基于DI- GUY 的某型导弹虚拟操作训练环境设计
摘要: 对主要应用于士兵战术训练的DI- GUY 人体仿真软件进行了介绍, 并详细介绍了如何将重点应用于战术训练的DIGUY软件应用于虚拟操作训练, 给出了DI- GUY 中虚拟人的具体修改方案, 并给出了虚拟操作训练环境的实现方案以及主要解决的问题; 给出了综合运用DI- GUY 人体仿真软件和数据手套、空间球、立体眼镜等虚拟现实硬件设备所组成训练环境的具体实现方法; 阐述了用于控制虚拟人运动的具体思路与方法, 以及如何进行训练动作规划, 并给出了训练任务实施的整体的程序框架。
关键词: 操作训练; 空间球; 数据手套; 逆向运动学
1 引言
虚拟人技术是虚拟世界中产生真实沉浸感的关键技术之一。虚拟人从本质上讲也是仿真系统。采用虚拟现实技术构建人体模型, 虚拟人的空间交互、虚拟人的行为控制、社会化行为的仿真、多虚拟人任务分配等是目前虚拟人技术新的发展方向, 对虚拟人手势模型的技术研究也是虚拟人技术中的重要方面, 对手部动作的研究以及手势的识别在沉浸式虚拟训练系统中有着重要的作用。
某型导弹武器系统是我军用以打击敌战役纵深目标的重要武器系统。由于其结构比较复杂, 如果在实装上进行操作、维修训练, 耗资太大。因此, 采用仿真和虚拟现实技术,尤其是虚拟人技术, 研制该系统的沉浸式虚拟训练环境, 通过控制虚拟人的运动, 更加逼真地让训练人员接受培训, 更真实地沉浸在某型导弹虚拟训练系统之中, 对于提高广大训练人员的训练质量, 节省训练时间, 达到与实际装备尽可能相近的训练效果有着重要的作用, 而且能大幅度地降低成本, 提高效率, 加快对武器系统人员的培训, 并能为进一步研究提供依据。
2 DI- GUY 软件介绍
DI- GUY 是由美国Boston Dynamics 公司于上个世纪九十年代初开发的人体交互仿真软件, 被美国陆军、海军及支持开发工作的特种部队在模拟训练中使用。DI- GUY 最常用的应用可分为两个部分, 依据参与者与虚拟环境的交互方式不同, 分别是步兵沉浸式训练、相互协同训练。DI- GUY 通过本身提供的API 函数, 可以产生不同的人体模型, 并且赋予其不同的特征, 甚至在人物间的转换中, 可以提供自然的运动和无缝转化。
DI- GUY 包括一套描绘士兵特征的选项。它基于真实士兵训练的特征, 具有士兵的七级细节等级的全纹理模型、多种制服、武器和多种附属装备。它可以定义多种行为, 包括: 站、跪、匍匐前进、走、跳、弯腰、潜行以及其他活动。
3 虚拟操作训练环境的实现方案
针对某大型导弹结构复杂、操作繁琐、多操作手完成操作动作的特点, 并且由于操作训练的主要动作集中在手部,因此基于课题要完成的任务和简化考虑, 制定如下的某型导弹虚拟操作训练环境的总体实现框图( 见图1) 。
3. 1 DI- GUY 虚拟人模型的改造
DI- GUY 人体仿真软件是主要应用于士兵战术训练的人体仿真软件, 许多动作设计主要用来描述战术动作, 尤其是DI- GUY 人体模型的手臂只能控制到腕部, 不能控制手部动作, 而作为一个虚拟操作训练环境, 对于手部动作的要求是非常高的, 因为大部分操作训练动作是靠手来完成的。因此首先要对DI- GUY 的人体模型做一定的修改, 将用Mult-iGen Creator 建模软件建好的适合本操作训练系统的, 拥有二十四个自由度的手模型移植到DI- GUY 人体模型上。以便更好地控制DI- GUY 人体模型完成操作训练任务, 这项工作在作者的课题进展中已基本完成。图2 为要移植到DI- GUY 人体仿真软件的人体模型中的手模型, 展示了加上自由度控制而形成的各种角度的手势模型。
3. 2 虚拟人运动控制的实现
在本虚拟操作训练环境中, 虚拟人的运动控制( 手部动作除外) , 用空间球控制虚拟人体模型在虚拟场景中运动。
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