虚拟现实技术在军事装备应用及实现问题探索

2020-11-12于向阳

仪器仪表用户 2020年11期

刘敏，赵时，于向阳

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

0 引言

不断提高现代化的训练手段是国家巩固国防力量的首选途径。目前，军事训练导向趋于“实战化”，旨在提高人员的协同行动与装备运用能力，由于战术牵引与技术交联所涉及的战场要素指标过于“齐全”，加之对空间、地域等战场要素标准也有较为“苛刻”的依赖性，实战训练耗资“非常”巨大，各方力量都在努力寻求军事训练实战化手段的突破点，以提高军事训练质量和效能，降低风险。

1 虚拟现实技术军事应用现状

近年来，随着计算机仿真技术的“积极”发展，虚拟现实技术在军事上已开始应用于训练、维修、演练等领域。利用逼真的虚拟环境，使交战双方同处在虚拟的网络战场上，展开“真实”的对抗演习。1997年发布的美军手册MIL-HDBK-470A《维修设备与系统的设计与开发》中明确地提出：“使用虚拟现实技术，维修性工程师可以进入到虚拟环境中，对虚拟产品进行维修。这样，部件的可达性、部件分配空间的合理性以及完成特定维修任务所需的大概时间等信息均可以借助虚拟现实技术来进行评估”。

表1 利用VESDK开发的部分武器装备平台级虚拟维修训练产品Table 1 Some weapon equipment platform-level virtual maintenance training products developed using SDK

仅在20世纪初期，美军就多次发起了“焦点透镜99”“虚拟之旗”等基于虚拟现实技术的模拟演习。美军正趋向于在训练中综合使用实际装备、虚拟训练和实物模型训练，依托于专业技术团队构建虚拟环境开发平台，形成比较完善的虚拟维修训练解决方案。

如Disti团队拥有虚拟环境软件开发工具包（VESDK）和Replic8开发工具等虚拟维修训练解决方案，可以用于开发平台级和部件级虚拟维修训练系统。如表1，利用VESDK开发的武器装备平台级虚拟维修训练产品，针对多种武器装备平台的维修训练需求，其开发工具的中央数据模型库等能够提供所需的各种环境，通过自动化分析，实现虚拟环境的全过程开发。

2 虚拟现实技术实现及军事应用特征

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术和显示技术等科技成果的综合性技术[1]。其能够模拟出一种“真实”的沉浸式环境，使用户身临其境地与虚拟环境进行交互，构建虚拟训练系统。虚拟环境平台实现主要包括三维建模、三维引擎、VR交互，流程仿真与控制、信息处理与评估等模块，其技术路径及交联关系如图1所示。

作为系统开发的中枢“三维引擎”，完成三维模型“群”导入，依托“丰富”的训练环境模型与控制模型库，形成环境特效与漫游场景；通过物理终端进行“实时”空间检测，形成信息“源”，为训练评估模块提供“大”数据。其为受训对象提供信息反馈的同时，实现评估指标提取与输出。

图1 虚拟训练系统技术路径及交联关系图Fig.1 Virtual training system technical path and cross-linking relationship diagram

图2 虚拟训练系统军事应用特征逻辑关系图Fig.2 The logical relationship diagram of the military application characteristics of the virtual training system

作为系统“终端”的受训对象，通过VR交互设备形成物理反馈，通过界面与系统进行直接交互，形成信息交互闭合“回路”。由于虚拟现实的这种“成熟”的技术路径及交联关系，使得虚拟现实技术“天生”适合应用在军事训练领域。虚拟现实能够给受训者一种亲临战场的感觉，对其提前适应战场环境并在实战化环境中进行训练提供有效支撑。

如图2所示，虚拟现实具有的突出特征为：沉浸性、交互性和想定性[2]。

沉浸性，利用三维建模工具，构建出包括气象、地形、战场装备、作战人员等各要素齐全的“真实”战场环境模型库，受训人员能够全身心投入到虚拟场景中，产生身临其境的感觉，增加受训人员的实战感，提高训练效能。

交互性，通过环境漫游与空间检测，受训人员与各种虚拟武器装备直接“接触”并操作，计算机接收受训者操作指令后，传入服务器进行解析，并及时将操作结果信息进行分发，与场景实时互动，从而形成交互回路，提高训练时效。

想定性，针对武器、装备的操作规程等设置既定或开放性科目，通过流程仿真与控制、信息评估等，检验技、战术执行能力，实现受训人员在虚拟环境中，知识和技能不断获取与更新，提高训练质量。

3 虚拟现实技术军事应用问题

3.1 立足装备体系论证与优化，为体制、机制耦合的有效性评估提供技术牵引

如何提高装备的战术、技术运行与应用效能，是军队装备体系建设过程中，直面现代化战争的亟需[3]。与装备体系构建相关的指标论证、定型，往往注重多路径推演，既要考虑编制力量结构的优化，还要努力消除战术、技术指标体系中可能出现的隐患，最大限度降低不确定风险。

与传统的“公式化”“纯数据化”的论证方案及实物或半实物验证性试验相比，虚拟现实可以依据新型装备的设计方案、编配预案，预先构建虚拟作战系统，依托网络环境、高性能计算、传感器以及各种虚拟现实手段，运用丰富的三维模型、灵活的引擎接口及人机交互平台，如利用系统机器类、流程控制类、工具类库等三维引擎的类库配置其战、技指标属性，形成装备、器材模型群；利用流程控制、记录管理类库等完成逻辑设计与实现，将该系统的使用者、设计和作战效能评估人员分别布置于系统的不同角色，实现人员与人员、装备与人员、装备与装备的预先组合，并输入未来作战仿真系统中，建成可以进行人机交互的虚拟环境，采用作战虚拟对抗的方法，对装备实物、物理样机的系统特性进行虚拟试验与验证；通过前端针对一定实战环境中的对抗式“交流”，生成“海量”数据的优势，通过大数据分析与反馈，修补不同顺序控制中的“漏洞”，完成流程回路中的分布式虚拟交互及人员、装备资源单元的编成耦合。

针对军事需求的满足程度进行评估，实现列装装备、新研装备与预研装备的作战操作使用与毁伤效果评估，优化战术、技术指标体系，形成最佳编配方案，为新型装备的工程化设计提供有效的技术支撑，为列装武器装备及其新型战术运用与现行装备编制体制、运行机制体系耦合的有效性评估提供技术牵引。

3.2 着眼装备作战训练与实验，为推动新型作战力量的生成提供系统性、全局化、全域化的实训平台

伴随着现代军事技术和作战形态的迅速发展，越来越注重作战的机动及立体攻防能力。与装备保障工程、战场战术运用相关的作战实验与训练，往往涉及“广阔”的战场平台，战场要素覆盖各个领域，战技指标评估细致入微。

与传统的教材化、程式化的训练方法相比，虚拟现实作战实验与训练摒弃念脚本、背台词的剧本式演练，通过出色的三维引擎、漫游库等实现战场环境虚拟仿真，使受训人员“置身其中”，听觉、视觉等感官完全沉浸于虚拟战场环境中。

图3 某型装备的Solidworks渲染模型Fig.3 Solidworks rendering model of a certain type of equipment

虚拟现实引擎支持多种三维建模平台的三维模型格式导入，与3dMax、SolidWorks等工具有较好的兼容性；后者实现基于PC系统的三维模型构建、动画渲染和制作软件；集成丰富的组件或插件，可以提供更为完善的三维建模与工程应用的解决方案。如图3所示为某型装备Solidworks典型渲染模型。虚拟现实完备的模型库，减少开发复杂程度，使模型动画、细节纹理等模型属性自动生成于三维模型[4]。

漫游库采用与三维引擎统一的坐标系（坐标原点位于实体的几何中心，Y轴指向实体纵轴，X轴与Y轴垂直，Z轴铅直向上与X、Y轴成一右手系），采取必要的碰撞检测，如图像检测或包围盒检测，限制受训者的行为路径。当受训者在场景中漫游时，引导其产生平滑移动或尽可能地沿合理的方向滑动；采用相同的尺寸分辨率，即真实物体1:1；通过插件实现多级LOD，相邻两层LOD的简化程度可定制，为了避免在不同LOD之间切换时出现跳变，对于小尺寸模型可以通过增大不同LOD之间切换时转入距离，使得在距离视点较远处就已经完成LOD切换，对于大尺寸模型除了增大转入距离外，还要采用更小的分块以避免出现跳变；模型将按需要设置自由度，并采用恰当的命名方式以达到看其名知其意的效果，方便在机构运动仿真模块的使用；所有的背景模型将都具有纹理贴图，贴图效果更为逼真，使受训者视觉更为“柔和”；构建从单兵作战场景，细节清晰，效果逼真，甚至到整个战争全貌的各种逼真的战斗场面，使受训人员对战场态势有着最直观的感受。受训者通过头盔显示器、控制器、基站等人机交互设备，完成信息存储与反馈；虚拟现实定位系统不需要借助摄像头，而是依靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置，允许受训者具有一定的活动空间；“对角”基站的红外LED阵列，为两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器，在头显和控制器上的光敏传感器与基站的LED闪光之后就会同步信号，给出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间，通过各个传感器的位置差计算出头显的位置和运动轨迹，使受训者的“行踪”实时反馈。

依托多种输入、编辑、操作方式，包括友好的可视化界面；依托C++等主流开发语言的脚本编辑输入模式，针对不同的作战构想，建立假想敌及相应装备作战模型，迅速生成蓝图，在虚拟环境中实现对抗演练，将“兵力”分布情况在虚拟战场上表现出来，检验受训人员战场装备运用能力、随机应变能力、实时判断能力及协调指挥能力。通过反复地在虚拟战场中进行演训，不断优化战、技方案，克服时域、地域的局限性，同时减少消耗，缩短周期，降低风险，提高了训练的安全性；形成“作战理论模型构想→虚拟现实仿真模型构建→实兵对抗检验→战、技方案优化”的作战实训路径，为检验新型作战理论，推动新型作战能力的生成提供系统性、全局化、全域化的实训平台。