虛擬現實技術在武器裝備研制中的應用研究*

李 強，趙文彬，莫新民，張 昂

（西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

0 引言

虛擬現實技術是一種借助運用計算機生成、以模仿真實立體三維環境而創建仿真虛擬環境的人機交互接口，綜合了智能穿戴、圖形圖像、仿真模擬等多種新興技術，將現實空間中的實物信息映射到計算機的虛擬環境中生成相應的數字模型，并通過視、聽、觸等感知行為使用戶沉浸其中，從而實現用戶與之直接實時的自然交互，產生一種全新的認識世界和探索世界的方法。在該技術條件下，用戶通過借助專用的交互設備，即可以按照自己的主觀意愿驅動虛擬環境，并與環境中的對象進行交互，達到一種虛物實化、身臨其境的效果體驗，可用于進行一些現實世界中難以完成或根本無法完成的科學技術活動[1-2]。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和構想性3個顯著特征。

（1）沉浸性。沉浸性是虛擬現實技術的核心，用于評價虛擬環境仿真還原真實世界的逼真程度，可以通過視覺沉浸、聽覺沉浸、嗅覺沉浸、觸覺沉浸及身體知覺沉浸等多方面感受到模擬環境中的真實感受。

（2）交互性。交互性是用戶通過借助各種專用的三維交互設備（如可穿戴設備、數據手套等），對虛擬環境中的對象進行操作并得到與之對應的操作反饋的擬真程度。

（3）構想性。構想性是虛擬現實系統的目的，通過借助人工搭建的虛擬世界中產生的各種刺激，使用戶能快速獲取到感性或理性的認識，發散思維，獲得意想不到的新思路。

1 虛擬現實技術在武器裝備上的應用

1.1 虛擬樣機

在武器裝備研制開發的各個階段，運用虛擬現實技術構建的三維模型，設計師可以輕松地介入到系統建模和仿真實驗的每個過程，在物理樣機進行實驗之前，即可借助各種虛擬環境對系統中可能出現的問題進行模擬研究，檢驗武器系統的設計方案和各項戰技性能指標，由此可以利用最少的資源進行大量反復的實驗，大大縮短了武器裝備的研制周期，提高工作效率，降低實驗成本[3]，同時，還可減少在物理樣機實驗中可能出現的意外風險，并能對武器系統的各項指標進行合理評估，極大地方便了研制工作的推進。

1.2 模擬訓練

1.2.1 操作訓練

虛擬現實技術可以打破實踐操作中對時間和空間的限制，克服實際操作中武器裝備數量少、性能不穩定、高風險性等短板，使參與者通過人在回路或操作傳感裝置等方式做出或選擇相應的戰術動作，達到在虛擬環境中沉浸式地實現對真實裝備實戰訓練的目的，不僅便于論證武器裝備的操作性、人機工效、可靠性等性能指標，及時發現裝備設計的不足之處，而且在增強士兵戰斗力、提升實戰化條件下的心理素質、緊急情況下作出快速反應等方面起到了關鍵作用。例如，某國在某戰斗機的單兵模擬訓練中引進虛擬現實技術模擬傘降（圖1）。

圖1 飛行員模擬傘降

1.2.2 診斷維修

診斷維修充分利用虛擬現實技術營造的全景式立體訓練環境，在計算機生成的包含有維修仿真對象的虛擬場景中，通過人機交互來仿真整個維修過程，大到各類艦艇的發動機，小到納米級武器芯片，都能實時展示維修中的各種操作，如飛機零部件的拆裝和檢修等動作（圖2），從而向參與者提供全面直觀的診斷維修過程，極大方便了相關人員的培訓，尤其適用于各類復雜裝備系統和價格昂貴的設備維修中，可以迅速提高人員的業務素質和工作能力，減少事故發生[4-5]。

圖2 飛機零部件的拆裝和檢修

1.3 虛擬戰場環境

運用虛擬現實技術將重要的戰場數據，如戰場地形、戰場場景、戰場武器裝備等進行處理，還原真實的立體戰場環境[6-7]，如圖3所示。在虛擬戰場環境中對所論證的武器裝備的各項性能進行反復模擬，將無形的作戰能力可視化，仿真武器裝備在作戰環境下的各項功能和性能數據，重復、安全、便捷，可以佐證樣機的研制開發，用于增強各項戰技指標的可靠性和可信性，提高裝備論證的科學性，同時也可以為未來列裝部隊后的使用提供輔助決策和參考數據。

1.4 遠程技術保障

現代武器裝備發展的日趨復雜使得對專家團隊開展技術保障的迫切需求進一步加大，部隊對裝備技術的依賴性日益增加。能否對裝備故障進行及時快速的診斷并排除，對于保障武器裝備的戰斗力來說是非常重要的，因此，組織及時可靠的裝備技術保障勢在必行。傳統的技術保障工作往往是裝備發生故障后，由工程技術人員到現場處理，這種保障形式的信息化程度低，而且受時空限制，費時費力，很難做到高效及時，降低了裝備的保障能力和戰備完好性[8]。

通過在遠程技術保障中應用虛擬現實技術，可以使前方維修人員和后方技術專家建立聯系，在虛擬環境中再現和仿真武器裝備存在的故障問題，幫助后方技術人員進行輔助定位并制定相應的維修方案，同時將零件拆裝等維修信息的虛擬演示場景傳送給前方，便于前方準確及時地獲得技術指導，進行診斷維修。

圖3 虛擬戰場環境

2 實例分析

本文以遠程技術保障為例，說明虛擬現實技術在武器裝備上的應用。借助虛擬現實技術進行遠程技術保障，通過異地和同步的交流活動，彌補傳統維修方式的不足，使技術專家實現對故障現象進行遠程協同診斷，提高武器裝備維修的效率。

2.1 遠程技術保障平臺的框架

武器裝備的技術保障涉及的技術領域眾多，在平臺搭建過程中需要將這些技術層次進行梳理調整，進而便于實施統一有效的遠程信息支持。遠程技術保障平臺的框架劃分為用戶層、應用層、數據支持層、專家層等4個層面，其功能原理如圖4所示。從圖中可以看出，應用層是整個遠程技術保障平臺的核心，遠程保障并發控制部分主要提供了虛擬現實所需的仿真環境，保證了場景環境的真實感和沉浸感；遠程保障信息支持部分包含了維修對象的基本信息、拆裝序列和故障排除方法；數據共享緩存區是后方技術專家和前方維修人員進行信息溝通交流的數據存儲區[9]。

圖4 遠程技術保障平臺框架圖

數據支持層是技術專家調用各種故障數據、部件模型和診斷信息，并對用戶層的技術問題進行診斷排除的區域，它包含了武器裝備最完整的技術數據信息。

在用戶層中，專家的反饋方案已經借助虛擬環境中的3D模型和特效完整直觀的展示出來，如零件的拆裝運動、設備的運轉效果等，方便前方維修人員進行參照維修[10]。

2.2 遠程技術保障平臺的功能模塊劃分

如圖5所示，為了直觀地展現遠程技術保障平臺，便于前方維修人員和后方技術專家的操作控制，將平臺劃分為以下幾個模塊：虛擬視景顯示模塊，圖形用戶界面模塊，用戶操作事件驅動模塊及維修操作控制模塊。

圖5 遠程技術保障平臺的功能模塊

（1）虛擬視景顯示模塊：虛擬視景能形象地描述出仿真環境下的動態維修過程，并在3D場景和聲音特效下提供某些具體的場景特效或對故障現象進行提示，如滴水、漏油的聲響等。

（2）用戶圖形界面模塊：用戶和計算機交互的接口，是計算機對用戶操作最直觀的信息反饋。

（3）用戶事件驅動模塊：對用戶的輸入動作進行響應，如視角切換、鼠標控制等。

（4）維修操作控制模塊：在專家給出技術保障路線后，平臺可以根據給出的部件工藝數據、拆裝序列及維修數據等及時進行識別、判定和引導，以協助用戶在任何一步操作完成后，系統能給出該維修過程進行到哪一步、當前操作是否正確、下一步該如何操作[11]。

3 結束語

虛擬現實技術在武器裝備研制等軍事化領域中的應用還處于起步階段，其應用價值和潛力不可估量[12]。未來裝備系統的科技含量和綜合性越來越強，將虛擬現實技術運用于虛擬樣機、模擬訓練、虛擬戰場環境和遠程技術保障等方面，不僅可以減少武器裝備的研制周期，節約成本，還可以對裝備的各項指標進行重復的模擬仿真。因此，將虛擬現實技術應用于武器裝備的研制過程中，可以在一定程度上提高武器裝備的現代化水平，錘煉信息化高技術的戰爭能力。