装甲装备虚拟教学系统开发研究
2018-09-17李萍谢运灯谢志宏
李萍 谢运灯 谢志宏
摘 要： 针对新型装甲装备维修难的问题，提出虚拟维修教学系统的开发思路。采用三维建模软件构建了装备的三维模型，从多角度展示装备外观及其内部构造；运用虚拟现实软件，仿真了装备拆装、主要工作过程及成像原理。文章介绍了系统开发思路和主要功能，总结了几点开发经验。该研究对实施装备维修培训和教学意义重大，在最大限度地保证了装备良好性能的同时，节约了时间，节省了经费，提高了效率。
关键词： 三维模型； 虚拟现实软件； 虚拟教学系统； 开发思路； 开发经验
中图分类号：TP311.52 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）07-09-04
Abstracts： The article puts forward a development thinking of the virtual maintenance teaching system according to the problem that new type armored equipment is difficult to be repaired. The system builds three-dimensional model of equipment via the three-dimensional modeling software. The appearance and the inner construction of equipment are showed from multiple angles. And the disassembly and assembly of equipment， the main work process and imaging principle are simulated with the help of the virtual reality software. The article also introduces the development thinking and main function of this system and sums up some development experiences. The study has an important meaning for carrying out teaching and training in equipment maintenance. On one hand， it makes sure the good performance of equipment to the utmost extent； on the other hand， it saves time and money and improves the efficiency.
Key words： three-dimensional model； virtual reality software； virtual teaching system； development thinking； development experience
0 引言
目前，我军新型装甲装备结构复杂、技术先进、精密度提高，因此设备修理的难度也大。由于缺乏专业的维修人才，对部队战斗力的生成造成极大的影响[1]。另外，对于院校而言，装备配备数量少，学员人数多，难以满足学员的学习需求；同时，频繁的拆装练习也会减少装备使用寿命[2]。所以，开发装备虚拟维修教学系统具有重要的意义。
本文基于三维建模技术和虚拟现实技术，研究了装备的虚拟维修教学系统[3-4]。论文介绍了开发虚拟教学系统的基本思路，说明了系统的主要功能，阐述了开发装备虚拟教学系统的关键技术和经验心得。该系统的三维模型直观、逼真，演示动画生动、形象，表现力强，系统运行流畅、交互性好。该研究缩短了装备维修学习和培训时间，节省了人力和财力，提高了效率，最大限度地保证了装备的良好技术性能。
1 系统开发思路
一个好的虚拟维修教学系统首先要满足维修人员或待培训对象对系统的使用需求；其次要界面友好、运行流畅；最后要有高逼真度的模型、强表现力的动画。因此开发虚拟维修系统前先与系统使用对象沟通，熟悉用户的实际需求、知识水平及操作习惯，以便有的放矢。尔后要力求系统操作简单、容易上手，有良好的人機交互界面和推广应用价值。接下来构建高质量、高效率的模型。模型是系统的灵魂，只有模型简洁、真实，占用内存空间尽可能小，才能使系统运行流畅、富有表现力。最后再运用虚拟现实软件或游戏引擎搭建维修系统。基于这些考虑，该虚拟维修系统开发思路如下。
1.1 根据使用对象需求和知识背景，确定系统基本功能和主要功能界面
系统主要用于对维修人员或学员培训，培训面临的主要问题是装备数量少，学员实践机会少，理解原理和工作过程有困难[1]。为此，系统的基本功能是让使用者通过该系统深入了解和熟悉装备的构造和工作过程、促进学员对原理的理解和掌握，通过模拟故障现象分析故障原因、定位故障部位、实施故障维修的目的。综合考虑部队维修人员接触装备多，但理论基础差；而学员理论基础好，对装备构造感受不深的实际情况，确定系统的主要功能为多方位展示装备的整体和内部构造、动画分步演示拆装过程及工作过程。界面以文字加语音提示方式给出拆装步骤，操作简单、交互性好。如图1为系统的主要功能界面。
1.2 根据系统功能特点和运行环境要求，确定模型构建基本方法和优化思路
目前，三维建模软件3DS Max由于其丰富的建模方式和良好的软件兼容性而广为流行[5-6]。其建模方式灵活，所建模型细腻，完全能实现系统要求的功能，模型经过优化后，也能够达到运行环境要求。
为简化建模过程，在建模前首先根据系统功能特点，细化任务。即先弄清楚哪些部件要制作动画，动画表现形式怎样，进而区分哪些部件需要单独建模，哪些部件可作为一个整体进行建模，这样可大大节省建模时间，提高效率，同时还可减少内存占用，使系统运行更加流畅。3DS Max软件有多种建模方法[5-6]，但建立基础模型时较常采用的是内置几何体建模或样条线建模，模型细化时多采用复合对象建模、修改器建模或多边形建模。
模型建好后，为进一步提高运行效率，进行模型优化处理是必不可少的。优化的基本原则是在保证模型逼真的前提下，尽可能减少内存空间占有率。优化的最基本方法是进行减面处理和模型简化，一般将不影响视觉效果的部分删减或者减面，通常发生在建模中和建模后，可以边建模边观察，尽量降低分段和边数；对于特别复杂的模型，為减少其面数，通常的方法是先构建复杂模型，然后将其烘焙成*.tga或*.jpg图片，之后再构建简单模型，将*.tga或*.jpg图片作为贴图加载到模型表面；对于相同的部件，在建模时尽量选择实例，这样只是指向原对象的一个指针，大大节省了内存空间；还可以利用细节层次LOD（Level of Detail）来简化模型，如果物体离视点远，或比较小，用较粗的LOD绘制；如果物体离视点近，或比较大，用较细的LOD绘制。
1.3 考虑系统兼容性和动画的生动、流畅性，选择合适的软件搭建虚拟维修系统
EON Studio是极受海内外欢迎的VR制作软件，易学易用，常用于制作产品的虚拟演示，在医疗、教育等行业也有广泛的应用[7-8]。3DS Max与EON Studio有很好的兼容性，由3DS Max构建的模型可方便地导入EON Studio中，并通过添加节点、设置属性，可给模型加上动作、行为。为此，将3DS Max 2012与 EON Studio 7.0结合开发虚拟维修系统不失为一种好的选择。
需要注意的是：3DX Max模型直接导入EON后，容易出现零件位置变动、材质和颜色信息丢失等问题。最好通过EON Raptor插件导出，这样可以保留模型的所有信息；另外在建模前要做好单位设置，即选择菜单栏中的[自定义]|[单位设置]命令，在弹出的[单位设置]对话框中，将[显示单位比例]和[系统单位比例]设置为[毫米]，否则合并后的部件模型导入EON后将出现位置错乱。
2 系统主要功能和开发经验介绍
2.1 系统主要功能
本虚拟维修教学系统主要包括系统概述、构造、工作过程和成像原理四大部分。其功能框架图如下图2所示。概述部分从系统角度出发，通过动画方式逐次展示系统的构成；构造部分以动画方式展示各分部件的安装位置、构成及拆装过程；工作过程部分根据不同工况来演示操作流程和信号流向；成像原理部分动态展示了系统的光路走向。每部分均辅以同步文字和语音。
2.2 几点开发经验
⑴ 模型减面技巧
下面列举几个建模中非常实用的减面方法。构建圆柱体时，默认的高度分段为5，一般设为1即可；默认的边数为18，根据需要修改为12或6；构建圆环时，如果不要求很精细的情况下，最好不直接利用内置几何体中的圆环建模，而是先构建一个圆柱体，然后利用复合对象建模挖掉中间（利用“布尔”运算）；构建电线或电缆时，不用圆柱体建模，采用二维线条加大径向厚度的建模方法，可大大减少面数。当然，具体到某个对象，也可以在建模中根据视觉效果实时进行参数修改。
⑵ EON中对象命名方法
三维模型导入EON后，基本模型对象将以框架节点的形式呈现。无论在三维软件中模型的名称为汉字还是英文，导入EON后文件名称均变为英文和数字的结合，如何在庞大的节点群中找到具体的部件对象，对使用者来说是一个挑战。下面给出了快速找出节点和对象对应关系的方法，以供参考。
打开EON文件，运行模拟程序，选中工具菜单中的
⑶ EON中颜色和贴图修改
多数情况下，模型导入EON后，会出现色差或贴图丢失，返回3DS MAX修改颜色或者贴图比较麻烦，笔者根据使用经验，摸索出在EON中修改颜色和贴图信息的方法。技巧如下：在模拟树窗口中展开需要修改颜色的对象节点，点击Material下的
⑷ EON制作分步拆装动画技巧
用EON制作动画常用的节点为传感器节点ClickSensor、位置节点Place、任务组节点MemoryTask和任务节点Task。ClickSensor节点用于响应鼠标在指定对象上的单击；Place节点用于设置对象的位置坐标；MemoryTask节点用于将各Task节点成组，并依序执行；Task节点用于设置对象激活之前和之后的行为（注意：程序一运行即激活MemoryTask下的第一个Task节点，当第一个Task节点执行完RequestCompleted后，则自动激活第二个Task节点。）。
下面结合EON的模拟树和路由窗口详细阐述这一过程。图5、6分别为模拟树窗口和路由窗口的部分截屏。
如图5，从节点/元件窗口分别拖放ClickSensor节点（此处命名为“保护玻璃分解”）、Place节点（分别命名为“前保护玻璃”和“Place1”）、MemoryTask节点（命名为“手动”）、Task节点（依次命名为“Task”、“Task1”、……）、Frame节点（命名为“Frame”、“Frame1”）和TextBox节点到模拟树窗口相应节点下。
根据图6中的路由图依次将各节点从模拟树窗口拖放至路由窗口，并将输入和输出进行相应关联即可。需要说明的是：Frame节点初始属性设置为隐藏，见图7中红框。当Task1激活時，执行ActiveOnStarted，这时Frame节点属性由“隐藏”变为“显示”（意味着激活），当将ClickSensor的输出属性OnButtonDownTrue连接到Frame的输入属性SetRun_，并单击保护玻璃对象时，Frame节点属性由“显示”变为“隐藏”，此时其输出属性“OnRunFalse”为真，激活后面的Place节点的SetRun输入属性，保护玻璃移动到Place节点设置的位置。而当Task1未激活时，Frame属性一直为“隐藏”，即使单击对象，Frame节点也不会有响应，即仍然为“隐藏”，此时其输出属性“OnRunFalse”始终为假，对后面的Place节点不会有任何影响，所以对象不会移动。这样的设置保证了拆装过程的顺序性（即在前一步未执行完成时，在下一个对象或部件上单击鼠标，不会有任何反应，只有当前一个部件拆装完成后，单击下一个部件时该部件才动作。）。为了以文字方式显示拆装步骤，在Task1节点的ActivateOnStarted下面还增加了Frame1节点，并在其下放置了TextBox节点（可以在其属性窗口中添加文字，见图8），用于在分解之前进行文字提示。
为实现手动和自动分解、装配功能，还可以在Camera节点下增加元件TextBoxButton，并在路由窗口中进行相应的关联。
3 结论与展望
本文将三维建模软件3DS Max 2012和虚拟仿真软件EON Studio 7.0结合，基于C语言，用Unity软件构建系统界面，探索了虚拟维修教学系统的开发，解决了装备短缺和实践教学之间的突出矛盾，提高了维修培训和院校课堂教学的效率，是虚拟技术应用的一个很好实例。研究表明，系统经过适当地拓展后，还可实现维修保养和远程监控等功能，随着信息技术的发展，该系统将会有广阔的应用空间。
参考文献（References）：
[1] 李萍.装备构造与原理类课程教学模式改革研究报告[R].装甲兵工程学院高等教育研究中心，2016.
[2] 谢运灯.96A坦克炮瞄镜下镜体组件虚拟拆装[D].装甲兵工程学院硕士学位论文，2017.
[3] 张海荣，陈云虹.基于虚拟现实技术的医学教学系统设计[J].西安邮电大学学报，2015.20（3）：120-124
[4] 汪余博，涂海宁.某型舰炮拨弹机虚拟仿真教学系统的研究[J].机械工程与自动化，2011.165（2）：36-38
[5] 曹茂鹏.3ds Max 2012完全自学教程[M].人民邮电出版社，2012.
[6] 曹茂鹏.3ds Max 2012从入门到精通[M].清华大学出版社，2013.
[7] 于辉，赵经成，付战平等.EON入门与高级应用技巧[M].国防工业出版社，2008.
[8] 王岚，刘怡，梁忠先.虚拟现实EON Studio应用教程[M].南开大学出版社，2007.
