虚拟现实技术在雷达培训系统上的应用

向华平

(南京电子技术研究所，南京 210039)



【后勤保障与装备管理】

虚拟现实技术在雷达培训系统上的应用

向华平

(南京电子技术研究所，南京 210039)

针对目前国内对交互式电子手册认识的不足，通过引入虚拟现实技术，开发了基于虚拟现实技术的雷达交互式培训系统，应用动态光照、软阴影等关键技术，实现了用户对雷达各组成部分以及雷达维护、维修过程的交互操控，极大地提升了保障信息的可达性。

雷达；虚拟现实；培训系统；交互

复杂武器装备保障技术资料是武器系统的重要组成部分，是装备使用和维修保障的重要技术支撑。先进完备的保障技术资料与模式，不仅可以提高部队的维修能力，而且可以极大促进装备的战备完好性，降低维修保障费用。

为了解决传统随机资料与培训授课模式的短板，交互式电子技术手册(interactive electronic technical manual,IETM)应运而生。它是一种能够大大提高武器系统使用和维修保障效率的技术手段[1]。按照美军标MIL—PRF一87269A中的定义，IETM是一种由专业工具创作、在电子屏幕上显示、以数字化形式存在的技术手册。它具有纸质技术手册所不具备的特征：信息更适于电子屏幕显示，易于用户操作和理解；用户可通过多种途径访问到自己所请求的信息；用户与技术信息的交互性强。

目前，国内对IETM的基本概念、内容形式和应用意义都有一定了解，但往往停留在电子手册(electronic technical manual,ETM)层次之上[1-2]。本文充分利用虚拟现实技术，在雷达地勤培训系统中实现了用户实感全景体验，诠释了IETM中环境与用户的交互特性。

1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR,译作灵境、幻真)就是采用以计算机技术为核心的现代高新技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的虚拟环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体交互作用，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验[3]。

在国内的绝大部分应用中，最常用的虚拟现实往往都是以屏幕为载体，除了声音、语音及网络技术的应用以外，最重要的技术就是实时三维计算机图形技术[4]，具体包括：

支持OpenGL，DirectX9，DirectX10，DirectX11系统采用PSSM动态光照技术,实现动态的光照效果以及动态的实时阴影,并且支持硬件加速；

支持CG，HLSL和GLSL；

通过DirectShow,可以完美支持视频纹理,格式包括:AVI,MPG,WMV,并且实现声音同步；

支持Flash材质，直接提取Flash到3D环境下，并可操作和更新；

支持网页材质，直接将网页提取到3D环境下，并可操作和更新；

支持3D音效解决方案；

采用PhysX物理引擎作为系统的物理引擎,轻松实现超真实的物理世界效果；

支持海量数据的导入与管理；

支持多种数据库，包括Access，SQLServer，Oracel；

多通道输出(图形渲染Cluster的支持)。

2 培训系统实现的关键技术

2.1 动态光照技术

在动态光照方面，对原有技术进行加强，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计算，同时也集成了Phong光照模型的镜面反射效果[5]。不同的是，Phong光照模型需要计算入射光的反射角，相对效率较低，而Blinn-Phong使用光线入射角与视角的中间值，该值与顶点的法向量进行点积计算， 近似获得镜面反射效果，效率上大大提高，而效果没有明显降低。

2.2 基于硬件加速的软阴影技术(PSSM)

PSSM技术是一种基于阴影贴图方式的三维空间阴影解决方案。阴影贴图方式是将场景的深度信息以光源的视角渲染到一张纹理上，然后在场景渲染时进行深度信息比较，从而决定像素是否在阴影内。该种方式可以很好地解决模型阴影方式下透明纹理的阴影投射问题，并能轻易柔化阴影边缘，使阴影效果更加真实。而PSSM技术是对阴影贴图方式的一种扩充，它将普通单张阴影贴图扩展为多张，根据场景与视点的距离，将场景进行动态的分割，并将分割后的各部分单独渲染到独立的阴影贴图上，这样既解决了纹理贴图尺寸上限的限制，也能更好地提升视点近端阴影品质[6]。

采用硬件加速的软阴影技术,增强了画面立体感与真实感，并不影响阴影运算速度。

2.3 屏幕空间环境光遮蔽技术(SSAO)

SSAO通过采样像素周围的信息，进行简单的深度值对比，计算物体身上环境光照无法到达的范围，从而近似表现物体在环境光照下产生的轮廓阴影。可以利用“逐像素场景深度计算”技术计算得出的深度值直接参与运算[7]，其效果如图1所示。

2.4 视差映射贴图技术

视差映射贴图技术是一种新型的凹凸贴图解决方法。该技术在普通利用法线贴图的凹凸贴图技术基础上，新增加了一张高度贴图，在计算纹理表面像素点时，根据高度信息让像素沿着法线方向偏移，从而实现视觉视差，让二维纹理产生立体感，使物体表明更高效地呈现出更明显的深度与真实感，其效果如图2所示。

图1 SSAO技术应用对比

图2 视差映射贴图技术应用对比

2.5 交互式UI技术

VR系统与Flash多媒体有机地结合，Flash既作为UI，也作为页面内容。在本交互培训系统中，涉及到大量的二维交互演示(如原理介绍、雷达维护等)，同时也牵涉到较多的三维交互演练(如雷达维修、接口介绍)，前者使用Flash交互最为直接，而后者则采用VR技术。因此在本系统中将两者结合在一起，同时能进行二维和三维的交互，提高界面的画面效率。

3 系统框架及特点介绍

3.1 系统框架介绍

根据机载火控雷达全寿命周期综合保障的特点，接合地勤工作人员的突出需求，雷达虚拟交互培训系统包括5大子系统[8-10]：

雷达概述：介绍雷达组成、原理、功能及内外交联关系。

雷达维护：阐述雷达维护设备，详细介绍常规任务前检查、机械日检查、定检及预防性维修的项目及步骤。

雷达维修：阐述雷达维修设备，详细演示雷达各独立可更换模块的拆装过程，引导人员通过故障清单虚拟交互实现故障排除。

包装运输：动态演示雷达各组成单元的包装过程。

模拟考核：动态生成考核题库，考核人员对雷达相关知识的掌握情况。

系统界面如图3所示。

图3 系统主界面

3.2系统特点

1) 引入3D虚拟交互模式

系统采用CrystalEngine三维渲染引擎，该引擎集成了当前主流渲染内核，全面支持DX与OpenGL，保证了交互的流畅逼真，实现了传统培训系统单向信息传递模式向双向交互操控模式转化，极大地丰富了信息资源的传递路径。

2) 系统模块化易于扩展

系统虽然以雷达各功能组成为主线，但系统各逻辑模块均相互独立，通过嵌入式Lua脚本进行定义与调用，几乎可以在所有的操作系统与平台上编译，极大地增强了系统稳定性与扩展性。

3) 智能化的知识积累

自动提取用户每次的操作过程，记录到后台数据库，通过定制程序进行分析统计，以报表的形式告知用户易于混淆的“知识点”。

4 结论

开发了基于虚拟现实技术的交互式雷达培训系统，介绍了系统实现的关键技术、系统框架以及系统特点。系统突破了传统培训系统(或教材)单向信息传递模式，实现了用户与系统间的双向信息互通。该技术的应用与发展，必将带来武器装备保障能力较大提升。

[1] 李英勇．交互式电子技术手册用户需求分析研究[J]．电子产品可靠性与环境试验，2012(4):15-19．

[2] 张永祯，周晶晶，林慧贞．便携式雷达维修辅助设备的设计与实现[J]．现代雷达，2013，35(7):63-65．

[3] 刘耀林，孔建益，蒋国璋，等．虚拟现实技术的发展[J]．湖北工业大学学报，2011，20(3):186-188.

[4] 李长山．虚拟现实技术及其应用[M]．北京：石油工业出版社，2006.

[5] 郑长伟，刘高攀，郭齐胜．基于OpenGVS4.3的光照效果研究[J]．计算机仿真，2005,22(7):198-200.

[6] 王华; 朱丽华，顾耀林．一种基于阴影图的实时软阴影算法[J]．计算机应用，2007,27(10):2538-2540.

[7] 宋云鹏，刘芳，刘娜，等．使用多层深度采样的屏幕空间环境光遮挡[J]．计算机工程与设计，2011,32(7):2409-2412.

[8] 薛勇．基于虚拟现实的三维产品交互展示网站的设计与实现[J]．电脑知识与技术，2010,32(6):9094-9096.

[9] 米小珍， 梁树林，兆文忠，等．面向检修的CRH_3动车组转向架虚拟仿真系统开发[J]．铁道机车车辆，2012，30(1):32-36．

[10]禹海全， 郝永生，马剑．一种基于虚拟现实技术的导弹模拟训练系统[J]．系统仿真学报，2006，18(4):921-923．

(责任编辑 唐定国)

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

装备预先研究项目(513070401)

向华平(1979—)，男(土家族)，高级工程师，主要从事机载雷达结构总体设计研究。

10.11809/scbgxb2016.10.030

向华平.虚拟现实技术在雷达培训系统上的应用[J].兵器装备工程学报，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