虛擬現實技術在軍事訓練中的應用及發(fā)展前景

1、-. z.虛擬現實技術在軍事訓練中的應用及未來開展前景一、綜述虛擬現實技術Virtual Reality，簡稱VR是一系列高新技術如計算機軟件、硬件、圖形學、多媒體、人工智能、智能人機接口、傳感器、高性能計算技術以及人類行為學、心理學等多領域最新技術的聚集與融合。它是建立在自動控制技術、計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術、傳感器技術及人工智能技術根底之上，本質上是一種在系統(tǒng)仿真技術的根底之上開展起來的高級接口技術，但是它與仿真技術有明顯的區(qū)別。虛擬現實的目的是為人與實際環(huán)境之間接的交互提供一種自然的、方便的界面，即所謂的虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境可以給人一種進入真實環(huán)境的效果，人可

2、以與虛擬環(huán)境交互，通過改變虛擬環(huán)境，進而實現改變實際環(huán)境的目的。像IT界其他高新技術一樣，比方計算機、Internet等，這些新技術不僅是首先應用于軍事領域，同時軍事領域的應用需求與研究也是這些技術逐步開展成熟的決定性推動力量， VR技術也不例外，在軍事訓練準備中發(fā)揮著越來越重要的作用。下面就對虛擬現實技術在軍事訓練中的應用和開展前景做簡要的分析。二、虛擬現實技術特點1.對于一個人造的環(huán)境，人需要有參與的感覺，不能只是此環(huán)境的外部觀察者，人要對虛擬現實技術中的武器裝備進展自主操作，在虛擬技術中掌握武器裝備的使用方法。2.虛擬現實依賴于3維立體的、頭跟蹤的顯示，以及手身體跟蹤和雙耳聲音，虛擬現實

3、是一種有臨場感的多傳感的體驗，給人以身臨戰(zhàn)場的真實感覺。 3.虛擬現實技術中的場景與實際作戰(zhàn)場景的地形和標志物相似，可以使作戰(zhàn)人員提前適應戰(zhàn)場環(huán)境。 4.虛擬現實技術中設計各種突發(fā)事件，增強士兵處理突發(fā)事件的能力，培養(yǎng)作戰(zhàn)小分隊的團結協(xié)作能力。三、在軍事訓練中的應用一在新式武器研究方面在新式武器與裝備的研制和應用上，軍事模擬也可以得到很大的效益。比方，在美國國防部測繪局在1995年8月到9月北約對波黑進展大規(guī)模空襲期間，曾在意大利的空軍基地建立一個作戰(zhàn)模擬設施，利用偵察衛(wèi)星拍攝的高分辨率圖像與測繪據提供的波黑地區(qū)的數字地圖相結合，通過作戰(zhàn)模擬所產生的靈境環(huán)境，模擬戰(zhàn)斗機在波黑地區(qū)上空的飛行。經

4、過這個仿真環(huán)境的訓練，極提高了實戰(zhàn)的成功率和飛行員的適應性。二作戰(zhàn)訓練與人才培養(yǎng)方面這些方面的應用主要表達在以下幾個方面：首先是徹底檢查部隊的訓練戰(zhàn)略，更新傳統(tǒng)的訓練觀念，培養(yǎng)單兵或小圍作戰(zhàn)編組的作戰(zhàn)技能。這些仿真系統(tǒng)的準確性和逼真性得到了很大的提高,圖像的仿真程度也已經與實物、實景相差無幾。特別是訓練仿真系統(tǒng)具有在危險小、消耗低的條件下訓練出較強作戰(zhàn)技能部隊的特點,因此受到世界各國軍隊的極大重視。通過在模擬實驗室里進展訓練,部隊可無須進展實際操作就能理解現代戰(zhàn)爭的概念和流程,士兵在戰(zhàn)前就可確切知道他要完成什么樣的任務,從而提高完成任務的能力和增強完成任務的信心。而且,分散在各地的部隊無須集中

5、就能通過模擬器材一起訓練。從排到營的機械化分隊可演練協(xié)同作戰(zhàn),攻擊機可演練從不同基地起飛執(zhí)行同一任務,艦只可演練相互間的配合和策應,特種作戰(zhàn)部隊可反復演練預定作戰(zhàn)任務中的每個細節(jié)。此外,仿真模擬演練可在一定程度上代替大規(guī)模實兵演習,節(jié)省大筆經費。其次是研討開展趨勢。另外還有在過去成功的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)的根底上，繼續(xù)向一體化的、聯合作戰(zhàn)的模擬系統(tǒng)開展；更多的包含作戰(zhàn)模擬設施的作戰(zhàn)演習。以檢查部隊的訓練為例，現代化的科學技術已經允許軍隊以一種過去完全想象不到的方式來培訓戰(zhàn)術、戰(zhàn)役和戰(zhàn)略軍官了。在部隊訓練方面,模擬仿真技術同樣大有用武之地。目前,外軍的虛擬現實訓練技術已開展到相當水平。到上世紀80年代末

6、,美國陸軍訓練士兵還是采用野戰(zhàn)訓練和模擬訓練兩種方法。野戰(zhàn)訓練的主要問題是燃料、彈藥消耗大,場地、平安都有困難,組織大規(guī)模演習費時又費力,模擬訓練所用的模擬器可能比它所模擬的真實裝備還要貴。為了解決部隊訓練問題,美國國防部高級研究方案局1983年開場實施模擬器聯網方案,把分散在各地的訓練器用計算機聯成網絡,形成分布式交互仿真,實現異地聯通與互操作。(三 )作戰(zhàn)仿真模擬一般而言,作戰(zhàn)模擬可分為實地軍事演習、現場實驗、沙盤作業(yè)、圖上作業(yè)、戰(zhàn)爭對策、計算機模擬等幾種類型。采用虛擬現實技術不僅為研究戰(zhàn)爭提供了科學的方法,使研究的進程更加逼真、更加接近于實戰(zhàn),實現作戰(zhàn)過程的仿真模擬,而且使研究的結果更加

7、可信,從而有利于提高指揮藝術和作戰(zhàn)技能。計算機作戰(zhàn)模擬是把對抗的全過程構造組成和大局部規(guī)定事先編人計算機程序,然后用計算機語言描述戰(zhàn)斗過程,并用計算機進展處理的一種新型模擬方法。通過計算機作戰(zhàn)模擬,不僅可以在嚴謹的科學根底上對新的作戰(zhàn)理論原則、作戰(zhàn)行動規(guī)則進展多方位的論證,并通過模擬對抗,計算各軍、兵種部隊的攻防作戰(zhàn)能力,經過比擬挑出最正確作戰(zhàn)方案,而且可以使指揮員置于陸、海、空、天、電五維全方位的作戰(zhàn)空間,從而擺脫二維空間的思維枷鎖,使指揮藝術得到更充分的發(fā)揮,事實上,沙漠盾牌作戰(zhàn)方案的藍本就是出自部觀察90的計算機模擬演習。 (四)指揮決策仿真模擬虛擬現實技術運用于指揮決策模擬,主要是輔助

8、指揮員進展決策和指揮作戰(zhàn)。指揮員不僅能夠在虛擬的戰(zhàn)場上空飛行,視察傳感設備對敵方兵力部署等敵情、戰(zhàn)情的感知情況,而且還能看見位于敵方觀察點的部隊,通過多方位的觀察,可以進一步了解敵人當前的意圖,更清楚地展現我方智能搜索設備的盲區(qū)(如雷達盲區(qū))、電臺配置的具體細節(jié)、通信節(jié)點部署的實際地理環(huán)境特點等。此外,運用建立在網絡根底上的分布式虛擬現實系統(tǒng),還可以建立諸軍兵種合成指揮系統(tǒng)。在戰(zhàn)爭決策模擬中,利用大規(guī)模并行處理機的建模和模擬仿真技術,可以準確地再現戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)態(tài)勢,逼真地模擬戰(zhàn)場環(huán)境,并準確地預見未來戰(zhàn)術、戰(zhàn)略上的開展態(tài)勢,從而能夠為指揮決策提供盡可能接近實際的戰(zhàn)場情況,使指揮員能夠正確地指揮作戰(zhàn)

9、和進展戰(zhàn)略決策。(五) 信息網絡虛擬(欺騙)戰(zhàn)信息網絡虛擬(欺騙)戰(zhàn)是以計算機成像、電子顯示、話音識別和合成、傳感等技術為根底實施的信息欺騙。它通過信息網絡*一節(jié)點,把己方計算機與對方聯網,或戰(zhàn)前通過各種途徑將虛擬現實技術植入敵方的指揮控制信息系統(tǒng)中,把己方的虛擬信息即假情報、假決心、假部署傳輸給敵方,迷惑敵人,誘敵判斷失誤向敵指揮官和士兵發(fā)布敵方軍官假命令,使敵聽命是從,改變敵方指揮官的作戰(zhàn)意圖,使敵軍事行動陷入混亂。這種戰(zhàn)法能使敵方在三維聲像環(huán)境中,看到酷似實物的立體交戰(zhàn)圖像,使敵方產生錯覺,增大了欺騙的真實性。由于虛擬現實技術在軍事上能把承受者投放到一種逼真的、為作戰(zhàn)而設置的現實中,可以

10、模擬未來戰(zhàn)場各種復雜情況,從而使敵改變決心和部署。1994年4月,隨著美軍第一支數字化部隊的建立,美軍就開場著手運用虛擬現實技術進展模擬對抗性演習,并專門成立了虛擬現實技術欺騙戰(zhàn)研究小組,由其具體負責技術研制和試驗。四、國外虛擬現實技術研究現狀一國外虛擬現實技術研究現狀計算機的開展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導致了許多解決問題的新方法的產生。虛擬現實技術的產生與開展也同樣如此，概括的國外虛擬現實技術，它主要涉及到三個研究領域：通過計算圖形方式建立實時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。1.VR技術在美國的研究現狀美國是虛擬現實技術

11、研究的發(fā)源地，虛擬現實技術可以追溯到上世紀40年代。最初的研究應用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰(zhàn)后美國軍費的削減，這些技術逐步轉為民用，目前美國在該領域的根底研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。上世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫虛擬行星探索(VPE)的實驗方案?，FNASA已經建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并已經建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學的計算機系是進展VR研究最早最著名的大學。他們主

12、要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)。施樂公司研究中心在VR領域主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設計一項基于VR使得數據存取更容易的窗口系統(tǒng)。波音公司的波音777運輸機采用全無紙化設計，利用所開發(fā)的虛擬現實系統(tǒng)將虛擬環(huán)境疊加于真實環(huán)境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。圖形圖像處理技術和傳感器技術是以上VR工程的主要技術。就目前看，空間的動態(tài)性和時間的實時性是這項技術的最主要焦點。2.VR技術在歐洲的研究現狀在歐洲，英國在VR開發(fā)的*些方面，特別是在分布并

13、行處理、輔助設備(包括觸覺反應)設計和應用研究方面。在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發(fā)現，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的*些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。歐洲其它一些較興旺的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進展了VR的研究與應用。例如：瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個基于Uni*的，不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統(tǒng)。荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發(fā)的訓練和模擬系統(tǒng)，通過改良人機界面來改善現有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介

14、入模擬環(huán)境。德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產業(yè)方面，一是用于產品設計、降低本錢，防止新產品開發(fā)的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入開展。3.VR技術在日本的研究現狀日本的虛擬現實技術的開展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面做出了很大的成就。在東京技術學院精細和智

15、能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為Spmarnec公司開發(fā)了一種虛擬現實系統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來；日本工業(yè)和商業(yè)部產品科學研究院開發(fā)了一種采用*、Y記錄器的受力反應裝置；東京大學的高級科學研究中心的研究重點主要集中在遠程控制方面，他們最近的研究工程是可以使用戶控制遠程攝像系統(tǒng)和一個模擬人手的隨動機械人手臂的主從系統(tǒng)；東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克制當前顯示和交互作用技術的局限性；日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于2004年開發(fā)出一種嗅覺

16、模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現實技術在嗅覺研究領域的一項突破。二國虛擬現實技術研究現狀在我國虛擬現實技術的研究和一些興旺國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等技術的高速開展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注，研究與應用VR，建立虛擬環(huán)境!虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度開展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關工程，國許多研究機構和高校也都在進展虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。航空航天大學計算機系也是國最早進展VR研究、最有權威的單位

17、之一，其虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，可以提供實時三維動態(tài)數據庫、虛擬現實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現實系統(tǒng)、虛擬現實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發(fā)出局部硬件，并提出有關算法及實現方法。清華大學國家光盤工程研究中心所作的布達拉宮，采用了QuickTime技術，實現大全景VR制；大學CADCG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；工業(yè)大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音

18、和語調的同步等。五、虛擬現實技術在軍事訓練中的開展前景隨著虛擬現實技術在城市規(guī)劃、軍事等方面應用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統(tǒng)構建方法等方面，對虛擬現實技術都提出來更高的需求。為了滿足這些新的需求，近年來，虛擬現實相關技術研究遵循低本錢、高性能原則取得了快速開展，表現出一些新的特點和開展趨勢。主要表現在以下方面：(1)動態(tài)環(huán)境建模技術。虛擬環(huán)境的建立是VR技術的核心容，動態(tài)環(huán)境建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。(2)實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已比擬成熟，而關鍵是如何實時生成，在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高

19、刷新頻率將是今后重要的研究容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的開展，現有的虛擬設備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術。(3)適人化、智能化人機交互設備的研制。雖然頭盔和數據手套等設備能夠增強沉浸感，但在實際應用中，它們的效果并不好，并未到達沉浸交互的目的。采用人類最為自然的視覺、聽覺、觸覺和自然語言等作為交互的方式，會有效地提高虛擬現實的交互性效果。(4)大型網絡分布式虛擬現實的研究與應用。網絡虛擬現實是指多個用戶在一個基于網絡的計算機集合中，利用新型的人機交互設備介入計算機產生多維的、適用于用戶(即適人化)應用的、相關的虛擬情景環(huán)境。分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)除了滿足復雜虛擬環(huán)境計算的需求外，還應滿足分布式仿真與協(xié)同工作等應用對共享虛擬環(huán)境的自然需求。分布式虛擬現實系統(tǒng)必須支持系統(tǒng)中多個用戶、信息對象(實體)之間通過消息傳遞實現的交互。分布式虛擬現實可以看作是基于網絡的