摘要：本课题旨在通过虚拟现实射击训练系统的开发，探索虚拟现实交互设计，尝试建立一个更加真实、易用的虚拟现实交互设计。通过利用虚拟现实技术解决传统射击训练的弱点，建立一个安全、易用、环境适应性好、不需要复杂维护的虚拟现实射击训练系统。本课题的主要内容包括系统的需求功能设计、虚拟现实场景设计、虚拟现实交互界面设计、虚拟现实抓手交互设计、拍摄性能提示分析等。

关键词：虚拟现实交互射击  射击训练系统  视觉编程  虚拟现实训练系统

1. 问题分析

      十多年来，虚拟现实技术一直被认为是未来的发展趋势，但到目前为止，虚拟现实应用的普及还远远没有达到人们的预期。通过调查，我们发现大部分的虚拟现实应用学习互动的时间成本很高，甚至需要专业人员指导才能完成学习。这样的模式容易降低用户的使用意愿和用户体验，而且不利于虚拟现实应用的大规模快速普及。传统的射击训练安全隐患大，审批复杂，环境要求严格，枪械维护工作量大，同时训练人员少，等待时间长，训练效率低。在训练过程中，传统的射击训练完全依靠教练的射击经验，具有主观性。射击训练器只能根据教练的要求进行机械调整。很难充分了解身体的姿态，不能主动进行动作调整以帮助提高射击成绩。现有的射击训练系统的真实性和沉浸感较差。虚拟现实射击应用侧重于娱乐和互动，对枪械射击的初级训练没有帮助。

2. 虚拟现实技术概述

      虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术是指利用高科技手段创造一个虚拟空间，在这个空间中，可以使人有身临其境的感觉，也可以借助一定的设备将虚拟现实技术模拟出来体验。VR技术的沉浸性、互动性、想象力等特点使其广泛应用于各个领域，如航空、医学、教育等诸多领域。

（1）虚拟现实技术的定义和发展

       虚拟现实技术是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机模拟系统。它利用计算机生成一个模拟环境，为用户提供视觉、听觉、触觉等感官刺激，用户通过低位显示、手势（数据手套）、身体潜能数据（衣服）和自然语言环境（虚拟对象、人物）进行实时互动，带来一种身临其境的感觉。

      如图1所示，虚拟现实技术经历了四个阶段：包含虚拟现实技术的思想、虚拟现实技术的萌芽、虚拟现实技术概念和理论的产生、虚拟现实技术理论的完善和应用。在虚拟现实技术的应用阶段，已经广泛应用于科研、医疗、教育等领域。

                                                     图1 虚拟现实技术的四个阶段

      Burdea和Coiffet（1992）将虚拟现实的重要特征总结为“3I”：沉浸感、互动性和构想性。沉浸感：用户在虚拟现实设备的帮助下导计算机创建的虚拟环境进行互动。虚拟现实技术可以模拟用户的视觉、听觉、触觉甚至味觉，用户身临其境。互动性：用户可以在传感器的帮助下直接抓取模拟环境中的物体，感受物体的存在以及物体的重量，被抓取的物体也可以随着手的移动而移动。构想性：用户沉浸在虚拟环境中，根据他们物体的互动，与虚拟环境产生关联，并与计算机创造的虚拟环境融合。

                                              图2 虚拟现实技术的特征

3. VR射击训练系统设计

    （1）以用户为中心的VR射击训练系统

       如图3所示，通过对用户交互需求的分析，在保证易用性的前提下进行虚拟现实射击训练系统的系统设计。对手持控制器、界面交互、空间交互系统进行了分析和梳理，以减轻用户的负担。交互式学习和记忆，降低学习和使用的成本，最终实现无人工辅助，并在短时间内学会系统的交互功能。

                                                                图3 VR射击训练系统界面

    （2）符合射击训练要求的手持式设计

      手持控制器按钮的数量和功能是根据用户的交互要求设计的。该握把安全、易用，以姿态判断作为电源开关，无需复杂的维护。同时，握把的重量和重心与实际枪支设计一致，确保用户积累真实有效的训练经验。

    （3）VR射击训练系统架构

      虚拟现实射击训练系统的软件部分是使用Unity 3D虚拟现实引擎建立的。整个系统分为三个部分，即初始场景、训练大厅和射击场。

      初始场景的主要功能是使人从真实环境过渡到虚拟环境。虚拟环境与真实环境的差异很小，这有助于减少用户的不适感和幽闭恐惧症。训练馆的主要功能是选择训练对象和设置训练条件，并形成空间大小的过渡。靶场按照理想的靶场条件设计，并增加了声音报告、屏幕提示报告和成绩统计分析功能。用户可以在射击训练时查看射击成绩。用户可以通过打开或关闭水平仪来帮助了解正确的射击姿势，形成正确的肌肉记忆。

       虚拟现实射击训练系统的硬件部分是以HTC VIVE虚拟现实解决方案为基础平台的。HID协议和无线通信模块与PC机通信，构建手持控制器电路。水银开关作为手持控制器的姿势判断，并作为手持控制器开关的动力源。

       系统设计了射击成绩的统计分析，方便用户查看射击成绩的变化规律。系统可以预先预留射击表数据库的输入接口，保证射击训练成绩的真实可靠性。

4. 结论

   （1）根据用户的交互要求设计手持控制器，大大简化了手持控制器的按钮，除了触发器，只有一个功能按钮，便于学习和记忆。

   （2）根据增加射击训练需求的虚拟水平，方便用户纠正持枪姿势，形成正确的肌肉记忆，提高成绩。

   （3）手持式控制器采用水银开关，判断用户是否在使用或放置，实现电源开关的智能开闭，便于管理和维护4.使用调查后，整个培训系统的平均互动学习时间约为3分钟，远低于HTC VIVE手柄所需的十五分钟的学习时间，而且不需要人工协助，它可以满足用户尽快进入训练状态的目标。