虚拟现实技术在反恐训练中的研究进展

智丽娜 刘玉存 袁俊明

摘要： 介绍了虚拟现实技术的国内外研究现状，以及仿真技术与虚拟现实技术结合使用的发展趋势。为了更好地履行反恐使命，适应形势的发展，有必要提高反恐教学训练质量，创新反恐行动教学训练手段。将仿真技术和虚拟现实技术应用于路边炸弹的虚拟及仿真，能使反恐受训者不受时间、空间、经费和器材的限制，利用各种3D虚拟模型任意组装不同起爆方式下的路边炸弹，拓展其想象空间和创新思维，使之对路边炸弹的结构组成、工作原理及爆炸效应等有深刻理解。

关键词： 虚拟现实技术； 模拟仿真技术； 3D虚拟模型； 路边炸弹

中图分类号：TJ55；O381文献标志码：A 文章编号：1006-8228(2012)07-01-03

0 引言

近年来，恐怖主义活动猖獗，爆炸恐怖袭击活动肆虐，反恐行动面临越来越严峻的挑战[1]。目前恐怖分子愿意选择成本低、杀伤力大的路边炸弹作为首选武器。路边炸弹又称简易爆炸装置，通常由爆炸物和点火装置构成，取材广泛， 制作简单， 杀伤力大[2]。伊拉克战争后，简易爆炸装置是伊拉克反美武装的首选武器。美军因路边炸弹而伤亡的人数不断增加，路边炸弹已成为美军在伊拉克的头号“杀手”。据美军中央司令部新近公布的数据显示[3]，自2003年3月伊拉克战争开始以来，简易爆炸装置对联军造成的伤亡人数占总伤亡人数的67％。2004-2005年，美军遭遇路边炸弹袭击达到1.6万多次，仅2005年就发生了1万多次路边炸弹袭击。到目前为止，驻伊美军遭路边爆炸装置袭击死亡人数已达到2500人。据伊拉克联军记载，每个月大约有2000起简易爆炸装置攻击事件，有时候甚至一天就有100多起这种攻击事件发生。在所有这些简易爆炸装置中，40％是通过无线电控制引爆的，25％是人工操作的，20％是有线引爆的，剩下的15％是通过自杀性炸弹或其他方式引爆的。据英国国防部官员称，自杀性炸弹袭击事件的数量正在下降，而通过无线电控制引爆的简易爆炸装置袭击事件的数量正在增长[1]。

1 虚拟现实技术和模拟仿真技术在国内外研究现状

1.1 虚拟现实技术的国内外研究现状

像大多数技术一样，虚拟现实也不是突然出现的，它是经过企业界、军事界及众多学术实验室相当长时间的研制开发后才进入公众领域的。虚拟现实的出现与其他技术的成熟密切相关，如实时计算机系统、计算机图形、显示器、光纤及三维跟踪技术等。当各个技术都能提供自身的输入性能之后，虚拟现实系统便出现了。从诞生至今，伴随着计算机技术的飞跃，虚拟现实系统在不断地发展及完善，其应用领域也在不断地扩大[4]。虚拟现实系统将有着非常广阔的发展前途。

在军事领域中，虚拟现实在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥方面发挥了重要作用，并产生了巨大的经济效益[5]。美国已初步建成一些洲际范围的分布式虚拟环境，并将有人操纵和半自主兵力引入虚拟的战役空间，在世界上处于领先地位。除去美军的SIMNET系统及M1A1主战坦克使用的战场环境仿真系统外，荷兰1992年完成的毒刺导弹训练器(VST)是虚拟现实技术用于单兵武器模拟设备的代表作。它在头盔内呈现一个空间动态立体场景，伴随操作者的头部动作而相应改变场景，以训练操作者对付敌方飞行器的机动能力和瞄准能力；预先制备的YCD光盘则提供各种作战环境相应的音响效果[6]。1997年，洛克希德.马丁公司为美国海军航空兵训练系统项目办公室开发了一套实战演习系统TOPSCENE(战术操作实况)[7,8]。这是一个综合运用军事测绘成果和虚拟现实技术的装备，被广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军，已配备100多套。该系统运用SGI图形工作站(最高配置为ONYX2、4个R1000CPU)来处理图像数据，在高配置下，每秒能产生30帧详细、逼真的高分辨率战场图像。系统可以模拟各种地形要素、不同的气象条件，还可仿真带有夜视仪、红外显示器或合成孔径雷达显示效果的夜间战斗过程[9-11]。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一[12]，其虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。该研究室着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法等。

清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”采用了Quck Time技术，实现大全景VR系统。

浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

武汉理工大学智能制造与控制研究所主要研究使用虚拟现实技术进行机械的虚拟制造，包括虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成等。

北方工业大学CAD研究中心是最早开展计算机动画研究的单位之一[13]，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了两个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了VR图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。

另外，北京邮电大学自动化学院、西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与科学系等单位也进行了一些相关的研究工作和尝试。

1.2 模拟仿真技术的国内外研究现状

仿真（Simulation）技术，或者称模拟技术，在人们不断深化认识自然界客观规律的历程中一直扮演着非常重要的角色[14]，特别是计算机技术的出现与发展，促使仿真技术手段获得突破，使之在军事与民用领域的装备研制、系统论证、训练与维护等方面成为不可缺少的关键技术，并成为信息科技发展的强大推动力之一。今天，仿真技术已不仅仅局限于单个设备或系统的模拟，体系与体系对抗的仿真已成为仿真技术研究的热点之一，并由此催生了一批新的仿真技术，其中虚拟仿真便是现代仿真技术的典型代表[15,16]。

系统仿真是建立系统的模型(数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型)，并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统[17]。仿真技术的实质是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的[18]。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为[19-23]：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后可能产生的现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。在军事训练等领域仿真技术可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性、降低系统的研制成本，提高部队作战的快速化、准确化程度。一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。建立起仿真模型后，才能书写相应的程序以实现仿真[24]。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验可了解系统中各变量之间的关系，观察系统模型变量变化的全过程。此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次系统运行，系统优化等工作。因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。

2 虚拟现实技术与模拟仿真技术相结合及其应用研究

虚拟仿真技术是仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物。虚拟仿真技术以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征，并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体可以用一些简单的数学模型或模拟器，也可以是其他的虚拟仿真系统。实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征，充分满足了现代仿真技术的发展要求[25]。

虚拟现实系统生成的虚拟环境特别强调对用户的视觉、听觉、触觉等感官的支持，使得虚拟环境在用户面前达到“以假弄真”的效果，甚至“比真还真”[26]。而虚拟仿真环境更加强调对客观环境真实特征的支持，要求虚拟环境不仅仅是在外观、声音等方面与客观环境一致，而且在物理特征、行为特征等方面与客观环境一致[27]。

通常认为，人类认识自然世界的客观规律有三种方法：理论推演、实物试验与仿真。对于一些复杂系统，如战略战役指挥控制系统，无法得到其数学模型的解析解，也就是说无法进行理论推演，而由于设备、环境、经费等方面的限制，很多情况下无法进行实物试验，这时，仿真变成为认识与研制一个系统的关键步骤。Shannon R.E.认为，有以下情况之一时，应考虑采用仿真的方法[28]。

⑴ 不存在完整的数学公式，或者还没有一套解答数学模型的方法。离散事件系统中的许多排队模型就属于这种情况。

⑵ 虽然可以有解析方法，但数学过程太复杂，仿真可以提供比较简单的求解方法。

⑶ 解析解存在而且是可能求解的，但超出了个人的数学能力。因而应该估计一下，建立模型、检查并且运行仿真模型的费用比起向外求助以获得解析解，哪个划算。

⑷ 希望在一个较短的时间内能观测到过程的全部历史，以及估计某些参数对系统行为的影响。

⑸ 难以在实际的环境中进行实验观测，仅可能采用仿真技术。

⑹ 需要对系统或过程进行长期运行的比较，而仿真可以随意控制，使它加快或减慢。

在实际应用时，将仿真技术与虚拟现实技术结合起来使用已成为目前较为广泛的发展趋势。传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)。随着多媒体技术、计算机动画、传感技术的发展，计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能[29]。事实证明，人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。将仿真技术与虚拟现实技术相结合，利用虚拟现实技术进行仿真模型的建立和实验的模拟，使仿真的过程和结果可以实现图象化、可视化，使仿真的系统具有了三维、实时交互、属性提取等特征，极大地促进了仿真技术的发展，同时也使虚拟现实技术更加具有生命力[30]。

3 结束语

为更好地履行反恐使命，适应形势发展，提高反恐教学训练质量，创新反恐行动教学训练手段十分必要。随着信息技术的飞速发展，基于3D模型的虚拟现实技术及模拟仿真技术已被广泛应用于军事领域，它同样可以被我们应用于反恐教学训练之中。结合这两种技术对路边炸弹的虚拟现实及仿真，能使反恐受训者不受时间、空间、经费和器材限制，利用各种3D虚拟模型任意组装不同起爆方式下的路边炸弹，拓展其想象空间和创新思维，使之对路边炸弹的结构组成、工作原理及爆炸效应等有深刻理解。此外，利用虚拟战场环境，根据不同现场情况，反恐受训者在作战模拟的准备阶段可以从不同视角、不同高度、不同细节观察和审视战场，选择相应的处置方案，体验不同的现场效果，进而熟悉作战环境，适应实战氛围，训练排爆技能，提高反恐战术水平、临场反应能力和心理承受能力，达到“训战一致”的目的。基于虚拟现实技术和模拟仿真技术的路边炸弹演示也可以减少反恐实战训练器材的消耗及危险性，减少路边炸弹组训难度。

参考文献：

[1] 王雄高.反美武装的首选武器——简易爆炸装置[J].国外坦克,

2007.6(7):26-31

[2] 魏庆,刘金广.美军如何应对路边炸弹[J].当代军事文摘,2007.37(4):

69-70

[3] 林夏菲,席义勋.基于3D模型的虚拟现实技术在反爆炸教学训练中

的应用[J].科技信息,2010.22(13):36

[4] 王广政,周朝霞.系统仿真与虚拟现实技术在战场道路网系统中的应

用研究[C].中国电子学会电子系统分会第五届军事信息软件与仿真学术研讨会论文集,2006:244-246

[5] 徐大敏,于兆勤.虚拟现实技术及其应用与展望[J].机床与液压,

2006.7:35-79

[6] 马彦军.基于虚拟现实技术的战场仿真系统研究[D].国防科学技术大

学硕士研究生学位论文,2006.

[7] 赵黎.虚拟现实技术是21世纪的关键技术[J].舰船指挥控制系统,

1996.5:31-37

[8] 游雄.基于虚拟现实技术的战场环境仿真[J].测绘学报,2002.31(1):

7-11

[9] 蒋一,魏骏.虚拟现实技术及其在军事领域的应用[J].国外电子测量

技术,2007.26(1):43-52

[10] STRACHAN 1 W. Virtual reality and simulation technology

trends and markets[R]. Jane''s special report,2000.

[11] 蒋庆全.虚拟现实技术的军事应用[J].现代防御技术,2001.29(2):

44-49

[12] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术

大学学报(自然科学版),2004.23(2):238-240

[13] 蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,2002.1:27-34

[14] 胡小强.虚拟现实技术[M].北京邮电大学出版社,2005.

[15] 张茂军.虚拟现实系统[M].科学出版社,2001.

[16] 吴启迪.系统仿真与虚拟现实[M].化工工业出版社,2002.

[17]王国庆.虚拟现实的技术及其应用[J].航空计算技术,1994.24(2):

78-81

[18] 申蔚,曾文琪.虚拟现实技术[M].清华大学出版社,2009.

[19] 庄春华,王普.虚拟现实技术及其应用[M].电子工业出版社,2010.

[20] 刘光然.虚拟现实技术[M].清华大学出版社,2011.

[21] Burdea,Grigore Coiffet,Philippe,jt Auth.Virtual reality technology

[M].New York:J Wiley&Sons,1994.

[22] David Kahaner. Japanese activities in virtual reality[J]. IEEE

Computer Graphics and Application,1994.14(1):75-78

[23] 张菁,张天驰,陈怀友.虚拟现实技术及应用[M].清华大学出版社,

2011.

[24] Myron W Krueger. Automating virtual reality[J]. IEEE Computer

Graphics and Application,1995.15(1):9-11

[25] Iovine,John. Step into Virtual reality[M].New York:Windcreat/

MeGraw-Hill,1995.

[26] R Bowen Logtin. Aerospace application of virtual environment

technology[J].Computer Graphics,1996.16(5):33-35

[27] Martin Gobel. Industrial applications of VEs[J]. IEEE Computer

Graphics and Application,1996.16(5):10-13

[28] Lawrence J Rosenblum. Driving simulation:challenges for VR

technology[J]. IEEE Computer Graphics and Application,1996.16(5):16-20

[29] Lloyd treinish,Deborah Silver. Visualizing a real forest[J].IEEE

Computer Graphics and Application,1998.18(1):12-15

[30] Grigore C.Burdea,Philippe Coiffet著,魏迎海,栾息道等译.虚拟现

实技术(第二版)[M].电子工业出版社,2005.