某型弹药虚拟维修训练系统的三维模型设计

田涛，孙忠云，苏锋

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

某型弹药虚拟维修训练系统的三维模型设计

田涛，孙忠云，苏锋

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

利用3DS MAX软件与Creator软件相结合的方法建立逼真的某型弹药模型和建立弹药库场景模型，建立一套某型弹药虚拟维修的视景仿真模型，总结出实用的3DS MAX软件与Creator软件相结合的建模技巧。

虚拟现实；三维建模；仿真模型

0 引言

某型弹药是我军随某型战机引进的主战弹药，技术含量高、结构复杂、造价昂贵，至今没有配套维修训练实装和成熟的维修技术方案。其弹药辅助检测维护设备是一套自动化弹药检测和技术准备系统，用于对战机装备的导弹及制导炸弹进行检测、技术维护以及战斗准备，确保弹药处于良好的技术状态。由于弹药装备的特殊性和潜在的危险性，实装训练时间不可能太长，参训的人数有限，且训练费用高，无法保证大规模，高强度的训练，也无法快速提高维护人员弹药检测和战斗准备的水平。采用虚拟现实技术构建一套虚拟维修训练系统，对于训练弹药技术保障人员、提高部队的战斗力有重要意义[1-3]。实现这套弹药虚拟维修训练系统，必须建立逼真的维修检测环境，不仅包含弹药、辅助检测维护设备、维修（检测）工具等基础检测设施（设备）及检测小车、弹药运输车等信息，还包括整个检测厂区的地理环境信息。它们构成了某型弹药虚拟维修训练系统的运行和仿真基础。利用3DS MAX软件与Creator软件相结合的方式，对某型弹药、检测设备以及地理环境进行三维视景建模的方法，为基于Eon Studio的虚拟维修训练系统的驱动仿真提供了对象。

1 建模平台概述

（1）3DS MAX软件平台。Autodesk 3DS Max是目前PC机上最流行、使用最广泛的三维动画软件之一，随着软件的不断升级，在多边形建模方面，可以十分方便且自由地根据已有素材建立出精细的三维物理模型，并且可以对多边形的构成点、边、面进行独立操作，很好的控制三维物理模型面片数的数量，满足系统对物理模型的要求。

（2）Creator软件平台。Multi Gen Creator软件提供了一种实时、灵活的建模方法，旨在实现建模的逼真性和在虚拟现实中的实时交互性，并且使用统一的图形数据描述格式Open Flight描述模型[4]。Open Flight是一种分层结构的景观描述数据库，将数据列为树状结构进行管理。如图1所示，由“树干”向下依次细化，各节点所处位置一目了然，结构分明、管理方便，可大大提高建模效率。

采用3DS Max软件建立三维物理模型，在Creator软件中管理物理模型，并且对物理模型进行相应的优化及对动态物理模型进行DOF制作、LOD分级创建等。

2 模型数据库的组成与设计

《某型弹药虚拟维修训练系统》中涉及的物理模型种类繁多，大体可以分为某型弹药、检测维护设备、载体车辆和地理环境4大类。每类物理模型依据不同的用途分类有具体型号。结合Creator软件模型数据库的管理方式，《某型弹药虚拟维修训练系统》中模型分类见图2。

（1）某型弹药。是该系统的主要物理模型，根据结构可划分成“五大舱室”，即引导头舱、引信舱、战斗部舱、发动机舱和舵机舱。系统中维修训练部分主要围绕该型弹药进行，因此在建模时要严格按照图纸进行建模，使其具有细致、精确、逼真的特点。

（2）检测维护设备。是某型弹药检测的重要仿真环节，主要涉及检测工具、检测设备、各型部件以及辅助设备等，结构尺寸要与某型弹药的相关部件吻合。

（3）特种车辆。是模型弹药的放置、检测与运输载体，在物理模型构建的过程中要对其运动、转向等部件合理安排，放在专属的数据分支之下，为后期在Creator软件中设置自由度节点DOF做好前期的规划。

（4）地理环境。包含整个检测环境的地形信息、建筑结构信息等。在虚拟维修训练过程中，存在着训练科目的不同，检测场地也不同的特点，由此在模型构建的过程中设置细节层次节点LOD，合理的显示，有利于系统运行效率的提高。

图1 Creator中的数据结构

图2 《某型弹药虚拟维修训练系统》物理模型分类层次图

3 三维模型的分析与建立

某型弹药虚拟维修训练系统及其辅助检测维护设备是虚拟仿真的目标对象，设备的物理模型都要完整的构建出来。虚拟环境下的装备物理模型要用在实时渲染引擎中，而不是用于动画或静态效果图的制作，因此虚拟现实软件对于模型的质量有更高的要求。物理模型的制作在3DS MAX软件中完成，在Creator软件中从3个方面对模型进行优化、管理与设置，分别是面片数量、层组关系、节点设置。具体的建模流程如图3所示。

图3 三维物理模型建模流程图

（1）弹药模型的建模。某型弹药结构复杂，采用3DS MAX软件多边形建模的方法进行三维物理模型的构建。基本方法是：将处理好的图纸素材纹理映射到一个矩形的平面上，以此平面为基准，先建立一个标准几何体，再将其塌陷成多边形，最后通过挤出、拉伸等操作，构建出与纹理吻合的弹药基本模型。在弹药基本模型的基础上，使用切割、分离等操作制作出各检测口盖设备的模型。依照拍摄的照片纹理，使用以上操作命令，制作其他细节模型。最后，通过面操作，删除一些不可见的面片，简化模型细节等[5]。

（2）地理环境模型的建模。地理环境模型的建模主要通过真实环境的高程数据来生成模型的Flt文件。采用某地真实的高程数据使用Delaunay转换算法生成该地的地形模型，利用Modify Delaunay修正工具对其进行更加精细的修改和调整，最后应用Bulldoze Tool工具将维护检测厂区区域进行平整处理[6]。

4 三维模型的优化与设置

（1）三维模型中的纹理映射。在视景模型的建立过程中，为减少多边形的数量，降低系统资源的消耗，需要采用三维模型纹理映射的方法，从而获得具有更加真实感和质感的模型[7]。

由于纹理质量的高低决定着视景模型的真实感和质感，所以在建模过程中使用的贴图纹理要通过实地拍摄的方式获得。首先在PhotoShop软件中对拍摄得到的数码照片进行色阶调整，得到相对一致的光影效果；然后通过剪切、拼接等方式抠出建模过程中需要用到的素材部分；再对拼接后的图片进行修补等处理，得到更加美观、无瑕疵的图片。纹理图片格式通常采用RGB或DDS压缩格式，单位尺寸符合2的N次方，且最大尺寸不超过1024×1024。

由于模型构建是在3DS MAX软件中使用多边形方式建模，而该种建模方式具有点、线、面操作灵活的特点，因此纹理映射在该软件建模的过程中完成。使用其“UV展开”命令，根据纹理的布局，将相关面片进行映射，这样就可以得到一个细节丰富，质感真实的模型。图4比较了某型弹药纹理映射前后的效果。

（2）三维模型的LOD设置。细节层次节点LOD是指对同一场景或场景中的模型使用具有不同细节的描述方法，得到一组不同细节程度的模型，根据视点和该物体的距离决定显示的模型，当视点远离模型对象的情况下，调用简单模型或完全不调用任何层级的模型，反之调用复杂模型。LOD节点的使用不但能够提高系统运行的效率，而且使得系统在实时性与真实性之间取得了平衡。

LOD节点通过控制其节点下子节点中的模型，依照其属性中“Switch In”和“Switch Out”的参数值来定义其可视范围，通过“Transition”参数确定相邻两个LOD之间的平滑过度范围，使之在一定程度上解决相邻LOD之间进行转换过程中模型突变问题。

（3）三维模型的DOF设置。《某型弹药虚拟维修训练系统》中，特定模型需要随着维修检测状态的不同达到实时互动。例如在执行某型弹药弹翼检测科目的过程中，弹翼的运动情况等，这些都需要由自由度节点DOF技术来实现。

DOF节点通过定义坐标系和设定运动属性，使模型对象具有各自由度的运动能力，可以控制它的子节点，按照设置的自由度范围进行运动。

5 虚拟维修训练系统的显示效果

通过上述方法，可以构建出合理简化的某型弹药、检测维护设备、载体车辆和地理环境等模型，赋以真实的纹理，实现了逼真的维修训练环境。《某型弹药虚拟维修训练系统》运行效果如图5所示。

图4 某型弹药纹理映射前后对照图

图5 《某型弹药虚拟维修训练系统》运行效果

6 建模技巧

通过《某型弹药虚拟维修训练系统》运行环境的物理模型建模，总结出相关的建模技巧。

（1）命名规范。团队合作的建模方式可以缩短物理模型构建的时间，在团队建模的初期阶段，合理的对模型进行统一的命名，可以有效的规避后期模型在3DS MAX软件中合并导入时重名的现象发生。

（2）基于纹理的建模方法。在模型构建的过程中，依据纹理轮廓进行建模，然后再赋予纹理，可以使模型与纹理达到高度的吻合，从而得到逼真的效果。

（3）模型的简化。模型数据量的大小取决于其面片数的多少。通过删除无效面（指在场景中不可观察到的面）的方式可以达到减小模型数据量的目的；距离观察点较远的模型，使用细节丰富的纹理来代替多边形造型也可以很大程度上简化模型的数据量，而且又不降低其模型的逼真度。

（4）LOD技术。在可视化仿真运行的过程中，通过使用LOD技术可以有效提高模型数据库的多边形利用率，在有限的条件下取得最佳的视觉效果，并且可以通过使用LOD技术制作出一些简单的特效，可以制作出随着对象与视点的接近，对象的纹理由低分辨率到高分辨率的效果。

7 结论

对《某型弹药虚拟维修训练系统》中的三维视景模型进行了研究，分析某型弹药、检测设备与检测环境等三维物理模型的层次和建模特点，给出了相关建模流程。通过实际建模，取得了良好的仿真效果，并且依据该建模方法建立的模型，具有数据存储量小，仿真度高等特点，完全满足视景仿真的实时驱动要求。为该类虚拟维修训练系统的仿真打下了基础。

［1］杨宇航，李志忠等.虚拟维修研究综述[J].系统仿真学报.2005，（17）9: 2191-2195.

［2］伍永昌，杨宇航等.基于计算机技术的导弹维修仿真演示系统[J].计算机仿真.2003，（20）9:29-31.

［3］刘玉海，俞康伦等.基于虚拟现实的装备维修仿真训练系统研究[J].计算机仿真.2002，(19)2:49-51.

［4］赵经成，等.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].国防工业出版社. 2008.

［5］洪光，李洪儒，牟建国.基于Creator的三维模型的简化研究[J].计算机仿真.2004，（21）1:57-115.

［6］王乘，周均清，李利军.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

［7］梁波，基于Creator的三维场景模型优化技术研究[D].华中师范大学硕士论文，2009.

〔编辑 李波〕

TP311

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.52