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虚拟现实技术及其在军事中的应用
2010年3月16日    评论:    分享:

  王吉奎(解放军理工大学气象学院16 南京 211101

    范茵  (解放军理工大学气象学院电子信息工程系 南京 211101

    李骞  (解放军理工大学气象学院16 南京 211101

 

    摘 要:近年来,虚拟现实技术迅速发展。由于这种技术的优势,使它在军事中的应用越来越广泛,本文介绍了虚拟现实技术并结合实际军事训练及战争介绍了虚拟现实技术在军事中的应用。

 

    引言

 

    实地的真实训练目前在部队中仍占主要地位,但它有许多缺陷。随着科学技术的发展,虚拟现实Virtual Reality)技术已经渗透进了军事生活的各个方面,并开始在军事领域中发挥着越来越大的作用。一名参加了伊拉克战争的美军人员说:所有与伊拉克相关的东西都与训练时相似……,这仅仅是训练而已。

 

    1虚拟现实技术

 

    1.1虚拟现实的定义

 

    到目前为止,还没有一个公认的虚拟现实的定义,计算机图形学的奠基者Sutherland博士给出了虚拟现实概念的经典描述:

 

    1)计算机生成的模型世界,给人们提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激。

 

    2)计算机生成的虚拟世界应给人一种身临其境的沉浸感。

 

    3)人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作,即不使用键盘、鼠标等常规输入设备,而强调手势、体势、和自然语言等自然方式的交互操作。

 

    这样一个系统被称为虚拟现实系统,构建这样一个系统的软硬件技术就是虚拟现实技术。尽管虚拟现实技术的定义有所不同,但其主要特征是以人为核心,使人身临其境,并能进行相互交流、实时操作,有如在真实世界中的感觉。

 

    1.2虚拟现实的一般结构

 

    虚拟现实技术研究和应用的范围极广,一般来说,虚拟现实系统的结构可由图1 来表示。由图1 可知,虚拟现实的关键部分是传感器、交互式控制系统和虚拟环境。传感器是使人产生身临其境感觉的相关设备,目前研究集中在视觉(如头盔式立体显示器)、手感(如数据手套)、身体感觉(如数据衣)传感器上,相对来说语言、听觉部分技术比较成熟,而嗅觉和脚的传感器研究相对较弱。

 


  1 虚拟现实系统结构图 

    1.3虚拟现实的关键技术

 

    1.3.1、真实感图形的实时绘制技术

 

    虚拟现实中的场景通常十分复杂,如果采用传统的图形学技术来生成场景,那么即使是高端SGI 图形硬件系统也难以达到实时绘制。20 世纪90 年代初,研究人员在实时绘制方面开展了大量工作,提出了比较实用的细节层次(LOD)模型; 90 年代中期,Paul Debevec提出了基于图象的建模与绘制技术(IBMR),打破了传统绘制模式的禁锢,大大加快了虚拟现实场景生成的速度,同时也提高了三维场景的真实度。

 

    1.3.2、传感器技术

 

    虚拟现实系统中的交互设备(头盔、数据手套、数据衣等)大多存在着延迟大、分辨率低、使用不便等缺点,还不能满足系统要求。目前人们正通过研制新材料、新结构、新工艺或新控制机理,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。

 

    1.3.3、听觉建模技术

 

    听觉建模包括声源信号的生成建模、声信号的传播建模以及空间中的播放。目前声信号的传播建模以及在空间中的播放已取得相对成熟的成果。声源信号生成领域中语音合成、和弦乐声及鼓乐声的合成比较成功,但是还没有达到人工合成逼真的自然界的各种声音的程度。

 

    其它诸如高性能的计算机、网络、系统集成等技术也是为完善虚拟现实系统所必需要进行的研究工作。

 

    2虚拟现实技术在军事领域中的应用

 

    虚拟现实技术在军事领域的发展极为迅速,其比较原始的大规模应用始于第二次世界大战。美军采用模拟飞行器,在战争期间,有50 多万名飞行员的第一次训练是在模拟飞行器中进行的。随着计算机和相关技术的发展,在20 世纪80 年以后,虚拟现实技术已经大规模溶入到了军事领域当中。

 

    2.1、应用于军事指挥决策模拟

 

    在战争进行前先进行战役模拟,以计算机模拟生成的“虚拟兵力”代替实兵,演练大规模的战役作战行动,事先推测出战役结果,从而制定最佳的实战作战计划。指挥人员可以通过模拟战役的演练来熟悉战争中的各种情况,以便于在实战中遇到类似情况时能迅速有效地作出决策。1993 年,美国陆军利用虚拟现实技术进行了“路易斯安娜演习”,为陆军制定适合21 世纪作战要求的条令、战术和部队编成进行实验论证,演习不但取得了成功的结果,还节约了近20 亿美元经费。

 

    2.2、虚拟战场环境

 

    通过侦察照片,卫星图像和情报资料可以建立战区场景数据库,借助于20 世纪90 年代兴起的IBMR 技术可以迅速生成逼真的虚拟地形和虚拟城市环境,在逼近真实的战场环境中对参战人员进行有针对性的战地训练。美军的一些飞行员在参战之前会参加虚拟飞行训练,熟悉作战区域的情况,了解任务目标的特征。

 

    2.3、新装备的虚拟制造

 

    在高新技术武器开发的过程中大量地采用虚拟现实技术,设计者可方便自如地介入系统建模和仿真试验全过程,并可以为用户提供先期演示,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。研制者和用户能够充分利用分布式交互网络提供的各种虚拟环境,及早验证武器的设计方案,检验武器性能,大幅度提高了研制的便利,降低了设计和开发风险。美国波音-麦道飞机制造公司在这方面有很多应用,波音777 飞机在设计过程中就没有采用实物模型,而是在一个由数百台计算机工作站组成的虚拟环境中进行。

 

    2.4、单兵模拟训练

 

    虽然在战场上难以避免地会出现士兵伤亡,但采用了虚拟现实技术进行模拟训练之后,可以减少伤亡数量。据美军统计,从未参加过实战的飞行员,在首次执行任务时生存的概率只有60%,经过计算机模拟对抗训练后,生存的概率可以提高到90%。从海湾战争到伊拉克战争的历次战争中美军都采用虚拟现实技术对部队进行了多次演练,锻炼和提高了作战人员的战术水平、快速反应能力和心理承受能力。训练的结果是,无论从战斗员还是从指挥员的角度看,实际的战斗任务都更像是一场模拟的战斗,只不过环境换上了真实的自然场景,敌方换成了真正的士兵。

 

    3虚拟现实技术在军事应用中的前景

 

    美军的一套训练系统中甚至包括了多达三万个影响战争进程的因素,模拟未来战争的各种可能情况,使受训者最大限度地贴近实战锻炼;可以为受训者提供各种困境、危境、绝境等高危境况,全面模拟演练各种高危险性的行动,提高处理各种危险突发事件的能力。

 

    现在部队的任务不是“准备打一场大规模战争”。要应付其他的种种危机:维护和平、拯救人质、打击恐怖主义等等,为处理这些情况,虚拟现实系统也在逐步改进,美军已开发出了新的任务演习系统,其中的“沉浸感”甚至开始包含了感情因素,比如军人执行任务时误伤无辜而惹来愤怒的群众,在这种情况下要如何安抚群众情绪并继续完成任务。这里除了参训军人之外,其他都由虚拟现实系统来实现。

 

    4、结束语

 

    军队在和平时期的主要任务是训练士兵,提高他们的作战能力,保持所要求的水平。在很多领域,习惯上还是使用真实设备在自然环境中训练,但是经费和环境的限制正在迫使军队逐渐放弃传统思路,使用仿真技术在模拟的环境中进行训练。虽然发展有一定难度,但这种应用必将为军事技术带来突破性的进展。

 

    参考文献

      1Michael Macedonia. Games Soldiers Play. IEEE SPECTRUM March 2002

    2Laurel Brenda. Computers as Theatre. Addison Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1993.

    3Russell Shilling. Introducing Emotion into Military Simulation and Videogame Design. 2002

    4、石教英. 虚拟现实基础及实用算法. 科学出版社. 2002.

    5、栾悉道,等.虚拟现实技术在军事中的新应用.系统仿真学报.20034.

    6、“虚拟”对抗磨砺战斗力----外军模拟化训练扫描. 解放军报. 2003 年3 月12 .

标签:虚拟现实训练模拟军事
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