基于AR技术的对抗训练系统设计构想

邵 伟，许仁杰，谭亚新，何天鹏

(陆军装甲兵学院 演训中心， 北京 100072)

1 引言

当前军事对抗训练活动中，常见的训练方式包括基于模拟器的对抗训练及实兵对抗训练。基于模拟器的对抗训练主要是训练人员使用半实物模拟器与半实物模拟器、虚拟兵力之间进行对抗，优点在于训练组织快速高效、节约经费，可解决专业训练问题及战术训练问题，但存在一定不足，主要是模拟器是对实装操作环境的模拟仿真，大多对实装操作环境进行了一定程度上的简化，因此操作人员的感官体验与实装相比还有一定差距；采用实兵实装进行对抗训练，对训练场地要求较高、训练成本花费较大、组织较为复杂。选用何种技术，可将模拟训练与实装训练的优势进行结合，将是训练研究的重点。

基于以上考虑，拟采用增强现实(AR)技术，立足于坦克实虚对抗训练环境，设计坦克实虚对抗训练系统，该设计能够满足在坦克实装环境下乘员可对虚拟装备进行观察、交互对抗，从而有效解决实虚对抗中的交互问题，即在坦克实装中，车内乘员可从视觉上观察到虚拟对手，从而进行对应实装操作，后期也可进行拓展研究，在坦克实装中对研究成果进行具体实现。

2 增强现实(AR)技术

增强现实技术(augmented reality，AR)，主要是基于相关软件技术及硬件设备，将虚拟对象叠加到现实场景中，实现虚实结合展现效果[1]。增强现实技术当前已应用到制造业、娱乐业等多个行业，在相关行业中发挥了重要作用。

增强现实具有3个突出的特点[2]：真实世界和虚拟对象的集成；具有实时交互性，即操作人员可与虚拟对象进行交互互动；可在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。如图1所示[3]，使用增强现实技术进行人员信息显示。

图1 基于增强现实技术的人员信息展现情景图Fig.1 Personnel information display based on AR technology

基于以上增强现实技术的特点及优势，可将增强现实技术应用到坦克实虚对抗系统设计中，即坦克操作人员在实装坦克中，通过增强现实技术，可视化观察车外环境中出现的虚拟对手，从而基于此视景条件驱动对抗的实施。

3 基于实装坦克的对抗训练系统设计

方案设计重点研究的是实装坦克车内实虚交互问题(包括视景交互及对抗交互)，可分为坦克乘员操作环境硬件系统和软件系统。

3.1 硬件部分

设计中考虑为每一名坦克乘员实装操作环境配置硬件装置，包括驾驶员、射击手、车辆指挥员3类乘员[4]，由一套硬件组成，该套硬件包括高性能手持计算终端、高清摄像头、定制化显示屏。

高性能手持计算终端充当计算机使用，类型可选用高性能平板、高性能手机终端等，要求在于小巧、简易、计算性能高，可安装固定在驾驶员、射击手、车辆指挥员工作位置处，在终端上可运行软件系统；高清摄像头与手持计算终端相连，摄像头安装在驾驶员、射击手、车辆指挥员操作环境外置观察镜位置，用来实时获取驾驶员、射击手、车辆指挥员应该能观察到的车外实景图像；定制化显示屏与手持计算终端连接，定制化显示屏充当计算机显示器使用，从而组成了一套小型计算机系统，定制化显示屏的设计需要充分考虑坦克乘员观察镜的外型及大小，即显示屏模拟乘员观察镜，乘员通过观察显示屏，即可获取与使用观察镜进行观察同样的视景观察效果。

在高性能手持计算终端上运行三维视景系统，系统的设计是摄像头实时捕捉实地场景，再基于增强现实技术，实地场景上叠加上虚拟对抗对象，从而实现虚拟兵力在视景中的显示，效果如图2所示。

图2 三维视景系统显示效果(图中的坦克为虚拟生成)Fig.2 The display effect of 3D visual system (The tank in the figure is a virtual tank)

如图5所示，背景地形是摄像头实时捕捉到的实景，场景中的3辆坦克，是虚拟生成的，叠加在实景上，实现场景的虚实结合显示。

驾驶员、射击手、车辆指挥员的定制化显示屏需进行设计，即驾驶员的显示屏设计成驾驶员观测处观察镜的大小，可固定覆盖在观察镜上，从而将显示屏显示的图像提供给训练人员使用；射击手、车辆指挥员显示屏的设计，与驾驶员一致，区别在于把显示屏设计为圆形形状，即与射击手、车辆指挥员观测处观察镜大小、形状一致，覆盖观察镜即可。具体硬件设备的连接关系如图3～图5所示。

图3 驾驶员硬件设计框图Fig.3 The hardware design of driver

图4 射击手、车辆指挥员观察处设计框图Fig.4 The hardware design of shooter and commander

图5 某型坦克驾驶员硬件安装位置设计示意图Fig.5 The design of hardware installation position of a tank driver

射击手、车辆指挥员安装位置与驾驶员类似，区别在于设备安装在射击手、车辆指挥员观测位置处。

以上具体硬件的安装位置，需要与具体型号坦克中乘员的操作位置一致，不同型号坦克操作位置会有所区别，需要根据具体情况进行动态调整。

3.2 软件部分

软件部分主要是运行在手持计算终端中的三维视景系统，该系统主要是基于增强现实技术进行开发，功能包括两个方面，一方面为实时展现实景与虚拟对象叠加的效果，另一方面计算实装坦克对虚拟对象的射击毁伤效果。

实时展现现实场景与虚拟对象的叠加效果，主要是将摄像头获取的实景及AR生成的虚拟对象进行融合展现，从而呈现出虚实结合的效果。效果如图6所示。

图6 AR效果(场景中的直升机及人员为虚拟对象)图Fig.6 The effect of AR(The helicopter and personnel in the scene are virtual objects)

计算坦克对虚拟对象的射击毁伤效果，主要是基于坦克操作人员的操作信息及坦克及炮塔的位置、姿态信息，及虚拟对象的位置、姿态信息，构建相关射击计算模型，可计算出弹着点的位置，并根据虚拟对象的类型、材质等，计算出实装坦克对虚拟对象的射击毁伤效果，从而计算出交互结果[5]。

当前基于增强现实技术的开发，大多采用相关三维图形引擎进行开发，包括应用较为广泛的Unity3D、虚幻4等三维图形引擎，另从运行环境考虑，当前手持终端(包括手机及平板等)大多运行的是安卓系统、IOS系统、Windows系统等[6]，因此需要充分结合运行环境、运行效果、开发难易程度、开发成本等要求选取合适的三维图形引擎工具进行开发。

4 工程实现考虑

上述设计，从理论层面，具备可行性，从工程实践角度考虑，还存在难点需要突破，尤其是基于实虚的对抗训练，很多是在野外大空间中实施的，这就有其特殊性，工程层面需要关注的问题如下：

4.1 AR技术中虚拟对象实景遮挡问题

基于AR技术，借助相关软件及硬件外设，可以实现虚拟对象的可视化呈现，但虚拟对象叠加在实景中，存在遮挡问题。

遮挡主要包括两类，一类为实景对虚拟对象的遮挡，一类为虚拟对象对实景的遮挡。实景对虚拟对象的遮挡，如一台虚拟坦克，放置在场景中，由于位置不同，理论上实物会对其造成遮挡，如树木会对其造成遮挡，房屋会对其造成遮挡，这样呈现的效果，从坦克操作人员观察角度考虑，应该呈现出遮挡部分看不见、未遮挡部分能够看见的效果，这也是虚实对抗视景效果体现逼真性的要求，效果如图7所示[7]。

图7 遮挡效果(图中小猫为虚拟对象， 右侧图展现的是小猫被床遮挡产生的效果)图Fig.7 The effect of shelter(The cat in the scene is a virtual object，the picture on the right shows the effect of the cat covered by the bed)

当前从技术成熟角度考虑，AR遮挡目前在小空间环境中已实现、已成熟，如在一个小房间中，房间中有办公桌椅，虚拟对象在小房间中即可呈现出桌椅对它的遮挡效果，而在大空间中，尤其是野外大空间中，目前技术上还不够成熟，在野外的遮挡目前实现效果还不够好[8]。

4.2 AR技术中虚拟对象空间定位问题

在虚实对抗中，实装和虚拟对象的空间定位问题较为重要，AR技术是将虚拟对象叠加在实景中，这就需要AR中的实景空间位置和虚拟空间位置是统一、一致的，这样才可实现实虚的交互，即实装可感知虚拟对象的位置，并可对其进行射击，根据空间位置关系及射击信息，可计算出射击毁伤效果，虚拟空间存在同样的问题，虚拟对象也可感知实装的位置，并对其进行射击并计算射击效果，如果空间位置关系不一致，上述交互问题则无法正确计算。

当前AR技术中，小空间内的虚实位置关系已有成熟解决方案，但在野外大空间中，实虚位置关系的实现还存在技术难题，尤其是野外地形环境复杂，地物类型多样，地貌起伏变化大，在上述野外大空间环境下的定位问题，目前在工程实践中，还存在技术难题，这也是下一步AR技术研究的热点和重点。

4.3 虚拟对象与实景地形的匹配问题

虚拟对象出现在现实实景中，需要进行地形匹配，如虚拟坦克出现在地形中，坦克的位置、姿态均需要与地形进行匹配融合，需要根据地形的起伏，调整坦克的姿态，这样从视觉效果上，展现才更加逼真，增加对抗训练的沉浸感，提升训练人员的训练热情，若虚拟对象与地形不匹配，如虚拟坦克漂浮在空中，这样从视觉效果上来看，训练营造的视景环境逼真性较差，也很难达到预期训练效果[9-10]。

上述问题，也是AR技术的研究热点及难点，尤其在野外大空间环境中，虚拟对象与地形的匹配融合，目前成熟度上还有提升的空间。

4.4 实装坦克中硬件环境构设问题

基于坦克实装进行实虚对抗，需要在实装坦克安装相关外设，在实装中构设相关硬件环境，根据实装相关管理操作要求，不能进行大规模改造，尤其是不能破坏或调整实装已有布设的硬件环境，这就需要构设操作环境时，要求简易、易拆装，另外由于坦克实装中人员操作空间较狭小，这也要求相关硬件外设小巧、灵活。

但从工程实现角度考虑，一方面需要保证实装环境中的布设要求，另外也需要考虑运行系统的要求，即运行系统对硬件设备有性能要求，设备性能不达标，系统也无法正常稳定运行。基于以上考虑，可选用小巧、性能较高的手持计算设备，如手持平板或手机等设备，支撑系统的稳定运行，另从运行时间考虑，还需要准备移动式电源，可确保系统顺利支撑训练。

5 结论

本文基于增强现实技术(AR技术)，对基于坦克实装的训练方式进行设计、拓展，即训练人员在坦克实装中可实施虚实对抗，一方面节约了训练成本，另一方面也拓展了训练内容，即可构建出贴近实战的虚拟训练战场环境，训练人员在该环境中进行训练，有效提升训练效益。基于以上研究，可进一步拓展，一方面基于AR技术、网络信息交互技术等构建多装备、多兵种的互联训练环境，在统一的训练环境中进行集成战术训练，有效提升训练人员的配合意识及战术协同意识，另一方面在实装中的操作设备上安装布设传感器设备，操作人员通过操作设备将传感信息反馈到虚拟环境中的装备控制上，从而产生更加逼真、沉浸式的训练效果。