虚拟现实技术在装备教学中应用的研究

王庆江 单 鑫 盛 沛

（海军航空大学 山东·烟台 264001）

装备教学，就是依托装备，围绕其原理、功能、使用操作等开展的教学训练。装备教学是院校教学的重要手段之一。但是，在实际的装备教学过程中，由于人员、场地、教学安排等各种教学条件的限制，造成部分教学目标难以达到。

虚拟现实（Virtual reality,VR）技术为教学单位提供了一种理想的、“真实的”教学手段，它能完美的契合教与学，改进教学实践活动，并且已在实操教学中得到了应用。本文根据实际情况和教学经验，研究利用VR技术构建仿真教学训练系统，以解决当前装备实操课程的瓶颈问题。

1 VR训练系统基本情况

基于VR技术的仿真教学训练系统（简称：VR训练系统）以教学装备的操作流程和内容为基础，由装备模块、工具模块、环境模块、语音及文字提示模块组成。

1.1 VR训练系统建设目标

VR训练系统建设目标是通过VR技术打造一套高沉浸感、可交互性、满足教学训练应用地沉浸式VR仿真教学训练系统。

VR训练系统为了实现高度仿真的虚拟操作体验和训练环境功能，利用三维建模、虚拟现实、仿真和其它仿真技术，进行系统建设。系统建成并投入教学后将提高装备教学的效率，扩大装备教学受众面，使学生全面掌握装备和工具的实际操作技能。

通过建设VR训练系统，可以实现虚拟训练场景中装备操作动作以及操作者与虚拟设备之间交互的作用。为此，需提供必要的交互控制手段，以实现受训者实时、交互地参与虚拟教学训练。整个训练过程，通过人机交互控制一系列设备操作动作来完成，保证虚拟环境的真实感和学生的沉浸感。

1.2 VR训练系统功能组件

构建VR训练系统目的是将其用装备教学，其功能组件主要是：

（1）在系统基础仿真组件中完成三维模型的建立，并将三维模型文件与三维模型调用功能、材质灯光调用功能、三维动画调用功能、物理建模调用功能所建立的系统基础素材和运行内容，以一定的格式输入到组件数据库中，便于系统操作过程中的调用；

（2）在装备与工具操作仿真组件中，通过装备、工具仿真操作功能，完成对训练各科目中装备和工具的运行操作仿真，使装备和工具在训练操作过程中更为真实合理；

（3）在教学训练操作场景仿真组件中，通过训练操作功能区域建立、位置切换功能、训练工具调取功能、部件拆卸操作、设备工具车、设备按键操作等功能，实现教学训练场景中各类物品的交互操作仿真；

（4）在教学训练综合应用仿真组件中，通过训练科目选择、教学装备介绍、语音和文字辅助提示、虚拟现实操作帮助，实现操作流程、内容的指导，帮助学生快速上手操作；

（5）在教学训练科目仿真组件中，依据实际训练环节操作流程与内容，划分系统框架内的训练内容，形成各类训练科目，实现训练科目选择，便于学生选择不同训练科目，开展针对性训练，提高学生技能掌握效率；

（6）在训练结果评估仿真组件中，通过训练科目、操作时长、操作熟练程度、错误操作的次数，实现训练结果的评估和显示；

（7)软/硬件接口组件，它实现交互设备数据信息采集，在虚拟环境中反映为三维模型交互操作、学生在景中位置移动等互动内容。

2 VR训练系统建设

2.1 VR训练系统的架构

VR训练系统从结构上看分为三层：

（1）系统基础支撑层。即系统仿真数据、运行数据、美术资源等系统运行相关的基础资源与支撑，它包括：材质灯光调用功能、设备操作调用功能等模块；训练操作区域建立；位置切换、设备按键操作、工具调取等功能；软/硬件接口组件。

（2）系统业务层。它是学生在系统中开展训练的部分，分为以下三部分：教学业务给予学生引导式教学操作；训练业务采用学生自主判断训练内容；综合应用分为四部分，它用于引导学生选择科目并开展训练。

（3）训练结果评估层。该层用于反映学生对训练科目操作的系统评估。

2.2 VR训练系统的逻辑与流程VR训练系统软件流程分为三部分

（1）系统操作科目部分。此部分汇集学生训练内容需求，组织需求分析审核，形成训练需求说明书，明确训练要求，确定训练各科目内容边界。以教学与训练两类操作形式，设计系统架构与建设任务。

（2）系统操作数据与资源部分。按照装备操作内容建设任务的要求，依据操作数据需求规格说明书的指标，建立装备、工具三维资源与仿真操作数据，形成各训练科目操作内容、操作引导与操作判断流程。

（3）系统运行结果部分。通过完善系统操作内容，从而对训练科目操作数据进行测评，引导学生完成训练科目的虚拟化使用。

2.3 VR训练系统的硬件组成

VR训练系统硬件主要由计算机、显示系统、音响系统、VR设备等组成。其中，一套VR设备包含VR头戴式显示器（也称为头盔显示器，简称：头显）一个，VR位置追踪定位传感器（简称：位置追踪器）两个，VR交互操作手柄（简称：操作手柄）两个。

（1）计算机。虚拟现实系统多使用高性能计算机并将系统资源存储在此机中。连接计算机和VR设备，即可使用系统。

（2）头显。利用头显将人对外界的视觉、听觉封闭，引导人员产生一种身在虚拟环境中的感觉。头显与计算机相连，以接受来自主机的3DVR图形图像信号。头显辅以三自由度的位置追踪器可进行虚拟现实环境中各角度所输出效果观察，同时操作者可做空间上的自由移动，如自由行走、旋转等操作。

（3）位置追踪器。位置追踪踪器是进行空间跟踪与定位的装置，一般与其他VR设备配合使用使操作者在空间上能够自由移动、旋转。位置追踪踪器能够感受到操作者的位置和方位并提供动态的、实时的位置（三维笛卡尔坐标）和方位（俯仰角、偏行角、滚动角）信息。

（4）操作手柄。通过软件编程，操作手柄可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转、热点切换、界面操作等动作，它为操作者提供一种非常真实、自然的三维交互工具。

（5）显示系统和音响系统。VR训练系统的显示系统除了头显，还可以通过HDMI高清线将计算机与显示设备（例如计算机显示器）连接起来以同步显示操作者当前看到的内容。VR训练系统的头显中配有一副耳麦供操作者听到操作声音和背景声音。

本VR训练系统特意将其计算机与播放厅的专用显示屏、音响相连，以保证某位学生在操作VR训练系统进行训练时其它学生可以同步观看到、听到其操作内容和声音。

2.4 VR训练系统的软件环境

VR训练系统是通过Unity3D引擎开发，编程语言为C#，运行平台为PC端运行，软件版本为Unity2018.3.8f1，代码编辑器版本为Visual Studio2013。

3 VR训练系统应用

按照VR训练系统建设计划，目前此系统已建成并通过了项目验收。

3.1 VR训练系统中设备的连接

VR训练系统的设备连接如下：

（1）高性能计算机通过HDMI、USB3.0与数据接收处理器连接；（2）数据接收处理器与位置追踪器、操作手柄采用WiGig无线方式连接；（3）数据接收处理器与位置追踪器需要独立供电，操作手柄使用充电电池供电；（4）数据接收处理器与头显采用5米长的集成线连接（HDMIUSB3.0音频），便于用户在虚拟环境中的移动。

VR训练系统的设备及其训练场地如图1所示，其操作界面如图2所示。

图1：VR训练系统设备及其场地

图2：VR训练系统操作界面

3.2 VR训练系统在装备实操课中的应用

VR训练系统验收后已投入多个批次的学生装备教学中，多名学生已使用其进行了训练。通过学生使用的反馈及制定的教学计划，我们做了以下教学安排：

（1）VR训练系统用于装备教学是有益的，使用的时机应该是学生完成装备操作基础训练后、课程考试前的时间段；

（2）VR训练系统可以与实装同步用于教学，使用时可以将学生分成几部分，其中一部分专门使用其进行训练，一段时间后可以与实装训练的学生进行轮换；

（3）使用VR训练系统进行装备教学时，每套VR设备只能满足一名学生操作，其余学生可以通过播放厅的专用显示屏和音响系统进行同步观看；

（4）在装备教学中，VR训练系统侧重于培养学生对装备的操作流程和操作内容训练，实装训练侧重于培养学生对装备的操作手感和操作细节的训练，两者相互配合的教学效果好过单独使用一种手段的效果。

4 结束语

在院校教育中，装备教学对学生毕业后的岗位任职有重大影响。所以，完善装备教学手段、优化装备教学资源，从而提高装备教学效率，就显得尤为必要。通过教学实践可以发现，运用虚拟现实技术，可以显著地提高教学效率。因此，虚拟仿真技术在院校的装备训练中有广阔的应用前景。