专利名称：一种装备虚拟训练平台开发方法
技术领域：
本发明涉及的是一种装备虚拟训练平台的开发方法，属于计算机仿真应用技术领域。
背景技术：
虚拟现实及仿真技术已经进入网络化、体系化发展阶段，虚拟现实产业已经呈现多元化发展趋势，这些使得分布式交互仿真系统在虚拟训练方面得到了广泛应用。本发明构建了一种装备虚拟训练平台系统的通用开发方法，成功应用于多型装备系统的实时交互仿真训练的网络平台，其开发方法可以在军事、医学、航空、航天等领域的大型复杂装备系统的虚拟训练过程中予以借鉴和应用。
发明内容
本发明涉及一种装备虚拟训练平台系统(以下简称平台系统)的开发方法，目的是基于虚拟现实技术研制实时交互仿真网络应用平台，用于装备的操作使用训练，使得不同的岗位操作手能在同一场景中操控虚拟装备对象，通过虚拟环境获得装备的操作使用技倉泛。如附图1所示，平台系统软件基于局域网的C/S模式的硬件架构开发，由配置管理系统、虚拟装备管理系统、虚拟场景管理系统、嵌入式模拟训练软件系统、单员交互训练系统、岗位协同操训系统、教学演示系统、参训人员数据库管理系统、训练考评管理系统、训练信息查询系统、训练监控系统等组成。底层支撑数据库包括虚拟装备数据库、训练人员数据库、训练考评数据库、训练即时信息数据库等。平台系统提供虚拟场景设计软件Editor和使用软件Viewer, Editor用来将Model模型的导入系统,制作虚拟场景和虚拟装备，编辑场景内脚本、设定训练流程节点等Viewer既可以独立浏览虚拟场景和虚拟装备，也可以动态链接库形式提供系统集成。平台系统软件主要包括如下24个动态链接模块。(0l)UserLogging——提供用户注册/注销、登陆/退出，用户数据库管理支持。(02)Core, dll——平台系统核心组件，以“对象_行为_条件_响应_状态”原型描述诸角色/模型状态，控制角色间交互、与虚拟场景的交互、与虚拟装备的交互、软流程交互、交互/漫游模式切换等。(03) VREventsTaskAction-提供“任务一动作(Task-Action)” 的脚本解析支持。(04) VREventsTaskGroup-提供“任务(组)Task” 的管理支持。(05) VREventsActionGroup-提供“动作(组)Action” 的管理支持。(06) ThreadManagement-为“任务一动作”的交互协同管理提供多线程渲染中贞
同步机制。(07) CSGuiInterface——提供服务器端和用户端公用的图形界面支持。(08)LabffindowsCVI_LabView-提供NI公司虚拟仪器开发环境的嵌入软件式支持。(09) 3DViewerLibEngine-提供对多用户共享虚拟场景和虚拟装备的三维引擎
的支持。(10) 3DV i ewer An imat ions-提供三维模型的矩阵动画、纹理动画、关节动画、骨
骼动画、路径动画、柔体动画、粒子动画、消隐动画等预置动画或动画组的播控、录制支持。(ll)3DViewerFramework-提供基于.net的三维引擎、网络引擎、数据库引擎的
独立封装框架支持。(12) 3DV i ewer As semb I yManagement--提供虚拟装备装配集的层次解析支持。(13) 3DViewControl -提供自定义三维引擎控制支持。(14) DBSQLConfigurations -提供 SQLServer 环境下对系统数据库的 ADO 封
装、训练配置管理支持。(15) DBSafeAccessEngine-提供数据安全访问和管理机制支持。(16) Web3DCommunicationsLibEngine-提供网络引擎支持。 (17) Web3DSoundEfectLib——提供三维音效以及网络语音支持。(18) Web3DTrainingMonitor-提供训练过程监控支持。(19) UserDialogManagement-提供用户对话解析、录制、回放支持。(20) TrainingAHP——提供基于“权重累加法”的AHP层次模糊分析评估支持。(21) TrainingBalloonTip-提供即时训练即时信息提示支持。(22) TrainingReCall-提供系统回放支持。(23) TrainingSceneDataSet-提供用户自定义的虚拟场景以及虚拟装备模型
的扩展支持。(24) DBQueryDesigner-提供自定义虚拟训练流程设计的支持。平台系统主要功能如下。(I)提供与实际装备功能一致的虚拟训练装备和软件，对操作人员在操作过程中作出的一系列决策和动作进行实时仿真，提供逼真的显示效果和操作感受。(2)建立虚拟装备和虚拟场景，模型精细程度达到操作训练和使用维护需求，用户既可以使用平台系统提供的虚拟场景/装备/软件模型，也可以开发自定义虚拟场景/装备/软件。
(3)支持装备操作使用人员的自主学习、单人虚拟交互操训和网络多人协同训练，协同对象可以是受训人员也可是系统虚拟的对象。(4)提供自由浏览和引导模式下的虚拟交互式学习，也可限定操作步骤进行训练考核。(5)根据需要配置各种难度的训练科目，量化训练标准，对操作人员进行全面培训。(6)具有对训练过程的监控管理功能，平台系统能够实时记录训练即时信息，利用训练考评系统对操作手的操作质量进行综合评估。
附图1为发明的虚拟训练平台系统软硬件架构示意图。
附图2为发明的虚拟交互任务Task流程表示意图。附图3为发明的操作动作Action模型示意图。附图4为发明的操作动作Action对象的同步示意图。附图5为发明的多线程渲染帧同步机制示意图。
具体实施例方式
以本发明的技术方案为前提进行装备虚拟训练平台开发，能做到仿的“像”、机理模型“真”、评估效果“可信”。以下结合
本发明的详细实施方式、开发过程以及目标系统性能的测试结果，但本发明的保护范围不限于下述的实施实例。众所周知，为复杂的装备系统设计轻量化的多用户共享虚拟场景框架，难点在于三维空间数据组织。平台系统主要采用“低模高贴”、烘焙预渲染、控制模型面数、基于包围盒的碰撞检测、层次细节、场景几何剖分、复杂模型优化等技术进行三维空间数据组织，通过建立包括虚拟场景模型、虚拟装备模型和嵌入式模拟软件三类模型，实现了场景、装备、软流程的数字化完美集成。为了描述虚拟训练系统内各对象以及诸训练要素之间的关
系，以下给出“对象-行为-条件-响应-状态”虚拟训练原型的向量
表述，为对场景中对象的选取、操作和运动控制提供直接的交互手段。
—对象:交互对象名称-Ji性、方法—
J方式；乎动，移动,变形 'II参数:时间，速度，m& [ f状态约東]
城装配约東_约東[其他触发条件j
P色消息]
响应彳操作中断I
I任务恢复j一始状态j状态:<1行为状态y.1 结東状态j_这是一种扩展语义的向量表述法，其中，交互对象可以是虚拟装备整机、子系统、组件或部件，也可以是交互类型、交互方式、交互提示、合法性判定以及操作记录、操作反馈。行为则主要是其参与操作动作，如工具的移动、旋转、撬，嵌入式测试软件流程按钮的点击，训练流程转换，使用求助类型等。在条件判断后，满足条件则启动交互对象行为动作:即播放系统预置的各种动画以及特效，动作结束则改变其状态标记，否则进行相应的误操作处理。以Windows消息映射为基础提供系统中断/恢复响应机制以及信息/帮助提示系统。以此为基础进行系统状态图描述，便于图形美工和程序员之间的沟通和开发项目的工程化管理。一般意义上，对于用户:角色可以简单理解为在虚拟场景中的化身，无论它是用户的替身还是NPC ;对于服务器:角色可以理解为所有用户对象的代理，除了替身和NPC之外，还包括系统内管理的所有3D模型以及数据库对象，因为有的用户可能仅仅按一下按钮、一个简单的键盘回车操作或者仅仅使用一个简单工具。在具体虚拟场景环境下，虚拟角色指的不一定是人物，也可以是车子等三维实体和软件界面中的控件。平台系统采用“对象-行为-条件-响应-状态”虚拟训练原型描述角色状态，结合实装操作流程，将训练分解为简单的“任务一动作(Task-Action)”双层机构进行管理。即将某科目的操作训练进行双层分解:首先将科目分解为Taskl，Task2-TaskM等M个“任务”，每一个Task对应一个场景，再将每一个Taski分解为Actionl, Action2...ActionN等N个“动作”;其次，根据虚拟任务Task流程表(见附图2)，规划好Task对应的虚拟训练场景；再次，针对每一个规划好的虚拟训练场景，构建虚拟操作步Action (见附图3)，预设同步机制(见附图4);最后，采用多线程渲染帧同步机制实现训练同步(见附图5)。平台系统将交互划分为以下五类:角色间交互、与虚拟场景的交互、与虚拟装备的交互、软流程交互、交互/漫游模式切换。角色间交互就是指各岗位的用户间通过网络语音组内同步完成实时对话和操作信息的同步提示等；与虚拟场景的交互就是指服务器与注册用户所登录的场景加载、切换、同步，多用户共享虚拟场景和虚拟装备的同步与交互由网络引擎来实现 ；与虚拟装备的交互就是指以模型动画对装备的物理运动进行描述，提供操作的多媒体体验，支持矩阵动画、纹理动画、关节动画、骨骼动画、路径动画、柔体动画、粒子动画、消隐动画等动画类型；软流程交互就是指虚拟训练系统可以通过各种动画以及特效等模拟完成直观的物理操作，比如对于自动化测试系统就可以嵌入式软件模式进行软流程训练。交互/漫游模式切换。一般经授权的注册用户登录系统后，缺省的场景模式为漫游模式，用户使用自由相机，架设在用户的头部眼睛位置，用户可以自己漫游至操作岗位，即不改变自由相机的类型，调整相机视角等参数，直至满足操作要求；也可以由快捷键一键抵达操作岗位，即切换为目标点相机。平台系统虚拟装备建模包括虚拟装备外观建模和机理建模。外观模型可以划分为感官模型和几何结构建模两部分。感官模型要做到看起颜色材质纹理贴图跟实装一致；几何结构全尺寸1:1建模；采用“树型控件”描述法对复杂装备模型进行分层规划；采用“层次结构”描述机理模型；建模起始阶段即对面数进行控制，否则会造成三维引擎性能低下。平台系统采用嵌入式模拟训练软件,开发了基于LabWindowsCVI或者LabView虚拟仪器的接口，提供“浸入式操作”和“孤立软操作”两种工作方式。“浸入式操作”就是利用虚拟装备显示屏幕动画演示软件运行界面，用于熟悉设备操作过程的演示；“孤立软操作”就是利用子窗口技术单独运行模拟训练软件，用于技术准备流程中与场景中模型的交互，软件界面以及数字表头同步显示，与场景中相关仪器设备动画交互。单击场景中设备的电脑屏幕，即弹出该设备内嵌入的软件界面窗口，能够模拟各设备软件的主要界面以及流程。平台系统提供三类虚拟场景:第一类是有真实海空山地为背景的虚拟场景;第二类是技术准备工房内景；第三类是方舱结构场景，用户也可根据需要开发自定义场景。综合考虑可视化开发、项目管理与应用的便捷性、三维渲染引擎性能、物理引擎的性能、数据库引擎的兼容性和海量数据的处理能力，平台系统建立了轻量化的三维引擎，并融合微软的DirectSound，以软件形式实现了三维音效和网络语音。平台系统数据库管理系统基于SQLServer开发。数据库访问采用微软最新的数据访问技术AD0，对连接类、数据访问类、通用命令类等ADO类进行面向对象的封装，建立平台系统的数据库引擎，能够有效地管理平台系统的虚拟场景数据库、虚拟装备数据库、用户数据库、训练信息数据库。平台系统采用C/S架构网络引擎，采用基于角色的分布式系统管理策略，完成虚拟场景生成、系统运行控制、Task任务管理、Action交互协同、训练评估等功能。平台系统主要综合运用AHP层次分析法和模糊数学方法，确定各“任务一动作”的指标权重值，综合有效操作信息、操作用时、求助次数、误操作等信息，采用“权重累加法”给出训练考评成绩。该方法将人的主观判断用数量形式表达和处理，尽量减少人主观臆断所带来的弊端，评价结果可信。以下给出一组16人同时在线，平台系统性能测试结果。(I)平台系统容量:服务器I台，用户端数量受网络带宽限制，单用户流量约1.3 1.5Mbps，IOOMpbs网络环境下，最多允许50个用户端。(2)系统准备时间:外围设备准备好后，服务器和各用户端计算机启电，操作系统加载、完成系统登陆、开始训练的总计时长< lmin。(3)操作使用性能:系统平均网络响应时间0.042s,网络延迟为0.021s ;虚拟操作响应时间彡0.2Sec。(4)图形性能:单个场景面数50万面以下，帧速率> 28帧/秒，画面更新无闪烁。测试环境为:
Cl)服务器端:CPU为4核2.8GHz,内存4G，显卡Geforce7300GT，操作系统Windows2003Server,数据库 SQLServer2008 ；
(2)用户端=CPU为 4 核 2.4GH`z,内存 2G，显卡 GeforceFX5200，操作系统 Windows XP ；
(3)网络环境:⑶H-240810/100Mbps双速集线器，Realtak快速适应网卡。
权利要求
1.一种装备虚拟训练平台开发方法，其特征在于:发明的虚拟训练平台基于c/S模式的硬件架构，功能上由配置管理系统、虚拟装备管理系统、虚拟场景管理系统、嵌入式模拟训练软件系统、单员交互操训系统、岗位协同操训系统、教学演示系统、参训人员数据库管理系统、训练考评管理系统、训练信息查询系统、训练监控系统组成；底层支撑数据库包括虚拟装备数据库、训练人员数据库、训练考评数据库、训练即时信息数据库；软件系统由UserLogging、Core、VREventsTaskAction>VREventsTaskGroup> VREventsActionGroup、ThreadManagement> CSGuiInterface、LabffindowsCVI_LabView>3DViewerLibEngine>3DViewerAnimations>3DViewerFramework>3DViewerAssemblyManagement>3DViewControl> DBSQLConfigurations、DBSafeAccessEngine、Web3DCommunicationsLibEngine> Web3DSoundEfectLib>Web3DTrainingMonitor> UserDialogManagement> TrainingAHP、TrainingBal10nTip>TrainingReCal1、TrainingSceneDataSet> DBQueryDesigner 等 24 个主要动态链接模块组成。
2.根据权利要求1所述的装备虚拟训练平台开发方法，其特征在于:依据该方法开发的目标系统具备如下功能:训练过程实时建模仿真、满足装备操作训练和使用维护需求、既可以单人自主学习也可多人协同训练、既可自由浏览也可限定步骤实施引导训练、既可任意配置各种难度的训练科目也可量化训练标准综合考核评估。
3.根据权利要求1所述的装备虚拟训练平台开发方法，其特征在于:以虚拟场景模型、虚拟装备模型和嵌入式模拟训练软件三类模型描述建模方法；将虚拟装备模型的外观建模和机理建模分开，采用“树型控件”分层规划管理复杂虚拟装备模型，并采用“层次结构”描述机理模型；嵌入式模拟训练软件提供“浸入式操作”和“孤立软操作”两种工作方式。
4.根据权利要求1所述的装备虚拟训练平台开发方法，其特征在于:平台系统采用“对象-行为-条件-响应-状态”原型描述角色状态，结合实装操作流程，将训练分解为简单的“任务一动作(Task-Action)”双层机构进行管理，方便训练信息的采集和考评分析；在进行交互设计时，将交互划分为角色间交互、与虚拟场景的交互、与虚拟装备的交互、软流程交互、交互/漫游模式切换等五种交互类型；平台系统提供系统三维引擎、三维音效和网络语音、数据库引擎、网络引擎以及基于“权重累加法”的AHP层次模糊分析评估模块。
5.根据权利要求1、2、3和4所述的装备虚拟训练平台开发方法，其特征还在于:利用该方法开发的目标平台系统的性能达到:在100Mpbs网络环境下，平台系统用户端容量为50个用户；系统准备时间≤ Imin ;平均网络响应时间0.042s,网络延迟为0.021s ;虚拟操作响应时间 ≤0.2Sec ;单个场景面数50万面以下，图形性能达到帧速率> 28帧/秒。
全文摘要
一种装备虚拟训练平台开发方法，所述平台由配置管理、虚拟装备管理、虚拟场景管理、嵌入式模拟训练软件、单员交互操训、岗位协同操训、教学演示、参训人员数据库管理、训练考评管理、训练信息查询、训练监控等分系统组成；所述方法包括"对象-行为-条件-响应-状态"原型、"任务－动作"双层机构、轻量化共享场景架构、外观与机理相结合的装备建模、复杂模型分层规划控制与场景优化、基于权重累加的虚拟操作分析评估模型、角色/场景/装备/软件的交互设计，是一套研发三维引擎、数据库引擎、网络引擎的解决方案；依据该方法既可单人也可多人协同训练、既可自主学习也可引导训练、既可配置科目也可量化考核评估，满足装备操作训练需求。
文档编号G06F17/50GK103246765SQ20131014528
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者胡松伟, 白文平, 李玉龙, 吴训涛, 刘文一, 杨培源, 王虹旋, 匡建平, 钱海鹰, 姚江涛 申请人:胡松伟