基于人机交互原语的远火火控模型设计研究＊

邢立新 陈 涠 王瑾珏 沈中卿

（陆军军官学院 合肥 230031）

1 远火火控分布式虚拟环境

虚拟环境是计算机生成的数字空间，它应当可以表现为逼真的三维虚拟环境。当多个不同地点的虚拟现实终端需要联结起来进行交互，它们就必须共同营造维护同一个虚拟环境。

动态变化性是整个系统的难点，从分布式系统的角度看待这个虚拟世界，应该提取常量和不变量，从三维图形绘制的角度看，远火火控虚拟世界中涉及到的地形、地貌、目标和天空等，操作员对这些的交互性很弱，因此相对的修改要求较小，而气象信息、车体状况、炸点偏差和射击参数等计算机生成的角色是虚拟世界中主要的数据变化主体，将它们统称为对象，需要发生动态更改的自然环境也被看成物体，属于对象。所以，虚拟世界中的变化应当主要是对象的状态变化或相关操作，所以很容易得出：

远火火控虚拟环境＝（环境数据＋设备模型＋智能实体＋网络交互）＋应用逻辑

将远火火控分布式虚拟战场环境进行问题抽象，如图1所示，多个操作员共享一个虚拟环境，并进行操作，得到相应的反馈，真实物体也可以通过仿真或机械等手段进行虚实的相互操作，虚拟场景可以从真实世界的数据生成。对抽象的元素进行应用分析，分布式虚拟环境有三个基本要求：1）一致性；2）交互性；3）实时性[1]。

图1 远火火控虚拟战场环境的问题抽象

2 虚拟环境下人机交互输入原语系统

远火火控模拟仿真系统应用常用的交互设备包括键盘、鼠标、操作杆、显示器、扬声器等，半实物仿真还需要构建一些专用的交互设备接口，随着虚拟现实技术的发展还会出现更多的人机交互设备。由于交互设备的多样性和可能的复杂性，给应用系统的构造带来与设备相关的问题。

输入原语系统是将交互设备的输入映射为原语，并利用原语作为输入来控制仿真实体动作及行为的系统，它定义了输入原语的表示形式，描述了物理设备的输入如何映射为原语，以及应用程序如何使用原语。设备操作、原语及实体动作三者之间的关系如图2所示[2]。

图2 设备操作、原语及实体动作三者之间的关系

输入原语是命令的最小构成单位，是外设的一次动作对应的原型。在火控模拟训练仿真系统应用中，外设的输入信息可被分为两种：离散的和连续的。离散的输入信息是指如键盘、鼠标等点击输入，连续的输入信息是指如操纵杆、数据手套等高频输入。离散输入信息可以用来表示一个事件，因而可以代表实体动作的程度，远火火控模拟训练仿真系统中实体的状态包括其位置和方向信息。输入原语的定义如下：

其中，GunFireControl表示一种操作抽象的动作，标识对应逻辑操作的原语类别；六个参数分别表示输入在三维空间中位置和方向信息；time＿stamp为时间戳，用于实时交互约束处理；可选的Device是设备类型；可选参数Reserved用来储存额外的必要信息，如对于操纵杆输入设备而言，便可以利用此项储存各个信息。

原语系统中用于表示空间的位置和方向信息的六个参数没有给出一个统一的数据表示，它们只在各自的设备空间中有意义，即仍然是设备相关的，也就使得各个设备所表示的方向信息彼此之间不具备可比性。为此，需要定义远火火控的逻辑设备坐标系、物理设备坐标系到逻辑设备坐标系的映射以及归一化函数来解决这个问题。

远火火控逻辑设备坐标系的定义如图3所示。α，β，γ表示输入方向信息的欧拉角，单位为rad。其旋转顺序定义为依次绕z轴逆时针旋转γrad，绕x轴旋转αrad，绕y轴旋转βrad，其中α，β，γ的取值范围从（－∞，＋∞）。

从远火火控物理设备坐标系到逻辑设备坐标系的映射如图4所示，物理设备坐标系上取值范围包围盒的中点对应逻辑设备坐标系的原点，各坐标轴和“同向”的逻辑设备坐标系坐标轴相对应。图中，xmax，ymax，zmax分别为物理设备空间最大值在x，y，z坐标轴上对应的坐标[3]。

图3 逻辑设备坐标系

图4 物理设备坐标系到逻辑设备坐标系的映射

物理设备坐标系中的坐标映射到逻辑设备坐标系中相应的坐标后，还不能直接使用，需经过归一化函数进行归一化。归一化函数f定义为：（X，Y，Z，α，β，γ）＝f（x，y，z，a，b，c），其中，（x，y，z）为物理设备位置输入值在其设备坐标系中对应的坐标位置，取值范围与具体的物理设备相关；（X，Y，Z）为其在逻辑设备坐标系中对应值，取值范围定义为[－1，＋1]；（a，b，c）为物理设备方向输入值在其设备坐标系中对应的方向坐标，取值范围与具体的物理设备相关；（α，β，γ）为其在逻辑设备坐标系中的对应值，取值范围为（－∞，＋∞）。

设当物理设备坐标（x，y，z）的取值范围为x∈归一化函数f的定义如下

其中，f′函数为从物理设备坐标系中的方向坐标转换成逻辑设备坐标系定义的欧拉角的函数。例如，当鼠标的输入为竖直方向192，水平方向256时，对应的物理设备坐标为（192，256，0），则其在逻辑设备坐标系中的坐标为（－0.5，0，－0.5），此处设屏幕的分辨率为1024×768[4]。

输入原语映射是建立在交互输入设备上的，与物理设备相关，涉及物理设备的操作特性。它首先定义好输入设备的可能操作对应的原语中的Tpye，即输入原语表，输入原语表是设备操作集合到Tpye的一个满射。输入原语系统将直接获得的设备输入中的位置和方向信息首先从相应的物理设备坐标系转换到逻辑设备坐标系中，然后按照输入原语表中的映射关系找到对应的Tpye，从而形成原语输入。最终，如图5所示为远火火控中按照人机交互原语系统所建立的远火射击模型效果图。

图5 远火模型射击效果图

3 结语

远火火控模拟训练系统模型的建立中涉及很多人机交互的方面，包括行军、操瞄调炮、解算诸元、参数修正等。输入原语的解释与执行是建立在原语基础上的，与具体的物理输入设备无关。仿真应用在接收到原语输入之后，根据其所表示的语义动作，取出相应的参数信息，并以此来控制仿真实体的动作及行为。输入原语系统将设备输入与实体控制在软件实现上相分离，使得交互输入原语与物理输入设备、实体控制相关，而实体控制变得与输入设备无关，从而简化了软件的设计，增强了软件的灵活性和可扩展性。

[1]周忠，吴威.分布式虚拟环境[M].北京：科学出版社，2009：17－19.

[2]段作义，唐少刚，刘鹏.分布式交互仿真应用系统输入输出模型的研究与实现[J].系统仿真学报，2006，18（1）：102－105.

[3]Andreas T，James A M.2004.M＆S whitin the model driven architecture.Proceedings of Interservice／Industry Traning，Simulation，and Education Conference（I／ITSEC 04）Montevery Cal－iforma：161－163.

[4]赵沁平，怀进鹏，李波，等.虚拟现实研究概况[M].北京：科学出版社，1996：7－9.