数字化迷彩伪装虚拟仿真实验系统课的设计与开发

祖梅 程海峰 尹昌平 刘东青 李铭洋

［摘 要］ 结合国防科技大学空天科学学院伪装技术实验教学的实际情况，根据教学大纲的要求，设计开发了数字化迷彩伪装设计虚拟实验仿真系统，学生可通过操作虚拟仿真软件进行迷彩伪装设计并展现伪装效果。系统采用模块化设置，可以根据用户的需求进行组合，全方位适应不同用户的测试要求。采用虚拟仿真便于教学，不仅能使课前预习、课堂操作、课后练习与作业及课下答疑等教学环节在数字化课堂上灵活呈现，还有利于培养学生的动手能力、创新能力和探索新知识的能力。

［关键词］ 数字化；迷彩伪装；虚拟实验仿真系统

［基金项目］ 2020年度教育部“复合材料制备与损伤修复虚拟仿真实验项目建设”（201902044076）

［作者简介］ 祖 梅（1983—），女，四川宜宾人，博士，国防科技大学空天科学学院陶瓷纤维及其复合材料重点实验室副研究员，主要从事光电信息功能材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）12-0069-04［收稿日期］ 2022-04-05

引言

开展实验教学的目的在于通过学生的具体操作深入理解和掌握所学知识。伪装隐身技术与装备不仅是现代高技术战争中作战保障的重要组成部分，还是有效防御或进攻作战的一种直接有效的手段，甚至影响战局的成败［1］。高效的伪装隐身技术和装备将有利于提高我军的生存能力和作战能力，通过虚拟仿真实验激发学员为国防科技事业奋斗的积极性。学员经过系统的理论学习和技术学习，针对我军面临的军事伪装隐身实际难题，模拟作战要求与战场环境，学员进行综合伪装隐身设计实验，做到学以致用，培养研究生运用所学知识为国防现代化建设服务的实践能力和综合素质［2-3］。采用以工程化应用为导向的虚拟实验教学方法。教学逐步从学员观摩向动手参与转变，实验设计从学员的实践经验出发，在充分考虑学员理解、动手等能力和专业特点的基础上，设计简单的、对理解课程内容有利的、学员付出一定的努力能夠实现的实验，帮助学员理解课程内容，提高动手动脑能力，培养创新意识和发现问题、解决问题的能力［4］。虚拟仿真实验教学的设置有助于跳出传统的课堂框架，将课堂和书本中的理论落到实处，更好地与实践联系，在学生亲身体验或者亲自动手参与的过程中，抽象的知识变得具体化。学生不断探索和发现，深入课堂，活跃其思维，充分调动其积极性，更容易发现问题和解决问题，提高工程实践能力［5］。

一、实验概述

伪装技术是指能消除、减小、改变或模拟目标与背景之间光电信号的差别。迷彩伪装技术则是用涂料、染料及其他材料改变目标、遮障、地表背景颜色及斑点图案而实施的伪装，主要用于缩小目标与背景之间的颜色及斑点图案差别，达到降低目标显著性和改变目标外形的目的。伪装技术应用的作战场景主要有林地、荒漠、雪地三种。作战目标以坦克为例，与无人侦察机巡游探测形成对抗关系，对比目标伪装与非伪装状态下与作战背景的融合效果，从而引出迷彩伪装设计的重要性，并还原迷彩伪装设计流程，包括采集背景样本图像、背景特性分析、量化颜色、生成迷彩伪装图像等重要步骤，最后通过主观判读法对伪装效果进行评价［6］。

（一）技术路线

虚拟软件系统应涵盖伪装技术教学实验大纲的要求内容，并结合学校的需求扩展定制实验，以有助于实际教学为目标，力求简洁、实用和高效。虚拟模拟和数值计算结合，以及细致的虚拟演示功能，使得虚拟实验过程与实际操作系统结合，真正实现实验操作的三维化演示。前提：虚拟数据应以实际的真实数据为依据（每个用户虚拟数据均不同），要求虚拟实验逼真、合理。必须注重专业，实用性要强，对机房的要求低，运行效率高且交互性强，又不失严肃性。图1为模块一中查找图片中隐藏的动物，点击开始后，开始计时，通过观测发现时间反映图片中动物的伪装效果［7］。

（二）实验教学过程及方法

教学过程可分为三个部分：（1）教师在实验开始前发布线上课程资源，学生完成预习和自测；课堂开始后，教师对自测错误率较高的知识点进行约20分钟的重点讲解。（2）学生上机进行实验，约90分钟。（3）教师就学生实验情况进行简单讲评，约10分钟。

为了提升学生的学习效果，充分利用虚拟仿真的特点，发挥学生在实验过程中的主观能动性，虚拟仿真实验以游戏的形式引入主题，并以工程化实际应用为导向进行实验教学。下面主要对虚拟仿真实验中的“以工程化应用为导向”的实验教学方法进行详细介绍。实验由“自然界的伪装”“迷彩伪装设计”和“伪装效果判读”三个模块组成。其中“自然界的伪装”和“伪装效果判读”模块均以游戏形式对已有模型进行伪装效果人眼判读，通过发现目标的时间反映伪装效果。“迷彩伪装设计”模块则通过控制面板对不同变量进行切换，学生可多角度体验作战场景，并通过鼠标点击进入和返回，体验对多个背景进行伪装设计的效果。

数字化迷彩伪装设计虚拟仿真实验共分三个模块：模块一：动物伪装效果判读；模块二：迷彩伪装设计（包括作战场景认知和迷彩伪装设计两个场景［8］）；模块三：迷彩伪装效果判读。

1.模块一：动物伪装效果判读。（1）进入界面。以自然界伪装图库中的1张图片为背景，并配字“实验说明：请快速找出图片中隐藏的动物，共计15张图片，每张限时12 s。点击开始后进入倒计时。”（2）从图库中随机生成15张图片，依次记录发现动物的时间。（3）完成查找后，以直方图的形式对比每张图片的发现时间。交互点：查找图片中隐藏的动物，点击开始后，开始计时，通过发现的时间反映图片中动物的伪装效果。

2.模块二：迷彩伪装设计。场景1：作战场景认知。场景的构建：作战场景主要包括林地、荒漠、雪地三种场景，根据GJB4004-2000陆军装备变形迷彩图册的色度学数据构建相应的场景。其中林地场景由植被、土壤、丘石等元素构成，绿色斑块颜色种类为EG1456，面积占比为40%；荒漠场景由灌木丛、砾石等元素构成，土色斑块颜色种类为YG3948，面积占比为50%；雪地场景由积雪、植被等元素构成，白色斑块颜色种类为WN8384，面积占比为75%。每种场景中均预设有作战装备车及装备车在地面行进的路线，高空中有一架无人侦察机按一定轨迹在巡游探测。（1）进入作战场景界面。通过单击进入按钮可分别进入林地、荒漠、雪地三种场景，如图2所示。下面以进入林地背景为例，其他两种背景参照林地背景。（2）林地场景界面。进入林地场景后，可以看到一辆地面装备车（以坦克为例）在行进，无人侦察机在巡游探测。装备车行进速度暂定120 km/h，具体数值看画面效果，有机动与待机两种状态选项可供切换，进入时默认为机动状态，当切换到待机状态时，装备车停止运动，通过切换两种状态感受真实作战时需伪装的状态。侦察机探测高度有200 m、500 m、1 500 m，角度有45°、90°、-45°选项，默认侦察高度为垂直上空500 m，角度为90°。通过不同的选项组合切换出通过无人侦察机拍摄到的背景画面，即林地场景中共有18种预设背景图片。（3）拍照保存。选择一种探测的背景画面拍照保存，用于后续背景分析。

场景2：迷彩伪装设计。（1）读取背景。调用场景1中第三步保存的背景图片，见图3，其观察视角为90°，高度为500 m。（2）提取背景主色。分析图3中3种主色及其占比，通过直方图展示。其背景主色分别为Color 1（颜色值为R53、G51、B33）、Color 2（颜色值为R98、G88、B64）、Color 3（颜色值为R74、G68、B47），其占比分别为35.3%、25.1%、39.6%（方法参考K-means聚类算法）。（3）生成数码迷彩。图3背景马赛克化后如图4所示。传统迷彩设计最小单元尺寸经验取值为：当观察距离为200 m时，斑点最小尺寸为18 cm；当观察距离为500 m时，斑点最小尺寸为44 cm；当观察距离为1 500 m时，斑点最小尺寸为132 cm。（4）迷彩伪装。将图4中的迷彩图案以涂层和遮障两种形式应用于装备车进行伪装，涂层形式即装备车表面颜色美化为图4所示的迷彩效果；遮障形式即将图4中迷彩图案制作成柔性伪装网，遮盖于装备车表面。可随意切换涂层和遮障两种伪装。伪装后，从高度500 m，角度90°的方位观察并对比伪装前后的视觉效果，有伪装（即涂层和遮障两种形式）和非伪装选项切换，如图5所示。高度和角度切换面板如同场景1中的步骤（2），通过变换角度和高度从视觉上感受伪装效果。（5）保存结果。

3.模块三：数字化迷彩伪装效果判读。随机调用5种迷彩设计方案，即5张预设好的图片。依据模块一中的方法进行判读。记录判读时间，生成实验报告。

二、实验功能说明

为了提升学生的学习效果，充分利用虚拟仿真的特点，发挥学生在实验过程中的主观能动性，虚拟仿真实验以游戏的形式引入主题，并以工程化实际应用为导向进行实验教学。采用这样的虚拟仿真实验，教师在整个施教过程中主要完成基本知识讲解和答疑解惑。教师参与教学活动，可在保证教学质量的前提下，降低教师组织课堂的难度；对于无教师参与的自学行为，同样可以保证良好的学习效果。

三、实验框架说明

数字化迷彩伪装设计虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台，二者通过数据接口無缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能地帮助用户实现自主实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。

结语

本文介绍了迷彩伪装设计虚拟实验系统在教学实验中的应用。将虚拟仿真技术运用于伪装技术实验，是实验教学模式的探索和改革。学生通过对该虚拟教学系统的学习，更好地掌握基础力学理论知识，进一步加强传统教学实验。该虚拟仿真实验教学系统，不仅能使课前预习、课堂操作、课后练习与作业，以及课下答疑等教学环节在数字化课堂上灵活呈现，还可极大地培养学生的动手能力和创新能力。

参考文献

［1］王龙，许可俊，汪刘应，等.装备隐身技术的智能化发展［J］.现代防御技术，2020，48（6）：96-102.

［2］魏雪娇.Co/SiO2复合粉体制备及电磁性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［3］李华.基于聚苯胺的兼容型红外电致变色器件研究［D］.长沙：国防科技大学，2013．

［4］赵宁，杜劭峰，赵文军，等.虚拟现实仿真技术研究与应用［J］.新技术新工艺，2018（8）：67-71.

［5］姜宁，迟忠先，钟万勰.舰艇烟幕使用与布放的仿真研究［J］.系统工程与电子技术，2000（8）：75-77.

［6］陈祥安.基于背景的迷彩伪装斑点设计研究［D］.沈阳：东北大学，2012.

［7］吴睿.数码迷彩设计方法的研究［D］.南京：南京航空航天大学，2016.

［8］李园园.基于曲线融合特性的数码迷彩生成技术研究［D］.郑州：河南大学，2020.

Design and Development of Virtual Simulation Experimental System for Digital Camouflage Design

ZU Mei， CHENG Hai-feng， YIN Chang-ping， LIU Dong-qing， LI Ming-yang

（College of Aerospace Science， National University of Defense Technology， Changsha，

Hunan 410073， China）

Abstract： Combined with the actual situation of camouflage technology experiment teaching in the School of Aerospace Science， National University of Defense Technology， and according to the requirements of the teaching syllabus， a digital camouflage design virtual experiment simulation system was designed and developed. In this system， students can design camouflage and characterize the camouflage effect by operating virtual simulation software. The system adopts modular setting， which can be combined according to the needs of users and fully adapt to the testing requirements of different users. Virtual simulation is convenient for teaching， which can not only make the teaching links such as pre-class preview， classroom operation， after-class exercises and homework， as well as after-class question-answering flexibly present in the digital classroom， but also greatly cultivate students practical ability， innovation ability and the ability to explore new knowledge.

Key words： digitization; camouflage design; virtual simulation experimental system