虚拟现实技术的军事运用

虚拟现实技术的军事应用

蒋庆全

摘要：虚拟现实(VirtualReality－VR)技术属于国防高科技发展的重要领域，迄今已成为开发研制大型军事电子信息系统、复杂武器装备、作战环境下多武器平台和体系对抗的重要开具，VR技术作为人类认识客观世界和改造客观世界的有效手段正日趋发挥着重要的作用。本文扼要阐述VR技术的内涵与特点、构成与关键技术及其军事应用。

关键词：虚拟现实 仿真 虚拟环境 军事应用

1 内涵与特点[1－2]

虚拟现实或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔式显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测虚拟世界并与该虚拟世界交互的三维界面。使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。因而VR被誉为人机接口技术的一场深刻革命。它同时具有沉浸性(immersion)、交互性(interation)和构想性(imagination)。研究和开发VR技术的根本目的旨在扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。利用VR技术的手段，突破现有技术手段的局限。手段愈高明，愈能使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”

的感受，从而提高人类认知的广度与深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”，提高人类认识客观世界的“方法空间”，并尽量使其两者相一致。最终达到更本质地反映客观世界的实质。从某种意义上说，VR技术是仿真技术的高级发展与突破。VR技术最适合于系统仿真，是仿真技术的发展方向。

VR技术是系统仿真中新兴技术之一。它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术，它采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉。对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。采用此项新技术，参与者使用硬件，如键盘、数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、超声波头部跟踪器、头盔式显示器、立体护目镜、音响、耳机、语音识别数据服以获得所需的感知，来体验计算机世界境况。

在展望未来的新兴技术中，最深奥玄妙的要算虚拟现实技术。VR并不是一幅图象、画面或一种声音，而是一种“体验”，对从未体验过的人而言，可将其解释为把人置身于一个全由计算机虚构的世界中去的一种手段。亦有人将其定义为“局部或全部由计算机生成的多维经验，由参与人员接受后，认识客观事物”。实际上VR属于一种特殊设计的信息数据库，它可将数据库转换成可视化的三维视觉显示图象。利用这些数据描述二维或三维的图形与图象，构成三维的虚拟世界。飞行员或战士在此种虚拟环境中，有身临其境的真实感。这也是多媒体技术在飞行模拟器中获得应用。VR是继多媒体后又一个在计算机界引起广泛关注的研究热点，它是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。与其他高新技术一样，客观需求是促进VR技术发展的巨大动力，这些需求来自军事作战模拟、航空航天仿真、仿真建模、计算机辅助设计(CAD)、可视化计算、遥控机器人、计算机动画特技等。其共同的需求是建立一个比现有计算机系统更为直观的输入输出系统，能与各种传感器相连，更为友好生动和谐的人机界面，人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，具有交互效能的多维化信息环境。总之，VR是一种表现形态生动灵活的技术。VR是信息科学领域中

的新兴技术，它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景，目前正引起多个学科领域的高度关注。美国国防部打算在近4年内至少投资5亿美元建立VR仿真器。

2 构成与关键技术[1－2]

2.1 构成

虚拟现实系统是一种由计算机局部或全部生成的多维虚拟感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、手感、触感、味觉及嗅觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受并认识客观世界中的客观事物。VR环境系统包括建模、控制及媒体数据源三大部分。三维立体显示是其中一项必不可缺少的关键设备，它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。虚拟现实系统可由如下各部分构成：

·高性能计算机系统

·虚拟环境生成器

·计算机网络

·三维视景图象生成及立体显示系统

·立体音响生成与扬声系统

·力反馈触觉系统

·人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统

·人机接口界面

·各种数据库(地形地貌、地理信息、图象纹理、气动数据、武器性能参数、导航数据、气象数据、背景干扰及通用模型等)

·软件支撑环境

2.2 关键技术

与传统的信息系统相比，VR系统属于一种新型多维化人机和谐的信息系统。在此种VR系统内，人们感受到的最突出的特点是其沉浸性、交互性和构想性。为实现这种新型的信息处理系统，当然要解决众多技术难题，并且人们对沉浸性、交互性和构想性的需求日趋增高。根据现有的认识，为实现这一目标，至少应重点提高如下3项关键技术的水平。

2.2.1 提高“身临其境”的沉浸感

VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。为要逼真地模拟视觉功能，在很大程度上是依赖于VR技术的图象处理和理解能力，图象处理的质量愈高，图象处理的速度愈快，图象识别的能力愈强，系统的理解能力愈完善，系统的视觉沉浸感便愈佳。视觉是提高沉浸感的重要因素，但并非是唯一的因素。人们曾预言，听觉可能是VR技术中最先达到逼真程度的领域，触觉是一个刚起步研究与试验的领域，而嗅觉与味觉还属于一个尚未实质性地开展研究的领域。故提高VR系统的沉浸感，尚需进行大量艰苦性的工作。

2.2.2 开发高性能的传感器

VR的交互性是达到人机和谐之关键，其性能优劣在很大程度上取决于计算机相连的高

性能传感器及其相应的软件。

为与虚拟环境发生交互作用，迄今已研制出多种传感设备，象上述所提到的鼠标器、数据手套、跟踪球和超声波头部跟踪器等，每一种传感设备都各有千秋，选用时要注意扬长避短。目前正针对VR系统的需求研制一些性能更为完善的传感器。如用红外或其他光学方法跟踪眼睛的活动，当知道人的眼睛正注视何处时，便可用其实现某些控制了。目前这些新型的传感设备尚未成熟，人们正通过研制新材料、新结构、新工艺或新的控制机理，以提高其性能，这是当前VR技术中颇为活跃的一部分研究工作。

2.2.3 研制高性能的计算机

VR的构想性是辅助人类进行创造性思维的基础。高性能计算机是构建VR系统的“基石”，是对多维信息进行处理的“加工厂”，是实现各种软硬设备的集成及控制人机协调一致的“工作平台”。未来VR技术的发展必将会对计算机的性能提出更高的要求，主要是如下3个方面：网络技术、信息压缩与数据融合和系统集成技术。

(1)网络技术

从计算机技术的角度分析未来的VR系统的特点，它将是一个交互、分布、实时和多维化信息的处理系统。故一个能简便地进行交互存取的分布式多维化信息网络便成为实现VR系统之关键技术。随着VR技术在网络上的推广与应用，数以亿万计的人们进入未来的网络，世界将变得愈来愈小，而人类的感知与认知能力将变得愈来愈强。

(2)信息压缩与数据融合技术

为使VR系统能实时地处理大量的多维化信息，一方面应尽量提高计算机的处理速度；另一方面亦应研究出更高效的信息压缩与数据融合的算法和技术。在VR系统中所进行观测活动状况下的图象处理，是基于交互作用的图象处理。故VR系统对图象处理便提出了更高的要求，不能将全部负担都压在计算机的硬件性能上，而应把研究新型、高效的数据压缩算法及研制专用数据压缩芯片作为关键技术予以突破。

(3)系统集成技术

在VR系统中存在由各种传感器所输出的数字和模拟信息，它们有用声、图、文的形式表示，也有用视觉、听觉、力感、触感、味觉、嗅觉的方式表达。在VR系统中存在着虚拟和真实的环境，在该环境中有虚拟的对象和真实的人。如何将这些多维化信息、来自虚拟和真实对象的信息进行综合集成，使之协调一致，是一项十分重要的关键技术，主要是靠VR系统中的核心即虚拟环境生成器来完成。

随着计算机技术，尤其是多媒体技术的迅猛发展，攻防对抗虚拟现实中的人工干预技术也必须得到长足的发展。通过计算机的文字、图形、图象、声音、视频及动画等多媒体的输入输出，将使攻防对抗虚拟现实中的人工干预更为逼真、形象、自然，产生身临其境的效果。如可通过动画的方式与虚拟现实进程同步展示战场的推演态势，通过语言、文字等形式提示参与者进行人工干预；参与者可借助语言形式向计算机发布命令，亦可通过触模屏模拟发射按钮的操作过程，对计算机进行人工干预等。由此可见，多媒体与VR的集成技术在攻防对抗中的广泛应用，亦是人工干预技术的发展方向。

3 军事应用

VR技术的发展源于航天和军事部门。VR之最新技术成果往往被率先应用于航天和军

事领域。21世纪军事科技的发展更依赖于VR技术，同时必将对VR技术提出日趋增高的要求。VR技术将为武器装备确定需求、设计、制作样机、批量生产，为部队的模拟训练、战备，为制定合成作战条令，为制定应急计划，为战后评估及战史分析等几乎全部军事活动提供一种一体化的作战环境。这将有助于从虚拟武器及战场顺利地过渡到真实武器与战场，VR技术对各种军事活动的影响将是极为深远的，有着极为广泛的军事应用前景。

迄今，VR技术在军事领域中正发挥着重要的作用，它被广泛应用于军事教育训练、作战模拟、作战分析研究、作战任务保障与评估及武器装备研制等领域。

3.1 军事教育训练

对军事人员的战略性规划、作战和预算等方面的培训是VR的一个普遍应用领域。讨论式VR和途径式VR通常由作战指挥学院及军事指挥部门用来提高军事人员认识和理解能力。美国海军和空军对新兴的VR系统的研究尤为积极。其中CyberView便是用于美国海军战斗机飞行员训练的一种虚拟环境系统。这种系统主要为飞行员提供大规模的态势强化训练，而且系统能向飞行员直观地展示出飞行错误，并允许飞行员以更佳的状态重新飞行。这样可使战斗决策者能完成战术决策的对比研究以优化战斗效果，并为军事自动化演习提供试验台。SIMNET(Simulation Network)是从1982年开始由美国高级研究计划局与陆军联合开发的。SIMNET的核心是管理、指挥和控制接口，由一个计算机主机平台相连的网络群组成，其中包括与虚拟战术作战中心的参谋监视控制的联网。最初是用来训练坦克群，主要目的是降低训练费用，同时增强安全性，减少环境破坏(是指火力攻击及坦克行驶轨迹对训练场地的破坏)。SIMNET联结了包括美军和德军在内的两百多台坦克模拟仿真器。每台模拟仿真器作为计算机网络上的一个节点，这些分布式节点通过局域网(LAN)和广域网(WAN)连接在一起。亦可通过卫星以远程网络方式连接在一起。假如将装甲兵、机械化步兵、直升机和诸如A—10S和F—16S固定翼飞机以及野战集团军防空发射阵地临

时接入网络，则立即可使用高逼真度视听方法参加相互的军事演习。借助于多模拟仿真器的节点连接，班长可在各种VR战场中以相互对抗和以敌我双方部队对抗的方式训练其部队。

利用建立在网络基础上的分布式VR系统可建立一个“虚拟教室”。在该虚拟教室中，包括控制台、键盘和显示设备的学员站相互联系并与教员站联网，各参与者都处于虚拟的战场环境之中。在分布式虚拟现实系统工作时，多兵种的合成训练最能发挥其特长。如在陆军作战中，装甲兵、机械化步兵、武装直升机和固定翼飞机以及野战集团军防空发射阵地等进入分布式虚拟现实系统后，可在高度逼真视听的虚拟环境中参与相互对抗的军事演习。由于VR技术具有特殊的“进入”功能，故VR系统不仅是战场仿真中颇为有效的训练工具，而且还可利用它建立一种强有力的多兵种合成指挥系统。在战争对策虚拟现实环境中利用大规模并行处理机的建模与仿真技术，可精确地重现战区作战态势，逼真地模拟仿真战场环境，并且增强预见性，高精度地使未预料的战术、战略进展提前发生。这样便可利用VR技术开发应用于空陆作战的战略/战术任务计划和支援系统。目前，美军正计划开发空军的任务支援系统(AFMSS)和海军的特种作战部队计划和演习系统(SOFPARS)。

采用作战VR系统进行军事训练主要包括对高、中、低级指挥员的指挥、谋略、决策水平研究；单兵和群体技能水平的训练等。雷达侦察干扰/无源干扰训练模拟仿真器，可逼真地对电子战军官及操作手进行操作方面的训练，提高受训人员的操作水平，可训练电子战人员在实战情况下的反应能力，提高受训人员在作战时的心理素质。作为军事院校的一种辅助教学的手段，这无疑是一种解决学员上机操作的好方法。某些电子设备使用寿命较短，不宜进行长时间大量操作，此时使用VR训练设备有其独特的优点。

3.2 作战模拟

目前，随着科学技术的飞速发展，军事作战模拟仿真技术出现了新的飞跃。通常作战模拟分为实地军事演习、现场实验、沙盘作业、图上作业、战争对策、计算机模拟仿真和分析模拟仿真。其中计算机作战模拟仿真运算速度快、准确、科学、可靠性强、损耗代价小，是一种崭新的模拟仿真方式。因此，VR技术作为一种最新的计算机人机交互技术，首当其冲应该用于军事作战模拟领域。这不仅为研究战争问题、作战的指挥和训练提供了科学方法，使研究的进程更为逼真接近实战，而且使研究结果可信，有利于作战指挥艺术和作战技能的提高。

用于研究、分析、训练及教学的军事行动的仿真，以加深对现代战争的理解。它包括让人们在一个实际或假想的情况下在信息处理或决策任务方面通过使用规则、数据和过程来指导军事行动。实践证明，人类对基于图象、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。将VR技术引入作战系统仿真的各个阶段，将使模型的建立和验证更为简便。它能逼真地显示虚拟战场和作战过程，供军事专家制定合适的作战方案，还能模拟决策的过程，向参与者解释系统的行为机制，受到了作战指挥人员的普遍欢迎。现代化作战系统VR实验室的任务是对作战系统的战术和运行环境进行仿真。现代战争的明显发展趋势是：在高层决策制定过程中日趋强调VR的应用。当前对军事作战系统分析的发展可产生变革作用的一种技术，便是VR战场技术与分布式网络交互作用仿真。

美国麻省理工学院媒体实验室(Media Lab)已实现了一个作战规划的虚拟环境，可仿真战场上各种复杂的战况。对于战术型攻击训练的仿真器，则更是VR技术广泛应用的天地。如军用飞机飞行和空战的仿真器，再如海军中鱼雷快艇攻击，对海上目标或陆上目标的火炮与导弹射击，以及陆军用坦克驾驶和以目标的攻击，对空中目标的高射炮攻击，反坦克有线制导导弹的攻击，甚至陆军的轻武器射击等，均可使用头盔式显示器或视频眼镜获得逼真的实战效果。通过该类三维显示装置，使人“沉浸”到一个实际的战场中，加上立体声音响和一个三维/六维运动平台，可创造出有声有色的逼真虚拟战场环境。

美国加州蒙特雷(Monterey)的海军研究院在SGI工作站(240VGX，内存64MB，每秒可画1兆个三角形)，用6年时间开发出一个虚拟现实环境，其中包括：FOG－M导弹模拟器、VEH飞行模拟器、可移动平台模拟器及自动水下运输模拟器等。用该虚拟现实环境能显示飞行器在地面和空中的运动，展现地面建筑、道路及地表等景象，参与者可选取各种车辆和飞行器(多达500种)，并能控制其6个自由度。根据虚拟实景的复杂程度及地形地貌特征，其速度可达6帧/秒、9帧/秒。该虚拟现实系统的研究目的旨在使远程的、有危险的环境成为可见，并可使参与者能与其进行交互操作。

指挥所演习包括指挥员及其下属参谋、以及指挥所内部和指挥所之间的通信，该类VR通常侧重于作战程度。按照真实的作战指挥所生成虚拟的作战指挥机构，然后使用遥视技术将各个战位上的指挥人员和各个战场的情况集成到该研讨厅内，让决策者在该虚拟环境中共同进行战略、战术的研究，预测其效果、评估其效能、找出其缺陷、启发新的作战指挥思想。采用分布式体系结构的虚拟现实战场技术，能为武器装备研制、作战试验、战略战术研究和人员培训提供极有价值而又十分省钱的实践场所。此种三维图形图象库包括战场环境模拟仿真过程中的各种战场目标对象(如坦克、装甲车、导弹、舰艇和飞机等)作战场景、作战背景以及作战双方人员的图形图象。战场目标对象和作战场景通常是通过VR系统中的建模软件来实现的，并在模型上贴上真实图象(PhotoMapping)。作战背景主要是指天气变化，如雨、雾、雪、夜景和干扰等环境背景，这要通过虚拟现实的相关技术手段来实现。至于人员模拟，可采用图形建模或图象映射或通过两者结合来实现。有了三维图形图象库，参与者便可真实地进入战场。三维图形图象库的使用与虚拟现实系统的设备密切相关。同样的设备，三维图象愈详细，VR现实系统目标对象的运动便愈慢。故选取合适的图象分辨率来获得最优效果至关重要。

3.3 作战分析研究

为分析问题，军事界广泛采用VR技术。在战略、战役和战术层次上，利用VR和作战模拟来评估作战进程及战果(以支持分析战后或正进行的战斗)；度量武器系统的效能；为采办规划、计划和预算提供预测；同时亦为试验和鉴定提供一个实验性的环境。作战模拟更趋向于高层次的作战，特别是联合作战的兵力计划、运动和使用等方面。作战模拟经常提供兵力部署的程序、后勤和作战的协调、复杂环境下武器系统的使用以及防御设施的需求的见解。另一方面，VR更多地用于特殊的作战分析，如特殊的作战类型和武器系统分析，并提供了一个可进行重复试验的，允许应用统计方法度量的实验环境。

作战指挥控制系统是按时间顺序仿真武器系统自搜索雷达检测目标到发射导弹直至摧毁目标的全过程。指挥控制系统通常由信息采集、数据传输、数据处理和数据显示等4个分系统组成。指挥控制系统仿真用于研究系统在特定条件攻击特定目标的有效性、响应时间，研究指挥员的决策预案，优化操作程序，研究作战软件，并对多目标情况下多武器协同作战进行决策方案分析。采用VR技术指挥控制作战系统的仿真，其过程如下：

(1)信息采集系统采用战场文书采集方式，直接从作战现场获取有关数据，避免人工干预造成的失真。

(2)作战模拟对无法采集的数据，则借助作战模型，在战术原则指导下，利用VR技术来模拟生成，供指挥员查询及仿真应用。

(3)决策支持通过VR技术建立虚拟的战区地形、气象、海况、战场态势及敌我双方军事实力对比，为指挥员提供决策依据。

(4)辅助决策指挥员在VR中进行交互操作，VR系统根据输入的作战方案和摧毁概率进行演示，并向指挥员推荐优选的作战方案。

(5)决策评估借助VR系统对指挥员制定的诸种作战方案进行定性和定量分析，提出合理的评估意见，并给出必要的说明。VR技术还可与军事欺骗相结合，即在战场中适时地将虚拟信息(如虚拟的部队军事行动、交战场面及作战方案等)“注入”敌方的指挥控制系统，使敌误认虚为实，造成敌方混乱。

3.4 作战任务保障与评估

VR在作战任务保障与评估中的应用具有颇为乐观的发展前景。作战任务演练或进行试验都需要使用可重视环境和运载工具的仿真器，这样就能使人员通过熟悉可能遇到的情况、逼真的目标以及有关的不确定情况、恶劣的环境和对抗的敌人，来提高完成作战任务的可能性。任务演练可用来试验作战概念，或可形成一项训练规范。对于给定的一支能在任何地方、任何地形、面对任何类型敌人或威胁系统，而且没有在本地进行过先期训练便需要进行作战的部队，任务演练系统能发挥重要的作用。在后勤保障中，则可对各种弹药、油料、武器库存量及后勤物资供应状况进行分析和模拟。可增多系统集成的经验，空军、陆军和海军可在各种评估技术创新效果的规划中使用VR方法。