基于虚拟现实技术的手榴弹投掷安全施训研究*

张李杰，孙文磊，赵 群

（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830047）

基于虚拟现实技术的手榴弹投掷安全施训研究*

张李杰，孙文磊，赵 群

（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830047）

分析了目前手榴弹投掷训练存在的一些问题和研究方法，模拟仿真了基于虚拟现实技术、N-vision平台、3ds Max以及JACK建立的手榴弹实弹投掷场景，再现优秀训练者的技术动作和细微环节、教练员的意图，采用交互漫游，增强了沉浸感，从而提高训练质量，降低安全隐患风险。

虚拟现实，手榴弹投掷，模拟仿真

引言

手榴弹投掷作为军事训练大纲规定的必训内容，是培养军人良好心理素质和适应未来战争能力的重要训练手段。如何降低实弹投掷的安全风险，避免不必要的人员伤亡，显得十分必要。张志等［1］就实弹投掷场地设置进行研究，提出了三角形、弧形、马蹄形、“山”字形4种布局较合理的投掷掩体。张永民等［2］对手榴弹投掷技术进行了生物力学分析，提出了针对投掷姿势中不合理因素的改进方法。杨玉忠等［3］对实弹投掷时学员心理能量控制进行研究，提出应结合技术训练有意识地加强心理耐力训练，合理分配和调控心理能量。郝朝辉等［4］就如何预防实弹投掷训练中的事故，提出了合理布置场地、严密现场组织、加强受训者适应性、妥善处理不炸弹和剩弹等6点建议。

1 手榴弹投掷训练中存在的问题

手榴弹投掷训练的好坏直接影响着实弹投掷的质量，因此，实弹投掷前的训练非常重要。传统训练出于安全和经济的考虑，一般使用质量和外形都与实弹非常相近的训练弹，简单易行，且可重复使用，但弹体投掷后无声、光爆炸效果，在实弹投掷中，战士不免会出现心理紧张，易引发安全事故。为了增强投掷训练的真实感，国外已经研制和使用了专门用来训练的手榴弹，可以产生爆炸声和碎片，但引信组件在使用完一次后需要更换，不利于节省开支和节约资源［5］。

随着以计算机为主体的数字化虚拟现实技术在军事领域中应用范围的不断扩大，很大程度上解决了作战训练中的一些实际问题，因此引起当今各国军队的极大兴趣，被视为信息时代提高作战效能和加强军队质量建设的有效途径。美军于上世纪70年代末开始将模拟训练器材应用于部队训练，既避免了实兵、实车、实弹等带来的武器、弹药训练损耗，节省了大量经费，又保证了人身安全。

虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备实现用户与该环境直接进行自然交互，具有沉浸性、交互性和想象性［6］。随着虚拟现实技术的不断成熟，未来战争中虚拟现实的应用将会越来越多，对战争的影响也将会越来越大［7］。

2 基于虚拟现实技术的手榴弹投掷训练设计

通常CAD系统产生的模型是静态的，本文采用3ds MAX建立环境模型、JACK创建符合我国人体特征的虚拟人，然后以统一数据格式输出，进行实时渲染。通过加入事件响应，实现移动，旋转，视点变换等操作，营造一个开放的环境，训练者通过视景系统和输入（如手势，语言命令）作出响应，实现人机交互。如图1所示为搭建的视景系统结构简图。

图1 视景系统结构简图

视景系统按照工作原理分为点光源投影系统、电影胶片投影系统、沙盘-闭路电视系统、计算机成像系统。N-vision是基于PC环境的虚拟现实实景模拟系统软件，面向虚拟装配、虚拟设计、虚拟手术、虚拟维修、虚拟产品展示等科学可视化领域而开发的，支持各种虚拟现实外部硬件设备输入和多种立体模式的立体投影输出；支持自动漫游、手动漫游、自定义漫游轨迹路径和骨骼动画、位移动画、变形动画，并且拥有较好的兼容性。图2为利用搭建的N-vision平台，进行手榴弹训练模拟系统的结构设计图。

2.1 手榴弹投掷训练场地的构建

构建场地模型时应该尽可能地接近实际投掷场地，以此增强训练者实弹投掷时对环境的适应性，降低紧张感和焦虑感。建模可使用UG、Maya、、Pro/E等三维软件，鉴于3ds Max对PC系统的配置要求低、具有强大的角色动画能力、堆叠建模可赋予模型非常大的弹性等特点，本文采用3ds MAX对手榴弹和场地建模，为了达到更加逼真的效果，建模后进行VR渲染。图3和图4分别为渲染后的手榴弹模型和实弹投掷场地的模型。

图2 系统结构设计图

图3 手榴弹模型

图4 实弹投掷场地模型

2.2 虚拟人体模型的创建

虚拟人（Visual Human）是通过数字技术模拟真实人体的三维模型。虚拟人的研究美国最先进行，如今，我国是继美国、韩国之后，世界上第3个拥有本国虚拟人数据库的国家。虚拟人体的建模方法有：线框建模、实体建模、曲面建模等，本文采用的是JACK软件库里的人体模型。JACK作为人因仿真分析软件中的佼佼者，最初是宾夕法尼亚大学人体建模和仿真中心的研发项目，后经普渡大学、密西根大学参与改进，如今具有仿真度更高的数字人体模型，新的测量工具及新的人因分析工具，可以创建更加符合现实的仿真分析。利用Jack可以根据实际人体的情况，创建不同身体尺寸和性别的三维人体模型以及实体模型［8］。下页图5所示为创建的4种不同身高、体重的人体模型。

图5 虚拟人体模型

3 N-vision平台交互

场景模型和人体模型需要在统一的平台完成交互，由于3ds Max、JACK交互行为不足，因此，要导入N-vision平台中进一步的完善。首先将JACK中的人体模型导出为.wrl格式，导入到3ds max创建好的训练场景模型中，根据实际的训练场景，调整好人体的位置和姿势，加入合适的灯光和摄像机，根据实际投掷的标准动作，设置投掷前、投掷中、投掷后的关键帧，制作动画，而后以统一的.ive格式导入到N-vision平台中。从N-vision平台再次打开路径文件，选择立体通道显示，通过佩戴好的3D眼镜，就可以观测出手榴弹投掷训练环境，带给训练者身临其境的感觉。图6～图8分别为环形屏幕显示投掷开始、投掷中、投掷后的正视和左视图。

图6 实弹投掷开始正视和左视图

4 结束语

结合虚拟现实技术在军事领域的应用，利用3ds Max、JACK三维建模和人因工程软件以及N-vision平台，模拟仿真了手榴弹投掷训练的情景。场景的仿真漫游是虚拟现实技术表现的一个重要手段，系统从实体的模型建起，直至整个场景的渲染，注重细节尺寸，完整地展现了手榴弹投掷训练，更好地表达了教练员的训练意图，提高了安全施训的效率。

图7 实弹投掷中正视和左视图

图8 实弹投掷后正视和左视图

［1］张 志，李炳志，张居群.手榴弹实弹投掷场地设置探究［J］.军事体育进修学院学报，2009，28（2）：83-85.

［2］张永民，倪俊荣，任文轩，等.手榴弹投掷技术的生物力学分析［J］.解放军体育学院学报，1999（2）.

［3］杨玉忠，秦 键，侠文强，等.手榴弹实弹投掷时学员心理能量控制的问题研究［J］.体育世界（学术版），2007（8）：43-46.

［4］郝朝辉，吕占广.手榴弹实弹投掷训练中事故的预防［J］.中国教育技术装备，2012（2）：22-23.

［5］段志薇，张 亚.军用模拟声响训练手榴弹［J］.四川兵工学报，2008，29（4）：35-36.

［6］李 敏，韩 丰.虚拟现实技术综述［J］.软件导刊，2010（6）：142-144.

［7］王 亚，汤万刚，罗代升.虚拟现实技术在军事领域的应用及对未来战争的影响［J］.现代防御技术，2005，33（4）：68-72.

［8］钮建伟，张 乐.JACK人因工程基础及应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［9］李丽荣，陆宇平，王彦民.虚拟现实技术在军事上的应用［J］.飞机设计，2005，9（3）：49-53.

Grenade Throwing Based on Virtual Reality Technology Research on Safety

ZHANG Li-jie，SUN Wen-lei，ZHAO Qun

（College of Mechanical Engineering，Xinjiang University Wulumuqi 830047，China）

Some problems currently existing in grenade throwing training and research methods are analyzed，simulation is based on virtual reality technology，N-vision platform，3 ds Max and JACK built grenades live scenes，represent the best trainer of technical action and subtle link，the intention of coaches，adopting interactive roaming，strengthens the immersive，so as to improve the quality of training，reduce the risk of potential safety concerns.

virtual reality，grenade thrown，simulation

TP37

A

1002-0640（2014）10-0186-03

2013-08-09

2013-10-07

新疆制造业重大科研基金资助项目（201130110）

张李杰（1987- ），男，陕西汉中人，硕士研究生。研究方向：CAD/CAM及先进制造技术方面的研究。