虚拟现实新技术军事应用初探

王修齐 张磊 沈忱

摘要：虚拟现实技术作为二十一世纪最有代表性的技术之一，在各个领域都引起了广泛关注。尤其是近两年，虚拟现实技术进步迅猛，向着更真实、更精确、更实用方向发展。在军事领域中，虚拟现实技术的发展为信息化、可视化作战带来了诸多革新手段。通过分析实时建模技术、全景技术、全息投影技术和混合现实技术这四类新兴虚拟现实技术，探索虚拟现实技术在军事领域的新型应用模式。

关键词：虚拟现实技术；实时建模；全景技术；全息投影；混合现实技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0251-03

Abstract： As one of the most representative technologies in the 21st century， virtual reality technology has attracted wide attention in various fields. Especially in the past two years， virtual reality technology has made rapid progress towards a more realistic， more accurate and more practical direction. In the military field， the development of virtual reality technology has brought many innovative means for information and visual warfare. By analyzing the four emerging virtual reality technologies， namely real-time modeling technology， panoramic technology， holographic projection technology and hybrid reality technology， this paper explores the new application mode of virtual reality technology in military field.

Key words： virtual reality； real-time modeling； panoramic； holographic； mix reality

1 引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是指人在计算机创造的虚拟空间中，通过自然的方式进行人机交互的技术。早在20世纪80年代，NASA就将虚拟现实技术引入航空航天中，并取得了令人瞩目的研究成果。近年来，虚拟现实技术飞速发展，逐渐占据市场主流，为军事训练带来了诸多革新手段。本文选取最有军事应用前景的四类新兴虚拟现实技术，探索实时建模技术、全景技术、全息投影技术和混合现实技术在军事领域的新型应用模式。

2 实时建模技术军事应用

虚拟现实技术是三维动画技术与实时交互技术相结合的产物，随着建模技术不断发展，快速、精确、完整的重建三维信息成为建模技术发展的重点。目前，实时建模技术主要有3D扫描仪、3D摄像机、多重影像建模等。3D扫描仪主要通过创建物体几何表面的“点云”来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型，缺点是扫描范围有限，无法扫描巨大的物体。3D摄像机主要通过两个或者以上的3D镜头，拍摄出类似人眼所见的针对同一场景的不同图像。多重影像建模则是通过拍摄大量、多角度的照片，对物体进行建模。三种实时建模的方式各有优长，应用中要根据实际情况进行合理选择。

2.1 武器装备实时建模

对于武器装备仿真而言，实时建模技术也是未来发展的重要趋势。随着国内外武器装备的推陈出新，大量的新武器新装备被研制，对于武器装备仿真的需求也越来越大，特别是对于武器装备零件的建模。传统的武器装备建模技术是通过计算机软件进行绘制，建模周期较长，如果没有三视图或者清晰准确的照片，也无法保证建模的精确性。而利用实时建模技术，仅仅通过3D扫描仪、3D摄像机的拍摄扫描就可以直接得出武器装备的实际数据，建模工作流程自动化，大大提高了工作效率。

2.2 战场环境实时建模

战场态势瞬息万变，传统的计算机建模效率较低，无法满足需求。近年来，无人机已经成为军事大国们争相发展的重点。利用倾斜摄影技术，在地理信息软件中规划采集数据区域、设置重叠率、镜头倾斜角度等信息，再将这些信息导入建模软件中，通过软件的合成计算，便可得到可交互可编辑的三维地景模型。

3 全景技术军事应用

全景技术，又被称为3D实景，是一种新兴的富媒体技术，其与视频、声音、图片等传统的流媒体最大的区别是“可操作，可交互”。全景技术是利用单反相机或无人机拍摄的360°实景照片，经过特殊的拼合、處理，获得全方位可互动观看的虚拟场景。全景技术在虚拟场景构建上不同于传统的建模技术，只需要几张照片，就可以真实地将场景重现出来，具有真实感强、沉浸感强、交互性能好、制作周期短、操作简单、发布形式多样、数据量小等特点。随着全景相机和大量简易的全景合成软件被开发，全景技术的门槛将越来越低，被越来越多的行业所关注。

3.1 战场环境勘测

战场环境勘测需要大量的信息，包括地形地貌、房屋建筑、天气情况等，信息收集是否快速准确、建模是否精准逼真，对后期决策起到了重要作用。以往我们都是通过计算机软件建模的方式仿真战场环境，这种方式工作量大，制作成本高，建模时间长，且难以建立精确的三维模型。即使能够建模，光源、纹理、色彩、天气等元素也难以与实际情况吻合，不够接近真实场景，事倍功半。而实景全景技术，通过相机拍摄（相机难以拍摄的地区或危险地区可以利用无人机拍摄）的真实照片来构建虚拟场景，确保了场景的真实可信，贴近实际；较短的制作周期也降低了虚拟场景制作成本，便于更新地景信息。同时，还可以利用GIS的电子地图支持功能实现地图的生成、管理、显示和网络共享，并建立战场环境库，减少重复的建模工程，为实战化训练提供辅助力量。

3.2 装备仿真可视化

武器装备仿真是虚拟现实技术的重要应用途径。传统的武器装备仿真主要是应用3DS MAX、MAYA等软件进行武器装备外形的建模，但战斗机、直升机、装甲车等装备的驾驶室场景建模难以实现，只依靠图片、视频等多媒体展示，无法进行移动观看，传递的信息有限。利用实景全景技术，通过拍摄驾驶舱内部的照片，制作可以旋转观看的虚拟场景，还可以利用全景软件的“热区”功能，进一步在场景中插入一些文字、图片介绍。

4 全息投影技术军事应用

全息投影技术也称虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。目前已实现的全息投影技术一共分为空气投影和交互技术、激光束投射技术、360°全息显示屏技术几类。美军曾在海湾战争中应用过这类技术，利用两架喷气式飞机飞到科威特沙漠的上空，“画”了一幅巨大的伊拉克国旗又打了个巨大的白叉，使伊军士气一落千丈，也为全息投影技术赋予了心理战效益。除此之外，全息投影技术还可以构建电子沙盘、召开电视电话会议等。

4.1 全息电子沙盘

与传统沙盘相比，电子沙盘具有简便、直观、精确的特点，而且可以动态显示，内容丰富，应用领域广泛。目前应用虚拟现实技术构建的电子沙盘主要是利用计算机建模技术，佩戴虚拟现实头盔或者增强现实头盔观看，沉浸体验远胜于传统沙盘，但虚拟现实电子沙盘无法自然的交互，也不利于面对面的交流，在训练中实用性较差。而全息投影技术构建的电子沙盘，既具有虚拟电子沙盘带给使用者的动态更新、实时交互、方便联网的特点，还具有传统沙盘操作简便、易于面对面交流的特点。全息电子沙盘不同于计算机建模技术构建的电子沙盘，其仅依靠立体投影仪便可以显示，不需要构建复杂的环境，大大降低了使用成本。但由于目前无介质显示技术并未得到很大突破，全息技术仍存在许多局限性。

4.2 全息电视电话会议

全息投影还可以应用到电视电话会议中。早在多年前，美国商业大片就描绘了全息投影电视电话会议的场景，现在，随着科技的进步，这种技术将很快应用于现实。据境外媒体报道，已有多家企业和研究机构正在进行全息投影的商务应用开发。

5 增强现实技术和混合现实技术的军事应用

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR），是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，简而言之就是用计算机实时产生三维信息来增强人对真实世界的感知。混合现实技术（Mix reality，简称MR），包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。混合现实同时具有虚拟现实和增强现实的特点，但混合现实的交互程度比增强现实更高，它们之间的关系如图：

5.1 武器装备维修整套解决方案

增强现实技术和混合现实技术目前已经应用于尖端武器、飞行器的研制与开发、虚拟训练、武器装备维修等军用领域。特别是在工业领域，我国自有产权的工业用AR/MR眼镜已经可以通过深度学习的方式来提高机器视觉在工业领域的识别成功率，将其应用于武器装备维修中，AR/MR眼镜将多种辅助信息显示给维修人员，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备的零件图等，提供整套维修方案，有效降低维修技术门槛。

5.2 增强现实沙盘

电子沙盘和增强现实技术相结合的研究是虚拟现实技术在作战指挥中应用的重点。增强现实电子沙盘由电子沙盘底板和虚拟沙盘场景组成。不同于全息电子沙盘和虚拟现实电子沙盘，增强现实电子沙盘可以像传统沙盘一样，使用手的操作完成沙盘设计，并通过虚拟头盔内置的识别功能或显示器进行虚拟动态演示。既具有虚拟沙盘动态显示、易于交互的特点，也具有传统沙盘易于操作，便于交流的优势。目前这项技术还处于探索阶段，会在不久的未来得到实现。

5.3 可视化战例研讨系统

增强现实技术的二维码识别功能还可以用于可视化战例研讨系统中。目前我军自主研发的战例互动研讨桌面主要由下屏二维平面投影和上屏三维立体显示两部分构成，下屏用以显示二维传统军事地图态势标绘，上屏用以显示三维虚拟战场环境。利用带有二维码的标识卡，正面绘制便于用户识别的内容提示，反面绘制便于计算机识别的二维码图形，将标识卡放置在下屏的任意位置移动旋转，上屏会在对应位置出现相应三维装备实时部署。标识卡的内容既可以是态势标绘，也可以是具体作战行动，還可以是相机、光照、天气等辅助信息。通过各种标识卡的不同组合，用简单、高效、自然的方式进行战例教学和战法实验，让指挥员沉浸在虚拟环境中体验真实的作战效果。

6 结语

近两年来，虚拟现实技术发展迅猛，在军事领域也越来越受到重视，已逐步应用于各军兵种的单兵训练、作战指挥训练、战役战术训练、武器装备操作训练等各个层级中。未来，随着虚拟现实技术的发展、军事需求的增加、战场样式的变化，虚拟现实技术将成为解决“最后一公里”问题的重要途径。

参考文献：

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[2]赵丽央，余海艳.基于全景技术的旅游景点动态模拟训练研究与实现[J].计算机系统应用，2006（11）：59.

[3]程刚，谭树人，娄静涛，等.增强现实电子沙盘中的大范围注册技术[J].系统仿真学报，2009（6）：3668.

【通联编辑：梁书】