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美军虚拟现实仿真技术逼真完美 感官技术正在攻坚
2010年4月2日    评论:    分享:

  作者:阿特•派恩

    编译:知远/阿里

 

    军事仿真设施的发展已经历经了数年时间。许多仿真设施非常精密尖端,足以模拟现实作战行动。其中的一些设备令人大开眼界,并且它们已经成为军队的标准配属装备。

 

    不久前,仿真训练设备还没有引起军方的关注。诚然,它们是有用的工具,对训练飞行员、坦克指挥官和舰艇舵手都有帮助。从20世纪80年代初最初钩在二极管监视器上的操纵杆开始,仿真设施的发展取得了长足进步。

 

   然而它们也存在严重的缺陷。许多设施仍然采用真实的装备,比如真正的飞机、坦克驾驶室或者复制的舰桥。这些装备组装起来非常昂贵。仿真设施使用的电脑性能很差,而且软件非常原始,分辨率也很一般,没有实现全面真实化。同时,它们几乎没有办法促进训练方案多样化。

 

    但是,军事仿真设备在过去五年里在某些方面取得了很大突破。高分辨率图像已经取代了屏幕指示符号,可以精确地显示透过你的飞机、坦克,或者“悍马”车窗所看到的一切。其逼真性、现实性和速度都让你感觉身临其境。除了图像之外,仿真器还制造出逼真的声音和振动,向你的身体施加压力,就像战机真正在飞行或者出击一样。一些仿真系统甚至可以施放特定烟雾或者气味,晕机也不足为奇。

 

    与在真正的战机或者战车中训练不同,教官可以把足够多的教案输入到仿真训练器中,让学员能够在几天之内获得在实战化训练中数周才能积累的更多的不同经验。任美军联合司令部司令的海军陆战队上将詹姆斯•N•曼提斯说,现在的飞行员“可以在仿真训练器中做在真飞机中不能做的事情”。

   仿真技术的飞跃

 

    现在已经不只是模拟飞机、坦克和舰艇了。仿真技术已经扩展到训练的方方面面,比如从“悍马”车引擎的维护和修理,到自动****的组装,再到高级的战争游戏。大部分工作都是在笔记本电脑上完成的。DEI服务公司是一家仿真系统制造商,它的一位系统工程师JL•拉瑞•莫顿说:“就算是两年前没有的技术我们现在也有了。”举例如下:

     海军空战中心坐落于佛罗里达州的奥兰多市,其系统工程部的负责人凯茜•马修斯说:“这种仿真器增强了暂时让自己相信虚构的事物的能力。你确实感觉就像在真正的军舰上训练一样。”

 

     电脑网络允许教官链接全国范围内的仿真训练器,使飞行员、坦克手、舰艇舵手能够在联合演习中驾驶飞机、坦克或者舰艇,紧密配合,协调行动,集中火力,目标一致。

 

    飞行模拟器中的窗外视角可以提供高分辨率、逼真度和翔实的细节,以至于飞行员们说那些景观与他们飞越的相同区域的景象几乎一模一样。高逼真度促使商业飞行员获准使用在他们平时驾驶不同的飞机的模拟器上训练以拿到飞行执照。

 

    海军有一种仿真器叫做“战位21,它使用电子设备建造了一个2/3比例大小的复制军舰,以训练新兵队列、处理减少损伤的问题、避免造成大量伤亡,进行舰外训练和其他科目训练。当操作人员进入这套设施的时候,模拟器会用咸涩的水花的味道营造异乎寻常的现实感。

 

    在奥兰多海军空战中心,研究人员正在完善一种模拟系统的原型。这种系统采集受训飞行员的六个关键生理指标,并且与飞行员的表现挂钩,以确定仿真项目给予飞行员训练的真实度。设计人员人员希望使用这种系统“改变”大脑不同部位中重要信息的传输路径,避免使大脑负担过重,以减轻飞行员在仿真器和空中的压力。

 

    这种复杂的设备可以容纳8256个电极连接到一个移动的插头上,在模拟或者真实飞行中全程测量飞行员的脑电波、呼吸、心率、瞳孔大小、眼球运动。菲利浦•发图里提斯海军上尉是一位生理学博士,正在参与这个项目的。他说:“这个项目不仅是未来的仿真,而且是未来的作战行动。”

 

    即使是为训练军事人员维护装备而设计的仿真器都会高科技化。半年以前,研发人员就已经开始发展一种“电子手套”。受训者可以使用这种“电子手套”控制展示如何拆卸或者装配、更换零件的立体图像。

 

    使用新技术的仿真器可以识别受训者的手的动作和声音指令。当受训者使用螺丝刀或者取出零件,或者告诉仿真器他们的动作,计算机图像会立即展示下一步,或者检察受训者上一步骤是否正确。

 

    我们如何达到这种水平

 

    如此显著变化的背后是仿真技术取得了一系列的发展进步,远远出乎许多军人的预想。硬件技术水平在过去几年中提高明显,已经制造出了具备更强、更快、更小、更便宜的高性能计算机。这为研发出更复杂的软件铺平了道路。

 

    软件设计人员利用这些优势,在图像质量和交互能力上奋勇赶上,已经为使用仿真器提供了全新的机遇。他们向受训者和教官提供了大量的选择方案,从多样的战术和战区形势到天气变化和逼真的障碍。

 

    也许最显而易见的转折点出现在2004年。当时军事部门向青少年电脑游戏的设计人员求助,帮助他们利用任天堂和其继任者游戏中的真实感和虚构的情节以提高军事训练水平。这样,军事仿真器复杂程度大幅提高,远超过所有军种训练的要求。

 

    皮特•辛格说:“新的仿真器可以与在家中玩的‘战士’电视游戏相媲美。”他是布鲁金斯研究所的仿真专家,《战争连线:21世纪的机器人技术革命与冲突》(2009年企鹅出版社出版)一书的作者。

 

    军事部门求助的民营企业是“迪斯尼世界”公司和供应它的一些公司。因此,他们扩大了最新的游戏技术的应用范围。地理位置是所有四个军种仿真系统部门坐落于奥兰多的原因之一。“各军种/企业间训练、仿真和教学年会”也会于每年12月份在那里召开。

 

    军事规划人员也在为技术创新研究所提供资助。它是一个以游戏为重点的研究中心,位于南加州大学,采用电脑游戏工业中的技术研发新型仿真器。南加州大学和中佛州大学人员也在从事仿真技术研究,都靠近许多商业游戏软件企业。

 

    事实上,许多军事仿真器中心现在从商业供应商那里采购大批硬件。同时他们经常采用游戏产业出售的软件程序用于军事用途,利用图像技术和交互性能为训练需要而设计方案。军事技术专家说,这要比他们自己尝试从头做起便宜很多。

 

    冷战的结束促进了仿真设备的发展。在柏林墙倒塌以前,军方人员可能会把训练集中在与苏制米格战机的空战、在西欧的坦克战或者大规模海战,任何实战要求有限的训练科目,这些都需要有信心。现在他们必须面对在更广地域发生的一连串冲突。

 

    凯茜•马修斯说:“现在你不得不训练,而且要比以前训练多得多。”

 

    伴随着高端电脑设备价格的大幅下降,军方使用仿真器在过去五年中突飞猛进。马克•R•辛克莱尔说:“最大的挑战在于仿真技术已经由绝无仅有变为无处不在了。”他是通用动力公司信息技术部门负责飞行联合研发的人事副主席,位于弗吉尼亚州的弗吉尼亚海滩。

 

    苏珊•美鲍姆维斯尼维斯基说道,1990-1991年的海湾战争使得公众第一次对这种在战场上使用电脑和软件的“神奇之物”有了初步认识。她是一位退役海军上校和仿真技术专家,现在供职于华盛顿的国家安全商业执行委员会。“战斧”导弹、激光制导导弹和灵巧炸弹等武器获得了公众和议员的好评。

 

    仿真器物超所值

 

    仿真器的作用显而易见。首先,这要比只在真实的飞机、坦克和军舰上训练军人的价格低廉很多。使用真正的飞机进行飞行训练需要购买更多的战机、规划好飞行课程、为飞机加油和保养,而且要冒着出现飞行员受伤、战机受损或者彻底毁掉的事故的风险。

 

    这里还有其他很大的差异。在现实飞行训练中,学员需要花时间熟悉飞行路线、起飞、飞越训练区域和返航。不仅仅要在天气或者危险形势变化时编写课程,有时候经过数周,甚至数月才能遇到那些情况。空中格斗还需要同时出动数架战机。

 

    相比之下,仿真器上的训练仅仅要求学员坐到飞行员座位上,然后开始训练。仿真设备非常低廉,没有必要到机场,而且教练员可以轻松地改变教案以适应天气、能见度、敌机机型、战位和学员战机危情的变化。训练练习中可以为每一位学员配备更少的教练员。

 

    同时,学员在参加联合行动训练时也可以不用请求战机、战斗车辆或者炮兵的支援。在更先进的仿真器中,他们能够与其他军种或其他地方的学员一起,模拟联合或者合同行动。他们如果愿意,可以重复训练同一科目若干次,演练特定的行动,重新训练以获得训后评估。

 

    威廉•斯沃陶特说,在仿真器中第一次训练的学员经常在真实的平台上获益更多。他是南加州大学创新技术研究所的技术主管。他声称:“现实的经验对于他们更有价值。”

 

    最有益的是,飞行员、坦克手和军舰舵手可以不用冒着失事的危险来处理故障。罗格•史密斯说:“现实训练依然是危险的尝试。现实中,你会出事故、车辆翻倒,飞机坠毁。”他是陆军仿真、训练和测试项目执行办公室首席技术官。

 

    格雷•琼斯海军少将曾任海军教育和训练司令部司令,最近已经退役。他估计,在真实的F/A-18“大黄蜂”战机上训练的费用是每小时一万美元,远高于在仿真器上训练每小时的标价。

 

    还有,军官们说仿真设备不断增强尖端水平,已经改变了军队训练和战斗的方式。威廉•艾普科海军中校是海军空中训练司令部办公室(CNATRA)“训练和标准化”负责人。他说,训练和战术已经变得更加复杂了,原因之一是仿真设备的发展进步。除了训练军方人员,仿真设备可以用来检验战术和后勤计划可行性,为战斗行动预演,准备战后分析评估。

 

    最后,仿真器比真实的战机、坦克和军舰更容易适应环境。不仅仅是他们可以节省更多油料,而且不会在水上或者野外排放烟雾、坏掉零件或者散落碎片。

 

    仿真设备也被证明在治疗外伤后的压力紊乱方面取得了突破。它们可以为从战场回撤的战斗人员提供足够的真实化的景观、声音、气味和动作,引起外伤压力紊乱病人经常需要的回忆,让他们的记忆释放,因此能够逐渐康复。一个名叫“虚拟伊拉克”的治疗方案现在被全国的40家诊所采用,康复率很高。

 

    布鲁克林的辛格说:“他让人们经历同样的创伤,但是是在一个安全的环境下。”

 

    存在的差距

 

    然而,它们也有一些缺点。即使是最高级的仿真器也还不能复制飞行员在战争的真实飞行中感到的压力或者疲惫。例如,陆军的罗格•史密斯说:“现实世界存在百万种可变因素,比仿真器模拟的多得多,而且比仿真器更有压力,因为人们意识到操纵的任何平台都会毁掉。”

 

    通用动力的辛克莱尔说:“这永远都不如实物。没有什么东西可以替代压力、不确定因素,还有就是如果我做不好,就有真人牺牲,这是很人人皆知的道理。”但是,他坚持认为,现在的仿真器“已经与现实相当接近了。”

 

    海军空中训练司令部办公室(CNATRA)的艾普科说,就许多任务而言,比如基础飞行训练,教练员没有必要使用最新技术的仿真器。他说:“许多人误以为军队拥有所有尖端的装备,这远远背离了事实。我们要寻求的不是非常尖端的装备,而是我们可以用来完成任务,取得最佳效益。”

 

    仿真技术的一个缺点是缺乏为步兵研发的仿真装备。就像马提斯将军在10月中旬对技术专家的一次演讲中指出的那样,仿真器研发人员在研制为飞行员、坦克手和军舰舵手的训练用仿真设备领域已经取得了令人瞩目的突破和发展。但是他们没有为步兵部队研发仿真器,尽管在历史上,步兵部队经受了美军86%战斗伤亡。

 

    诚然,海军陆战队和陆军的指挥机关使用电脑仿真设备,在城市战争中心里利用模拟的伊拉克民居图像训练步兵进行城市作战。可是这些图像依旧缺少现实感,没有像飞机和坦克学员那样大量可以选择的教案。与为空战和机械化战争人员的设计的仿真器相比,缺乏交互性。

 

    马提斯将军说:“现在我们需要的是虚拟的萨德尔城、拉玛迪斯和费卢杰。”为了向地面部队提供在伊拉克和阿富汗应对的威胁的训练,他还说:“联合司令部应该全力支持这种努力。”

 

    南加州大学的斯沃陶特指出仿真器的不足是技术上的限制。他说:“制造战机的仿真器轻而易举。我们懂得空气动力学,可以模仿。”但是为步兵研制仿真器需要电脑和软件包足够小能够让部队携带,还要使得人的反应更加现实。

 

    斯沃陶特预想,更高分辨率的图像和软件程序,能够让在地面部队仿真器中出现的虚拟的村庄里的老人和其他人理解士兵说的话,识别他的音调和肢体语言,进行双向交流对话,可以让虚拟的人们“更像真人。”

 

    他承认:“这需要几年的时间。可是令人鼓舞的是人们已经意识到了这个问题,引起很多关注。部队最近在阿富汗和伊拉克的经验已经告诉我们,这些技能非常重要。”

 

    下一代仿真器

 

    工业和军事项目的专家说,下一代仿真器的发展与今天相比,可能正如今天与五年或者十年前的技术相比一样。

 

    未来的仿真器中,有一些正在测试阶段。它们会提供更高的逼真度和三维图像,会更小型化,有更强的移动性,软件为作战人员将连接到互联网,更新程序和图库,以反映设备或者战术背景的变化。它们也会允许不同地域不同平台之间更多的互用性。

 

    为步兵研制的仿真器也会有很大进步。小兰德尔•希尔是南加州创新技术研究所主任。他介绍了一个步兵仿真器的研制计划。每当士兵在黑暗的训练建筑物内搜寻或者接近一面真实的墙壁的时候,镶嵌在正面的显示器会提供不同的视图和模拟威胁的变化。

 

    希尔说:“我们寻求的是如何诱导人们认为‘当他们转身的时候,他们正在直行’的途径,”避免在训练建筑物内撞墙。他接着说,仿真设备可以装进士兵的背包内,与实际战斗装备重量相当,并且可以替代装备进行训练。

 

    技术专家说,下一代仿真器也有可能为所有层次的指挥官提供更广泛的机会,模拟城市环境下的作战行动,帮助他们确定优先目标,关注热点地区,审视他们的部署如何展开。

 

    如果在虚拟的城市中,一个地区的事态平息下来,或者形势变得严峻,指挥官们会训练如何应对。

 

    设计人员将会借助行为建模完善所有仿真器,让仿真器能够模仿虚拟的对手与学员的行为。不论他们是计算机合成的阿富汗军阀或者市场上的民众,他们在多种形势下互动起来更加真实化。这意味着对学员所做的任何事情的几百种可能的反应都要进行仿真器软件编程。

 

    还有一个可能的突破是,海军空战中心与爱荷华州大学联合研发的生理测量系统原型正在仿真器和实际飞行中进行测试。支持者称,它不仅仅将促进更加真实化的仿真器的出现,而且也会改变战机信息系统设计的方式。

 

    马克•阿杜切罗是俄亥俄州代顿市怀特-帕特森空军基地仿真技术小组的首席工程师。他预言,下一代仿真器的发展将与过去五年的发展一样,同样令人惊奇不已。这包括比现在的仿真器可以处理更多信息和更高活动水平计算机和软件。

 

    他说:“仿真器的能力会继续增强。”训练质量也一样。海军空中训练司令部办公室的指挥官艾普科预计,将来会依赖仿真器进行更多的训练。他说:“飞F-22F-35比较昂贵。如果有仿真器在你瞥见的瞬间能够满足逼真度的需要,你可以随心所欲的使用它。”

标签:美军军事仿真
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