面向城市分隊作戰的增強現實研究

鄧 晨,游 雄,張威巍

(信息工程大學地理空間信息學院,河南鄭州 450052)

隨著現代化大城市、超大城市的發展,城市的戰略地位與軍事價值日益突出,逐漸成為各類軍事活動的重要場所。1997年,美國海軍陸戰隊作戰發展司令部概念司(Concepts Division of the Marine Corps Combat Development Command)提出,未來許多軍事行動將在城市環境中發生[1-2],例如城市反恐與維穩、人道主義援助、非戰斗撤離,以及大規模高強度城市作戰行動等。城市作戰作為一種新的軍事行動樣式使得城市可能成為21世紀的主要戰場之一[3]。

軍事行動的環境通常是復雜多變的,而日益復雜城市環境更增加了其復雜性和挑戰性。首先,城市本身是極其復雜的三維立體環境,城市地面之上人工設施眾多,高低層建筑參差不齊;地面之下,下水道和隧道網絡縱橫交錯,聯通四方。其次,城市環境隨作戰行動展開易發生變化,而變化的環境又將反過來影響作戰行動,例如損壞的建筑可能導致碎石填滿狹窄的街道而致使曾經的安全路線無法通行。再次,城市非戰斗人口和平民目標眾多,而敵方可以機動和隱藏,致使軍民混雜,為減少平民的傷亡和損毀,需要更復雜的識別和判斷。

這種復雜、混亂、密集的城市環境對處于戰斗一線、危險邊緣的單兵和分隊提出了更高的要求:一方面,在危機四伏、瞬息變化、生死攸關的城市近戰當中,單兵在承受巨大心理壓力同時,仍需快速準確地判別周圍態勢,以求先發制敵;另一方面,在狹窄而擁擠的街道上,分隊成員的視線易受遮擋難以實現所有成員的直接通視,在超視距條件下,傳統的喊叫、手勢、無線電等方式難以實現高效的分隊協同與指控[4]。復雜的城市作戰環境充滿著戰爭迷霧,分隊作戰人員對態勢感知有迫切的需求,在城市作戰行動中需要為作戰人員提供特殊的能力和靈活性,以應對高度動態的近距離作戰。

增強現實作為輔助人在真實環境中進行認知和交互的工具,其本身的技術特點與城市作戰中態勢感知又快又準的需求高度契合。增強現實系統應用于城市作戰當中能夠極大地提高作戰人員的態勢感知能力[2],成為提升分隊城市作戰能力的有效途徑。從20世紀末開始[5],以美國為代表的多個國家開始有針對性地將增強現實技術用于軍事活動中,期望盡可能地減少作戰人員在理解作戰信息方面所用的時間,大幅提高部隊在復雜戰場環境下的生存能力和協同作戰能力。未來面向城市作戰的增強現實技術具有廣闊的發展前景。

相比于國外的研究,國內對該領域的關注相對較晚且較少,2018年初，游雄[6]等首次提出了城市作戰增強現實(UWAR)的基本概念,并梳理了其關鍵技術體系框架。本文進一步對增強現實具體應用于城市分隊作戰行動中的相關問題進行系統梳理與綜述,分析國內與國外在該領域的發展差距,從而為后續研究與投入提供參考。具體而言,首先分析概括了增強現實本身的技術與認知特點;然后對其在分隊行動中的應用和研究現狀進行了系統的梳理與分析;在此基礎上,探究了增強現實在分隊作戰行動中的應用模式與突出價值;最后,對增強現實在分隊作戰行動中應用存在的重難點技術問題進行了總結。

1 增強現實及其特點

增強現實這一術語最早是1992年波音公司的Thomas P Caudell和David Mizell在研究輔助工程師布線時提出的[7],通過使用頭戴式顯示器將計算機生成的圖形信息疊加在真實工作環境中,并結合語音控制圖形信息顯示,達到“不需要將手和眼睛離開工作場景的條件下”輔助布線工程師進行布線操作。這種在主體(用戶)當前的周圍環境中,提供與主體當前任務密切相關的計算機圖形信息,并且直觀地疊加到當前環境中正確位置的方式,為主體完成當前任務帶來了巨大的便利。

這一術語和內涵一經提出便受到廣泛的關注,各行業的學者分別對其特點加以研究和應用。從技術實現的角度,1997年Ronald T. Azuma提出了AR技術實現的三個基本特征[8-9],即虛實融合、實時交互和三維配準,較好地概括了增強現實“實現虛實直接關聯、讓用戶直觀感知”的特點,與虛擬現實的“3I”特征相互區分,得到廣泛認可。當前,大多數AR應用的概念模型[10]可以簡要抽象為圖1所示,將增強現實理解為以顯示器(視覺)、位姿傳感器、虛實融合、人機交互等模塊為基礎,旨在輔助用戶在當前環境中通過平視的方式直觀獲取所需信息的系統或技術集成。

圖1 增強現實應用概念模型[10]

相比于從技術實現上看待增強現實及其組件模塊,另外一些研究[11-12]從用戶認識和體驗的角度,探討了增強現實 “增強”的內涵,嘗試回答了增強現實“增強了什么”這一本質問題,即:人(AR用戶)對現實世界的感知與認知范圍往往局限于人的五官感知通道所能感受到的信息,因而比較有限;而增強現實系統給用戶“增強”的,是用戶在現實世界中自身不能直接感知到的信息與內容,尤其是與用戶當前任務密切相關的現實世界信息和內容。基于這種對周圍現實世界認知的“增強”,用戶可以更好地完成當前任務。

顯然,在AR應用實現時,首先需要通過各類傳感器設備對現實世界信息進行采集和建模,充分掌握現實世界詳盡的信息;然后,在用戶使用AR時,根據當前用戶的狀態(如位姿與視野方向,任務、心理、生理狀態等因素),以最為直觀的方式實時地呈現在用戶視野中(或者其他的感知通道中),并且不影響用戶對現實世界本身的直接觀察。因此,計算機對現實世界建模的程度,即計算機對現實世界信息掌握的程度[13-14],是增強現實系統給用戶提供“增強”信息的基礎;不影響用戶直接對現實的觀察,并“增強”這種觀察是增強現實系統的最終目的;而用戶當前狀態是進行“增強”信息過濾、篩選和表達的關鍵因素。

綜合從技術與認知的視角對AR的相關理解,本文進一步總結增強現實應用的作用,如下:

1)AR可以增強用戶對現實世界感知的精確度。一方面,增強現實可以將各類傳感器感知到的信息轉化為人能感受的信息,從而拓展人的感知范圍,提升對現實更為全面的理解;另一方面,AR可以對人所能感知的信息做進一步的精確化和確認,這是因為人通常對現實世界的感知與認知是定性化、模糊化的,計算機通過傳感器獲得對現實世界更為精確、量化的信息后,可以用于增強主體對現實世界的精確認知。

2)AR可以提高用戶對周圍現實世界感知的效率。因為AR技術實現時需要實現 “虛實直接關聯與融合”,使得可以以最為直觀的方式在用戶當前的感知范圍內展示所需的“增強”信息,如在用戶平視視野內疊加信息,從而提升用戶感知信息的效率。與當前移動地圖呈現信息[15]的方式相比,使用頭戴式顯示器進行平視觀察的AR系統一方面不需要用戶在低頭/抬頭之間來回切換、反復比對,來理解真實世界和屏幕上內容的關聯關系;另一方面,通過在用戶當前的視野中高亮、突出的展示“增強”信息,可以快速將用戶注意力(如視覺注意力)引導到當前迫切需要關注的目標上。

正是因為增強現實在技術上和認知上具備這些特點,使得AR可以廣泛地應用到各領域中,輔助人們更好地完成各項任務。下面具體對增強現實在城市單兵/分隊作戰行動中的相關應用研究和進展進行梳理和分析。

2 相關研究與進展

受限于頭戴式顯示器設備與位姿跟蹤技術的發展,增強現實在作戰領域的應用,最早期的研究是輔助戰機飛行員駕駛和火力瞄準的[16]。隨著技術和裝備的進展,增強現實應用逐步拓展至陸地和水面軍事裝甲車輛當中[17],并進一步面向徒步士兵應用發展。相比于機載和車載平臺,面向徒步士兵的AR系統需要在單兵有限負重的前提下,提供更為輕便的可穿戴式顯示器和更為靈活的頭部姿態跟蹤,以適應單兵作戰行動的需要,這無疑增加了巨大的挑戰。

當前,面向城市單兵/分隊作戰應用的增強現實系統,以美軍為代表的軍事強國在技術研究和裝備發展方面都處于領先水平,起步早加上多年持續的投入,目前已具備相當的積累,逐步向實用化發展。下面對目前相關的研究進行梳理與分析。

2.1 BARS原型系統及其相關研究

將增強現實應用于陸地徒步士兵作戰行動中的設想與研究可以追溯到2000年,著眼于應對未來城市分隊作戰可能遇到的挑戰,在美國海軍研究實驗室虛擬現實實驗室Lawrence Rosenblum的倡導下,Mark A. Livingston和Simon Julier等人推出了第一個戰場增強現實原型系統(BARS),對增強現實在城市分隊作戰行動中的應用問題進行先期探索[2，5]。該原型系統由現成的商業產品集成得到,旨在為步兵分隊在城市作戰行動中提供態勢感知增強,輔助步兵在陌生城市環境中應對視線受阻、通訊低效、識別友軍與敵軍困難等挑戰,原型系統構成如圖2所示。

圖2 BARS原型系統組件[19]及其設想的信息呈現界面:疊加顯示行動路徑、建筑方位關系以及建筑內部結構等信息

在此原型系統基礎上,該團隊一直致力于研究增強現實系統在作戰應用中的人因問題,以期改進增強現實系統的整體設計,從而給用戶提供更好的“增強”體驗,如Mark A. Livingston等人對戰場增強現實系統[18-19]當中的深度感知、色彩感知、遮擋表達、用戶界面、協同交互、信息過濾,以及配準精度的需求與影響[20]等問題,進行了實驗分析和研究,取得初步的研究成果,為其后續工作打下了良好基礎。

2.2 ULTRA-Vis項目及ARC4系統

在BARS原型系統研究的基礎上,2008年美國國防高級研究項目局(DARPAR)啟動了一項名為“Urban Leader Tactical Response,Awareness & Visualization (ULTRA-Vis)”的項目[4],其主要目的是研究和開發出可以在實戰環境中使用的士兵可穿戴式系統和裝備,以適應分隊在快速、動態的城市作戰中的使用要求,為分散的士兵提供超視距的協同與指揮控制能力。

該項目旨在推動AR在實戰中的實際應用,因此注重對AR軟硬件的同時研發,而不僅僅是簡單地對當前已有商業產品進行集成。項目計劃重點研發出高亮度、多色彩顯示的頭戴式透視顯示器設備,輕便、低功耗、高精度、低延遲的戶外位姿跟蹤軟硬件,以及可同時識別語音、手勢和觸覺輸入的多模式交互接口等。該項目規定的各項具體指標如表1所示,值得一提的是項目還要求開發出15套原型裝備,以供班組進行協同作戰測試,以檢驗分隊實際使用效果。

圖3 ULTRA-Vis項目設想的作戰應用場景圖(示例)[4]

如圖3所示是該項目設想的分隊作戰AR應用場景圖,分隊指揮員通過AR可以實時掌握各個分組成員的位置(圖中左上角),而不用將視線離開當前關注區域,或者低頭查看屏幕顯示器;指揮員也可以便捷地為分組成員直接指示目標位置,并使分組士兵分別在自己的視角通過顯示器看到指揮員傳遞的目標(圖中右上角紅色虛線圈部分),并可以保持手不離開武器裝備。

DARPA對該項目進行了6年的支持,經過2008年到2014年持續的研發,2014年5月,該項目的主要承包公司ARA發布了一款名為“ARC4”(Augmented Reality Command Control Communicate Coordinate)的軍用增強現實軟件系統[21]。顧名思義,ARC4即增強現實用于指揮、控制、通訊和協同,是一款增強現實軟件引擎,主要負責完成士兵戶外位姿跟蹤、地理配準信息的表達與可視化以及網絡通信管理等工作,作為“大腦”可以搭載在BAE公司的Q-Warrior透視式頭戴式顯示器上,也可以集成到其他的頭顯中,如Lumus、Vuzix、Six15等。

如圖4、5所示,ARC4可以分別搭載于白天頭顯和夜視儀中,實現在白天和夜間的戰術信息增強,而且頭顯的視場角為40°?30°,亮度峰值可以達到3 000 ft-L,符合項目規定的要求,即在戶外10 000 ft-L環境光亮度背景中,達到至少2 000 ft-L(背景亮度的20%)的顯示亮度以保證符號的清晰可見[22]。

圖4 ARC4應用于白天[21]

圖5 ARC4應用于夜間(結合夜視儀使用)[21]

在配準精度方面,ARC4通過融合GPS、慣導、地磁、氣壓和DEM等數據,在野外環境中進行測試實現了較高精度的地理配準[23-24]。如圖6、7所示,通過圖標投影渲染的位置和目標在環境中的真實位置來評估配準的精度,綠色的圓圈代表配準的誤差大小(一個圓的半徑是10 mrad,即0.57°)。經過實地測試驗證,在野外開闊、弱磁干擾環境中,士兵相對低速運動狀態下,通過GPS-INS組合能近實時地實現平均25 mrad的地理配準精度,為更高精度的地理配準打下良好基礎。

圖6 通過投影的圖標位置與目標的真實位置來評估地理配準的精度[22]

圖7 通過在透視顯示器上投影分級同心圓圖標來實時在線評估配準精度[22]

表1 ULTRA-Vis項目的各項指標[4]

在信息呈現和用戶交互方面,通過與士兵用戶群體進行交流和討論,經過迭代優化,ARC4系統設計了一套相對簡單、易學、易于理解的用戶界面[25],并探索通過語音、手勢和觸控等多種方式進行人機交互。其用戶界面上呈現的信息內容如圖8所示。

ARC4旨在戰斗行動期間為分隊成員提供增強的態勢感知能力,其用戶界面上的信息內容可以視為三個透明圖層的疊加[22-23],如圖9所示,包含靜態疊加層(GUI控制菜單/系統狀態/指控命令/警報等),動態疊加層(地理配準的戰術圖標)和態勢感知疊加層(自己/友軍/敵人位置的360°態勢感知環)。每一疊加層分別提供不同的戰術相關信息,如圖8所示,涵蓋戰場環境、裝備實體、作戰人員、當前任務、系統狀態等信息內容。

圖8 ARC4用戶界面呈現的信息內容[23]

其中,靜態疊加層上的內容將始終顯示在當前FOV中相同的位置,與現實世界物體位置無關,其內容隨系統狀態和作戰進程變化。為了最小化顯示干擾,靜態疊加層沿視野頂部顯示,針對不同的警報信息提供不同的標志和閃爍頻率。

動態疊加層能夠將相關的戰術圖標信息準確放置在真實環境中對應的位置處,使得作戰分隊人員可以分別從自己的視角看到精確地理配準的圖標。為了減少士兵認知圖標的負擔,采用軍標符號規范設計圖標樣式(如美軍的MIL-STD-2525C符號規范)。所有顯示的內容都基于用戶位置和視線方向,在以用戶自我為中心的徑向坐標系中進行顯示,并隨著用戶頭部轉動而移動,以保持他們的位置精確配準到對應的真實世界對象上,其中,ARC4要求配準的角度精度為10 mrad(100 m距離處的側向誤差大小為1 m),深度精度為0.1 m(100 m距離處)。這種精度允許在建筑物或車輛上標記特定的窗戶。

上述動態疊加層為士兵提供了精確的周邊態勢感知,但僅限于從用戶當前的視野觀察。相比之下,態勢疊加層(situational overlay)為用戶提供其周圍所有情況的實時動態360°頂視圖,可以觀察當前視野內部和外部的所有對象。如圖10所示,底部中心的橢圓是360°的態勢顯示圓環(Command and Control 360°Display),中心點是當前士兵的位置(采用軍事網格坐標參考格式),正上方是當前士兵的頭部方向(如圖中的地磁偏角189°)和40°的視野范圍,環上其他的位置標示了友軍、敵軍、地物等(使用不同符號及不同顏色,符合MIL-STD-2525C軍標規范)的相對方位與相對距離(如圖中的數字注記)。這個簡單直觀的用戶界面為戰士提供了持續的態勢感知,可以回答理解戰場空間至關重要的三個關鍵問題:我在哪里?我的朋友在哪里?敵人在哪里?

圖10 態勢感知環[25]

事實上,上述三層疊加信息涵蓋了分隊上下級通訊與指控、單兵個人作戰以及分隊成員間協同行動所需要的信息內容,并提供了第一人稱視角顯示視圖,和以自我位置為中心、方向實時隨動、表達相對位置和距離的簡易頂視圖(近似第三人稱視圖),使得士兵既能直觀觀察當前環境,又能便捷掌握全局態勢。

2.3 TAR概念系統

在ARC4開發的基礎上,2017年5月美國陸軍通信電子研究發展工程中心(Communications-Electronics Research Development and Engineering Centre,CERDEC)發布了名為“Tactical Augmented Reality”(TAR)的戰術增強現實概念系統,該系統側重于將AR應用范圍進一步拓展到室內作戰當中,為分隊提供室內外一體的戰場態勢信息感知保障。如圖11所示是該系統設想的效果圖,通過該系統能夠將室內外的目標、友軍和環境信息與真實場景進行疊加顯示,使得戰斗員在城市室內外作戰過程中能夠快速、準確獲取戰場態勢信息。但這一系統目前仍處于研發當中。

圖11 TAR系統效果圖,應用于室內作戰:通過頭顯和夜視儀疊加顯示室內外人員位置、行動路徑和目標等信息

2.4 現狀總體分析

從整體上來看,對比早期的BARS(2000年)原型系統與近期研發的ARC4(2014年)系統,以及設想的TAR(2017年)系統,可以很明顯地發現通過近20年的努力,美軍在面向城市分隊作戰行動的增強現實系統研發方面已經取得了較大進步,并且逐步向實戰實用化發展:1)其顯示設備可以支持高亮度顯示(峰值亮度可達3000 foot-Lamberts),滿足在戶外強光條件下的使用要求;2)相關位姿跟蹤硬件設備在小型化、輕便化、低功耗化方面有了實際進步,并且實現了較高的精度和效率;3)圖形用戶界面信息呈現和交互方式逐步向實戰所需趨近;4)系統核心組件重量低于3磅(含電池在內低于1 360 g),位姿傳感器功耗低于1W,為系統方便徒步士兵長時間、大范圍持續使用提供了可能。5)而且,在分隊作戰行動中應用增強現實的作戰概念與真實作戰場景正處于不斷發展和挖掘當中。

通過上述梳理與分析,可以看到相比于國外的發展,國內在技術與裝備上的發展還存在一定的差距。由于目前增強現實技術與裝備的不成熟以及“并不驚艷”的體驗,關于增強現實的“有用性”、“可用性”,尤其是在強調技術可靠性的軍事行動當中“到底有多大的可用性”、“是否是干擾”等問題仍然存在不同意見與質疑。下面,本文在文獻分析的基礎上,結合實踐經驗與思考,對增強現實在分隊作戰中的應用模式與價值進行探討。

3 增強現實在分隊作戰中的應用模式

增強現實在分隊作戰行動中的應用價值,一方面受限于技術與裝備的進展,另一方面也取決于增強現實系統被使用的方式,即應用模式。2015年,ARC4的項目負責人David Roberts提出以ARC4為代表的增強現實系統在城市作戰中可以發揮平視感知與導航(Heads-up SA and Navigation)、友軍跟蹤、目標傳遞(Target Handoff)、圖像共享和環境標記(Environment Tagging)等功能[21],簡要概括了增強現實系統可能的應用方式。本文旨在更進一步探究和挖掘增強現實系統在分隊作戰行動中的突出應用價值。

一般而言,作戰行動是有組織、按計劃進行的活動,分隊作戰行動通常涉及單兵個人行動,以及單兵與分隊其他成員的協同行動和指控等方面。增強現實系統作為輔助人們更好獲取信息的工具,可以在上述各方面發揮作用。本文從增強單兵個人作戰能力、增強分隊成員間協同與指控能力,以及增強分隊與遠程力量聯合能力等角度分析AR系統在城市分隊作戰當中的應用模式及其相應的應用價值。

1)對于單兵而言(單個AR用戶),AR系統可以增強其在戰場實地的態勢感知能力。

增強現實系統可以直接在士兵當前的視野(或其他感知通道中)中疊加地理配準的各類戰術信息,提高單兵態勢感知的能力和效率,從而增強單兵的作戰能力:

一方面,士兵可以保持抬頭平視觀察和手持武器,在交戰過程中迅速判定敵我情況,從而提高士兵自我安全保護并增強對敵的殺傷力和效率;

另一方面,士兵可以在更為安全的條件下,提高機動和導航的速度,因為持續在士兵視野中顯示目標的相對方位與距離,士兵可以快速定位定向并啟動行動,而不需要停止以研究地圖或查看指南針,從而更為容易地繞過障礙物而不失去運動方向。

2)對于分隊而言(多個AR用戶),在戰術互聯網的支持下,增強現實系統突出的作用是為分隊內信息傳播與共享提供了新的便捷方式,增強分隊成員的協同行動和指控能力。

如圖12所示,除了傳達指揮員命令、分享隊友位置以進行友軍跟蹤之外,增強現實還可以為分隊成員信息傳播與分享提供新的便捷方式。這是因為增強現實具有的環境標記和目標傳遞功能,即AR系統首先已經獲取到當前士兵頭部精確的位姿(即位置和視線方向已知),在環境本身的精確三維模型預先已知時[26],通過在當前視野中疊加指示標識,士兵通過直觀交互的方式(如圖13中的槍口指示或手指指示等方式),便捷地將標識對準到相應環境目標上,實現在3D空間中對目標進行拾取和標記,并可以配置相應的戰術圖標描述其屬性信息;再通過戰術網絡傳播和分享目標后,可以使分隊成員分別從自己的視角平視觀察到該目標。

實現這種“目標信息視覺平視傳遞與分享”后,將大大增強分隊的協同行動能力,因為,這將使得通過前端無人機、無人車觀察到的戰場實時信息,或者處于高處、優勢觀察位置的分隊指揮員、狙擊手、偵查人員等觀察的信息(如圖12所示),以及多個分隊成員在分散視點觀察到的信息,能夠被直觀、便捷地拾取和標記(如通過圖13中的交互方式),并傳遞給處于戰場實地尤其是最接近危險區域的作戰人員,使他們分別能從自己的視角快速地平視觀察和判斷,實現從傳感器/偵查人員的探測、發現到處于實地的作戰人員高效、快速平視感知的無縫銜接,這是傳統的語音、手勢、無線電等協同方式難以實現的。本文認為支持分隊多人使用的AR系統實現了“將他人平視所見轉化為自己或其他分隊成員的平視所見”,從而可以大大提高分隊成員間的信息共享與協同作戰的能力。

圖12 處于高處、優勢觀察位置的偵查人員等為處于危險邊緣的士兵指示威脅目標信息

圖13 可以通過槍口瞄準或手指指示等便捷方式拾取并標記3D空間中的目標信息

因此,增強現實作為一項輔助分隊成員信息獲取與分享的先進技術,其在分隊多人間使用的整體效果將大于多個單兵個人使用效果的簡單疊加之和。

3)AR可以在分隊與遠程力量聯合方面發揮作用。

文獻[22]中提出,在城市分隊作戰中,地面分隊任務的成功與否很大程度上取決于近地空域力量的運用與支持,而AR可以在地空協同行動中發揮作用:通過對飛機位置的廣播與分享(使用CoT數據格式[27]),即使是在超視距或者有遮擋等情況下(如云、地形等遮擋),地面士兵依然可以快速定位飛機的位置,并獲取其相關屬性信息(如飛行高度、飛機呼號),從而可以更好地引導空域飛機的機動以支持地面部隊行動。

與上述分享飛機位置相反,通過AR系統具備的環境標記功能,本文認為分隊作戰人員可以通過AR方便地拾取目標在3D環境中的位置,為空域、甚至遠程海上力量提供目標指引,從而為其遠程精確打擊提供位置參考,其基本原理與前文所述類似。

綜合上述分析:AR系統應用于城市作戰當中將帶來重大影響和變化,AR可以在單兵作戰、多人協同、甚至與遠程力量聯合作戰方面產生重大效應,其對未來城市分隊作戰樣式帶來的變化需要進一步深入研究與實踐驗證。盡管AR設備在一定程度上確實增加了士兵的負重,但就其可以發揮的作用與價值而言,未來單兵/分隊作戰迫切需要增強現實進行輔助與支持,以應對復雜、動態、高壓的近距離城市作戰。

4 AR城市作戰應用存在的主要挑戰

城市分隊作戰是在極其復雜、混亂的城市環境中展開的,為了讓作戰人員獲得良好的“增強”體驗,增強現實應用于城市分隊作戰將需要克服諸多挑戰與難題。本節對增強現實應用需要的外部支撐條件,以及增強現實自身組件技術面臨的重點問題進行分析,作為后續工作與研究的參考。

4.1 增強現實應用需要的外部支撐條件

首先,增強現實系統能夠給分隊作戰人員提供“增強”信息的前提,是計算機系統能夠預先掌握現實世界詳盡的信息,對戰場環境有精確和完整的建模[28],而這在陌生的城市作戰環境中將是十分困難的:一方面,因為作戰的突然性可能來不及預先完全建模;另一方面,考慮到城市環境不僅涉及室外,還涉及室內甚至地下,也難以完全精確建模。因此,充分發展各類傳感器設備與技術,形成對現實世界快速建模和信息采集的能力,以滿足短期快速環境建模甚至實時建模[29]的需要,是重要的技術挑戰;并且,如何充分利用越來越多的泛在數據、眾包數據[30],從中提取可用的信息,也是面臨的一大難題。

其次,增強現實應用于分隊作戰通常需要戰術網絡的支持,然而在城市復雜結構以及信號干擾源多的情況下,如何維護穩定、高速的戰術鏈接網絡,是影響增強現實應用的重要因素。

事實上,正是因為上述因素的影響,美軍目前的研究也是將增強現實作戰應用定位在具有信息優勢或不對稱的城市作戰行動當中。

4.2 增強現實關鍵技術難點

除了增強現實頭顯、位姿跟蹤設備等硬件小型化、廉價化、輕便化、低功耗化發展的需求[31]之外,增強現實實際應用面臨的技術挑戰主要來源高精度的虛實信息配準、可直觀認知的信息表達,以及魯棒便捷的交互方式等三個方面。具體而言:

1)高精度的虛實信息配準:高精度的虛實配準是作戰人員高效平視感知和高效目標標識與傳遞的技術支撐。在城市分隊作戰行動中,同一棟建筑上相鄰的窗戶或者相鄰近的兩輛車的實際距離通常在米級左右,為了實現對各個目標準確的區分,虛實配準的精度需要控制在10 mrad以內,這也正是表1中所示,美軍專家[32]提出為了滿足作戰人員的基本應用要求,需要在100 m距離處實現1 m左右的側向配準精度和0.1 m的深度配準精度的原因。但是,在定位信號易受干擾、環境結構復雜的城市環境中,實現上述配準精度是相當具有挑戰性的。

除此之外,在保證配準精度的前提下,如何在城市室外、室內以及地下環境中,長時間、大范圍、白天和夜間[21]提供實時、穩定的虛實配準,更是增強現實實際應用面臨的突出難題。

2)可直觀認知的信息表達:呈現在作戰人員視野中的“增強”信息,事實上也很有可能成為令作戰人員分心[15]的“干擾”,尤其是當呈現的信息與當前任務無關,或者難以理解時。因此,AR顯示器上呈現信息的內容和方式,對作戰人員準確理解極為重要。

一方面,如前文所述,已經有部分研究對增強現實圖形符號表達的深度感知[33-34]、認知負擔[35]等問題進行了研究,但仍處于初步階段。如圖14所示,在城市擁擠、狹窄的環境里,分隊作戰人員很容易身處受遮擋的“孤立”空間中,如何讓作戰人員直觀認知受多層遮擋的對象的表達方法[36-37]仍是實戰中面臨的、需要深入研究的問題。

圖14 在AR中對受多層遮擋的目標信息進行表達

另一方面,作戰環境不同于普通環境,作戰人員也比非戰時承受更大的壓力和負擔,如何根據當前的作戰環境與作戰人員的狀態、任務、角色等因素,為其“量身定制”信息及其表達方法,也是亟須克服的難題。

3)魯棒便捷的交互方式:增強現實系統對處于危險前沿的作戰人員的一項重要輔助作用是可以幫助其“解放”雙手而不放下手中武器,同時保持自然的“平視”戰場態勢感知。但目前,AR系統可能可用的交互方式包括鼠標、鍵盤、觸摸屏、手勢、語音、眼動注視等[38],前三種交互方式需要用戶直接抓取或者觸摸特定的交互設備;眼動注視[39]則容易分散士兵觀察、搜索戰場的注意力,而語音[4]、手勢[40]等交互方式在城市作戰嘈雜的干擾下,或是在昏暗或照明有限的室內、地下環境中,魯棒性難以保證[6]。

因此,根據特定的作戰場景和應用模式,綜合運用多種交互方式,為作戰人員提供穩定、便捷的交互能力以完成多種人機交互任務,仍是需要深入研究的問題。面向作戰應用的AR系統,必須要實現符合作戰人員行為習慣和戰斗狀態需要的交互方式,才能最大限度地發揮增強現實系統的作戰效能。

5 結束語

總體而言,增強現實技術在城市分隊作戰行動中具有廣闊應用前景,能夠為分隊作戰帶來重大的效應。目前,美軍在相關技術與裝備領域已取得了長足的進步,逐漸向實用化發展;相比較而言,國內在該領域的發展需要加速。

盡管目前增強現實技術與裝備不成熟,在強調技術可靠性的軍事行動當中其“有用性”、“可用性”、“干擾性”仍存在一定質疑,但隨著眾多技術的不斷發展與集成,未來成熟、實用的AR系統令人期待。