虚拟现实技术的军事应用

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(VirtualWorld)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(SimulationNetwork)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