论文导读：针对新装备数量少、造价昂贵和反复操作易造成装备损坏的问题，本文利用建模工具Solidworks和3DsMax建立其火控系统的3D模型，并通过仿真工具Virtools建立互动接口，实现某火箭炮的虚拟教学系统方案，以达到提高训练效率、缩减训练时间及费用的目的。
关键词：虚拟教学Virtools新装备
随着现代战争的需求变化以及军事技术的日新月异，各军事强国研制的新型武器装备层出不穷，其复杂度和科技含量越来越高，更新速度越来越快，价格昂贵、实际装备数量少。若以实际装备来进行教学训练，不仅教学地点局限，也无法看见装备内部的机构构造，且学员如操作不当更可能发生危险，造成损伤，减少装备使用寿命。节约时间。这就给新装备的教学训练带来了极大的挑战．传统装备教学训练方法除了理论学习外，主要以频繁拆装动手练为主，由于周期长、效率低、过于依赖经验积累，已不能适应新形势的需要。而虚拟教学技术则是一种基于虚拟现实并对装备教学训练进行人机交互仿真的技术，与传统教学训练相比较，具有训练周期短、效率高、较少依赖经验积累并节省大量维修成本等优点，因此可以更好地适应新形势下装备教学训练的要求[1]。
1. 虚拟教学系统的内涵
虚拟教学系统是建立在虚拟现实技术基础之上的，虚拟教学系统与传统教学系统不同，它通过刺激多种感官，使人沉浸干其中，同时与这个逼真的环境进行交互，从而达到快速学习、真实体验生活经验和提高能力的目的。系统科学认为，系统结构是系统整体存在的基础，结构的变化导致系统整体性能的变化，系统结构决定系统的功能。因此，从系统科学的角度上来看，虚拟教学系统与传统教学系统相比结构发生了变化，其中虚拟现实技术在虚拟教学系统中起着举足轻重的作用；其次，从系统结构要素之间关系的变化来看，虚拟教学系统要素之间的相互作用和内在联系更紧密更复杂。因此，我们认为虚拟教学系统是较传统教学系统更直接、更高效、更人性化的一种虚拟教学环境[2]。论文发表。
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。它可分为沉浸式和非沉浸式两种：沉浸式虚拟现实技术，是通过一些特殊的外部设备如头盔式立体显示器、空间位置传感器等输入输出设备来实现的。但由于其价格昂贵，且一次只能供一人使用，因此很少在教学中得到推广和应用。而非沉浸式虚拟现实技术，主要依赖软件技术来实现，即应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟，其特点是经济、方便，便于广大学员使用，目前用于非沉浸式虚拟现实的软件有很多，如MutiGen Vega/Vega Prime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。论文发表。其中，Virtools技术以其功能较全面、人机交互可视化强等优势得到了越来越广泛的研究和应用[3]。
2 虚拟现实技术的特征
虚拟现实技术具有多感知性、沉浸性、交互性、自主性、构想性等特征。
2.1 多感知性（Multi—Sensory）
除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉感知、听觉感知、触觉感知、动觉感知等多种感知，甚至还包括味觉感知、嗅觉感知，从而达到身临其境的感受。总之，与传统教学系统相比，虚拟教学系统将有可能全方位的激发人的感知，从而达到快速提高学员的认知、技能、情感等方面素质的目的。
2.2 沉浸性（Immersion）
沉浸性，即临场性，是指用户作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。虚拟教学系统的优势就在于它能使学员沉浸在逼真的三维立体学习环境中，积极主动地去学习，从而提高学习效率。
2.3 交互性（Interaction）
交互性是指用户对模拟环境中物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。总之，用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。
2.4 自主性（Autonomy）
自主性是指虚拟环境中的物体都具有现实环境中物体所具有的运动规律，即虚拟环境中物体依据物理定律动作。虚拟现实系统中的各个物体都是根据现实中物体的运动规律设计的，它们必须符合现实环境。
虚拟现实技术的特征使得虚拟现实技术广泛应用于各个领域，包括仿真建模、计算机辅助设计与制造、可视化计算等等。
3 新装备虚拟教学系统的设计与开发
虚拟教学系统主要由两部分构成，一部分是用于显示显性知识的学习系统，即将某一学科或某一主题的主要知识点以文、图、声、像等形式在系统中呈现出来：另一部分是用于掌握意会知识的训练系统，它主要是根据具体案例，在虚拟情景中进行模拟操作练习，并得到相应的操作反馈，从而不断积累经验最终达到掌握意会知识的目标。下面以某新型火箭炮虚拟教学系统火控系统部分内容的设计开发为例，介绍Virtools技术的具体应用。
3.1 火箭炮火控系统的教学内容
该火箭炮虚拟教学系统包括火控操作、机构动作、机构拆装、虚拟维修等教学内容，通过这些可以全面的熟悉该火箭炮。其中火控系统是该武器系统的核心组成部分。火控系统是发挥该武器性能，快速地、有效地实施对敌作战指挥和控制的大脑，同时，火控系统也是体现了高新技术在武器系统的应用水平。
3.2 3D模型的建立
由于Virtools本身不具备建构3D模型的能力，所以要进入制作虚拟互动之前须自行先建立3D模型。由于Solidworks侧重于建模，它有着无与伦比的、基于实体的建模功能，轻松进行装配，本文采用它做为CAD建模软件。一般计算机辅助软件转文件到虚拟现实软件很多都使用公用转档格式，如stl或IGES等。但是这些公用格式常会出现破面或是文件格式不符合等诸多问题。在本文中是利用Deep Exploation转文件软件，其可将Solidworks文件格式转档到3ds Max中而不致产生破面，顺利解决了CAD软件及VR软件间的接口问题。因此本文首先通过solidworks对火箭炮的各部分进行机构建模及装配处理；然后导入到3ds max中对其进行动画设置、材质贴图和渲染，使其尽量看起来和实际装备相接近，如图1所示。
 
图1 火控系统3D模型
3.3 三维交互的实现
将建立的3D模型文件导入Virtools后，先将3D模型定位，调整灯光参数，并套用了内建的行为功能模块（BuildingBlocks，简称BB模块），让火箭炮能做基本的旋转、移动、镜头拉近拉远等功能，图2所示为采用鼠标实现这些功能的BB模块。
  图2 鼠标操作的BB模块
同时为达到仿真的目的，也将火控操作面板按键直接置于操作接口上，让用户有临场操作感，若搭配立体眼镜与3D手套更是犹如身在虚拟教室内，每一按键动作完全依据按扭实际动作，让操作者可以反复操作进行交互式学习，如图3所示。
  图3 火控操作台
在操作接口上除了有主要操作面板，还增加了双屏显示功能，来显示在操作台按下某一按扭时操作舱外部机构的动作执行情况，这是实际装备操作时学员无法实现的。并且可以进行单屏、双屏显示模式快速切换，如图4所示。其基本实现流程是：首先利用SetScreen Proportional Pos模块来分配第二屏幕的大小，然后利用VSL脚本来设定第二屏幕的坐标位置。论文发表。VSL是用户自定义功能的接口，可以根据需要设置多个输入、输出参数，并通过脚本语言执行自定义编码。下面的编码实现了设定第二屏幕的坐标位置的功能：
void main()
{
pOut0.left=0;pOut0.right=pInX/2;pOut0.top=0;pOut0.bottom=pInY;//第一屏幕坐标
pOut1.left=pInX/2;pOut1.right=pInX;pOut1.top=0;pOut1.bottom=pInY;//第二屏幕坐标
}
最后利用Additional View模块来增加一个屏幕，整个执行流程代码如图5所示。
 
图4 双屏显示模式
图5 执行流程代码
4 结论
基于Virtools技术的虚拟教学系统有利于学员在系统所设置的虚拟场景中，直观立体地了解显性知识，并通过对其中设置的不同案例的反复操练加强对意会知识的理解和掌握，有助于提高教学的效率和效果。本文针对某火箭炮操作危险性和反复操作对装备的损坏，建立其火控系统的3D模型，并通过Virtools建立互动接口，让学员在实际装备操作前，先利用本训练教材进行初步学习，熟悉火控系统的基本操作，如此一来即可减少操作的意外与装备的损耗，让学员能更快进入状况、更有效率的学习，也能落实教学普及化。
参考文献
[1]王国虎，汪刘应，华绍春等．装备虚拟维修技术探讨[J]．现代防御技术，2007，35（6）：134－138
[2]王乐．基于Virtools的分布式虚拟现实技术研究[J]．湖北工业大学学报，2005，20（3）：22—24
[3]罗虹．基于Vitools技术的虚拟教学系统的设计与实现[J]．现代教育技术，2007，（10）：57—60
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