虛擬現實新技術軍事應用初探

王修齊 張磊 沈忱

摘要：虛擬現實技術作為二十一世紀最有代表性的技術之一，在各個領域都引起了廣泛關注。尤其是近兩年，虛擬現實技術進步迅猛，向著更真實、更精確、更實用方向發展。在軍事領域中，虛擬現實技術的發展為信息化、可視化作戰帶來了諸多革新手段。通過分析實時建模技術、全景技術、全息投影技術和混合現實技術這四類新興虛擬現實技術，探索虛擬現實技術在軍事領域的新型應用模式。

關鍵詞：虛擬現實技術；實時建模；全景技術；全息投影；混合現實技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是指人在計算機創造的虛擬空間中，通過自然的方式進行人機交互的技術。早在20世紀80年代，NASA就將虛擬現實技術引入航空航天中，并取得了令人矚目的研究成果。近年來，虛擬現實技術飛速發展，逐漸占據市場主流，為軍事訓練帶來了諸多革新手段。本文選取最有軍事應用前景的四類新興虛擬現實技術，探索實時建模技術、全景技術、全息投影技術和混合現實技術在軍事領域的新型應用模式。

2 實時建模技術軍事應用

虛擬現實技術是三維動畫技術與實時交互技術相結合的產物，隨著建模技術不斷發展，快速、精確、完整的重建三維信息成為建模技術發展的重點。目前，實時建模技術主要有3D掃描儀、3D攝像機、多重影像建模等。3D掃描儀主要通過創建物體幾何表面的“點云”來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創建更精確的模型，缺點是掃描范圍有限，無法掃描巨大的物體。3D攝像機主要通過兩個或者以上的3D鏡頭，拍攝出類似人眼所見的針對同一場景的不同圖像。多重影像建模則是通過拍攝大量、多角度的照片，對物體進行建模。三種實時建模的方式各有優長，應用中要根據實際情況進行合理選擇。

2.1 武器裝備實時建模

對于武器裝備仿真而言，實時建模技術也是未來發展的重要趨勢。隨著國內外武器裝備的推陳出新，大量的新武器新裝備被研制，對于武器裝備仿真的需求也越來越大，特別是對于武器裝備零件的建模。傳統的武器裝備建模技術是通過計算機軟件進行繪制，建模周期較長，如果沒有三視圖或者清晰準確的照片，也無法保證建模的精確性。而利用實時建模技術，僅僅通過3D掃描儀、3D攝像機的拍攝掃描就可以直接得出武器裝備的實際數據，建模工作流程自動化，大大提高了工作效率。

2.2 戰場環境實時建模

戰場態勢瞬息萬變，傳統的計算機建模效率較低，無法滿足需求。近年來，無人機已經成為軍事大國們爭相發展的重點。利用傾斜攝影技術，在地理信息軟件中規劃采集數據區域、設置重疊率、鏡頭傾斜角度等信息，再將這些信息導入建模軟件中，通過軟件的合成計算，便可得到可交互可編輯的三維地景模型。

3 全景技術軍事應用

全景技術，又被稱為3D實景，是一種新興的富媒體技術，其與視頻、聲音、圖片等傳統的流媒體最大的區別是“可操作，可交互”。全景技術是利用單反相機或無人機拍攝的360°實景照片，經過特殊的拼合、處理，獲得全方位可互動觀看的虛擬場景。全景技術在虛擬場景構建上不同于傳統的建模技術，只需要幾張照片，就可以真實地將場景重現出來，具有真實感強、沉浸感強、交互性能好、制作周期短、操作簡單、發布形式多樣、數據量小等特點。隨著全景相機和大量簡易的全景合成軟件被開發，全景技術的門檻將越來越低，被越來越多的行業所關注。

3.1 戰場環境勘測

戰場環境勘測需要大量的信息，包括地形地貌、房屋建筑、天氣情況等，信息收集是否快速準確、建模是否精準逼真，對后期決策起到了重要作用。以往我們都是通過計算機軟件建模的方式仿真戰場環境，這種方式工作量大，制作成本高，建模時間長，且難以建立精確的三維模型。即使能夠建模，光源、紋理、色彩、天氣等元素也難以與實際情況吻合，不夠接近真實場景，事倍功半。而實景全景技術，通過相機拍攝（相機難以拍攝的地區或危險地區可以利用無人機拍攝）的真實照片來構建虛擬場景，確保了場景的真實可信，貼近實際；較短的制作周期也降低了虛擬場景制作成本，便于更新地景信息。同時，還可以利用GIS的電子地圖支持功能實現地圖的生成、管理、顯示和網絡共享，并建立戰場環境庫，減少重復的建模工程，為實戰化訓練提供輔助力量。

3.2 裝備仿真可視化

武器裝備仿真是虛擬現實技術的重要應用途徑。傳統的武器裝備仿真主要是應用3DS MAX、MAYA等軟件進行武器裝備外形的建模，但戰斗機、直升機、裝甲車等裝備的駕駛室場景建模難以實現，只依靠圖片、視頻等多媒體展示，無法進行移動觀看，傳遞的信息有限。利用實景全景技術，通過拍攝駕駛艙內部的照片，制作可以旋轉觀看的虛擬場景，還可以利用全景軟件的“熱區”功能，進一步在場景中插入一些文字、圖片介紹。

4 全息投影技術軍事應用

全息投影技術也稱虛擬成像技術，是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。目前已實現的全息投影技術一共分為空氣投影和交互技術、激光束投射技術、360°全息顯示屏技術幾類。美軍曾在海灣戰爭中應用過這類技術，利用兩架噴氣式飛機飛到科威特沙漠的上空，“畫”了一幅巨大的伊拉克國旗又打了個巨大的白叉，使伊軍士氣一落千丈，也為全息投影技術賦予了心理戰效益。除此之外，全息投影技術還可以構建電子沙盤、召開電視電話會議等。

4.1 全息電子沙盤

與傳統沙盤相比，電子沙盤具有簡便、直觀、精確的特點，而且可以動態顯示，內容豐富，應用領域廣泛。目前應用虛擬現實技術構建的電子沙盤主要是利用計算機建模技術，佩戴虛擬現實頭盔或者增強現實頭盔觀看，沉浸體驗遠勝于傳統沙盤，但虛擬現實電子沙盤無法自然的交互，也不利于面對面的交流，在訓練中實用性較差。而全息投影技術構建的電子沙盤，既具有虛擬電子沙盤帶給使用者的動態更新、實時交互、方便聯網的特點，還具有傳統沙盤操作簡便、易于面對面交流的特點。全息電子沙盤不同于計算機建模技術構建的電子沙盤，其僅依靠立體投影儀便可以顯示，不需要構建復雜的環境，大大降低了使用成本。但由于目前無介質顯示技術并未得到很大突破，全息技術仍存在許多局限性。

4.2 全息電視電話會議

全息投影還可以應用到電視電話會議中。早在多年前，美國商業大片就描繪了全息投影電視電話會議的場景，現在，隨著科技的進步，這種技術將很快應用于現實。據境外媒體報道，已有多家企業和研究機構正在進行全息投影的商務應用開發。

5 增強現實技術和混合現實技術的軍事應用

增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR），是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，簡而言之就是用計算機實時產生三維信息來增強人對真實世界的感知。混合現實技術（Mix reality，簡稱MR），包括增強現實和增強虛擬，指的是合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境。在新的可視化環境里物理和數字對象共存，并實時互動。混合現實同時具有虛擬現實和增強現實的特點，但混合現實的交互程度比增強現實更高，它們之間的關系如圖：

5.1 武器裝備維修整套解決方案

增強現實技術和混合現實技術目前已經應用于尖端武器、飛行器的研制與開發、虛擬訓練、武器裝備維修等軍用領域。特別是在工業領域，我國自有產權的工業用AR/MR眼鏡已經可以通過深度學習的方式來提高機器視覺在工業領域的識別成功率，將其應用于武器裝備維修中，AR/MR眼鏡將多種輔助信息顯示給維修人員，包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內部結構、被維修設備的零件圖等，提供整套維修方案，有效降低維修技術門檻。

5.2 增強現實沙盤

電子沙盤和增強現實技術相結合的研究是虛擬現實技術在作戰指揮中應用的重點。增強現實電子沙盤由電子沙盤底板和虛擬沙盤場景組成。不同于全息電子沙盤和虛擬現實電子沙盤，增強現實電子沙盤可以像傳統沙盤一樣，使用手的操作完成沙盤設計，并通過虛擬頭盔內置的識別功能或顯示器進行虛擬動態演示。既具有虛擬沙盤動態顯示、易于交互的特點，也具有傳統沙盤易于操作，便于交流的優勢。目前這項技術還處于探索階段，會在不久的未來得到實現。

5.3 可視化戰例研討系統

增強現實技術的二維碼識別功能還可以用于可視化戰例研討系統中。目前我軍自主研發的戰例互動研討桌面主要由下屏二維平面投影和上屏三維立體顯示兩部分構成，下屏用以顯示二維傳統軍事地圖態勢標繪，上屏用以顯示三維虛擬戰場環境。利用帶有二維碼的標識卡，正面繪制便于用戶識別的內容提示，反面繪制便于計算機識別的二維碼圖形，將標識卡放置在下屏的任意位置移動旋轉，上屏會在對應位置出現相應三維裝備實時部署。標識卡的內容既可以是態勢標繪，也可以是具體作戰行動，還可以是相機、光照、天氣等輔助信息。通過各種標識卡的不同組合，用簡單、高效、自然的方式進行戰例教學和戰法實驗，讓指揮員沉浸在虛擬環境中體驗真實的作戰效果。

6 結語

近兩年來，虛擬現實技術發展迅猛，在軍事領域也越來越受到重視，已逐步應用于各軍兵種的單兵訓練、作戰指揮訓練、戰役戰術訓練、武器裝備操作訓練等各個層級中。未來，隨著虛擬現實技術的發展、軍事需求的增加、戰場樣式的變化，虛擬現實技術將成為解決“最后一公里”問題的重要途徑。

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【通聯編輯：梁書】