1. 引言
装备教学是保障部队装备形成战斗力的重要手段，也是院校教学的关键环节，直接关系到学员岗位和职业能力形成，特别是装备构造原理、检测维修教学一直是困扰相关院校和部队的老大难问题，主要体现在四个方面：一是构造不直观，难以讲解和阐述，教学效率不高；二是实装训练损耗大，装备保障费用高，装备完好率难以保证；三是装备数量少，学员人数多，难以改变一人做多人看的局面；四是实践训练效率低，检测维修故障排除训练时间长等。要解决以上问题，必须借助于信息化教学技术，开发相关的虚拟训练系统，采用虚实结合方式，解决直观性不够、训练效率低、装备损耗大等问题。复杂机械和装备教学训练系统相关院校也有开发，比如文怀兴等发表的《基于Virtools并联机床虚拟装配系统开发》等 [1]，李菲等发表的论文《军校电子对抗装备教学问题和对策》等都有相关阐述。但是要实现包括理论学习、装备构造、装备原理、装备使用维护、装备检测、装备维修、实践考核、理论考核等多方面模块内容的虚拟训练系统，需要多种平台软件结合开发，必须具有装备构造拆分、点击查看、部件多角度查看和装配、故障实践操作训练考核等功能，难度较大。下面以笔者开发的某种装备虚拟训练系统为例进行阐述。该型软件针对装备教学和实训需求，开发了包含能够自主学习理论、自主操作和排除故障实训的某型装备虚拟实训系统，主要有概述、构造原理、操作使用、维护保养、分解组装、检测维修等模块。
2. 系统设计需求分析
某型装备保障教学主要培养学员懂构造原理、会使用维护、检测维修的装备保障人才，培养考核合格后，在部队从事装备保障工作。结合装备构造原理复杂、零部件多，拆分训练损耗大，装备数量少和人数众多实际，需要开发一种虚拟实训操作系统。软件基本需求有：一是展示装备构造，通过鼠标控制零部件多角度展示，便于直观学习，开展装备分解组装交互训练；二是开展检测维修训练，采用演示诊断思路和步骤方式，借助于维修工具模拟实装排除故障；三是开展考核，要开展虚拟故障排除、操作实践考核，并且和理论考核结合起来，客观评价学员知识、技能水平。同时要确保虚拟实训系统应提供完整、准确的三维模型，应具备丰富的交互功能、人机界面、运行性。
3. 系统设计方案
本系统以3D Max为建模平台，以Virtools软件为媒介集成开发成一款面向对象的虚拟交互软件。首先通过3D Max创建装备的各个部件、零件三维模型并完成装配、渲染和制作动画，使用Virtools专门为3ds Max开发的插件Max to Virtools导出nmo格式文件，将文件导入至Virtools，Virtools通过BB模块、VSL开发等方式控制，最终完成整个虚拟训练系统。设计总界面如图1所示，系统设计方案如图2所示。
Figure 1. Software interface and function composition
图1. 软件界面和功能组成
4. 3D Max建模实现
进行3D Max建模前必须熟悉装备构造和零部件组成，结合开发软件需要用到的拆解零部件进行建模开发。建模要体现装备零部件的真实性和尺寸匹配性，首先用精度较高的游标卡尺测量零部件尺寸并进行绘制，绘制完毕后需要再建模。虚拟现实中的装备构造三维建模模型相对比较复杂，采用单一的建模方式无法实现对整体的建模。针对该装备结构复杂多样、形状不规则的情况，主要采用多边形建模，配合使用其他多种建模方式，按照由简到繁，由易到难的建模思路 [1]。先从结构比较简单形状比较规则的部件着手，比如面板、传达杆、三脚架等，后期在对结构复杂、形状及其不规则的物体进行建模，比如按钮、齿轮等。另外针对装备内部具有复杂的电路板，因为电路板部件不需要展示其构造组成，只是展示电路原理时候用到关键节点，主要是采用高清照相机拍照片处理后，按照实装位置关系，结合面板叠加嵌套配合生成。模型建模后添加和武器装备颜色一致的材质，从而使装备场景变得真实、生动。添加材质效果见图3示。
Figure 3. Model drawing after equipment rendering
图3. 装备渲染后的模型图
在将3ds Max中的文件导出为Virtools的NMO格式文件的过程中需要注意：1) Mesh转换。模型需要先转换为Mesh对象；2) Reset Xform (重置变换)。为了正确而完整的输出所有3ds Max中的模型到Virtools中，在设置从属关系和制作动画之前必须将所有的模型做Reset XForm (重置变换)。3) Material (材质)数据部分。Virtools可接受的贴图尺寸之长与宽数值最好使用2n (如16 × 16，16 × 32，32 × 64等)像素值，这样可以充分利用Virtools中的内存，在保证贴图清晰度的情况下，尽量少的消耗系统资源。4) Light (灯光)数据部分。所有3ds Max的标准灯光等都可以导入到Virtools中。5) Group (组合)数据。为了能够正确的输出组合数据，必须在3ds Max中将组合(Group)打开，成为开放式的组合(Open Group) [2]。
5. 基于Virtools软件平台集成
Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，产品为可视化界面，软件内置600多种Building Blocks模块，包括原型设计、模拟虚拟环境和3D互动等。使用Virtools可以利用拖放的方式，将BB模块赋予在适当的对象或虚拟角色上，以流程图的方式，决定BB行为交互模块的前后处理顺序，从而实现了可视化的交互脚本设计，逐渐编辑成一个完整的交互式虚拟世界 [3] [4]。
Virtools读取3ds Max导出的nmo格式文件，设置灯光、摄像机等效果，利用BB (Building Blocks)和VSL (Virtools Script Language)实现预定功能。本软件集成了8大功能模块，其中装备概况主要以动画、配音演示实现，利用PS软件处理好相关界面和材质；使用维护模块主要以视频形式展示；参考学习模块主要以电路图流程演示，原理展示等方式，并集成了装备许多资料和文字等，在此不做介绍，主要介绍几个关键难点模块。
5.1. 装备构造模块开发
复杂的装备构造模块是教学训练系统的重点，也是学员必须掌握的重难点内容。要掌握逼真的装备构造，必须要实现装备零件拆解、部件展示、部件放大缩小和旋转操作等功能，学员能够利用鼠标进行交互演示和操作，提高装备学习的真实性和交互性，提升学习效果。
本模块利用Virtools实现3维模型的控制和操作展示，实现装备构造的学习。利用鼠标左键控制装备旋转、转动等，利用鼠标右键控制装备的缩小和放大，两者配合实现装备构造的学习。同时鼠标放在或者停留在哪一个部件上，就会显示该部件的名称，并且可以同步放大缩小旋转查看。如果该部件可以拆分，点击相应的工具，就可以拆分，显示其内部构造，如图4所示。
Figure 4. Internal structure display, control and split diagram
图4. 内部构造展示及控制、拆分图
基于易于操作和逼近现实的共同考虑，采用鼠标控制摄像机角度来展示零部件的过程，可以展现出立体的效果，以给用户一个真实的体验。鼠标拖动物体运动的效果可以使用BB实现，但是相对于用VSL编写代码来讲，用BB实现过程较为复杂，可读性差，可移植性差，故采用VSL编程实现鼠标拖动物体的效果。
如以下用来实现检测鼠标拾取到的3D物体的功能。
InputManager im_Mouse=InputManager.Cast(bc.GetManagerByGuid(GetInputManagerGuid()));//生成InputManager对象
im_Mouse.GetMousePosition(pos_Mouse); //获取鼠标位置对象
RenderContextrcx=bc.GetPlayerRenderContext();//获取渲染设备
IntersectionDesc idc;//声明描述交点信息对象
int axis_x = floori(pos_Mouse.x);
int axis_y = floori(pos_Mouse.y);
rcx.Pick(axis_x, axis_y, idc);
ent3d = desc.Object; //拾取3D对象
以下程序用来实现零件随鼠标的滚动而旋转的功能。
Vector mouseRePos; //定义变量
im_Mouse.GetMouseRelativePosition(pos_Mouse);
//得到鼠标的移动量
dragDummy.Rotate(dragNormal, pos_Mouse.z*pi/180/16,NULL,false); //旋转零件
5.2. 装备检测维修模块开发
装备检测维修模块涉及到故障诊断思路、工具使用和操作演示等，对于学员来说，关键是要掌握维修技能，对于教学训练阶段来说，主要是要学会装备模拟故障的排除方法，在岗位上出现类似故障会分析和排除等。所以本模块集成了装备常用的30个故障，采用先原理后操作演示方式对学员进行展示。
以某加温功能为例来说明，按照如图5所示流程图进行故障原理演示。如1) 选取手型工具，打开电源开关；2) 观看目镜加温指示灯，察看是否亮；如果没亮，证明存在故障，关闭电源；3) 选取对应拆装工具，在对应螺丝部位进行拆装；4) 选取手型工具，连接对应转接电缆，选取万用表，在指示灯一段测量是否有2 V电压，如有电压，则更换指示灯；如果没有，则测量电源模块输出是否有27 V，如果有，则更换中间分压电阻等。
故障原理演示完毕后，进入到操作演示阶段，如图6所示，建立模拟修理用的真实场景，构建修理用工具图库和模型库，鼠标单击选择相应的工具后，会显示相应的工具模型，将工具拖动到相应的位置进行操作，例如如果需要用到电压表测量，则点击电压表图库，然后将电压表的表笔拖动放置在相应的测量点，选择相应的电压数值。系统会根据设定的情况显示数值是“0”或者是相应正确的数值，这时候需要操作人员进行下一步的判断。如果选择操作提示模式，这时会显示操作提示步骤，并同步进行相应的操作。
Figure 5. Typical troubleshooting ideas
图5. 典型故障排除思路
Figure 6. Troubleshooting interface and tool display
图6. 故障排除界面及工具展示
5.3. 装备考核模块开发
传统的考核一般只有理论考核，实践考核特别是虚拟考核较难实现。本模块开发了理论模块和实践模块，理论模块有20套题库，主要考核理论掌握情况，满分100分，答题正确数量为最终得分。
实践考核模块分为结构认知模块、故障排除模块。结构认知模块设置100道题，每10道为一组，每题10分。主要是随机抽取一个装备部件名称，如果是面板上的部件，可以通过旋转、缩放等方式操作，直接点击找出；如果是内部部件，需要通过选择相应的工具拆分，在内部找出，并点击找出。正确得分，错误为0，最后统计得分情况。故障排除模块考核主要是前面已经学习的30道故障排除题目，提供题目和工具图库，按照步骤操作，选择工具错误或者操作错误，就会扣分，每一个步骤都有其相应的分值，最后得分为步骤计算分值，满分为100分。如图7为操作错误提示画面。
操作评分系统是此处难点，在系统建立评分数列errorArray，存储错误要点及相应的扣分，错误要点体现在屏幕，扣分直接体现在得分区。评价功能贯穿操作始终。编写 getErrorArray函数实现以上功能。getErrorArray函数的部分代码如下：
void getErrorArray ( int i_errorID )
{String s0,s1,newString;float errorPoint;
getArrayByID (i_errorID, 0 , s0 , errorArray ) ; //获取错误字记录
getArrayByID (i_errorID, 1 , s1 , errorArray ) ; //获取扣分记录
if ( errorYouPoint <= errorMaxPoint )
{
scoreFloat -= errorPoint ;
errorYouPoint += errorPoint ;
newString=newString+ errorYouPoint ;
updateArrayByID(errorID,4, newString,errorArray);//存储扣分记录
} }
在程序的其余地方，直接调用 getErrorArray函数即可，如下面部分代码所示。
if ( testOrder ( DragTarget ) )
setPosition = true ; //执行操作
else
getErrorArray ( 3 ) ; //读取错误
6. 应用及总结
系统集成开发后，以其良好的界面、人机交互性投入到教学使用，学员在课前预习、教员在讲解和考核当中都应用了此系统，解决了新装备教学过程手段匮乏、技术手段不高、装备损耗大、效率不高等问题。该软件教学使用安排如下表1所示。
Table 1. Virtual training teaching arrangement
表1. 虚拟实训教学安排
该软件2017年评为学校优秀教学软件一等奖，2018年、2019年学员利用系统进行强化训练，特别是结合混合教学模式应用时，学员能够利用系统对装备进行自主预习，对照构造展示模块能够自主掌握枯燥的理论和复杂的构造内容，树立直观印象。通过系统学习，学员实践成绩平均提高了15.2%，装备完好率达到100%，装备维修费用有效降低，2019年作为训练资源获优秀教学成果二等奖，说明该系统应用后，助力提升教学效果明显。