用性为虚拟现实交互设计的首要考虑原则，对软硬件交互进行整合系统式设计。通过功能论、系统论思想的指导，以用户体验为中心，利用交叉学科优势，结合科学设计方法提出虚拟现实交互设计策略和设计方案。在充分研究射击训练需求的前提下，对虚拟现实交互设计提出了更高的要求，最终实现交互的流畅性与射击训练效果的提升，实现设计为用户服务的目的让用户可以在低人工辅助指导的前提下迅速熟练运用虚拟现实系统，有助于规模化训练使用，促进虚拟现实训练系统普及使用。

参考文献

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