美国军事虚拟仿真VR技术发展综述

美国军事虚拟仿真VR技术发展综述(2010-10-1821:05:12)查看评论()摘要虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术是当今世界前沿科学之一,具有举足轻重的作用。国外经济发达国家一直将其列为国防高科技重点发展的关键技术,迄今已成为研发、生产大型而复杂的武器装备及军事教育训练的重要工具。VR技术是人类智慧高度集中的具体体现,进入VR环境将会使人类的智慧得到更高的升华。扼要综述其在武器系统研制、生产及军事教育与训练中的应用。引言虚拟现实或称灵境技术,实际上是一种可创建和体验虚拟世界(VirtualWorld)的计算机系统。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。因而VR被誉为人机接口技术的一场深刻革命。实际上,VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、信息技术、传感与测量技术、仿真技术、多媒体技术、语音与模式识别技术、人机接口技术、软件工程、网络技术和人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。它同时具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination),使人们能沉浸其中,超越其上,出入自然,形成具有交互效能多维化的信息环境。总之,VR是一种表现形态生动灵活的技术,心理学、生理学及认知学是VR技术的物理学基础。VR是信息科学领域中的新兴技术,它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景,目前正引起多个学科领域众多学者的高度关注。VR技术是系统仿真中新兴技术之一。它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术,它采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境,使操作者产生一种身临其境的感觉,对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。采用此项新技术,参与者使用硬件,如键盘、数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、眼球跟踪装置、超声波头部跟踪器、头盔显示器、摄录像设备、立体护目镜、音响、耳机、语音识别与合成装置及数据服以获得所需的感知,来体验计算机世界境况。实际上,VR属于一种特殊设计的信息数据库,它可将数据库信息转换成可视化的三维视觉显示图像。利用这些数据信息描述两维或三维的图形与图像,构成三维的虚拟世界。它是计算机图形学和人2机交互技术发展之产物,VR更是计算机图形学中的一种功能倍增技术,VR技术将人类用户同计算机产生的虚拟世界综合为一体,达到人与技术最为完美的结合。人在整个系统中占有十分重要的地位。利用VR技术的手段,突破现有技术手段的局限,手段愈高明,愈能使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的美妙感受。VR技术的发展源于航天和军事部门。VR之最新技术成果往往被率先用于航天和军事领域。21世纪军事科技的发展将更加依赖于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和应急作战计划,为战后评估及战史分析等几乎全部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。VR系统由于具有良好的高效性、可控性、安全性、无破坏性、使用灵活性、易于修改、不受气象影响、不受空间和场地的限制、可多次重复使用及系统运转费用低等特点,故引起世界各国军界高度关注。迄今,VR技术在军事领域中正发挥着重要的作用,它被广泛用于军事教育、军事训练、武器装备研制与生产等领域。1军事教育与训练1.1军事教育对军事人员在战略性规划、作战及预算等方面的培训是VR的一个普遍应用领域。研讨式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并理解高技术局部战争的能力;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划、数据和过程来指导军事行动。实践证明,人类对基于图像、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。作为军事院校的一种辅助教学手段,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。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,借助使用控制台、键盘和显示设备等相互联系的学员站与教官站联网,各参与者都处于同一虚拟的战场环境之中。在“虚拟教室”内还备有一台能显示三维图像并配有立体音响效果的大屏幕彩投机。在大屏幕上显示出由计算机生成的诸种活动图像,如模拟的天空、气象、海面、地面各种复杂地形及诸种目标(如飞机、坦克、装甲车、军舰及导弹等)。学员们坐在外观与实体几乎一样的操作控制台前。控制台上装有各种功能按钮、键盘、数据手套、鼠标器、头盔显示器及数据服等。学员们可根据当时的作战态势或教官的命令,在控制台上进行各种操作,如模拟驾驶飞机、坦克及机动舰船,还可发射各种飞航导弹并能观看到其发射的效果等。VR技术尤为适用于进行指挥决策模拟、智能分析模拟及战场环境模拟。战略决策模拟仿真的主要方法包括:研讨式对抗模拟、技术性对抗模拟、政治2军事性对抗模拟及紧急预测与反应模拟等。20世纪80年代初,为帮助美海军分析未来10～20年内航母作战群的发展需求,约翰·霍普金斯大学作战分析实验室研究出一种研讨式对抗模拟方法,即研讨式对策(SeminarGaming)。该法后来逐渐发展成结构较为标准而规范的高层模拟教学方式。所谓研讨式对抗模拟,是指将圆桌会议式的研讨与计算机模拟相结合,进行大规模的对抗模拟,通过研讨来形成作战设想、解决未来战争诸种问题。这属于一种开放式对抗模拟,为参与者提供一种研究与分析现代战争问题的场所。它按照一种结构化的、经过训练且机动灵活的方式,将诸方面军事专家的知识及观点结合在一起,及时地处理实战中出现的问题。研讨中将试验、仿真及军事情报分析之结果作为分析研讨的对象,亦可借助计算机进行更为详实的模拟后再作进一步的研讨。模拟仿真过程中,参与研讨的人员扮演着一系列的局中人,并代表其进行决策,决策的后果由局中人以对阵式的研讨来判定。处理复杂问题的对策式研讨,是一种连续推演、重复推演的反复过程,有时甚至需进行数月。需要的话,在研讨过程中,可将技术与作战战术诸问题一并提交给相应的军事专家进行单独解决,随后将解决的结果再反馈到后期的研讨中。1.2军事训练军事训练是和平时期提高部队战斗力的主要途径。如何利用现代高科技手段确保并提高部队训练质量,已成为世界各国军界最为关注的热点之一。现代军事模拟训练系统大多是VR系统。VR技术的最大特点是受训者能与虚拟战场环境进行自然而灵活的交互。VR系统是提高部队战斗力的最佳训练装备,它能使作战人员无需动用实际武器装备,便能在各种复杂的战场场景下进行诸种近于实战的军事训练与演习,不断积累作战经验;它还能使指挥官全身心地投入到虚拟作战环境中去,验证其战术思想和指挥效果,确定诸种武器系统的最优使用方法和时机。各种高新技术武器装备造价高,运行维护费用昂贵,组织实施训练难度大,经常操作使用还会对武器装备的磨损和使用寿命带来严重影响,采用VR系统进行军事训练,既可大大节省训练费用,又能取得颇佳的训练效果,使部队的作战训练呈现出前所未有的活力。超前的VR模拟仿真将成为未来军事训练的最高层次特征。VR技术以全息显示和超前的训练方式使未来的部队能在VR战场环境中体验战争,进而掌握战争。因而,VR技术必将成为21世纪部队的主要训练方式。目前,随着科学技术的飞速发展,军事作战模拟训练仿真技术出现了新的飞跃。通常作战模拟训练分为实地军事演习、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训练仿真运算速度快、准确、科学、可靠性高、损耗代价小,是一种崭新的模拟训练仿真方式。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训练领域。它可模拟各种形式的战争,如核大战、战区常规战(陆战、海战、空战及合成军作战)等。在模拟战争中分析包括紧急决策、战争、战争升级和战争结束等与政治息息相关的诸种因素。这不仅为研究现代战争问题、作战的指挥、武器装备的操作与使用及部队训练提供了科学方法,使研究的进程更为逼真地接近于实战,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,更有利于武器系统性能的改进及效能的提高。此外,还适用于培训武器装备操作人员。1.2.1VR飞行训练在美军VR技术应用较为成熟的飞行训练中,飞行员先在电子控制的飞机座舱内,由计算机提供飞机的飞行数据,头盔显示器展示出高分辨率的图像,根据逼真的虚拟战场态势进行判断,并作出诸种反应。在虚拟战场环境中较为熟练地撑握飞行操纵技术和作战技能后才进行实机训练。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。利用VR系统,飞行员可进行基本飞行训练、夜视操作训练、超低空飞行训练及有危险性高难度动作的飞行训练等。采用VR技术的飞行模拟器较常规的飞行模拟器具有更为显著的优越性,它可帮助飞行员及时而准确地掌握更多的有用信息,使受训人员能轻易地进入虚拟三维战场环境,在该虚拟战场环境中,飞行员能相对灵活地飞行,对环境中的实体进行各种操作,并能自动地作出简单的逻辑判断,从而减轻飞行员采集信息时进行归纳推理的负担,使飞行员能在紧张的作战环境中更迅速而准确地作出判定,从而极大地提高了飞行训练的质量和效能。据称,利用VR技术可缩短飞行训练时间60%,节省飞行训练费用70%。这样可使作战决策者能迅速而顺利地完成战术决策的对比研究,以优化作战效能,并为飞行训练提供理想的模拟平台。1.2.2VR战场场景1995年秋在波黑维和行动期间,美军准备对南联盟进行轰炸之前,曾利用VR技术将波黑地区80%的地形制成虚拟军用地图。美军将此种虚拟军用地图称为“威胁目标标志图”。该图包括三维数字化地形海拔高度的数据及巡航导弹弹药库等。在计算机终端设备屏幕上,虚拟军用地图清晰地标出南联盟的民宅区、综合性商业区、作战区、战略战术要地及起伏不平的波黑地形。在轰炸前,美军有效地利用这种虚拟军用地图进行了飞行预演,这对帮助其提高轰炸目标的命中率起着颇为重要的作用。为提高VR系统模拟战场场景有逼真性,必需建立相应的战场场景图形图像库。此种三维图形图像库内存入战场环境模拟过程中的诸种战场目标对象(如飞机、坦克、火炮、军舰及导弹)、作战场景及作战双方人员的图像。战场目标对象和作战场景通常是借助VR系统中的建模软件来实现,并在模型上贴上真实的图像。作战背景主要是指气象变化,如云、雨、雾、雪、风暴及雷电等;沙漠、丛林、森林、河流、湖泊、海浪、山脉、丘陵、城市、村庄、公路、铁路、桥梁、机场、码头、夜景、噪声及干扰等环境背景,这主要通过VR的相关技术手段加以实现。至于参战人员的模拟,则可采用图形建模、图像映射或借助两者的组合来实现。有了三维图形图像库,参与者才可真正地进入虚拟战场。将VR技术引入作战模拟训练系统仿真的各个阶段,将使模型的建立和验证更为简便。它能逼真地显示出虚拟战场场景和整个作战过程,供军事专家制定出合适的作战训练方案,还能模拟决策的过程,向参与者解释VR系统的行为机制,因而受到作战指挥人员的普遍欢迎。现代作战模拟训练系统VR实验室的任务是对作战模拟训练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。当前对军事作战模拟训练系统的发展可产生变革性作用的一种技术,便是VR战场场景技术与分布式网络交互作用的仿真。1.2.3VR