李玮 杨旭洁 郭笑男 牟全武

摘要：课题组拟将研究利用OGRE引擎强大的3D渲染效果构造3D场景与人物互动的系统，比较不同算法的优劣平衡显示效果与实时性，基于ADXL345传感器的参数采集与FPGA的数据处理，由上述模块到执行技术细节，最后整体性能达到满足军事训练和游戏体验的目的。

Abstract： The research team intends to study a system that uses the powerful 3D rendering effects of the OGRE engine to construct a 3D scene and character interaction， compare the advantages and disadvantages of different algorithms， and balance the display effect and real-time performance. Based on the ADXL345 sensor parameter acquisition and FPGA data processing，the above modules go to the execution technical details， and finally the overall performance reaches the purpose of satisfying military training and gaming experience.

关键词：虚拟装置;军事训练;游戏引擎;虚拟现实技术

Key words： virtual device;military training;game engine;virtual reality technology

中图分类号：TJ06                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0266-02

0  引言

本装置利用FPGA进行端口对接，实现传感器参数与3D技术的初步结合，从而能够建立简单的三维场景并实现简单的三维互动应用。该装置在军事领域和游戏领域的优势离不开以技术为基础来实现，该装置的主要技术是传感器、FPGA和3D技术。

1  虚拟射击技术在军事训练中的应用

射击技术是军队训练、战场作战所必需掌握的重要技能，随着社会的快速发展以及科学技术的飞快进步，如何对射击训练进行现代化、数字化的教学已经成为了目前军队士兵训练所面临的重要问题。现如今，传统的射击教学训练形式较为单调乏味，且训练模式、方法当中都面临着或多或少的问题。组织一次射击训练耗时耗力，受到枪支管理条例以及安全保障问题的限制，士兵训练过程中实际接触枪械训练的时间较短，无法完全将理论吃透运用在实际战场上，可谓是纸上谈兵的教学方式。

虚拟射击装置在丰富教练训练方式的同时，可以让士兵更好的理解训练内容，增强士兵训练的参与性、互动性和操作性。该装置融合了先进数字化技术，可以模拟出多样化的训练环境，随着时代的发展，未来战场环境不可预料，我国军队需要可以在未来战场上成为指挥员和建设者的优秀士兵。那么在目前的训练中，士兵不仅要拥有过硬的军事素养，而且需要快速适应不同的作战环境。本装置对训练或试验场地无要求，不受天气的影响，从而可仿真各种复杂战场环境中的射击训练。模拟出例如极寒、极热、狂风、暴雨等极端环境，同时大幅度的节省军队训练或科研实验开支，降低士兵训练的危险性。

使用本装置进行的射击训练可以自动保存该训练者的训练数据，通过计算机分析出该士兵的优缺点以及未来的训练方向，有效地提升了射击训练的效果，让每位士兵清楚的明白自己的不足之处，并加以改正。同时，通过该装置进行的虚拟射击考核也会十分方便，一般的射击考核由于安全保障级别较高，一般只有固定靶，很难完成复杂的射击考核。通过该装置可以模拟出考核所需的移动靶或将靶子修改成敌人的图像等各种复杂战场环境下的射击考核，更具真实性。在考核时，每位考生输入自己的帐号以及密码，计算机自动记录该考生成绩，无需人力监考，也从根本上杜绝了修改成绩的可能。有效降低人力物力资源浪费的同时，增强了考核的难度和趣味性。

2  虚拟射击游戏

虚拟现实技术以其真实的体感交互性、感官沉浸性引发了颠覆传统2D游戏想象的变革。在本文所述虚拟射击装置中，玩家佩戴3D眼鏡进入三维虚拟空间手持游戏枪完成射击，让玩家有身临其境的感觉，从而达到心流状态。

所谓心流（Mental flow）是指一种某个体高度投入地参与某项活动的心理状态，也就是玩家的最佳体验状态，在这种状态下，玩家会产生兴奋感以及掌控感，时间感也随之丧失，进入完全忘我的状态玩，是评价虚拟射击装置游戏中玩家体验的重要指标之一。因此，若能让用户长时间处于在心流状态中，有助于优化虚拟射击装置的游戏设计。

根据游戏心流模型测试结果表明，游戏心流模型不但可以让游戏设计者充分了解游戏中存在的缺陷，给游戏设计者明确的修改方向;还能够以提升玩家体验为目的进行设计开发提出有效的帮助。评估游戏心流的方式主要为问卷调查法和以生理指标为主的心流评估模型评估法，两者相结合会给出较为准确的心流评估报告，为我们的游戏开发和升级换代提供有效的信息。

随着时代的发展，虚拟现实技术在游戏方面的运用也越来越多，展现方式主要分为以下三个类别：第一种是桌面虚拟现实系统，这种形式的虚拟环境是基于普通的PC平台，是一种小型的虚拟现实系统通过一些比较传统的输入设备来进行交互，比如三位鼠标、数据手套、定位仪等等，功能齐全，价格实惠，适用于教学;第二种是沉浸式虚拟现实系统，主要是通过一些外部设备例如3D眼镜、VR头盔等将用户对外界的感知封闭起来，基于双目立体视觉技术，完成逼真的沉浸式效果体验;第三种是联合真实自然环境产生的裸眼3D效果的虚拟现实，主要通过激光束来控制场景的构成，从而达到裸眼3D的交互环境。

本文中的虚拟射击装置属于第二种类别，本装置由传感器接收信息，经由FPGA算法处理，传输给计算机，最后将虚拟射击的三维立体环境传输给三维立体眼镜，加上辅以外部设备，构成具有极强真实感沉浸感的虚拟射击环境。游戏体验者使用游戏枪进行射击，完成封闭式的体验效果。

3  核心技术

首先数据采集系统采用基于ADXL345传感器的参数采集与FPGA的数据处理的方式，实验结果表明基于FPGA的数字化解调方案测量电路最大频差对最大频偏有很好的效果。其次选用OGRE引擎强大的3D渲染效果构造3D场景与人物互动的系统，旨在用OGRE编程实现三维情景的建立，OGRE将由传感器采集的信息通过FPGA转换为标准格式的参数进行程序编写，而后转为相应的信号，通过计算机端口将信号传给三维立体眼镜，尝试在其上显示出较为完整的三维图像，并进一步实现动态三维图像用Maya和3Dmax进行建模，比较不同算法的优劣平衡显示效果与实时性，由于外界实时参量的加入互动，解决了Maya和3Dmax单纯依靠程序完成三维情景建立的问题实现了情景数据的快速实时更新以达到装置完备的目的。

3.1 传感器

ADXL345是一个三轴的加速度传感器，既可以测量冲击运动状态下的动态加速度，也可以测量静止加速度，比如重力加速度，所以该系统是作为重要的传感器技术之一。另外一个重要的传感器就是三轴陀螺仪，顾名思义，有三个轴，能同时测量三个方向的矢量。传统单轴的只可测量一个方向的量，相比较于传统的三个单轴陀螺仪，三轴陀螺仪有较小的体积、较轻的重量、较简单的结构、可靠性良好，故也是重要的传感器之一。

首先，把三轴加速度传感器安装到训练枪上，然后在程序中输入一组初始值，即设置训练枪的初始坐标位置，接下来，以初始值为原点建立三维坐标系X，Y，Z轴，三个轴两两正交，任意空间上的矢量变化情况均可以在X、Y、Z三个方向正交分解到对应的坐标轴上面，然后分别对分量进行积分得到速度，再积分得到位移。这样就将物体的位置和高度进行了确定。接下来当训练枪的位置确定下来以后，通过测量加速度，和重力加速度比较计算，可以确定设备与水平面的角度。同样如果在X、Y两个方向上，我们同样可以通过两个初始加速度和后来的静态加速度计算比较来确定训练枪方向分别和X、Y方向的角度，这样我们就可以确定训练枪的角度位置。

3.2 FPGA

基于FPGA的算法运算速度快，可以高速处理图像; FPGA可编程满足不同检测需要，使检测系统更具兼容性; FPGA的编程技术发展较为成熟，有较为简单的算法，较为容易的编程，具有很好的继承性和可移植性。

FPGA还可以实现数据转换，传感器将采集到的位置信息和倾角信息传给FPGA，首先设计传感器数据转换成标准数据的算法，然后使用Verilog语言将FPGA内部电路设计成需要的结构，这样FPGA通过处理就可以产生标准数据（方向角，俯仰角，扣机时间），然后传给计算机用于图形显示。

3.3 虚拟现实技术

OGRE：基于VR技术的虚拟射击实现需要有配备装置环境，OGRE技术是该装置所配备的重要技术之一，可以展开谈谈。OGRE，是一种面对对象图形渲染引擎，可以使用Microsoft Visual C++ 进行开发的开源三维图形渲染。虽然是免费的3D渲染引擎，但其功能十分强大，和商业3D渲染引擎相比简直难分伯仲，例如可以支持多个平台，可以自动处理场景渲染，甚至很多方面已经超越了商业3D渲染引擎。是一个非常稳成熟其容易操作的平台，在实现旋转、平移、放缩等特定功能时开发人员只需要调用OGRE中的函数库就能够完成。

OGRE的设计理念非常人性化，设计者在使用引擎时不但操作简单，而且功能完备，渲染效果也相当出色。可以在保留操作简单的基础上，完成高度还原现实甚至超出现实的画面效果。与普通的3D引擎相比，OGRE将场景节点与场景实体分开表达管理，互不干扰。场景实体只记录那些可以被渲染的内容信息，场景节点负责记录地址。只有这两个部分绑定起来，才能完成渲染，由此以来，场景维护就会变得轻松愉悦，也提高了开发者的开发效率。它的内部结构如图1所示。

参考文献：

[1]秦溥，杨承磊，李慧宇，卞玉龙，王秋晨，刘娟，王玉超，孟祥旭.采用MEMS传感器感知的虚拟现实射击识别设备与系统[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（11）：2083-2090.

[2]赵航.基于三维引擎的海战射击游戏的设计与实现[D].大连理工大学，2015.

[3]高博，徐敏飞，黄文伟.军校轻武器射击实验室情境模拟教学初探[J].军事体育进修学院学报，2012，31（02）：90-92.

[4]凌晓春，岳昊.基于OGRE的三维场景可视化关键技术研究[J].測绘与空间地理信息，2018，41（03）：142-144，147.

[5]曲达.3D游戏引擎之场景构建[D].吉林大学，2015.

[6]甄智椋.基于心流体验的MOBA类手机游戏交互设计研究[D].江南大学，2017.

[7]付昱强.基于FPGA的图像处理算法的研究与硬件设计[D].南昌大学，2006.

基金项目：大学生创新创业省级项目，虚拟射击装置，S201910709064。

作者简介：李玮（2000-），女，河南南阳人，现就读于西安工程大学本科数学与应用数学专业;杨旭洁（2000-），女，陕西渭南人，现就读于西安工程大学本科数学与应用数学专业;郭笑男（2000-），女，陕西渭南人，现就读于西安工程大学本科数学与应用数学专业;牟全武（通讯作者）（1977-），男，陕西洋县人，副教授，博士，大创指导教师，主要从事应用数学研究。