虛擬現實技術在軍事裝備應用及實現問題探索

劉 敏，趙 時，于向陽

（海軍航空大學 青島校區，山東 青島 266041）

0 引言

不斷提高現代化的訓練手段是國家鞏固國防力量的首選途徑。目前，軍事訓練導向趨于“實戰化”，旨在提高人員的協同行動與裝備運用能力，由于戰術牽引與技術交聯所涉及的戰場要素指標過于“齊全”，加之對空間、地域等戰場要素標準也有較為“苛刻”的依賴性，實戰訓練耗資“非常”巨大，各方力量都在努力尋求軍事訓練實戰化手段的突破點，以提高軍事訓練質量和效能，降低風險。

1 虛擬現實技術軍事應用現狀

近年來，隨著計算機仿真技術的“積極”發展，虛擬現實技術在軍事上已開始應用于訓練、維修、演練等領域。利用逼真的虛擬環境，使交戰雙方同處在虛擬的網絡戰場上，展開“真實”的對抗演習。1997年發布的美軍手冊MIL-HDBK-470A《維修設備與系統的設計與開發》中明確地提出：“使用虛擬現實技術，維修性工程師可以進入到虛擬環境中，對虛擬產品進行維修。這樣，部件的可達性、部件分配空間的合理性以及完成特定維修任務所需的大概時間等信息均可以借助虛擬現實技術來進行評估”。

表1 利用VESDK開發的部分武器裝備平臺級虛擬維修訓練產品Table 1 Some weapon equipment platform-level virtual maintenance training products developed using SDK

僅在20世紀初期，美軍就多次發起了“焦點透鏡99”“虛擬之旗”等基于虛擬現實技術的模擬演習。美軍正趨向于在訓練中綜合使用實際裝備、虛擬訓練和實物模型訓練，依托于專業技術團隊構建虛擬環境開發平臺，形成比較完善的虛擬維修訓練解決方案。

如Disti團隊擁有虛擬環境軟件開發工具包（VESDK）和Replic8開發工具等虛擬維修訓練解決方案，可以用于開發平臺級和部件級虛擬維修訓練系統。如表1，利用VESDK開發的武器裝備平臺級虛擬維修訓練產品，針對多種武器裝備平臺的維修訓練需求，其開發工具的中央數據模型庫等能夠提供所需的各種環境，通過自動化分析，實現虛擬環境的全過程開發。

2 虛擬現實技術實現及軍事應用特征

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術和顯示技術等科技成果的綜合性技術[1]。其能夠模擬出一種“真實”的沉浸式環境，使用戶身臨其境地與虛擬環境進行交互，構建虛擬訓練系統。虛擬環境平臺實現主要包括三維建模、三維引擎、VR交互，流程仿真與控制、信息處理與評估等模塊，其技術路徑及交聯關系如圖1所示。

作為系統開發的中樞“三維引擎”，完成三維模型“群”導入，依托“豐富”的訓練環境模型與控制模型庫，形成環境特效與漫游場景；通過物理終端進行“實時”空間檢測，形成信息“源”，為訓練評估模塊提供“大”數據。其為受訓對象提供信息反饋的同時，實現評估指標提取與輸出。

圖1 虛擬訓練系統技術路徑及交聯關系圖Fig.1 Virtual training system technical path and cross-linking relationship diagram

圖2 虛擬訓練系統軍事應用特征邏輯關系圖Fig.2 The logical relationship diagram of the military application characteristics of the virtual training system

作為系統“終端”的受訓對象，通過VR交互設備形成物理反饋，通過界面與系統進行直接交互，形成信息交互閉合“回路”。由于虛擬現實的這種“成熟”的技術路徑及交聯關系，使得虛擬現實技術“天生”適合應用在軍事訓練領域。虛擬現實能夠給受訓者一種親臨戰場的感覺，對其提前適應戰場環境并在實戰化環境中進行訓練提供有效支撐。

如圖2所示，虛擬現實具有的突出特征為：沉浸性、交互性和想定性[2]。

沉浸性，利用三維建模工具，構建出包括氣象、地形、戰場裝備、作戰人員等各要素齊全的“真實”戰場環境模型庫，受訓人員能夠全身心投入到虛擬場景中，產生身臨其境的感覺，增加受訓人員的實戰感，提高訓練效能。

交互性，通過環境漫游與空間檢測，受訓人員與各種虛擬武器裝備直接“接觸”并操作，計算機接收受訓者操作指令后，傳入服務器進行解析，并及時將操作結果信息進行分發，與場景實時互動，從而形成交互回路，提高訓練時效。

想定性，針對武器、裝備的操作規程等設置既定或開放性科目，通過流程仿真與控制、信息評估等，檢驗技、戰術執行能力，實現受訓人員在虛擬環境中，知識和技能不斷獲取與更新，提高訓練質量。

3 虛擬現實技術軍事應用問題

3.1 立足裝備體系論證與優化，為體制、機制耦合的有效性評估提供技術牽引

如何提高裝備的戰術、技術運行與應用效能，是軍隊裝備體系建設過程中，直面現代化戰爭的亟需[3]。與裝備體系構建相關的指標論證、定型，往往注重多路徑推演，既要考慮編制力量結構的優化，還要努力消除戰術、技術指標體系中可能出現的隱患，最大限度降低不確定風險。

與傳統的“公式化”“純數據化”的論證方案及實物或半實物驗證性試驗相比，虛擬現實可以依據新型裝備的設計方案、編配預案，預先構建虛擬作戰系統，依托網絡環境、高性能計算、傳感器以及各種虛擬現實手段，運用豐富的三維模型、靈活的引擎接口及人機交互平臺，如利用系統機器類、流程控制類、工具類庫等三維引擎的類庫配置其戰、技指標屬性，形成裝備、器材模型群；利用流程控制、記錄管理類庫等完成邏輯設計與實現，將該系統的使用者、設計和作戰效能評估人員分別布置于系統的不同角色，實現人員與人員、裝備與人員、裝備與裝備的預先組合，并輸入未來作戰仿真系統中，建成可以進行人機交互的虛擬環境，采用作戰虛擬對抗的方法，對裝備實物、物理樣機的系統特性進行虛擬試驗與驗證；通過前端針對一定實戰環境中的對抗式“交流”，生成“海量”數據的優勢，通過大數據分析與反饋，修補不同順序控制中的“漏洞”，完成流程回路中的分布式虛擬交互及人員、裝備資源單元的編成耦合。

針對軍事需求的滿足程度進行評估，實現列裝裝備、新研裝備與預研裝備的作戰操作使用與毀傷效果評估，優化戰術、技術指標體系，形成最佳編配方案，為新型裝備的工程化設計提供有效的技術支撐，為列裝武器裝備及其新型戰術運用與現行裝備編制體制、運行機制體系耦合的有效性評估提供技術牽引。

3.2 著眼裝備作戰訓練與實驗，為推動新型作戰力量的生成提供系統性、全局化、全域化的實訓平臺

伴隨著現代軍事技術和作戰形態的迅速發展，越來越注重作戰的機動及立體攻防能力。與裝備保障工程、戰場戰術運用相關的作戰實驗與訓練，往往涉及“廣闊”的戰場平臺，戰場要素覆蓋各個領域，戰技指標評估細致入微。

與傳統的教材化、程式化的訓練方法相比，虛擬現實作戰實驗與訓練摒棄念腳本、背臺詞的劇本式演練，通過出色的三維引擎、漫游庫等實現戰場環境虛擬仿真，使受訓人員“置身其中”，聽覺、視覺等感官完全沉浸于虛擬戰場環境中。

圖3 某型裝備的Solidworks渲染模型Fig.3 Solidworks rendering model of a certain type of equipment

虛擬現實引擎支持多種三維建模平臺的三維模型格式導入，與3dMax、SolidWorks等工具有較好的兼容性；后者實現基于PC系統的三維模型構建、動畫渲染和制作軟件；集成豐富的組件或插件，可以提供更為完善的三維建模與工程應用的解決方案。如圖3所示為某型裝備Solidworks典型渲染模型。虛擬現實完備的模型庫，減少開發復雜程度，使模型動畫、細節紋理等模型屬性自動生成于三維模型[4]。

漫游庫采用與三維引擎統一的坐標系（坐標原點位于實體的幾何中心，Y軸指向實體縱軸，X軸與Y軸垂直，Z軸鉛直向上與X、Y軸成一右手系），采取必要的碰撞檢測，如圖像檢測或包圍盒檢測，限制受訓者的行為路徑。當受訓者在場景中漫游時，引導其產生平滑移動或盡可能地沿合理的方向滑動；采用相同的尺寸分辨率，即真實物體1:1；通過插件實現多級LOD，相鄰兩層LOD的簡化程度可定制，為了避免在不同LOD之間切換時出現跳變，對于小尺寸模型可以通過增大不同LOD之間切換時轉入距離，使得在距離視點較遠處就已經完成LOD切換，對于大尺寸模型除了增大轉入距離外，還要采用更小的分塊以避免出現跳變；模型將按需要設置自由度，并采用恰當的命名方式以達到看其名知其意的效果，方便在機構運動仿真模塊的使用；所有的背景模型將都具有紋理貼圖，貼圖效果更為逼真，使受訓者視覺更為“柔和”；構建從單兵作戰場景，細節清晰，效果逼真，甚至到整個戰爭全貌的各種逼真的戰斗場面，使受訓人員對戰場態勢有著最直觀的感受。受訓者通過頭盔顯示器、控制器、基站等人機交互設備，完成信息存儲與反饋；虛擬現實定位系統不需要借助攝像頭，而是依靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置，允許受訓者具有一定的活動空間；“對角”基站的紅外LED陣列，為兩個轉軸互相垂直的旋轉的紅外激光發射器，在頭顯和控制器上的光敏傳感器與基站的LED閃光之后就會同步信號，給出X軸激光和Y軸激光分別到達傳感器的時間，通過各個傳感器的位置差計算出頭顯的位置和運動軌跡，使受訓者的“行蹤”實時反饋。

依托多種輸入、編輯、操作方式，包括友好的可視化界面；依托C++等主流開發語言的腳本編輯輸入模式，針對不同的作戰構想，建立假想敵及相應裝備作戰模型，迅速生成藍圖，在虛擬環境中實現對抗演練，將“兵力”分布情況在虛擬戰場上表現出來，檢驗受訓人員戰場裝備運用能力、隨機應變能力、實時判斷能力及協調指揮能力。通過反復地在虛擬戰場中進行演訓，不斷優化戰、技方案，克服時域、地域的局限性，同時減少消耗，縮短周期，降低風險，提高了訓練的安全性；形成“作戰理論模型構想→虛擬現實仿真模型構建→實兵對抗檢驗→戰、技方案優化”的作戰實訓路徑，為檢驗新型作戰理論，推動新型作戰能力的生成提供系統性、全局化、全域化的實訓平臺。

4 結束語

本文結合當前軍事裝備“實戰化”保障需求，剖析了虛擬現實技術的軍事應用特征；與傳統的解決方案相比，虛擬現實的三維模型、引擎接口及編輯類庫、人機交互平臺等技術優勢，為相關軍事裝備領域的問題解決，提供了一定技術牽引與指導借鑒。