虚实结合层递式装备测试教学训练模式研究

陈育良  肖支才  盛沛

［摘 要］ 针对现有装备技术保障教学训练模式存在的不足，根据其技术保障全要素、全流程的要求和实战，按照技术准备流程一致、操作内容一致、操作要求一致的标准，充分利用虚拟仿真训练VR（Virtual Reality）等新兴技术，基于虚拟训练系统、操作训练模拟器和实装“三位一体”，进行层递式一体化的装备测试教学训练模式构建研究，完成“三位一体”、层递式的装备测试教学训练过程，构建层递式、虚实一体的装备测试教学训练模式。

［关键词］ 虚实结合；装备测试；教学训练模式

［基金项目］ 2020年度海军航空大学青年教研创新人才工程项目（2020433）

［作者简介］ 顾钧元（1982—），男，山东烟台人，博士，海军航空大学讲师，主要从事装备测试保障研究；陈育良（1980—），男，浙江湖州人，博士，海军航空大学讲师，主要从事装备测试保障研究；肖支才（1977—），男，湖北汉川人，博士，海军航空大学副教授，主要从事装备测试保障研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）36-0131-05 ［收稿日期］ 2022-08-01

引言

习近平主席指出：“深入推进军事训练转型，构建新型军事训练体系，全面提高训练实战化水平和打赢能力。”［1］测试是装备技术保障的核心内容。近年来，随着多型装备的入役，现有的院校教学训练装备逐渐不能满足教学训练需求；另外，装备使用寿命受通电时间、通电次数等限制，使用实装训练对装备寿命消耗大，且容易造成装备损伤；同时，现有实装实训方式无法形成教学训练全覆盖，无法满足大量、足量的装备实操训练要求。针对现有装备测试教学训练模式存在的不足，充分利用VR（Virtual Reality）等新兴技术，进行虚实结合的层递式装备测试教学训练模式研究与实践，构建面向实战化的切实有效可行的装备测试教学训练模式，为全面提升院校装备教学训练实战化水平提供坚实的支撑。

一、虚实结合教学模式研究背景

近年来，随着信息化技术的迅速发展，新的教学方法正在不断涌现，其中VR技术作为当前最具活力和前景的技术之一，已在教学实践中得到一定程度的普及与应用［2-3］。在国外，基于VR的教育项目正成为一种越来越普及的教育媒体设计方案。美国华盛顿大学开发名为Magic Book的增强现实系统，使传统出版读物的图文描述转变为三维立体成像，开创了增强现实技术在教育教学中应用的初倪［4-5］。在VR应用研究方面，国外成熟的系统遍地开花，并结合相关的教学理论和学习理论进行了多方面的论述，成果斐然。在国内，许多高校已开展虚拟现实和增强现实方面的研究工作［6-8］。其中最有代表性的是北京师范大学现代教育研究所研发的“未来之书”，该团队制作了一本虚实融合的立体交互书，利用增强现实的图像识别、三维成像等技术克服传统图书的不足，带来了新的教学模式和方法。

在国内外军事训练领域，基于虚拟技术的装备训练蓬勃发展，有力地推动了装备教学训练体系建设，美军充分利用VR、AR等技术，完成了装备保障和维修，甚至进行体系对抗、飞行员操作训练等；国内的VR、AR等技术在各军事院校教学中得到了大量运用，空军工程大学导弹学院将VR、AR、MR等技术运用于装备保障和教学中，海军航空大学将VR应用到飞行训练中，基于VR技术开发了舰载机某型导弹攻击训练装备等。

二、装备技术保障虚拟训练系统设计

（一）系统硬件架构

根据技术准备要求，训练系统可以单机操作也可多人协同操作，考虑多人交互训练使用需求，配置训练号手席位，并根据号手数量配置训练台位以及进行预留。同时考虑教学需求，还配置了导调控制席位，系统硬件架构如图1所示。

虚拟训练系统主要用于技术准备的操作训练，根据内场技术准备和外场挂机训练配置不同的号手，根据操作号手数量配置不同数量的号手实训台，每个台位包括1套工作站，主要用于完成3D视景渲染等工作，还包括1套用于虚拟训练的VR外设，包括VR头显、数据手套和追踪器等。

导调操控台主要用于训练数据管理、训练任务管理、统计分析和操作实时监控等。交互显示系统完成整个虚拟训练进程的显示和投影。导调操控台、号手实训台和显示系统之间的控制数据、场景数据、监控数据等传输由网络链路完成。

（二）系统软件架构

依据功能需求和硬件配置进行软件设计，虚拟训练系统软件架构如图2所示，由技术层和应用层两部分组成。依据功能要求，应用层面有操作训练和导调控制两部分内容，由8大主要功能、24个功能模块组成；技术层涉及人机自然交互、相关底层算法和建模技术，包括1个人机自然交互技术、9个仿真运算底层算法和10个建模技术。

为了保证主框架和各模块之间有较好的兼容性，软件在VS开发上统一使用三维引擎驱动开发包实现二次开发。为实现系统的模块化和通用性，尽量减少耦合性，系统在接口和数据定义明确的情况下分为若干模块同时开发，最后依次集成。

（三）装备三维模型、行为模型和交互模型的构建

1.三维模型构建。（1）资料收集和实地测绘。收集仿真对象的文本、图像、视频等相关资料，对拟构建的仿真对象根据实际情况综合采用实地测量、拍照，3D扫描、摄影重构等方法对仿真实体进行1D、2D、3D数字化测量，获得仿真对象的空间尺寸、轮廓形状、表面材质和纹理等多维信息。（2）资料汇总和标准化处理。对采集的仿真实体的各种相关信息进行资料分类、汇总，对拍摄的照片进行白平衡矫正、射影矫正和尺寸校准。（3）高模修正。对重点仿真实体3D扫描或摄影逆向的模型进行模型修正、冗余去除、孔洞填补、表面光顺，调整细节。（4）拓扑重构。在建模软件中参考高模、三视图和相关的尺寸模型进行3D拓扑重构，用关键点位均一化的Poly和Vertex代替高模中杂乱的3D布线，可以将渲染复杂度降低到原来的1/100甚至1/1 000，同时保证实时仿真的流畅性。（5）坐标调整和DOF设置。在虚拟训练仿真中，会涉及很多复杂的机械机构，而每个机构包含多层DOF父子层级以及不同的局部坐标中心。在3D仿真模型重构的过程中也要根据实际的仿真实体设置对应的坐标中心、DOF局部坐标以及绑定关系，确保仿真3D模型在运动过程中与实体的一致性。（6）UV映射、拆分。对低模进行UV空间黎曼保形映射，UV拆分、缝合、修正，UV空间纹理密度归一化处理。（7）纹理重映射和烘焙。在建模软件GI渲染引擎下将高模的高频Diffuse、Normal、AO、Reflection、Roughness、Glossiness、Alpha等多通道细节和GI信息重投影到低模表面空间，并对异常部位修正。（8）多通道纹理绘制。在绘图软件中参考仿真实体照片、低模UV信息和高模烘焙信息进行Diffuse、Normal、AO、Reflection、Roughness、Glossiness、Alpha等多通道纹理绘制、调整、修复。（9）PBR材质制作。将制作好的低模及Diffuse、Normal等多通道纹理导入PBR实时渲染引擎中交互式调整表面材质使用的Shader，并利用内置的材质笔刷等工具对表面多通道纹理进行进一步细化调整。（10）模型导入VR引擎并调整。将经过PBR流程处理的模型导入VR实时引擎，进行模型装配和进一步调整材质、纹理和光照、Shader的最终效果。在VR引擎中设置相应的着色器、HDR贴图、GI以及合适的Light Probes，确保实时渲染效率和效果的均衡。在VR引擎中检查做好的模型有无问题，如果出错则返回前面的步骤继续调整。（11）虚拟仿真环境模型构建即分块调度。虚拟仿真环境模型除了上述几个建模步骤以外，还有自己独特的建模需求。一般来讲，仿真环境相对仿真实体来说会大很多，而VR的视角每次能看到的角度是有限制的，这就意味着需要对场景模型进行适当的切分和分块调度。合理规划场景模型的分块，处理好分块之间的接缝，构建场景的BSP调度算法，提高渲染的效率。

2.行为模型构建。装备行为模型是指用于描述装备三维模型执行某些动作行为的模型。虚拟训练系统中有很多复杂的仿真实体有独特的行为模型和动力学模型，如技术勤务和外场挂机等专业用到的机械部件，连接件之间有复杂的铰链约束、滑动约束、顶点约束、柔性约束，也会涉及刚体动力学、柔体动力学、IK动力学、弹簧、布料、绳索、蒙皮等一系列复杂的行为模型和动力学模型，本研究将参考经典的刚体、柔体等动力学方程，结合仿真对象的特点建立装备仿真的行为模型。

3.交互模型构建。交互模型主要用来表达行为模型之间、人与行为模型之间、人与人之间的动作协作关系。交互式虚拟训练系统属于人在回路的虚拟仿真。当号手在不同时刻执行不同的动作时，装备行为模型会产生动态的反应和交互。

根据装备技术准备实操训练过程和操作流程，运用UML构建技术准备各科目的实操序列图和协作图。序列图用于描述装备行为模型根据号手命令执行动作且行为模型之间基于时间顺序的动态交互，强调消息传递和行为执行的先后顺序，展示如何按步骤完成系统的某项功能。协作图用于表现模型与模型之间、人与人之间的协作关系，强调发送和接收消息的行为模型之间的结构组织的交互以及各号手在规定时间内操作的协调关系，显示行为模型、行为模型之间的链接、行为模型之间的消息以及各号手的协调动作。

（四）虚拟训练系统三维动画的制作

1.UI界面的搭建与实现。为了训练系统整体的美观与操作者的良好体验，简洁美观的UI是必不可少的，这可以使号手迅速了解系统每项功能的使用，提高号手的学习效率。首先设计人员绘制界面草图，然后美工人员做出相应的电子切图，最后仿真平台开发人员根据设计图搭建界面。

2.虚拟训练系统工程的搭建。运用VR仿真平台搭建虚拟训练工程，将制作好的装备、技术支援系统、仪器仪表、训练环境等三维模型导入工程，工程资源包括训练场景、训练脚本、三维模型、纹理、贴图、音频文件、视频文件和预制等组件。

3.虚拟实体模型空间布局和定位。运用VR仿真编辑器编辑各三维模型在空间中的位置和姿态，避免模型之间的干涉、交叉与穿越。

4.装备行为仿真模型的实现。运用VS模块化编程技术，根据前期构建的装备行为模型编制对象行为程序流程图，将装备行为数学模型转化为仿真模型，形成VR仿真平台支持的脚本语言，实现装备的位移、旋转等行为的虚拟仿真。

5.交互仿真模型的实现。交互包括人与装备行为模型之间、行为模型与行为模型之间的交互。交互非常重要，整个虚拟训练的工作和运转需通过交互完成。运用VS模块化编程技术，根据前期构建的交互序列图和协作图编制对象交互程序流程图，将交互数学模型转化为仿真模型，形成VR仿真平台支持的脚本语言，实现虚拟训练的交互仿真。

6.仿真过程中实体模型的碰撞检测。虚拟训练过程中，三维模型在执行位移和旋转行为时，有时要避免模型和模型的接触（现实生活中发生碰撞会损伤装备，而虚拟仿真中模型碰撞会导致穿越，如扳手插进墙壁），有时又需要模型和模型进行接触（如装备的拆卸和安装），所以仿真过程中三维模型的碰撞检测是必须的。基于碰撞检测技术，采用射线检测和碰撞器检测两种方式，通过脚本程序获取和调用记录碰撞事件发生的各种信息，实现对碰撞事件的处理和相应的动作执行。碰撞检测的应用既对装备运动路径进行合理性检查，又能够增强操作者在系统内漫游时的参与感与真实感。

7.多人协同操作的实现。每个科目的装备测试训练都需要多个号手协同操作完成。协同操作就号手本身而言，每个动作有其严格的时间顺序，就专业整体而言，则需在规定的时间内协调一致共同完成某项操作。根据多人协同交互序列图和协作图，编制各科目各号手规定时间内的规定口令和动作表，运用多人时空同步技术实现多号手在时间上和空间上的同步运行，运用VR多人联网技术，实现多客户端的信息通信、逻辑交互和协同操作。

三、虚实结合层递式装备测试教学训练模式

（一）模式构建

构建层递式、虚实一体化的装备测试教学训练模式，进行装备测试教学训练模式研究和实践，基于VR虚拟训练系统，熟悉装备测试过程和流程；基于模拟装备训练，熟悉电缆连接、操作等过程；基于实装进行科目化、岗位式练兵，巩固、提高教学训练效果，由此构建“虚拟—模拟—实装”的层递式、虚实一体化的装备测试教学训练模式。（1）构建虚实一体化、标准化、流程化的装备测试教学流程内容；（2）建立虚拟训练、模拟训练、实装训练“三位一体”的层递式、实战化的装备测试教学模式；（3）分型号、分科目、分岗位建立科目化的装备测试教学训练标准。

（二）构建内容

1.建立科目化的装备测试教学内容。根据装备技术准备流程、规程和要求，进行科目化装备测试内容构建，建立包含装备测试读卡制要求、装备技术准备相关流程表格化、岗位化号手制操作规程等，构建科目化的装备教学虚拟训练流程。

2.分号手、全流程装备虚拟测试教学训练流程设计。针对装备测试专业初学者对装备操作过程不熟悉的特点，依据装备技术准备规程，建立以操作者为中心的形象化、智能化、引导式的训练系统，帮助操作者借助虚拟现实技术完成复杂的装备技术准备保障工作，熟悉基本流程。克服以往装备教学训练时学员采用边读卡边操作方式的弊端，解决了训练人员不便或难以在现场操作的同时查找翻阅文档资料，造成效率低下、容易出现遗忘和差错的问题。

3.全要素、实战化装备测试教学训练模式构建。结合虚拟训练系统以及实装和训练模拟器构建新型装备测试教学训练模式，基于VR技术进行虚拟训练，熟悉装备测试过程和流程；基于模拟装备训练，熟悉电缆连接、操作等过程；基于实装进行科目化、岗位式练兵，巩固、提高教学训练效果。

结语

通过构建基于VR的全流程装备技术保障训练系统，充分利用虚拟现实技术营造逼真的训练环境，利用计算机仿真技术模拟技术准备中各种操作行为所引起的设备实时反应，解决院校训练装备缺乏的难题。在此基础上，优化装备测试教学训练的内容，并完成虚实结合的层递式装备测试教学训练内容规划，构建了装备测试教学训练模式。通过初步探索，改进的教学训练模式能够缩短教学训练周期、丰富训练内容、降低训练成本，获得了良好的实训效果。同时，为院校装备教学训练提供了一种可参考的模式。