姚壽文，陳 巖

（1.北京理工大學車輛傳動重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

實驗是高校教學活動中一個必不可少的環(huán)節(jié)，尤其是對于工科學生，實驗教學環(huán)節(jié)更是至關重要［1－4］。北京理工大學軍用車輛工程專業(yè)隸屬武器類專業(yè)，主要教學和科研方向為軍用車輛設計和制造，為我國國防事業(yè)和兵器工業(yè)提供了大量的人才。該專業(yè)的實踐教學受經(jīng)費、場地及實驗條件的限制，很多實車實驗和實物拆裝教學以及試車駕駛等都無法進行。此外，坦克動力特性實驗、懸架性能實驗、運動阻力通過性實驗等實踐類課程［5］占有教學課程的很大比重。這些實驗的特點是實車試驗費用高、車輛和場地維護保養(yǎng)繁瑣，大多數(shù)實驗只能是演示性的、學生無法親自進行的實驗。這樣就會導致教學的交互性差，學生缺乏實際的動手能力［6－7］。

將視景仿真技術應用到實際的教學環(huán)節(jié)，利用計算機輔助設計、虛擬樣機技術、虛擬裝配技術，構建三維視景仿真平臺教學實驗系統(tǒng)，借助虛擬漫游和人機交互手段，進行坦克虛擬實驗、虛擬拆裝、戰(zhàn)場仿真等內(nèi)容的教學，可有效地提高學生的學習積極性，提升學生的專業(yè)知識水平，增強學生的自主創(chuàng)新能力和動手能力［8－12］。

1 視景仿真教學系統(tǒng)組成

根據(jù)功能的需求和分析，視景仿真教學系統(tǒng)選取了性能優(yōu)秀、技術先進的硬件，搭建了集成化的兩通道視景仿真平臺。該平臺主要由計算機軟硬件子系統(tǒng)、投影子系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)、交互子系統(tǒng)等幾個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺教學系統(tǒng)硬件組成圖

該系統(tǒng)應用了先進的視景仿真技術，如高性能圖形處理和顯示、高亮度投影、顯示屏幕邊緣融合、色彩校正、光譜立體技術、集中式數(shù)據(jù)、觸感式音頻及光照控制、高保真度的多通道音頻和視頻回放等，具有一些顯著特點。

（1）計算機子系統(tǒng)具備強大的圖形處理、數(shù)據(jù)交換及計算能力。系統(tǒng)采用了PC－Cluster架構（如圖2所示），使系統(tǒng)更具擴展性、易用性和較好的維護性。該架構能多通道渲染、多通道投影，解決了大場景、大模型在單一計算機上無法渲染、渲染過慢和顯示細節(jié)粗糙等問題。

圖2 PC－Cluster架構示意圖

（2）采用了平板背投兩通道投影系統(tǒng)，實現(xiàn)了車輛1∶1的立體顯示，具備多細節(jié)特征展示、高分辨率等特征，具備16位精度的幾何誤差校正，通過投影機內(nèi)部亮度傳感器和控制電路，保證2臺投影機間的亮度均勻一致，利用DynaColor技術保證了整個系統(tǒng)所有通道顏色空間的統(tǒng)一。

（3）利用先進的中控系統(tǒng)，實現(xiàn)了投影機、計算機、音頻、燈光、視頻及機電設備等系統(tǒng)整合于一體。同時，該中控系統(tǒng)也集成了虛擬外設，并可實現(xiàn)桌面式VR 與沉浸式VR 的快速切換。

（4）實現(xiàn)人機交互功能所需的虛擬外設齊全，能夠滿足位置跟蹤、漫游、立體圖像觀看和產(chǎn)品虛擬裝配操作等功能。主要由跟蹤定位裝置、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套及多通道音響系統(tǒng)等設備構成。

（5）本系統(tǒng)采用先進的光譜立體技術（INFITEC），通過采用高質(zhì)量的光波段過濾技術產(chǎn)生分離的左右眼圖像，從而實現(xiàn)立體顯示，具有適合多種類型的屏幕、不需要發(fā)射器及左右眼圖像不閃爍的優(yōu)點。此外，INFITEC 眼鏡很好地解決了同時觀看立體圖像與LCD 屏幕二維圖像時人眼不適應的問題。

本文將視景仿真實驗室的硬件設施與傳統(tǒng)的教室教學結合起來，并對Virtools、Vortex等三維軟件進行開發(fā)，構建了三維虛擬實驗室漫游與在線交互學習系統(tǒng)，如圖3所示。

2 視景仿真實驗教學系統(tǒng)特點

北京理工大學視景仿真實驗教學系統(tǒng)的建立和應用，初步形成了具有鮮明專業(yè)特色和學科特點的教學體系、實驗教學方法、實驗教學隊伍和實驗室管理模式。作為創(chuàng)新試驗基地，虛擬教學實驗室的特色體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）服務專業(yè)與服務全校相結合。視景仿真實驗室相關的教學和科研活動，大多屬于車輛工程與計算機虛擬現(xiàn)實技術的交叉學科范疇。為充分利用開放實驗室資源，在專業(yè)教學課程的基礎上，面向全校開設了2門實驗選修課。它一方面作為“坦克學”課程的補充和完善，另一方面也可以增強專業(yè)影響力，作為北京理工大學特色專業(yè)的一個對外窗口。

圖3 視景仿真平臺與在線教學的融合

（2）工程實踐思維的培養(yǎng)。視景仿真實驗室的相關實驗教學設置，非常注重培養(yǎng)學生對特定工程問題進行分析、調(diào)研、討論、操作、解決的能力，將對研究生教育的方法提早讓本科生接觸，為學生盡早融入科研隊伍、熟悉創(chuàng)新性研究基本流程和團隊氛圍、樹立工程實踐思維打下基礎。

（3）創(chuàng)新教學、科研融為一體的創(chuàng)新實踐隊伍的建設。視景仿真實驗室在對學生進行實驗課授課以外，歡迎有潛質(zhì)進一步開發(fā)相關創(chuàng)新實驗項目，對項目有基礎、有興趣的學生加入項目組，讓他們提前參與正式科研項目或自擬有發(fā)展前景的實驗項目。這樣，一方面促進了創(chuàng)新實踐與科研、工程的緊密結合，另一方面也為原有科研隊伍提供了新生力量，增加了項目組的活力和創(chuàng)新性。

3 視景仿真實驗教學系統(tǒng)的應用

視景仿真實驗教學系統(tǒng)依托北京理工大學車輛傳動實驗室視景仿真平臺，可對坦克、裝甲車輛進行視景仿真模擬，主要進行坦克實車虛擬拆裝、加速性等動力學實驗、通過性等機動性實驗以及虛擬駕駛的虛擬教學實驗，可輔助教師完成“坦克設計”、“坦克構造”等課程教學任務。

3.1 坦克虛擬拆裝

通過Pro／E 等三維建模軟件并結合3ds MAX、Virtools等三維渲染動畫軟件，在視景仿真平臺中建立沉浸式的虛擬裝配環(huán)境，以沉浸式三維交互操作進行坦克整車及零部件的虛擬拆裝（見圖4）。在教學過程中，教師能夠以多角度、多視圖、三維立體的形式講解坦克的構造，以直觀的三維立體效果展示整車系統(tǒng)的工作原理。通過虛擬的拆裝演示及交互操作，既可讓學生深入掌握車輛內(nèi)部結構和裝配情況，又能讓課程直觀化、逼真化，同時提高了教學效果和學生的理解效果。

圖4 虛擬環(huán)境下坦克拆裝模型

3.2 坦克動力學實驗

車輛動力性能的主要評價指標為車輛的最高車速、加速性能和爬坡性能。在視景仿真虛擬教學實驗系統(tǒng)中，應用Vortex軟件建立坦克車輛的三維模型，并進行動力學仿真（見圖5）。結合視景仿真系統(tǒng)的三維直觀顯示以及鍵盤等外設的交互操作，可使學生直觀、充分地了解坦克的動力學性能。

3.3 坦克機動性實驗

坦克機動性分為戰(zhàn)役機動性和戰(zhàn)術機動性：戰(zhàn)役機動性是指裝甲集團軍的機動性；而戰(zhàn)術機動性以坦克的加速性能、轉向性能和通過性能等為主。本教學實驗基于虛擬環(huán)境建立車體、履帶模型以及實驗用路面模型，并選擇合適的實驗車速進行機動性仿真實驗，從而得到反映坦克機動性的實驗數(shù)據(jù)，最終在視景仿真系統(tǒng)中讀取這些數(shù)據(jù)，完成通過性虛擬實驗（見圖6）。

圖5 坦克行駛動力學實驗顯示

圖6 坦克通過性虛擬實驗視景仿真

3.4 裝甲車輛的虛擬駕駛

軍用車輛工程專業(yè)課程設置中包括坦克、裝甲車輛的駕駛實習，視景仿真系統(tǒng)中的虛擬駕駛主要利用三維動畫制作軟件Virtools［13－14］對坦克、裝甲車輛虛擬模型進行編程（見圖7）和鍵盤式交互操作完成。

圖7 裝甲車輛交互式操作部分腳本程序

4 結束語

將視景仿真技術和虛擬實驗運用于課堂教學之中，是將實驗教學與課堂理論教學有機結合的一種新的教學嘗試。將虛擬教學的實時性、便捷性與視景仿真的交互性和沉浸性相融合，滿足了傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學改革和創(chuàng)新的需要。通過視景仿真實驗教學系統(tǒng)的創(chuàng)新實驗項目，加深了學生對坦克、裝甲車輛構造與設計等課程和虛擬現(xiàn)實技術基礎理論的理解，同時在實驗課進行的過程中，穿插集中介紹實驗中必需的基本原理和坦克設計的基本思想，從而使實踐教學和理論教學有機融合，可有效地鍛煉學生解決工程問題的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

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