基于AR技術的對抗訓練系統設計構想

邵 偉，許仁杰，譚亞新，何天鵬

(陸軍裝甲兵學院 演訓中心， 北京 100072)

1 引言

當前軍事對抗訓練活動中，常見的訓練方式包括基于模擬器的對抗訓練及實兵對抗訓練。基于模擬器的對抗訓練主要是訓練人員使用半實物模擬器與半實物模擬器、虛擬兵力之間進行對抗，優點在于訓練組織快速高效、節約經費，可解決專業訓練問題及戰術訓練問題，但存在一定不足，主要是模擬器是對實裝操作環境的模擬仿真，大多對實裝操作環境進行了一定程度上的簡化，因此操作人員的感官體驗與實裝相比還有一定差距；采用實兵實裝進行對抗訓練，對訓練場地要求較高、訓練成本花費較大、組織較為復雜。選用何種技術，可將模擬訓練與實裝訓練的優勢進行結合，將是訓練研究的重點。

基于以上考慮，擬采用增強現實(AR)技術，立足于坦克實虛對抗訓練環境，設計坦克實虛對抗訓練系統，該設計能夠滿足在坦克實裝環境下乘員可對虛擬裝備進行觀察、交互對抗，從而有效解決實虛對抗中的交互問題，即在坦克實裝中，車內乘員可從視覺上觀察到虛擬對手，從而進行對應實裝操作，后期也可進行拓展研究，在坦克實裝中對研究成果進行具體實現。

2 增強現實(AR)技術

增強現實技術(augmented reality，AR)，主要是基于相關軟件技術及硬件設備，將虛擬對象疊加到現實場景中，實現虛實結合展現效果[1]。增強現實技術當前已應用到制造業、娛樂業等多個行業，在相關行業中發揮了重要作用。

增強現實具有3個突出的特點[2]：真實世界和虛擬對象的集成；具有實時交互性，即操作人員可與虛擬對象進行交互互動；可在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。如圖1所示[3]，使用增強現實技術進行人員信息顯示。

圖1 基于增強現實技術的人員信息展現情景圖Fig.1 Personnel information display based on AR technology

基于以上增強現實技術的特點及優勢，可將增強現實技術應用到坦克實虛對抗系統設計中，即坦克操作人員在實裝坦克中，通過增強現實技術，可視化觀察車外環境中出現的虛擬對手，從而基于此視景條件驅動對抗的實施。

3 基于實裝坦克的對抗訓練系統設計

方案設計重點研究的是實裝坦克車內實虛交互問題(包括視景交互及對抗交互)，可分為坦克乘員操作環境硬件系統和軟件系統。

3.1 硬件部分

設計中考慮為每一名坦克乘員實裝操作環境配置硬件裝置，包括駕駛員、射擊手、車輛指揮員3類乘員[4]，由一套硬件組成，該套硬件包括高性能手持計算終端、高清攝像頭、定制化顯示屏。

高性能手持計算終端充當計算機使用，類型可選用高性能平板、高性能手機終端等，要求在于小巧、簡易、計算性能高，可安裝固定在駕駛員、射擊手、車輛指揮員工作位置處，在終端上可運行軟件系統；高清攝像頭與手持計算終端相連，攝像頭安裝在駕駛員、射擊手、車輛指揮員操作環境外置觀察鏡位置，用來實時獲取駕駛員、射擊手、車輛指揮員應該能觀察到的車外實景圖像；定制化顯示屏與手持計算終端連接，定制化顯示屏充當計算機顯示器使用，從而組成了一套小型計算機系統，定制化顯示屏的設計需要充分考慮坦克乘員觀察鏡的外型及大小，即顯示屏模擬乘員觀察鏡，乘員通過觀察顯示屏，即可獲取與使用觀察鏡進行觀察同樣的視景觀察效果。

在高性能手持計算終端上運行三維視景系統，系統的設計是攝像頭實時捕捉實地場景，再基于增強現實技術，實地場景上疊加上虛擬對抗對象，從而實現虛擬兵力在視景中的顯示，效果如圖2所示。

圖2 三維視景系統顯示效果(圖中的坦克為虛擬生成)Fig.2 The display effect of 3D visual system (The tank in the figure is a virtual tank)

如圖5所示，背景地形是攝像頭實時捕捉到的實景，場景中的3輛坦克，是虛擬生成的，疊加在實景上，實現場景的虛實結合顯示。

駕駛員、射擊手、車輛指揮員的定制化顯示屏需進行設計，即駕駛員的顯示屏設計成駕駛員觀測處觀察鏡的大小，可固定覆蓋在觀察鏡上，從而將顯示屏顯示的圖像提供給訓練人員使用；射擊手、車輛指揮員顯示屏的設計，與駕駛員一致，區別在于把顯示屏設計為圓形形狀，即與射擊手、車輛指揮員觀測處觀察鏡大小、形狀一致，覆蓋觀察鏡即可。具體硬件設備的連接關系如圖3～圖5所示。

圖3 駕駛員硬件設計框圖Fig.3 The hardware design of driver

圖4 射擊手、車輛指揮員觀察處設計框圖Fig.4 The hardware design of shooter and commander

圖5 某型坦克駕駛員硬件安裝位置設計示意圖Fig.5 The design of hardware installation position of a tank driver

射擊手、車輛指揮員安裝位置與駕駛員類似，區別在于設備安裝在射擊手、車輛指揮員觀測位置處。

以上具體硬件的安裝位置，需要與具體型號坦克中乘員的操作位置一致，不同型號坦克操作位置會有所區別，需要根據具體情況進行動態調整。

3.2 軟件部分

軟件部分主要是運行在手持計算終端中的三維視景系統，該系統主要是基于增強現實技術進行開發，功能包括兩個方面，一方面為實時展現實景與虛擬對象疊加的效果，另一方面計算實裝坦克對虛擬對象的射擊毀傷效果。

實時展現現實場景與虛擬對象的疊加效果，主要是將攝像頭獲取的實景及AR生成的虛擬對象進行融合展現，從而呈現出虛實結合的效果。效果如圖6所示。

圖6 AR效果(場景中的直升機及人員為虛擬對象)圖Fig.6 The effect of AR(The helicopter and personnel in the scene are virtual objects)

計算坦克對虛擬對象的射擊毀傷效果，主要是基于坦克操作人員的操作信息及坦克及炮塔的位置、姿態信息，及虛擬對象的位置、姿態信息，構建相關射擊計算模型，可計算出彈著點的位置，并根據虛擬對象的類型、材質等，計算出實裝坦克對虛擬對象的射擊毀傷效果，從而計算出交互結果[5]。

當前基于增強現實技術的開發，大多采用相關三維圖形引擎進行開發，包括應用較為廣泛的Unity3D、虛幻4等三維圖形引擎，另從運行環境考慮，當前手持終端(包括手機及平板等)大多運行的是安卓系統、IOS系統、Windows系統等[6]，因此需要充分結合運行環境、運行效果、開發難易程度、開發成本等要求選取合適的三維圖形引擎工具進行開發。

4 工程實現考慮

上述設計，從理論層面，具備可行性，從工程實踐角度考慮，還存在難點需要突破，尤其是基于實虛的對抗訓練，很多是在野外大空間中實施的，這就有其特殊性，工程層面需要關注的問題如下：

4.1 AR技術中虛擬對象實景遮擋問題

基于AR技術，借助相關軟件及硬件外設，可以實現虛擬對象的可視化呈現，但虛擬對象疊加在實景中，存在遮擋問題。

遮擋主要包括兩類，一類為實景對虛擬對象的遮擋，一類為虛擬對象對實景的遮擋。實景對虛擬對象的遮擋，如一臺虛擬坦克，放置在場景中，由于位置不同，理論上實物會對其造成遮擋，如樹木會對其造成遮擋，房屋會對其造成遮擋，這樣呈現的效果，從坦克操作人員觀察角度考慮，應該呈現出遮擋部分看不見、未遮擋部分能夠看見的效果，這也是虛實對抗視景效果體現逼真性的要求，效果如圖7所示[7]。

圖7 遮擋效果(圖中小貓為虛擬對象， 右側圖展現的是小貓被床遮擋產生的效果)圖Fig.7 The effect of shelter(The cat in the scene is a virtual object，the picture on the right shows the effect of the cat covered by the bed)

當前從技術成熟角度考慮，AR遮擋目前在小空間環境中已實現、已成熟，如在一個小房間中，房間中有辦公桌椅，虛擬對象在小房間中即可呈現出桌椅對它的遮擋效果，而在大空間中，尤其是野外大空間中，目前技術上還不夠成熟，在野外的遮擋目前實現效果還不夠好[8]。

4.2 AR技術中虛擬對象空間定位問題

在虛實對抗中，實裝和虛擬對象的空間定位問題較為重要，AR技術是將虛擬對象疊加在實景中，這就需要AR中的實景空間位置和虛擬空間位置是統一、一致的，這樣才可實現實虛的交互，即實裝可感知虛擬對象的位置，并可對其進行射擊，根據空間位置關系及射擊信息，可計算出射擊毀傷效果，虛擬空間存在同樣的問題，虛擬對象也可感知實裝的位置，并對其進行射擊并計算射擊效果，如果空間位置關系不一致，上述交互問題則無法正確計算。

當前AR技術中，小空間內的虛實位置關系已有成熟解決方案，但在野外大空間中，實虛位置關系的實現還存在技術難題，尤其是野外地形環境復雜，地物類型多樣，地貌起伏變化大，在上述野外大空間環境下的定位問題，目前在工程實踐中，還存在技術難題，這也是下一步AR技術研究的熱點和重點。

4.3 虛擬對象與實景地形的匹配問題

虛擬對象出現在現實實景中，需要進行地形匹配，如虛擬坦克出現在地形中，坦克的位置、姿態均需要與地形進行匹配融合，需要根據地形的起伏，調整坦克的姿態，這樣從視覺效果上，展現才更加逼真，增加對抗訓練的沉浸感，提升訓練人員的訓練熱情，若虛擬對象與地形不匹配，如虛擬坦克漂浮在空中，這樣從視覺效果上來看，訓練營造的視景環境逼真性較差，也很難達到預期訓練效果[9-10]。

上述問題，也是AR技術的研究熱點及難點，尤其在野外大空間環境中，虛擬對象與地形的匹配融合，目前成熟度上還有提升的空間。

4.4 實裝坦克中硬件環境構設問題

基于坦克實裝進行實虛對抗，需要在實裝坦克安裝相關外設，在實裝中構設相關硬件環境，根據實裝相關管理操作要求，不能進行大規模改造，尤其是不能破壞或調整實裝已有布設的硬件環境，這就需要構設操作環境時，要求簡易、易拆裝，另外由于坦克實裝中人員操作空間較狹小，這也要求相關硬件外設小巧、靈活。

但從工程實現角度考慮，一方面需要保證實裝環境中的布設要求，另外也需要考慮運行系統的要求，即運行系統對硬件設備有性能要求，設備性能不達標，系統也無法正常穩定運行。基于以上考慮，可選用小巧、性能較高的手持計算設備，如手持平板或手機等設備，支撐系統的穩定運行，另從運行時間考慮，還需要準備移動式電源，可確保系統順利支撐訓練。

5 結論

本文基于增強現實技術(AR技術)，對基于坦克實裝的訓練方式進行設計、拓展，即訓練人員在坦克實裝中可實施虛實對抗，一方面節約了訓練成本，另一方面也拓展了訓練內容，即可構建出貼近實戰的虛擬訓練戰場環境，訓練人員在該環境中進行訓練，有效提升訓練效益。基于以上研究，可進一步拓展，一方面基于AR技術、網絡信息交互技術等構建多裝備、多兵種的互聯訓練環境，在統一的訓練環境中進行集成戰術訓練，有效提升訓練人員的配合意識及戰術協同意識，另一方面在實裝中的操作設備上安裝布設傳感器設備，操作人員通過操作設備將傳感信息反饋到虛擬環境中的裝備控制上，從而產生更加逼真、沉浸式的訓練效果。