0 引言

随着军事仿真技术的高速发展，利用装备模拟器进行军事训练已成为减少实装损耗、达到军事训练目的的捷径。近年来，基于虚拟战场环境的战术模拟训练得到了快速的发展，根据实际装备以“人在回路”的仿真模式构建了半实物仿真环境，可以实现装备火力性能、机动性能和指挥通信等功能的仿真，不仅能有效提高装备的训练和应用水平，而且为新一代装备研究提供了技术保障［1］。但是基于虚拟战场环境的半实物仿真的模拟器由于受到仿真维度、性价比等因素的约束，只能模拟与战术性能相关的关键部分，对于参训人员来说，缺乏足够的沉浸感。

一般湿式洗涤塔分为冷却部分和吸收减湿部分。烟气首先进入冷却部，通过从冷却部上方喷入冷却液，把烟气温度冷却至60～70℃，同时，冷却液吸收烟气中的HCl和SO2等酸性气体。之后，烟气进入减湿部，一定量吸收液（含10%～20%NaOH溶液）经雾化器雾化后，从减湿部上方喷入，并均匀地经过填充层与烟气充分接触反应，进一步去除HCl和SO2等酸性气体。

观察组心电图总有效率为100.00%，对照组为82.35%，两组比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

针对军事模拟训练的高沉浸要求，本文提出基于虚拟现实技术的模拟器数字仿真方法。通过建立车内结构三维模型，以实装为依据搭建虚拟操控空间，补齐操控要素，实现对实装真实操控空间的模拟；通过设计基于手势与视觉的自然人机交互，使炮长沉浸在逼真的虚拟操控空间中，具有实景、实感的特点；通过将部分硬件设备实物虚化，以虚代实，实现“一装多用”，提高模拟器的通用性。

1 虚拟现实技术军事化应用分析

随着信息化军事改革的不断深入，军事模拟训练对于实战化的要求越来越高。而虚拟现实技术则是模拟真实战场最为有效的技术手段。

美军针对军事行动任务的模拟训练实战化的程度非常高。美军通过在军事训练中运用虚拟现实技术，实现了对军队实施全方位的模拟训练，包括战场环境模拟，单兵武器装备运用以及军事指挥等，已经初步具备了直接为实战服务的能力［2］。近年军事行动中，美军官兵体现出良好的指挥与作战能力，与其长期坚持贴近实战的高水平虚拟现实训练密切相关。

此外，由于炮长是通过目镜以单目观察的方式观察外部作战环境，本文通过建立炮长目镜模型并定位到相应位置，实时测量炮长与虚拟目镜间的距离，当炮长靠近目镜一定距离时，通过在靠近目镜位置的眼睛前的屏幕显示虚拟作战视景，同时在虚拟环境中设置黑色不透明实体以遮挡没有被用来观察视景的眼睛的视线，实现对炮长单目观察的模拟。最后以炮长在目镜的观察视角设置相机，为炮长显示虚拟场景。

2 基于虚拟现实技术的炮长操控系统设计

图4—6分别给出CEBA在基于市场数据下标定3种期权定价模型参数的寻优迭代过程以及由标定参数计算出的期权价格和市场期权价格的对比。对比3条迭代的特征曲线可以发现，标定Merton模型时收敛最快,其次是Heston模型,最慢的是Bates模型,这与解空间维数和模型的复杂度相匹配。从图中也可以清楚地看出市场数据和3种模型模拟(标定)的期权价格的差异都不大,最为吻合的是Bates模型,其次是Heston模型,最差的是Merton模型,这可能源于模型对市场刻画的准确度,即Bates模型对此时的市场刻画最为准确。

在模拟器炮长操控系统中，涉及4种类别交互按钮，如图5所示，并对应3种以手势为主的交互方式，即上下拨动，旋转，按下。炮长以上述3种手势完成对各开关的操控。本文通过预先手势训练，采集针对上述交互按钮的规范手势信息，建立相应手势库，然后在模拟训练过程中，首先通过手势识别，识别操作者的手势的姿态与位置信息，然后通过匹配算法判断操作者的手势是否触发相应事件。例如，当Leap Motion采集到操作者手部在终端按钮附近位置时，通过匹配算法判断其是否为正确的操作手势，如果是，则触发相应操作事件，完成交互。

如下页表1所示，在人机交互系统中，操纵台，高低机与方向机采用虚实结合的办法，通过精确的空间定位与调整，使得虚拟空间中模型相对于人的位置与实际中的情况是一致的，当操作实际物的时候，系统的数据采集软件采集到炮长操控信息并以UDP的方式发送给开发引擎，以实时驱动模型变化。而炮长终端与虚拟车通则采用虚拟物体的形态，以虚拟手的操控方式实现操控，同时在引擎中编辑逻辑功能。

虚拟环境生成系统包括虚拟操控空间与虚拟作战环境两个模块，是在Unreal Engine平台上开发的。引擎调用Leap Motion SDK实时获取炮长手势信息，调用Oculus Rift SDK实时获取头部姿态及其位置以及头部的线性运动。本文在原有虚拟战场环境的基础上，通过搭建虚拟操控空间，补齐操控要素，提供更加逼真的虚拟环境。同时，根据头部位置信息实时显示炮长视景。

  

图1 基于虚拟现实技术的炮长操控系统主要组成

人机交互系统完成炮长与虚拟环境的交互。其中，本文采用Oculus Rift和Leap Motion。Oculus Rift采集炮长的头部位置、姿态信息与头部线性运动并通过计算机接口发送给视景仿真软件，通过接收并显示视景仿真软件发送的图像，实现对炮长的视觉反馈以及听觉反馈。Leap Motion则通过获取炮长操作手势的信息，为炮长与虚拟操作空间的自然交互提供支持。

火控仿真系统则是面向具体问题的软件部分，用以描述仿真的具体内容，主要包括数据采集软件、炮长终端操控软件、射击仿真软件3个部分。数据采集软件负责接收信号采集盒的信号，并后台显示以便于调试，最终将炮长操作信息发送给射击仿真软件。射击仿真软件则主要通过收集处理炮长的操作信息与视景的状态并解算诸元发送给视景仿真软件，实现对实装弹道解算功能的仿真。炮长终端操控软件则通过处理炮长手势信息与炮长终端模型完成炮长对炮长终端的操控，实现对炮长选择弹种、工作方式等功能的仿真。

 

表1 人机交互系统部件及状态

  

序号 设备名称 虚实状态1操纵台 虚实结合2方向机 虚实结合3高低机 虚实结合4炮长终端 虚拟物体5虚拟车通 虚拟物体

3 炮长操控系统的实现

本文以某装备模拟器炮长操控系统为例，通过搭建虚拟操控空间并完成人机交互系统的设计。系统采用Oculus Rift和Leap Motion等虚拟现实设备，建立了炮长操控部件的三维模型，构建了虚拟操作空间，设计了基于手势的人机交互，建立基于Oculus Rift的立体显示，实现炮长操作的高沉浸体验，并通过软件实现一装多用，有效控制成本［5］。

本文采用专业精于捕获手部动作的高精度体感交互设备Leap Motion来完成炮长手势的获取，其外观如图4所示。Leap Motion采用TOF（飞行时间）技术，以测得的光线往返时间来判定与被测对象之间的距离，通过在扫描时调制光脉冲，不断发送、捕获操控场景的深度。Leap Motion内部有2个灰阶摄像头传感器以及3个红外线LED光源，它以此感知被测对象的像素，再对其像素数据按预置算法进行处理，并在三维坐标上实时输出手势模型，以毫米级的精度在虚拟操控环境中表示出实际手部的运动情况。

3.1 虚拟操控空间的构建

炮长虚拟训练中场景建立的真实感是炮长能够具有高度沉浸感的重要前提。一个高度真实感的环境包括大规模的可漫游场景、模型的逼真度、阴影光线等效果的真实度、交互的灵活性等多个方面，常见的场景渲染方法如表2所示。

随着京津冀协同发展战略下的功能疏解和产业转移，生产建设项目增多，造成新的人为水土流失；同时在建设小康社会进程中，尤其是山区农林开发、农村公路建设、经济开发区和新村镇建设等活动也造成新的人为水土流失且缺乏有效的监督管理。

模拟器炮长操控系统是对实装炮长操控环境和流程的仿真与模拟，包括状态设置、参数装订、火炮操纵、观察、测距、瞄准、诸元解算、射击等行为和功能的仿真。以某装备模拟器炮长操控系统为例，炮长操控系统由几何构造系统、虚拟环境生成系统、应用系统以及人机交互系统4个部分组成［3-4］，如图1所示。

 

表2 常见的场景渲染方法

  

渲染方法 典型工具 利弊分析直接利用底层图形图像库 OpenGL 工作量大、场景逼真度不够直接利用商业渲染引擎 Virtools、Vega 投资大，场景的灵活度不高利用开源的渲染引擎 Unreal、unity 场景渲染效果好，交互性强

本文通过比较选定Unreal Engine4作为虚拟场景渲染的开发平台，完成虚拟操控环境的搭建。Unreal Engine4基于C++的开源开发工具，具有渲染速度快、物理属性逼真、与多种三维图形制作软件无缝相接等优点，适用于仿真系统的研发。

为了提高模拟器的沉浸感，首先要使得炮长在逼真的虚拟操控空间中进行操作，而现有的模拟器仅仅通过半开放式的硬件平台与触屏式操控终端的结合完成虚拟操控空间的模拟。本文通过建立炮长操控空间的模型，构建更加真实的操控空间，并通过三维显示设备显示出来。

  

图2 虚拟操控空间搭建流程

虚拟操控空间搭建流程如图2所示。首先通过操控空间设计，设计出需要建立的场景，确定虚拟操控空间中的全部要素，分析出其模型与材质，并将两者导入Unreal引擎对模型进行材质处理，提高模型的逼真度，使得操控环境更加真实。然后通过C++编码设计，赋予经过处理的模型的属性（包括位置以及重量、光照等物理属性）并完成图像双目显示处理，最终通过三维显示设备显示输出。其中，模型是在3ds Max中完成的，材质是在高精度图片或PS处理的图片经处理产生贴图，然后根据贴图产生。

我军虚拟现实技术的军事化运用刚刚起步，但呈快速发展的态势。近年，我军将虚拟现实技术投入装甲兵驾驶与陆航飞行员的训练中，对模拟真实战场环境，提升装备操作水平具有重大意义。此外，我军运用大规模地形地景仿真引擎，快速生成基于真实地形数据与高分辨率的遥感影像，并与视景仿真技术相结合用于虚拟战场军事演习［2］。我军还将虚拟现实技术运用到航天飞船中的模拟对接及导弹发射的模拟中。随着虚拟现实技术在军事中的运用广度和深度的不断拓展和深化，我军的军事模拟训练会更加趋于实战化。

3.2 人机交互系统设计

3.2.1 基于双目视觉的手势识别

双目视觉是指采用双目立体视觉的成像原理，利用两个摄像头来获取手的位置等信息并综合分析判断。通过这种方法，用户可以通过更加自然的手势完成人机交互。通过计算两个摄像头位置的几何关系，对双目摄像头进行标定，以实现手势识别。手势识别是指通过两个摄像头采集炮长手势动作的左视图与右视图的图像，然后通过立体视觉算法生成手势动作的深度图像［6］。

如下页图3所示，首先利用双目摄像头采集炮长手势动作的左视图及右视图图像并进行立体标定与匹配得到视差图像；然后以摄像机的内外参数进行三角计算来获取深度图像；利用手势分割算法对手势动作的视觉图像进行处理分割出手的初始位置信息，即手势跟踪算法的起始位置；最后利用手势跟踪算法进一步跟踪手部的运动，通过匹配完成手势识别。

本文以油石比5.4%为最佳油石比，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行AC—10型常温彩色沥青混合料的水稳定性验证。由试验结果得出，AC—10型常温彩色沥青混合料的水稳定性能验证结果：残留稳定度为99.8%，冻融劈裂强度比为79.2%，满足规范的要求。

  

图3 基于双目视觉的手势识别流程

旅游，是一国国民文明素养的集中展示。五千年文明古国、礼仪之邦，带出国的不应该只是消费力，还应该展示出国人健康文明的素质以及良好的国际形象。

  

图4 Leap Motion外观

  

图5 炮长操控系统手操按钮

几何构造系统主要指操控系统模型的建立与管理。系统模型主要包括由仅展示外观及动画效果的展示模型、需参与交互的功能模型组成的操控系统模型以及由三维自然系统模型与三维敌军模型组成的虚拟作战环境模型。同时，在虚拟环境中，更新场景时需要实时绘制场景，大量的虚拟对象需要不断地保存以及调用，因此，就要求对虚拟模型进行分类管理。

3.2.2 基于Oculus Rift的视觉反馈

作为虚拟现实的观察设备，头盔显示器由双目三维立体液晶显示屏、数据转换器、位置跟踪器以及耳机麦克等组成，其外观如图6所示。其中，双目显示屏依据双目视差原理模拟实现炮长对虚拟环境的立体观察。数据转换器则连接了计算机显卡与双目液晶显示屏，以完成虚拟图像的显示。位置跟踪器通过捕捉炮长头部的位置及其线性运动，并通过数据线将相应信息发送给计算机，计算机视景系统根据炮长头部运动数据及位置信息计算出观察者应观察到的视景，并生成左、右眼的视景图像，最终分别通过左右眼前的显示屏进行显示，形成具有沉浸感的立体视景图像。耳机和麦克则完成听觉反馈及语音交互，进一步增强沉浸感和现实感。

5.2 教学分析 在人教版生物学教材高中(必修3)第5章第5节中也设有同样的探究实验。但在实验方法上主要是采用观察法，即将生态缸内的生物种类和数量作为本实验的观察指标，对实验结果进行定性分析。而IBDP生物学课程中则是利用氧气和二氧化碳传感器这一电子设备，对本实验进一步做了定量检测，从而加强了对学生的数学技能和科学思维能力的培养。

  

图6 头盔显示器示意图

  

图7 Oculus Rift陀螺仪视角示意

本文选用Oculus Rift作为三维立体显示设备。Oculus Rift产品相比于其他头戴式三维显示设备，最突出的特点是其陀螺仪控制视角，如图7所示。

由此带来的游戏沉浸感得到大幅提升，配合其他输入设备，可以使操作者感到“身临其境”，完全融入到了这个虚拟世界当中。Oculus Rift提供了3种规格的镜片，按照焦距分别对应于远视、正常视力和近视，使远视和近视的用户也可以在不佩戴近视镜或远视镜的情况下佩戴观察。

同时，Oculus Rift支持 Unreal引擎的开发。Oculus Rift对Unreal支持的驱动oculus_runtime_rev_1_sdk_0.4.1_win.exe可以在官网上免费下载，即可开发支持Oculus Rift的Unreal程序。Oculus Rift的位置跟踪器与陀螺仪分别跟踪采集炮长头部的位置与姿态信息，Unreal引擎则通过调用Oculus Rift SDK中的数据经Unreal中图形引擎组件完成对炮长双目图像信息的处理，最终通过Oculus Rift的双目镜分别在炮长的左右眼前显示相应场景，以双目视差原理实现三维视景的立体显示，使操作者产生身临其境的感觉，具体流程如图8所示。

（1）焊接方法 常用的奥氏体不锈钢的焊接方法均适用于N08367超级奥氏体不锈钢的焊接。对于管道材料，为保证根部焊接质量，易于单面焊双面成形，一般选用GTAW或GTAW+SMAW组合的焊接方法。对于管径小、管壁薄的选用GTAW焊接，对于直径大、壁厚厚的管道使用GTAW打底、SMAW填充盖面的方法。

  

图8 Oculus Rift交互原理

4 结论

本文针对我军对模拟训练提出的高沉浸、通用化以及低成本的新要求，通过构建炮长虚拟操控空间、搭建更加逼真的虚拟操控环境，以补齐操控要素、提高模拟训练的沉浸感，通过设计炮长与虚拟世界的交互，实现炮长与虚拟世界的自然交互，使得炮长更能够沉浸于虚拟环境。通过研究可知，本文设计的炮长操控系统在操控空间方面更加贴近实装，能够提供更加逼真的作战环境与更加齐全的炮长操作空间的操作要素，提高了模拟训练的沉浸感，进一步提高了军事模拟训练的质量。同时，通过将部分硬件设备虚化，使其以三维模型的形式展现在视景中，减少了硬件设备，既降低了设备成本，又为设备通用化提供了便利条件。

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［3］娄岩.虚拟现实与增强现实技术概论［M］.北京：清华大学出版社，2016.

［4］王钦钊，黄钊，李小龙.基于RV的装甲装备火控系统仿真［J］.计算机仿真，2014，31（11）：398-402.

［5］张玉军，邢辉，汤华军.沉浸式虚拟训练中的虚拟手操控技术研究［J］.计算机测量与控制，2017，25（2）：81-84.

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［7］陈玉文.增强现实技术及其在军事装备和模拟训练中的应用研究［J］.系统仿真学报，2013，25（8）：258-262.

上午9时整，升旗仪式正式开始。随着铿锵有力的号令声，3名升旗手手擎一面国旗、两面厂旗，在10名护旗手的护卫和干部职工的注目礼下，迈着坚定有力的步伐走向升旗台。伴随着雄壮的《中华人民共和国国歌》和催人奋进的《开磷之歌》，国旗与厂旗在庄严注目下冉冉升起。砥砺拼搏六十载，开磷披荆斩棘仍旧斗志不减；风雨兼程六十载，开磷历经沧桑依然奋发昂扬；峥嵘岁月六十载，开磷牢记使命镌刻时代丰碑；春华秋实六十载，开磷扬帆筑梦谱写辉煌华章。

［8］GUNA J，JAKUS G，POGACNIK M.An analysis of the precision and reality of the leap motion sensor and its suitability for static and dynamic tracking ［J］.Sensors，2014，14（2）：3702-3720.