向華平

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

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【后勤保障與裝備管理】

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在雷達(dá)培訓(xùn)系統(tǒng)上的應(yīng)用

向華平

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

針對目前國內(nèi)對交互式電子手冊認(rèn)識的不足，通過引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的雷達(dá)交互式培訓(xùn)系統(tǒng)，應(yīng)用動態(tài)光照、軟陰影等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶對雷達(dá)各組成部分以及雷達(dá)維護(hù)、維修過程的交互操控，極大地提升了保障信息的可達(dá)性。

雷達(dá)；虛擬現(xiàn)實(shí)；培訓(xùn)系統(tǒng)；交互

復(fù)雜武器裝備保障技術(shù)資料是武器系統(tǒng)的重要組成部分，是裝備使用和維修保障的重要技術(shù)支撐。先進(jìn)完備的保障技術(shù)資料與模式，不僅可以提高部隊(duì)的維修能力，而且可以極大促進(jìn)裝備的戰(zhàn)備完好性，降低維修保障費(fèi)用。

為了解決傳統(tǒng)隨機(jī)資料與培訓(xùn)授課模式的短板，交互式電子技術(shù)手冊(interactive electronic technical manual,IETM)應(yīng)運(yùn)而生。它是一種能夠大大提高武器系統(tǒng)使用和維修保障效率的技術(shù)手段[1]。按照美軍標(biāo)MIL—PRF一87269A中的定義，IETM是一種由專業(yè)工具創(chuàng)作、在電子屏幕上顯示、以數(shù)字化形式存在的技術(shù)手冊。它具有紙質(zhì)技術(shù)手冊所不具備的特征：信息更適于電子屏幕顯示，易于用戶操作和理解；用戶可通過多種途徑訪問到自己所請求的信息；用戶與技術(shù)信息的交互性強(qiáng)。

目前，國內(nèi)對IETM的基本概念、內(nèi)容形式和應(yīng)用意義都有一定了解，但往往停留在電子手冊(electronic technical manual,ETM)層次之上[1-2]。本文充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在雷達(dá)地勤培訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了用戶實(shí)感全景體驗(yàn)，詮釋了IETM中環(huán)境與用戶的交互特性。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR,譯作靈境、幻真)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的一定范圍的虛擬環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體交互作用，從而獲得親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[3]。

在國內(nèi)的絕大部分應(yīng)用中，最常用的虛擬現(xiàn)實(shí)往往都是以屏幕為載體，除了聲音、語音及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用以外，最重要的技術(shù)就是實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)[4]，具體包括：

支持OpenGL，DirectX9，DirectX10，DirectX11系統(tǒng)采用PSSM動態(tài)光照技術(shù),實(shí)現(xiàn)動態(tài)的光照效果以及動態(tài)的實(shí)時(shí)陰影,并且支持硬件加速；

支持CG，HLSL和GLSL；

通過DirectShow,可以完美支持視頻紋理,格式包括:AVI,MPG,WMV,并且實(shí)現(xiàn)聲音同步；

支持Flash材質(zhì)，直接提取Flash到3D環(huán)境下，并可操作和更新；

支持網(wǎng)頁材質(zhì)，直接將網(wǎng)頁提取到3D環(huán)境下，并可操作和更新；

支持3D音效解決方案；

采用PhysX物理引擎作為系統(tǒng)的物理引擎,輕松實(shí)現(xiàn)超真實(shí)的物理世界效果；

支持海量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與管理；

支持多種數(shù)據(jù)庫，包括Access，SQLServer，Oracel；

多通道輸出(圖形渲染Cluster的支持)。

2 培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動態(tài)光照技術(shù)

在動態(tài)光照方面，對原有技術(shù)進(jìn)行加強(qiáng)，采用Blinn-Phong 光照模型，Blinn-Phong模型集合了Blinn光照模型的漫反射快速計(jì)算，同時(shí)也集成了Phong光照模型的鏡面反射效果[5]。不同的是，Phong光照模型需要計(jì)算入射光的反射角，相對效率較低，而Blinn-Phong使用光線入射角與視角的中間值，該值與頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行點(diǎn)積計(jì)算， 近似獲得鏡面反射效果，效率上大大提高，而效果沒有明顯降低。

2.2 基于硬件加速的軟陰影技術(shù)(PSSM)

PSSM技術(shù)是一種基于陰影貼圖方式的三維空間陰影解決方案。陰影貼圖方式是將場景的深度信息以光源的視角渲染到一張紋理上，然后在場景渲染時(shí)進(jìn)行深度信息比較，從而決定像素是否在陰影內(nèi)。該種方式可以很好地解決模型陰影方式下透明紋理的陰影投射問題，并能輕易柔化陰影邊緣，使陰影效果更加真實(shí)。而PSSM技術(shù)是對陰影貼圖方式的一種擴(kuò)充，它將普通單張陰影貼圖擴(kuò)展為多張，根據(jù)場景與視點(diǎn)的距離，將場景進(jìn)行動態(tài)的分割，并將分割后的各部分單獨(dú)渲染到獨(dú)立的陰影貼圖上，這樣既解決了紋理貼圖尺寸上限的限制，也能更好地提升視點(diǎn)近端陰影品質(zhì)[6]。

采用硬件加速的軟陰影技術(shù),增強(qiáng)了畫面立體感與真實(shí)感，并不影響陰影運(yùn)算速度。

2.3 屏幕空間環(huán)境光遮蔽技術(shù)(SSAO)

SSAO通過采樣像素周圍的信息，進(jìn)行簡單的深度值對比，計(jì)算物體身上環(huán)境光照無法到達(dá)的范圍，從而近似表現(xiàn)物體在環(huán)境光照下產(chǎn)生的輪廓陰影?？梢岳谩爸鹣袼貓鼍吧疃扔?jì)算”技術(shù)計(jì)算得出的深度值直接參與運(yùn)算[7]，其效果如圖1所示。

2.4 視差映射貼圖技術(shù)

視差映射貼圖技術(shù)是一種新型的凹凸貼圖解決方法。該技術(shù)在普通利用法線貼圖的凹凸貼圖技術(shù)基礎(chǔ)上，新增加了一張高度貼圖，在計(jì)算紋理表面像素點(diǎn)時(shí)，根據(jù)高度信息讓像素沿著法線方向偏移，從而實(shí)現(xiàn)視覺視差，讓二維紋理產(chǎn)生立體感，使物體表明更高效地呈現(xiàn)出更明顯的深度與真實(shí)感，其效果如圖2所示。

圖1 SSAO技術(shù)應(yīng)用對比

圖2 視差映射貼圖技術(shù)應(yīng)用對比

2.5 交互式UI技術(shù)

VR系統(tǒng)與Flash多媒體有機(jī)地結(jié)合，F(xiàn)lash既作為UI，也作為頁面內(nèi)容。在本交互培訓(xùn)系統(tǒng)中，涉及到大量的二維交互演示(如原理介紹、雷達(dá)維護(hù)等)，同時(shí)也牽涉到較多的三維交互演練(如雷達(dá)維修、接口介紹)，前者使用Flash交互最為直接，而后者則采用VR技術(shù)。因此在本系統(tǒng)中將兩者結(jié)合在一起，同時(shí)能進(jìn)行二維和三維的交互，提高界面的畫面效率。

3 系統(tǒng)框架及特點(diǎn)介紹

3.1 系統(tǒng)框架介紹

根據(jù)機(jī)載火控雷達(dá)全壽命周期綜合保障的特點(diǎn)，接合地勤工作人員的突出需求，雷達(dá)虛擬交互培訓(xùn)系統(tǒng)包括5大子系統(tǒng)[8-10]：

雷達(dá)概述：介紹雷達(dá)組成、原理、功能及內(nèi)外交聯(lián)關(guān)系。

雷達(dá)維護(hù)：闡述雷達(dá)維護(hù)設(shè)備，詳細(xì)介紹常規(guī)任務(wù)前檢查、機(jī)械日檢查、定檢及預(yù)防性維修的項(xiàng)目及步驟。

雷達(dá)維修：闡述雷達(dá)維修設(shè)備，詳細(xì)演示雷達(dá)各獨(dú)立可更換模塊的拆裝過程，引導(dǎo)人員通過故障清單虛擬交互實(shí)現(xiàn)故障排除。

包裝運(yùn)輸：動態(tài)演示雷達(dá)各組成單元的包裝過程。

模擬考核：動態(tài)生成考核題庫，考核人員對雷達(dá)相關(guān)知識的掌握情況。

系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

3.2系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 引入3D虛擬交互模式

系統(tǒng)采用CrystalEngine三維渲染引擎，該引擎集成了當(dāng)前主流渲染內(nèi)核，全面支持DX與OpenGL，保證了交互的流暢逼真，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)單向信息傳遞模式向雙向交互操控模式轉(zhuǎn)化，極大地豐富了信息資源的傳遞路徑。

2) 系統(tǒng)模塊化易于擴(kuò)展

系統(tǒng)雖然以雷達(dá)各功能組成為主線，但系統(tǒng)各邏輯模塊均相互獨(dú)立，通過嵌入式Lua腳本進(jìn)行定義與調(diào)用，幾乎可以在所有的操作系統(tǒng)與平臺上編譯，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性與擴(kuò)展性。

3) 智能化的知識積累

自動提取用戶每次的操作過程，記錄到后臺數(shù)據(jù)庫，通過定制程序進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表的形式告知用戶易于混淆的“知識點(diǎn)”。

4 結(jié)論

開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式雷達(dá)培訓(xùn)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)框架以及系統(tǒng)特點(diǎn)。系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)(或教材)單向信息傳遞模式，實(shí)現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)間的雙向信息互通。該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，必將帶來武器裝備保障能力較大提升。

[1] 李英勇．交互式電子技術(shù)手冊用戶需求分析研究[J]．電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012(4):15-19．

[2] 張永禎，周晶晶，林慧貞．便攜式雷達(dá)維修輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35(7):63-65．

[3] 劉耀林，孔建益，蔣國璋，等．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展[J]．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，20(3):186-188.

[4] 李長山．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[5] 鄭長偉，劉高攀，郭齊勝．基于OpenGVS4.3的光照效果研究[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2005,22(7):198-200.

[6] 王華; 朱麗華，顧耀林．一種基于陰影圖的實(shí)時(shí)軟陰影算法[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007,27(10):2538-2540.

[7] 宋云鵬，劉芳，劉娜，等．使用多層深度采樣的屏幕空間環(huán)境光遮擋[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011,32(7):2409-2412.

[8] 薛勇．基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維產(chǎn)品交互展示網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電腦知識與技術(shù)，2010,32(6):9094-9096.

[9] 米小珍， 梁樹林，兆文忠，等．面向檢修的CRH_3動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)[J]．鐵道機(jī)車車輛，2012，30(1):32-36．

[10]禹海全， 郝永生，馬劍．一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)彈模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(4):921-923．

(責(zé)任編輯 唐定國)

Train System of Radar Based on Virtual Reality

XIANG Hua-ping

(Nanjing Research Institute of Electrics Technology, Nanjing 210039, China)

Aiming at the weak apperception on IETM，the interactive system of radar training has been empoldered based on virtual reality and the pivotal techniques including dynamic illumination and PSSM etc were used. Users can manipulate any portions of radar to move and rotate，and further more users can also participate in maintenance and servicing of radar. The application of this system will improve the readability of informations.

radar; virtual reality; training system; interactive

2016-06-12；

2016-07-15

裝備預(yù)先研究項(xiàng)目(513070401)

向華平(1979—)，男(土家族)，高級工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2016.10.030

向華平.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在雷達(dá)培訓(xùn)系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):139-141.

format:XIANG Hua-ping.Train System of Radar Based on Virtual Reality[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):139-141.

TP319

A

2096-2304(2016)10-0139-03