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虚拟现实战场环境模拟仿真技术实现研究
2010年9月17日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:游雄 (解放军信息工程大学测绘学院)

    摘要:战场环境是一切军事行动的空间基础,战场环境仿真是目前军事作战模拟领域研究的热点。本文讨论了战场环境的构成、战场环境仿真的主要内容,重点讨论了虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用和关键技术。

    战争具有很强的实践性特点,指战员的指挥艺术和作战能力,都需要在一定的战争环境中得到锻炼和提高。战争年代,这种能力可以通过真正的战争实践得以积累,但这种实践是不可重演、不可试验的,其代价也十分高昂。因此,即使在战争年代,非战时的训练也成为决胜的关键,指导训练的标准就是战争实践本身。和平时期,军事演习是一种普遍的训练方法,驾驭战争实践的能力是通过各种作战样式的试验来积累和提高。由于缺少实际战争的检验,各训练样式也就规定着未来作战的样式。

    自人类历史上出现战争以来,人们对军事训练的研究都是以对战争规律的学习和探讨为目的,并在训练领域逐渐形成了“作战模拟”这一特殊的研究主题。作战模拟是对包括战争规律和战争指导规律两个方面在内的战争本质规律的模拟[1],其首要的一点就是要创造一个贴近实战的训练环境,使得各类受训人员能够在此环境中得到恰如其分的训练[2]。

    战场环境是敌对双方作战活动的空间,在现代作战模拟中,要营造一个贴近实战的训练环境,首先就要根据仿真原理来建立一个符合特定的作战训练科目需要的数字化的战场环境,这就是战场环境仿真(Battlefield Environment Simulation)。战场环境仿真在内容上包括战场感知    虚拟现实是二十世纪90年代末出现的一种十分有效的仿真技术,本文将重点讨论如何运用虚拟现实技术来实现战场环境仿真。

    1.战场环境仿真概述

    1.1 战场环境的构成

    战场环境是指作战空间中除人员与武器装备以外的客观环境。从战争所涉及的客观因素来分析,战场环境应该包含战场地理环境、气象环境、电磁环境和核化环境。也许,随着网络信息战的形成,战场网络环境也将成为战场环境的一个重要的组成部分。

虚拟现实战场环境模拟仿真技术实现研究

    战场环境具有多维性、互动性的特点。多维性的含义是:①战场环境是由多个具有自身变化规律的客观环境构成的,上述的四个环境分属于不同的学科领域;②这些客观环境的空间形态是随作战过程而演变的。互动性的含义是:上述环境之间互有影响,其中,地形环境是其他环境的物理依托,是可以进行空间定位和加载各种作战信息的基础。如图1所示,战场环境中,气象环境与地理环境互有影响,气象环境具有地缘特点,如不同的地理位置具有热带、亚热带等气象特征,而气象环境会影响地理环境,如流水侵蚀地貌、冰川地貌的形成,雨天和晴天对地面土质有影响,进而影响行军速度;地理环境和气象环境都对电磁环境的形成有重大影响,不仅规定了电子设施的分布,还决定着电磁波的传递范围和受气象干扰的程度;战场核化环境的形成,与核设施的地理位置及其周围的环境有关,核污染的区域的形成和发展与地理环境和气象环境密切相关。

    1.2  战场环境仿真及其描述方式

    战场环境仿真是指运用仿真技术来描述战场环境。仿真(Simulation)是通过系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统。计算机仿真(也称数学仿真)是指借助计算机,用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验,以达到分析、研究与设计该系统的目的[3]。在这里,系统是指为了达到某种目的的一组具有特定功能、彼此相互联系的若干要素的有机整体。对一个系统的仿真涉及三个要素:系统、系统模型、计算机,而联系这三个要素的基本活动是:模型建立、仿真模型建立和仿真实验[4](如图2所示)。

虚拟现实战场环境模拟仿真技术实现研究

    如果把战场环境作为一个战场空间系统来看待,其特定功能就是构成战场的空间载体和物理条件,战场环境中各类环境的相互关系则构成这个空间载体的有机整体。运用计算机实现战场环境仿真,首先需要把战场环境数字化,即建立战场环境模型,数字地图就是一种典型的战场环境模型。这种模型具备通用性,但往往不能满足一些特殊的需求,例如现代作战模拟由于仍沿袭兵棋的推演方式,需要把地形环境数据按一定分辨率处理成按格网存储的数据,而且这些数据还随着作战过程的展开而动态变化。这种把战场环境模型处理成符合作战模拟使用的模型的过程,就是战场环境的二次建模(仿真建模)。经过二次建模处理的战场环境模型,就可以用于计算机作战模拟。为了保证作战模拟结果的准确、可靠,要求战场环境模型具有一定的精确性,这就需要通过仿真实验对模型进行检验(验模)。

    根据战场环境仿真在作战模拟中的用途,可以将其区分为数据仿真和感知仿真两种描述方式。数据仿真主要用于仿真对抗和作战评估,此时,战场环境数据是提供给电脑“认识”战场使用,不妨把由基本的战场环境数据转化成计算机能够识别的战场环境模型的过程称为“战场模型化”。感知仿真主要是针对指挥作业和训练模拟,即通过战场视景、声效等要素来展现战场环境,指挥员通过一定的操作界面来感知战场环境,达到辅助现地勘察、掌握态势和辅助决策等目的,这种“战场感知化”的结果,是供人脑认识战场使用的。战场环境的数据仿真和感知仿真都是以数字化战场环境为基础,在实际应用中,这两种仿真描述方式互为作用,根据模型驱动而改变的数据仿真通过感知化展现给参训人员,而参训人员通过人机交互可以改变数据仿真的结果。图3表述了战场环境仿真两种描述方式之间的关系。由于篇幅所限,本文只对战场环境的感知仿真的内容与关键技术加以讨论。

虚拟现实战场环境模拟仿真技术实现研究

    1.3  战场环境感知仿真的主要内容

    感知仿真的目的是通过直观地展现战场环境来充分训练参训人员的指挥决策能力。其内容包括对战场环境的视觉、听觉、触觉等多种感觉通道的仿真。视觉仿真通常也称“战场可视化”,是感知仿真中的一种主要形式,就是将战场环境中可见的(如地形、地物)和不可见的(如电磁场、潮汐流场)要素以立体的、三维的或二维的图形图像表达出来。听觉仿真是指通过对战场中各作战单元的声音(音效、音量和音位)的模拟来营造战场气氛。触觉仿真是指通过对人机交互设备的操作来实现人与环境的交流,这是使参训人员产生临场感的重要手段。这种通过多感觉通道的模拟来实现临场感觉的技术就是虚拟现实技术。与传统的通过地图、实物沙盘或影像资料等来了解战场的认知方式相比,在这样的系统中,参训人员就由旁观者转变为参与者,可以主动地在逼真的环境中进行探索,从而大大地提高战场认知的效率。

    2.虚拟现实与战场环境感知仿真

    2.1  虚拟战场环境在感知仿真中的应用

    虚拟现实(VR)这一术语诞生于上世纪80年代末,是指由计算机生成的具有临场感觉的环境[5][6],实现这种环境的技术称为虚拟现实技术。军事部门是这项技术的资助者和的最先用户,而且主要用于军事训练。1988年,NASA与美国国防部共同支持研制了一个虚拟界面环境工作站VIEW(Virtual Interface Environment Workstation),该工作站由一台HP-9000计算机、一副数据手套、一个液晶头盔显示器和一套语音识别系统构成,用户可以从中看到立体图像、听到三维声、可发出口头命令、可伸手捉取由计算机生成的虚拟物体,这是世界上第一套虚拟现实系统[7]。此后虚拟现实技术及其产品得到飞速发展,并形成了产业,据简氏信息集团(Jane’s Information Group)的一份特别报告统计[8],到了2000年,从事与训练模拟相关的虚拟现实产品制作的公司已多达800多家,其市场将由2000年的400亿美元发展到2010年的650亿美元。

    虚拟现实产品在作战模拟领域得到广泛的应用,且多数涉及战场环境仿真。运用虚拟现实技术实现战场环境仿真,其目的就是构成多维的、可感知的、可度量的、逼真的虚拟战场环境,借此提高参训人员对战场环境的认知效率。主要用于仿真对抗、导调监控、装备操作、参谋作业训练等。虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半实兵演习、实兵演习提供与实际演习区域的仿真环境,也可以为特定的训练科目拟构出典型的训练环境(在现实中并不存在)。借助于虚拟战场环境,可以训练指挥员的指挥决策能力、参谋人员的业务能力、装备操作人员的操作能力。例如,美军从1984年开始研制的基于网络的分布式坦克训练模拟系统SIMNET,就将美国本土及欧州的10个地区作战环境置于系统之内。到了90年,已使200辆装甲车辆可异地参加统一指挥的可交互的模拟演练。每个模拟器以美国的M1主战坦克为单位,提供作战区域内精确的地形起伏、植被、道路、建筑物、桥梁等信息。坦克手可以在模拟器中看到由计算机实时生成的战场环境以及其他战车图像。1991年,美国为海湾战役“东经73”计划的实施提供了一套供M1A1主战坦克使用的战场环境仿真系统,将伊拉克的沙漠环境用三幅大屏幕展现在参战者面前,进行身临其境的战场研究,为最终取胜打下了关键的基础。荷兰1992年完成的毒刺导弹训练器(VST)是虚拟现实技术用于单兵武器模拟设备的代表作,它在头盔内形成一个空间动态立体场景;随操作者的头部动作而相应改变场景,以训练操作者对付敌方飞行器的机动能力和瞄准能力,予先制备的VCD盘提供各种作战环境相应的音响效果[9]。1997年,洛克希德•马丁Vought公司为美国海军航空兵训练系统项目办公室开发了一套实战演习系统TOPSCENE(战术操作实况)。这是一个综合运用军事测绘成果和虚拟现实技术的装备,被广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军,已配备100多套。该系统运用SGI图形工作站(最高配置为ONYX2、4个R1000CPU)来处理图像数据,在高配置下,每秒能产生30帧详细、逼真的高分辨率战场图像。系统可以模拟各种地形要素、不同的气象条件,还可仿真带有夜视仪、红外显示器或合成孔径雷达显示效果的夜间战斗过程。

    2.2虚拟战场环境系统的基本构成

    虚拟战场环境系统由软件系统、数据库系统和硬件系统三部分构成。其软件系统主要包括战场环境建模软件、场景纹理生成与处理软件、立体图像生成软件、观察与操作控制软件、分析应用GIS软件等;数据库系统主要包括战场地图数据库、三维环境模型数据库、武器装备数据库、环境纹理影像数据库、应用专题数据库等;硬件系统主要包括计算机、声像处理系统、感知系统(显示设备、立体观察装置、人机操纵装置)等。根据虚拟战场环境的应用需求,以上三个部分就有不同的组合方式,进而构成不同的应用系统。

    就军事应用而言,虚拟战场环境主要有多人共享式和单兵沉浸式两种应用模式,相应地,虚拟战场环境系统就有多人共享式和单兵沉浸式两种构成,其主要区别在于立体图像的显示与观察方式以及对场景的控制方式上。

    (1)多人共享式。在作战指挥以及大多数作战模拟与训练中,指挥和参谋人员往往需要围绕同一个战场环境来研讨作战方案、评估作战效果。为了满足多人共享的需求,目前大多数的虚拟战场环境系统都是以大屏幕投影显示、通过立体眼镜(液晶式或偏振光式)观察来实现视觉共享,通过操纵杆或鼠标和键盘等输入设备来控制视点。其优点是处于同一空间中的用户(几人到几十人)可以同时观察到同一场景,且系统硬件价格低廉。其不足是对场景的操作只能由一人完成,且当大屏投影的图像无法占满观察者的视野时,会削弱临境感。

    (2)单兵沉浸式。在单兵对技术、战术武器装备的操作训练的应用中,需要强调的是受训者个人与武器装备及其所处环境的关系。为此,多采用头盔显示器(HMD)来作为立体显示、立体观察和头部定位跟踪装置,运用数据手套或体位跟踪器来完成定位、选择等操作。运用这些装置可以使受训者产生强烈的临境感,进而达到良好的训练效果。但其设备十分昂贵,难以推广使用,并且由于传感装置还不十分精确、计算机对大数据量的场景计算能力有限,常常会造成感觉的病态反应。

    3. 建构虚拟战场环境的若干关键技术

    作为虚拟现实系统,一般认为需要具备三个基本特征—交互(Interaction)、沉浸(Immersion)和想象(Imagination)[10],但根据实际用途,对这“3I”特征的体现也有所侧重。就共享式虚拟战场环境系统而言,体现可交互性是重点;而对于沉浸式虚拟战场环境系统,所强调的是其沉浸特征(可进入性);无论哪种应用,想象力都是不可缺少的。

    3.1 实现“交互”的关键技术

    交互特征是指系统具有对人机交互作出响应的能力,衡量这种能力的标准是系统处理和显示环境图像的刷新率(帧/秒),刷新率越高,说明系统可以对交互作出越快的响应,当交互响应达到实时,在视觉上就表现为场景随交互过程而连续平滑地变化。当交互响应有明显延时,在视觉上就表现为场景的停滞和抖动变化。显然,影响交互能力的因素除了系统硬件对于场景数据处理和显示的性能外,还与场景的数据量以及交互控制的软件有关。因此,在建构虚拟战场环境系统时,要充分考虑设备的性能以及用户的实际装备能力,软件系统开发的关键则在于场景数据的组织和管理。

    在战场环境仿真应用中,参与可视化处理的场景数据包括三维地形模型、三维地物模型和地形地物的表面纹理(如果考虑到综合战场环境的构成,还应该包括武器装备模型及其纹理以及烟火特效、声效等数据),其数据量十分庞大。为了实现大数据量地景的实时交互显示,就必须解决场景数据的组织与管理问题,其思路就是在保证场景显示细节的前提下,使参与实时处理的场景数据降低到最少,以保证交互响应的效率。我们的实践表明,按人类视觉认知的规律来组织和调度场景数据是一种行之有效的方法。该规律是:从固定视点注视客观物体时,离视觉中心越近的部分在视网膜上的呈像越清晰,越远其呈像越模糊;从不同视距观察客观物体时,离物体越近,看到的物体的细节就越丰富。遵循上述规律,场景数据的组织和调度实际上就归结为场景细节层次的组织以及与视点相关的各层次数据的调度[11]。

    (1)场景细节层次的组织:场景的细节包括场景模型的细节和场景纹理的细节。场景模型的细节是指场景体形态所表达的细节,场景纹理的细节是指场景表面影像所表达的细节。场景模型的最高细节取决于模型建立的数据源,对于以矢量地图数据为主要数据源的战场环境仿真应用来说,数字地图的原始比例尺决定着场景模型所描述的最高细节,即比例尺越大,细节越丰富。场景纹理的最高细节取决于纹理影像的数据源,当以数据地图作为仿真地面纹理的数据源时,其纹理的最高细节同样与数字地图的比例尺有关,即比例尺越大,地物要素的分类分级越详细,则仿真影像所能描述的地表的细节越丰富;当以遥感影像作为地表纹理时,影像分辨率则决定着地表要素所能展现的细节。

    为了达到视点越近细节越丰富的场景表达效果,需要把场景模型和纹理数据区分为多种细节层次,并按细节序列加以组织。

    (2)与视点相关的层次数据的调度:在同一个视景中,按视觉中心详细周边概略的原则来调度不同细节的模型和纹理数据,也是为保持交互与视觉效果而降低参与计算的地景数据量的有效方法。

    需要说明的是,纹理细节可以在视觉上弥补模型细节的不足,即在较为概略的模型骨架上叠加细节较多的纹理,这是提高交互效率而不降低显示效果的一个有效策略。

    3.2 实现“沉浸”的关键技术

    沉浸特征是指系统的声像效果能够使受训者产生置身于虚拟环境中的感觉。对于大多数应用而言,营造立体视觉效果是实现“沉浸”的关键,即根据人类的双目立体视觉原理,借助于一定的设备,使观察者在生理水平上对被观察的场景产生强烈的立体感。由于在虚拟现实系统中,场景是由计算机生成的(非实地拍摄),为了达到立体效果,就需要对图像的生成、显示与观察各环节进行适人化的处理,因此该技术也被成为“人造立体视觉技术”[5][12]。

    (1)立体图像的生成。就是根据生理立体视觉的水平视差,对同一场景生成以左右眼为视点的场景图像,即构成一个像对。像对的视差是引起生理立体感的唯一因素,决定着场景的纵深效果。关于视差的类型及其相应的视觉效果,可参阅参考文献[12]。

    (2)立体图像的显示与观察。显示方式与观察方式密切相关,选择何种方式取决于实际应用的需求,在上述内容中描述了战场环境仿真应用中的两种显示与观察方式。这两种方式也是目前市场上的主流,但由于这两种方式都要把部分观察装置加戴在观察者的头上,而且观察效果也不够理想(如液晶眼镜会增加闪烁、降低场景亮度,LCD头盔显示分辨率偏低,CRT头盔偏重等),因此使许多用户宁可选择三维观察方式,即直接在显示器或投影幕上观看由计算机生成的单目场景视像,以场景中的光影和形态为线索,通过观察者的心理加工,产生三维感觉(实际上是一种错觉)。最近,德国Dresden 3D有限公司推出了一种立体液晶显示器,观察者无须佩带任何观察装置就可以看出立体图像。在该显示器中装配有眼动跟踪摄像机,可捕获观察者双眼的位置,由此来控制安装在液晶屏前的一个光学蒙片分别向左右眼方向偏移左右眼图像。显然,该显示器不适合于多人共享。

    在战场环境仿真应用中,环境声音主要是武器装备在作战过程中所发出的诸如发动机轰鸣、枪炮开火、弹药爆炸等声响。这些声响的特点是都具有确切的空间位置和声音效果,通过可描述空间声响的软件(如Direct 3D)就可以把声音的定位信息通过音响系统传递给用户。喧嚣的战场音响可以营造出生动逼真的战场氛围。

    3.3 体现“想象”的几个方面

    把“想象”作为虚拟现实系统的一个基本特征,表明了创造性形象思维能力对于构建虚拟现实系统的重要性。高超的创意不仅可以引发观看者心灵上的震撼,还可以引导他们达到探索的目的。对于虚拟战场环境的创建,这种想象力体现在人机界面的构想、场景表达的构想以及是否提供对战场环境的再创建手段等方面。

    (1)人机界面的构想。“VR最困难的地方就是让用户的感觉对信息确信无疑”,这是比尔•盖茨对虚拟环境应该达到的最高境界的理解[13]。要使用户“进入到”系统所产生的场景中并对其确信无疑,就需要有良好的人机界面。传统的人机界面是让用户隔着“窗口”来观察和操作应用软件,在虚拟环境中,这样的窗口会把用户阻隔在旁观者的位置上,无法作为参与者“进入到”环境中。因此,如何设计符合虚拟环境特点的人机交互界面就成为想象的焦点。

    (2)场景描述的构想。实际上就是指虚拟场景的设计。虚拟战场环境的外观是否逼真,主要取决于场景的外观设计。当运用矢量地图数据来生成场景的表面纹理时,场景描述的构想就涉及到每一个要素的表示方法的设计(运用几何符号还是仿真图像)、地表及各要素表面噪音效果的设计、不同地貌类型的色层表的设计、武器装备等作战单元在战场环境中的表示方法的设计、作战意图与态势的表示方法设计等方面。

    (3)提供实现构想的工具。在不同的军事应用中,用户对虚拟战场环境的表示方法有不同的要求,比如,对于飞行模拟训练,受训者希望能够以航空影像作为表面纹理,以便使场景在视觉上更接近于实际的地形环境。但对于作战指挥训练而言,受训者更希望场景中能够表达出地图上的分类分级信息(符号化的表示方法),以便分析和决策,这就需要在系统中为用户提供多种表达手段。此外,对于战法研究而言,用户有时需要拟构一个典型的战场环境,这也需要给用户提供实现构想的工具。

    4.应用举例

    从1995年以来,解放军信息工程大学测绘学院战场环境仿真工程实验室以虚拟战场环境为主题,做了大量的研究工作,取得了以“地形环境仿真系统”为代表的成果。该系统是运用虚拟现实技术,在军事测绘数据库的支持下,实现战场环境仿真的一个实用系统。主要模拟作战区域的地形环境,可以为作战模拟的各层次(战术、战役、战略)、各阶段(预案拟订、对抗模拟、结果评估)提供各种地幅的二维电子地图、三维地景和地理信息(如图4)。

虚拟现实战场环境模拟仿真技术实现研究
图4. 不同地面分辨率的战场环境仿真
左图以1:100万地图数据为基础,
右图以1:10万地图数据为基础,
分别用于联合战役和合同战术指挥训练模拟

    本系统已经初步具备了虚拟现实的基本特征(“可进入”、“可交互”),在研制过程中解决了以下几个关键技术问题:

    1. 解决了在微机环境下,对地形环境的快速三维建模、模型简化以及实时交互等问题。

    2. 研制出与液晶立体眼镜的接口硬件,使得在微机和工作站环境下,可以用较底价位的立体眼镜实现具有“进入感”的立体效果。

    3. 解决了地形模型与其它商业化三维软件的接口问题,以及技术、战术武器在三维地形环境中的置入问题(如图5)。

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图5. 武器装备置入战场环境,用于分队战术训练模拟

    目前,本系统已在全军得到广泛的应用,也在国民经济建设中得到应用,如运用本系统,为三峡移民局进行了三峡库区水淹没过程的模拟(如图6)。

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图6. 三峡大坝模拟,基础数据比例尺为1:5万

    5.结语

    战场环境仿真是应数字化战场建设的需要而产生的高新技术,其应用领域十分广泛。本文仅从作战模拟这一应用领域来论述虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用,实际上,该技术在军事上还被应用于作战指挥、武器试验、外交谈判、灾害预测等多方面。随着虚拟现实技术日趋成熟、实用,我们相信在不远的将来,它将成为提高军队战斗力的重要的技术手段。

   作者简介:

    游雄(1962-),男(汉族),福建罗源人,解放军信息工程大学测绘学院教授,博士生导师,1994年在解放军测绘学院获工学博士学位,著有《虚拟现实在地形环境仿真中的应用》(合著)和译著《专题地图设计原理》,主要从事战场环境仿真和战场环境信息系统的教学与研究工作。

    参考文献

    [1] 孙柏林主编,《计算机战役战术训练模拟系统军事总体设计原理》,解放军出版社,1994年10月。

    [2] 胡晓峰等编译,《美军训练模拟》,国防大学出版社,2001年3月。

    [3] 王惠刚等,《计算机仿真原理及应用》(第二版),国防科技大学出版社,2000年4月。

    [4] 何江华,《计算机仿真导论》,科学出版社,2001年3月。

    [5] 高俊等,《虚拟现实在地形环境仿真中的应用》,解放军出版社,1999年5月。

    [6] 石教英,虚拟环境及其应用,第七届全国图形图像学学术会议论文,1994年4月。

    [7] Pimental,K.&Teixeira,K. Virtual Reality, 2nd Edition, Intel Windcrest McGraw-Hill,1994.

    [8] Ian W. Strachan. Virtual Reality and Simulation:Technology,Trends and Markets. Jane’s Special Report. November 2000.

    [9] Ian W. Strachan. Jane’s Simulation and Training Systems,Tenth Edition,1997-1998.

    [10] Burdea G. Virtual Reality System and Applications,Electro’93 International Conference,1993.

    [11] 陈刚,《虚拟地形环境的层次描述与实时渲染技术的研究》,解放军信息工程大学测绘学院博士论文,2000年10月。

    [12] 夏青,基于视觉生理特征的体视技术研究,《‘99智能计算机接口与应用进展—第四届中国计算机智能接口与应用学术会议论文集》,电子工业出版社,1999年。

    [13] 比尔•盖茨,《未来之路》,北京大学出版社,1996年。

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