虚拟现实技术的军事应用

张卫华 杨曙光（工程兵指挥学院江苏徐州）

摘要：阐述VR技术的内涵与特点、简述了其构成与关键技术，并从军事教育训练、作战模拟、作战分析研究、作战任务保障与评估等四个方面着重介绍了其军事应用。

关键词： 虚拟现实 仿真 虚拟环境 军事应用

1内涵与特点

虚拟现实简称VR或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，可以是构想中的世界，用户可借助视觉、 听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。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， 并通过头盔显示器（HMD）、 数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测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。

2构成与关键技术

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： 1）高性能计算机系统；2）虚拟环境生成器； 3）计算机网络；4）三维视景图像生成及立体显示系统；5）立体音响生成与扬声系统；6）力反馈触觉系统；7）人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统；8）人机接口界面；9）各种数据库（地形地貌、 地理信息、 图像纹理、 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）；10）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。故而提高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，像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，主要是网络技术、信息压缩与数据融合和系统集成技术等三方面提出更高的要求

3军事应用

VR技术的发展源于航天和军事部门，最新技术成果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。

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。

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， 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。

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。

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。

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。

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。

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