技术原理

国外虚拟现实(VR)技术在军事领域的应用浅析

导读

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是当今世界前沿科学之一,自出现以来,国外经济发达国家一直将其列为国防高科技重点发展的关键技术,迄今已成为研发、生产大型而复杂的武器装备及军事教育训练的重要工具,在军事领域发挥着越来越大的作用。

虚拟现实是以计算机技术为核心,生成与现实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境。用户借助相关设备与虚拟环境中的对象进行交互,从而产生真实环境的感受和体验。目前,全球范围内VR较为知名的公司有Facebook-Oculus、Sony、HTC、Google、ANT⁃VRKIT,无论是哪家公司的产品,其以VR头显为呈现终端的系统结构类似,主要包括以下部分(如下图所示):

虚拟现实系统组成

虚拟现实系统各组成基本功能如下表所示:

虚拟现实系统组成

项目

功能

主机

主要负责对虚拟场景模型调用和用户命令的处理,是整个系统的中央处理模块

VR头显

它是系统的显示端,主要将建立的模型按照用户的需求和命令显示在两个镜片上

位置追踪器

在虚拟空间进行行走和动作

控制手柄

包含了多类型多量的传感器,以增强用户的多感官感受,脱离了通过键盘来实施虚拟场景或动作的改变

拍摄设备

主要负责拍摄全景视频,将其导入到模型库,用户调用时讲可以看到全方位立体的现场情况。现阶段生产的主要设备是全景相机

数据库

主要是用于存储模型,一般可以储存在主机内部

附属配件

包括各类数据连接线、充电线、音响、转换接头等

软件系统

利用各种3D模型构建和仿真计算软件来实施模型建立

资料来源:陆军工程大学

军事应用

VR技术在军事领域的应用研发工作已经开展了几十年之久,最早的VR技术研发就源于军事领域的运用。早在1968年,世界上就诞生了第一款头戴式VR产品—“达摩克里斯之剑”军用头盔显示器。近年来,随着VR技术快速发展,其在军事领域的应用范围大大拓展。目前VR技术在军事领域的应用主要体现在构建虚拟战场环境、单兵模拟训练、网络化作战训练、军事指挥人员训练、提高指挥决策能力、研制武器装备及进行网络信息战等方面。

VR技术在军事领域的应用

项目

功能

作战训练和虚拟武器装备操作训练

模拟不同的作战效果,从而像参加实战一样,锻炼和提高参训人员的战术动作水平、心理承受能力和战场应变能力

网络化作战训练

实现不同地域、相同环境的模拟协同作战训练

进行军事指挥人员训练

模拟合成出战场全景图,让受训指挥员通过传感器装置观察双方兵力部署和战场情况,以便判断、决策;对指挥决策人员提出的决策方案进行仿真分析,以便更好地为决策人员服务

武器装备的研制与开发

设计者可方便自如地介入系统建模和仿真实验全过程,让研制者和用户同时进入虚拟的作战环境中操作武器系统,检验设计方案和战技术性能指标及其操作的合理性

信息网络虚拟战

把己方的虚拟信息即假情报、假决心、假部署传输给敌方,迷惑敌人,诱敌判断失误;向敌指挥官和士兵发布敌方军官假命令,使敌军事行动陷入混乱

资料来源:市场调研

典型产品

1)虚拟现实军事训练系统(DSTS)

虚拟现实军事训练系统(DSTS)是美军2011推出的单兵训练的模拟系统,属于应用于作战训练的视觉模拟训练系统。DSTS的设计要旨是让士兵充分认识到自己的条件反射本能,产生在实际战场上进行战斗的感受。在一套标准的DSTS系统里,包含9个可穿戴设备、5个多功能工作站、1个半自动化控制工作站和1个战斗回顾工作站。在这套系统下,美军可以通过要求模拟各类战场环境,来训练士兵。

DSTS典型部署图

在显示终端方面,DSTS的虚拟现实头盔具有上下左右60度视角,可支持士兵以本人视角观察战场环境,配合耳机实现小队沟通与协同;在交互设备方面,DSTS基于绑定在身体各部位的惯性传感器,采集士兵各种姿势与动作,并同步至虚兵行动,从而实现虚实融合的协同与对抗,可支持9名士兵同时开展训练,在9平方米/人的空间中,通过仿真枪上的操纵杆与按钮实现虚拟移动;在计算设备方面,DSTS采用便携式背包电脑,降低了连接线对士兵动作的限制。

DSTS士兵装备

DSTS能模拟多种战场环境,并可通过回访功能观察士兵在训练中的表现。其半自动化控制工作站负责模拟控制,控制的要素无所不包,从战场上的时间到敌军来袭的方向。而战斗回顾工作站则负责记录了战场上发生的一切,从士兵说的每句话到每一次开火。


2)“龙”系统

“龙”系统是由美国海军实验室资助开发的应用于军事指挥人员训练的训练系统。“龙”系统已在演习与实战中得到检验与应用。该系统可以在72小时内,提供90×90km范围的数字地形数据(Digital Terrain Elevation Data,DTED)5级(1m)特征数据和图像特征。在作战之前,能够快速将复杂战场态势可视化,使指挥员及其参谋人员能灵活使用两维或者动态三维显示系统更有效地制定任务计划和演练,评估行动路线,保持态势的认知。同时还能够使士兵“看清”道路、树木、山地和水路等。该系统可以在工作台或头盔显示器等平台上运行,提供以地图为中心或以用户为中心的导航方式,以操纵杆提供人-机交互,操作和携带都非常方便。该系统曾经参与“猎人勇士”(Hunter Warrior AWE3)和“联合反雷”(Joint Counter Mine)等先进概念战术演习。

龙系统所展示的3D虚拟战场

3)“近战战术训练系统”(CCTT)

美陆军研制的CCTT是一个网络化作战模拟训练系统,投资近10亿美元,是美陆军第一个也是迄今为止最大的分布式交互模拟系统。该训练器的主承包商是洛克希德•马丁公司,从2002年开始陆续交付。该系统旨在为装甲兵、机械化步兵、骑兵、步兵和侦察员、部队和人员提供虚拟集体训练能力,以维持、提高军队的备战水平。主要培训内容包括全员模拟器、模拟指挥车、现场营指挥车、联合武装机动、广域安全战术任务,进行任务预演,加强现场训练。

它利用许多先进的主干光纤系统网络并结合分布式交互仿真,建立起虚拟作战环境,供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务。该系统通过局域网和广域网连接从韩国到欧洲大约65个工作站,各站之间可迅速传递模型和数据。


CCTT由计算机驱动的有人模块模拟器组成,还原近战部队中的车辆,包括M1“艾布拉姆斯”(Abrams)坦克、M2“布雷德利”(Bradley)战车、M3骑兵战车、“布雷德利”火力支援车(BFIST)、M113装甲人员输送车和重型高机动战术卡车和高机动多用途轮式车。

CCTT系统内场景

“近战战术训练器”系统有固定型和移动型两种。后者在工作期间是静止的,但能随时通过一级或二级公路转移到另外的训练地点,可在应急作战中与部队一起部署。美陆军使用“近战战术训练器”可用以进行诸兵种合成训练,是应用了新兴信息技术的最佳模拟训练手段。

CCTT两种系统

4)洞穴式自动虚拟系统(CAVE)

CAVE是雷神公司研制的由投影显示和硬件交互终端等感知器件组成的沉浸式虚拟现实显示系统。其通过融合高分辨率立体投影技术、多通道场景同步技术、音响技术、传感器技术,形成一个立体三维环绕影像虚拟环境系统。系统可用于设计导弹的弹身结构和内部元器件布局,实现高效可靠的产品设计。

雷神公司沉浸式设计中心的协作、互动与虚拟场景

没有采用CAVE之前,在导弹研制初期,雷神公司导弹设计人员通常会集中利用CAD等软件讨论交流设计方案,需花费大量时间进行人员组织、论证讨论、修正迭代。随着CAVE的推广运用,设计人员可异地在线进行导弹设计讨论或战场环境模拟,达到实时异地协同产品设计、体验目的。

此外,在工厂实际建设前,设计人员还可使用CAVE系统测试和验证导弹工厂各种要素,如生产单元布局、检测设备之间的安全距离等,从而降低建厂后调整改动的风险成本。

未来发展趋势

随着计算机信息技术尤其是网络技术的迅猛发展,外军基于VR技术的军事应用将呈现出新的发展变化。


1)着眼未来战场空间多元化,构建多维虚拟战场,提高部队联合作战能力

未来信息化战争中,战场空间呈现陆、海、空、天、电、心、高等多维发展的趋势,能否在复杂多变的多维空间中保持指挥信息的畅通,这已成为影响现代战争制胜的关键。为能尽快适应未来战场需要并掌握信息化战争的主动权,外军正逐步将VR技术同战争需求紧密相联,旨在提高部队在复杂多维的战场环境下的联合作战能力和情报获取能力。


2)集中模拟训练向分散模拟训练发展

目前,随着军事通信技术和计算机技术的快速发展,外军针对作战模拟训练提出了“分布式模拟”新概念,即分散模拟训练。主要是指作战模拟训练中心通过现代化通信技术,控制设置在不同地域的作战单位及各级指挥官处的模拟系统终端来实现不同地域、相同环境的模拟作战训练。


3)通信指挥控制与情报系统逐步纳入到模拟环境,进行“实战”的检验

在利用分布交互式模拟训练系统的训练中,可使用与战时相同的通信装备和侦察报知器材,对武器系统、通信系统、人的素质和指挥艺术进行“一体化”检验,从而使训练更加“近似”实战。


4)努力将VR技术与作战、反恐和心理训练紧密结合,以求迅速提高部队快速反应能力、打击能力和对战场的心理承受及恢复、适应能力

小结

在近年来的几场局部战争中,美军官兵都体现了良好的指挥和阅读战争的能力,这与他们长期坚持的近似实战的高水平VR模拟训练密切相关。我国VR技术研究起步较晚、时间较短,但发展迅速,尤其是在商业领域及各高校均有研究应用,在军事领域虽有一定应用,总体来说相对滞后。因此,深入跟踪研究外军VR技术前沿动态、自主发展我国VR技术是十分必要并且形势迫切的。

主要参考资料

1.Modern Marvels:Simulators Based on History Channel 50 Minute Program

2.Close Combat Tactical Trainer(CCTT)Post Deployment Software Support(PDSS)

3.Training Capability Data for Dismounted Soldier Training System

4.外军坦克模拟训练装备纵览_谢薇

5.虚拟现实技术在美军模拟训练中的应用现状及发展_安兴

6.虚拟现实系统_VR_在军事装备教学中的运用研究_亢昭

7.VR技术的军事化运用浅探_骆书阳

8.虚拟军事:谈笑间灰飞烟灭

9.美军虚拟现实技术发展及其应用

END

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