沉浸式军人战场适应性训练系统的设计与实现

张志勇，王 涵，朱虹旭，周双喜

(国防科技大学， 长沙 410072)

残酷的战斗、恶劣的环境、死亡的威胁等战场高强度刺激会引起军人的高度紧张和恐慌，导致身体器官紊乱与思维混乱，对技能与智能的发挥带来严重障碍，即产生战场不适应[1]。在海湾战争中，多国部队因战场不适应导致的自杀或误杀伤亡占总伤亡的85%[2]。实践证明，提高军人战场适应性最有效的方法，就是构建逼真的战场环境，使其“身临其境”地体验战斗条件下各种刺激因素，积累经验并逐渐适应战场。

随着计算机技术和模拟仿真技术的不断发展，在特定范围内生成融逼真视觉、听觉和触觉于一体的虚拟环境的技术，即虚拟现实技术[3]对军事训练领域产生了的重大而深刻的影响。因此，深入研究基于虚拟现实技术的沉浸式军人战场适应性训练系统，对于开展军人战场适应性训练，培养军人在残酷战场环境中的心理稳定能力和承受能力，增强军人对战场的适应能力具有重要意义。

1 沉浸式军人战场适应性训练系统的需求分析

不同的战场环境将产生不同的适应性训练任务。沉浸式军人战场适应性训练任务应当紧紧围绕具体作战样式过程中的任务、所处的战场环境和面临的战场威胁因素确定。例如，以联合登陆作战过程为基本依据，在航渡阶段最大的威胁就是各种舰艇容易遭受敌方精确打击；在登陆阶段最大的威胁是抢滩上岸的有生力量和登陆舰、两栖坦克等装备将暴露在敌方火力之下；在巩固和扩大登陆场阶段所面临的最大威胁是敌方疯狂的反扑等等[4]。

在陆军、海军、空军和火箭军中选取具有代表性的军人所面临的任务、所处的战场环境和面临的战场威胁因素来确定沉浸式军人战场适应性训练内容体系，进一步明确训练内容，从而为设计与开发沉浸式军人战场适应性训练系统提供训练依据。

根据沉浸式军人战场适应性训练任务的需求分析结果，分析陆军、海军、空军和火箭军等军人在联合登陆作战过程中、在战场适应性训练过程中产生的沉浸式体验，主要包括沉浸式的视觉、听觉、嗅觉、触觉和前庭觉。

2 沉浸式军人战场适应性训练系统的结构设计

为满足开放性与扩展性原则，并使系统运行性能优化，在系统的结构设计上采用资源分布、动态加载的模式，主要包括人机交互界面、虚拟战场环境场景系统、多通道沉浸系统、训练反馈系统与训练监控系统。系统的总体结构如图1所示。

系统采用多人同时训练，设计安排四类人员，即单兵、车辆驾驶员、舰船驾驶员和飞机驾驶员，每一类训练对象都拥有独立的模拟训练舱，可以体会不同位置的环境变化，且相对于整个训练环境可以更加精准、快速和独立地控制温湿度、气流、气味，同时也方便增减和维护。采用单兵模拟训练舱、车辆、舰船、飞机模拟训练舱各一组(每组根据训练场地具体再明确数量)，共四组模拟训练舱。模拟训练舱为透明玻璃舱，包含温湿度硬件、气流硬件、气味硬件、心率血压硬件、监控摄像头、电脑硬件系统等设备，模块化设计，可独立使用。

3 沉浸式军人战场适应性训练系统的功能实现

系统采用Unity开发工具，Unity作为一个完全集成的专业级虚拟现实开发工具，其包含了整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器、脚本、网络、物理、版本控制等特性[5]。

3.1 虚拟战场环境场景系统

虚拟战场环境场景系统以联合登陆作战过程中依次出现的场景为原型，主要包括航渡阶段场景、登陆阶段场景、巩固和扩大登陆场场景等，场景模型元素包括：地形、植物、建筑、军事设施、各种武器装备等。场景模型元素采用3D MAX三维制作软件在Unity的模型制作规范下进行制作。

3.2 多通道沉浸系统

多通道沉浸系统主要包括视觉沉浸子系统、听觉沉浸子系统、触觉沉浸子系统、嗅觉沉浸子系统和前庭觉沉浸子系统五个部分[6]。

视觉沉浸子系统。通过3D MAX等三维图像制作软件，制作VR场景的现场模型，运用灯光、场景烘焙、后期镜头效果等技术制作出逼真的现场环境，同时通过场景优化技术在性能和效果上达到平衡，最终通过VR头戴显示器进行立体呈现，为训练对象提供沉浸式逼真的视觉体验[7]。画面效果的表现主要通过灯光和后期镜头效果烘托，然后运用Unity中的全局光照技术为场景提供真实的光照。

听觉沉浸子系统。采用环绕立体声技术，集成通过录制和数字合作等手段搜集的声音，如枪声、爆炸声、飞机声、车辆声、叫喊声、环境背景声、指挥单兵电台声等素材，然后利用Unity中对音场区过滤器和文件追踪的支持，以及可编辑衰减曲线的推出，利用头部传送函数计算并模拟出声音从某一方向传来以及移动变化时的效果，类似于一个滤波器，对原始声音进行频段上的调整，使其接近人耳接收到的听感效果，并通过耳机来回放，从而为训练对象提供更加真实、震撼、逼真的听觉体验。

触觉沉浸子系统。通过开发的软件控制制冷系统、辅助加热系统等硬件设备，可模拟真实的寒冷、炎热等环境条件，温度控范围在-10～50 ℃(可根据项目需求和实际成本调整范围)，在模拟训练舱布置风扇阵列，共12涡轮风扇，通过VR系统控制，可模拟产生全方位的气流，实现训练对象的触觉沉浸。

嗅觉沉浸子系统。通过鼓风机将对于气味从气味存储器中吹出，配合VR系统控制各种气味的投放，包括但不限于硝烟味、腐臭味、血腥味、各类香味、硫化氢等臭味、膻味、焦糊味等，经过模拟训练舱底部出口进入舱内，再进控制舱底部和顶部的排气口迅速排出，如此循环可模拟VR场景中各个位置的气味，模拟真实的嗅觉体验[8]。

前庭觉沉浸子系统。六自由度运动平台通过模拟物体在三个方向的平动和转动，即前后平移、左右平移、上下垂直运动、俯仰、滚转和偏航及复合运动，进而可模拟出各种空间运动姿态。六自由度运动平台主要应用于战车、飞机、舰船训练模拟舱。虚拟现实全向行动平台，亦称虚拟现实跑步机[9]。它打破了虚拟和现实的空间限制，可以让使用者在现实极小的空间即可实现在虚拟世界中无限的行动，并将使用者在固定空间中真实的行走运动映射入虚拟场景中，通过捕捉其脚部动作达到在游戏中的前进/后退等动作，可让训练对象在训练室，享受驰骋战场的刺激体验。虚拟现实跑步机主要用于单兵训练模拟舱。

3.3 训练反馈系统

训练反馈系统主要由YKB1712脉搏波血压传感器芯片搭配HRB6708心率脉搏芯片和算法芯片SFB9710实现。可实现功能：心率采集计算、心电信息采集、人体体表温度监测、血压跟踪监测等[10]。脉搏波血压传感器芯片采用光电式容积脉搏波描记(PPG)的方式感应人体的脉搏信息并加以提取，通过心率脉搏芯片HRB6708和算法芯片SFB9710输出心率和血压等串口信号。设备佩戴于训练对象手腕等位置，通过串口或 I2C 与 SFB9710通信，传送心率、血压、脉搏波等人体健康指标数据到训练对象头戴显示器的HUD界面上和监控显示器上。

3.4 训练监控系统

监控系统可以控制整个系统的运作，包括兵种、场景的选择，学员数据显示和切换等功能。所有训练对象以列表的形式显示在监控窗口上面，组训者可以直观地看到所有训练对象的战场适应性数值，包括心率、血压、控制舱温度、湿度等数据。

4 结论

围绕提高部队备战打仗能力，全军将大抓军事训练，按照国防部“加快推进先进技术转化为训练手段”[11]的要求，结合近几年沉浸式虚拟现实技术的迅猛发展，设计并开发了沉浸式军人战场适应性训练原型系统，为全军军官、士官、士兵开展战场适应性训练提供逼真的情境刺激和感知体验，军事应用前景广阔。后续还将持续关注VR技术的发展，深入分析战场适应性训练的实际需求，不断完善系统功能，进一步提高系统的针对性与有效性。

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