沉浸式軍人戰場適應性訓練系統的設計與實現

張志勇，王 涵，朱虹旭，周雙喜

(國防科技大學， 長沙 410072)

殘酷的戰斗、惡劣的環境、死亡的威脅等戰場高強度刺激會引起軍人的高度緊張和恐慌，導致身體器官紊亂與思維混亂，對技能與智能的發揮帶來嚴重障礙，即產生戰場不適應[1]。在海灣戰爭中，多國部隊因戰場不適應導致的自殺或誤殺傷亡占總傷亡的85%[2]。實踐證明，提高軍人戰場適應性最有效的方法，就是構建逼真的戰場環境，使其“身臨其境”地體驗戰斗條件下各種刺激因素，積累經驗并逐漸適應戰場。

隨著計算機技術和模擬仿真技術的不斷發展，在特定范圍內生成融逼真視覺、聽覺和觸覺于一體的虛擬環境的技術，即虛擬現實技術[3]對軍事訓練領域產生了的重大而深刻的影響。因此，深入研究基于虛擬現實技術的沉浸式軍人戰場適應性訓練系統，對于開展軍人戰場適應性訓練，培養軍人在殘酷戰場環境中的心理穩定能力和承受能力，增強軍人對戰場的適應能力具有重要意義。

1 沉浸式軍人戰場適應性訓練系統的需求分析

不同的戰場環境將產生不同的適應性訓練任務。沉浸式軍人戰場適應性訓練任務應當緊緊圍繞具體作戰樣式過程中的任務、所處的戰場環境和面臨的戰場威脅因素確定。例如，以聯合登陸作戰過程為基本依據，在航渡階段最大的威脅就是各種艦艇容易遭受敵方精確打擊；在登陸階段最大的威脅是搶灘上岸的有生力量和登陸艦、兩棲坦克等裝備將暴露在敵方火力之下；在鞏固和擴大登陸場階段所面臨的最大威脅是敵方瘋狂的反撲等等[4]。

在陸軍、海軍、空軍和火箭軍中選取具有代表性的軍人所面臨的任務、所處的戰場環境和面臨的戰場威脅因素來確定沉浸式軍人戰場適應性訓練內容體系，進一步明確訓練內容，從而為設計與開發沉浸式軍人戰場適應性訓練系統提供訓練依據。

根據沉浸式軍人戰場適應性訓練任務的需求分析結果，分析陸軍、海軍、空軍和火箭軍等軍人在聯合登陸作戰過程中、在戰場適應性訓練過程中產生的沉浸式體驗，主要包括沉浸式的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和前庭覺。

2 沉浸式軍人戰場適應性訓練系統的結構設計

為滿足開放性與擴展性原則，并使系統運行性能優化，在系統的結構設計上采用資源分布、動態加載的模式，主要包括人機交互界面、虛擬戰場環境場景系統、多通道沉浸系統、訓練反饋系統與訓練監控系統。系統的總體結構如圖1所示。

系統采用多人同時訓練，設計安排四類人員，即單兵、車輛駕駛員、艦船駕駛員和飛機駕駛員，每一類訓練對象都擁有獨立的模擬訓練艙，可以體會不同位置的環境變化，且相對于整個訓練環境可以更加精準、快速和獨立地控制溫濕度、氣流、氣味，同時也方便增減和維護。采用單兵模擬訓練艙、車輛、艦船、飛機模擬訓練艙各一組(每組根據訓練場地具體再明確數量)，共四組模擬訓練艙。模擬訓練艙為透明玻璃艙，包含溫濕度硬件、氣流硬件、氣味硬件、心率血壓硬件、監控攝像頭、電腦硬件系統等設備，模塊化設計，可獨立使用。

3 沉浸式軍人戰場適應性訓練系統的功能實現

系統采用Unity開發工具，Unity作為一個完全集成的專業級虛擬現實開發工具，其包含了整合的編輯器、跨平臺發布、地形編輯、著色器、腳本、網絡、物理、版本控制等特性[5]。

3.1 虛擬戰場環境場景系統

虛擬戰場環境場景系統以聯合登陸作戰過程中依次出現的場景為原型，主要包括航渡階段場景、登陸階段場景、鞏固和擴大登陸場場景等，場景模型元素包括：地形、植物、建筑、軍事設施、各種武器裝備等。場景模型元素采用3D MAX三維制作軟件在Unity的模型制作規范下進行制作。

3.2 多通道沉浸系統

多通道沉浸系統主要包括視覺沉浸子系統、聽覺沉浸子系統、觸覺沉浸子系統、嗅覺沉浸子系統和前庭覺沉浸子系統五個部分[6]。

視覺沉浸子系統。通過3D MAX等三維圖像制作軟件，制作VR場景的現場模型，運用燈光、場景烘焙、后期鏡頭效果等技術制作出逼真的現場環境，同時通過場景優化技術在性能和效果上達到平衡，最終通過VR頭戴顯示器進行立體呈現，為訓練對象提供沉浸式逼真的視覺體驗[7]。畫面效果的表現主要通過燈光和后期鏡頭效果烘托，然后運用Unity中的全局光照技術為場景提供真實的光照。

聽覺沉浸子系統。采用環繞立體聲技術，集成通過錄制和數字合作等手段搜集的聲音，如槍聲、爆炸聲、飛機聲、車輛聲、叫喊聲、環境背景聲、指揮單兵電臺聲等素材，然后利用Unity中對音場區過濾器和文件追蹤的支持，以及可編輯衰減曲線的推出，利用頭部傳送函數計算并模擬出聲音從某一方向傳來以及移動變化時的效果，類似于一個濾波器，對原始聲音進行頻段上的調整，使其接近人耳接收到的聽感效果，并通過耳機來回放，從而為訓練對象提供更加真實、震撼、逼真的聽覺體驗。

觸覺沉浸子系統。通過開發的軟件控制制冷系統、輔助加熱系統等硬件設備，可模擬真實的寒冷、炎熱等環境條件，溫度控范圍在-10～50 ℃(可根據項目需求和實際成本調整范圍)，在模擬訓練艙布置風扇陣列，共12渦輪風扇，通過VR系統控制，可模擬產生全方位的氣流，實現訓練對象的觸覺沉浸。

嗅覺沉浸子系統。通過鼓風機將對于氣味從氣味存儲器中吹出，配合VR系統控制各種氣味的投放，包括但不限于硝煙味、腐臭味、血腥味、各類香味、硫化氫等臭味、膻味、焦糊味等，經過模擬訓練艙底部出口進入艙內，再進控制艙底部和頂部的排氣口迅速排出，如此循環可模擬VR場景中各個位置的氣味，模擬真實的嗅覺體驗[8]。

前庭覺沉浸子系統。六自由度運動平臺通過模擬物體在三個方向的平動和轉動，即前后平移、左右平移、上下垂直運動、俯仰、滾轉和偏航及復合運動，進而可模擬出各種空間運動姿態。六自由度運動平臺主要應用于戰車、飛機、艦船訓練模擬艙。虛擬現實全向行動平臺，亦稱虛擬現實跑步機[9]。它打破了虛擬和現實的空間限制，可以讓使用者在現實極小的空間即可實現在虛擬世界中無限的行動，并將使用者在固定空間中真實的行走運動映射入虛擬場景中，通過捕捉其腳部動作達到在游戲中的前進/后退等動作，可讓訓練對象在訓練室，享受馳騁戰場的刺激體驗。虛擬現實跑步機主要用于單兵訓練模擬艙。

3.3 訓練反饋系統

訓練反饋系統主要由YKB1712脈搏波血壓傳感器芯片搭配HRB6708心率脈搏芯片和算法芯片SFB9710實現。可實現功能：心率采集計算、心電信息采集、人體體表溫度監測、血壓跟蹤監測等[10]。脈搏波血壓傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記(PPG)的方式感應人體的脈搏信息并加以提取，通過心率脈搏芯片HRB6708和算法芯片SFB9710輸出心率和血壓等串口信號。設備佩戴于訓練對象手腕等位置，通過串口或 I2C 與 SFB9710通信，傳送心率、血壓、脈搏波等人體健康指標數據到訓練對象頭戴顯示器的HUD界面上和監控顯示器上。

3.4 訓練監控系統

監控系統可以控制整個系統的運作，包括兵種、場景的選擇，學員數據顯示和切換等功能。所有訓練對象以列表的形式顯示在監控窗口上面，組訓者可以直觀地看到所有訓練對象的戰場適應性數值，包括心率、血壓、控制艙溫度、濕度等數據。

4 結論

圍繞提高部隊備戰打仗能力，全軍將大抓軍事訓練，按照國防部“加快推進先進技術轉化為訓練手段”[11]的要求，結合近幾年沉浸式虛擬現實技術的迅猛發展，設計并開發了沉浸式軍人戰場適應性訓練原型系統，為全軍軍官、士官、士兵開展戰場適應性訓練提供逼真的情境刺激和感知體驗，軍事應用前景廣闊。后續還將持續關注VR技術的發展，深入分析戰場適應性訓練的實際需求，不斷完善系統功能，進一步提高系統的針對性與有效性。

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