虚拟现实技术的军事应用

虚拟现实技术的军事应用作者摘要：为了应对新军事变革的挑战，以计算机为主体的数字化虚拟现实技术在军率领城得到广泛应用．文章介绍了虚拟现实技术的基本概念，如定义、特点、分类等，详细分析了虚拟现实技术在军事领城，包括武器装备研制、军事演练和作战形式等方面的应用，关键词：虚拟现实，模拟，军事应用1.引言当前，随着信息革命对未来军事的影响不断加深，以信息化为标志的新军事变革迅猛发展，高技术、新概念武器层出不穷，战争模式发生了重大变化，作战进程加快、作战反应时间缩短，对作战人员的能力、素质，对部队的战术素养、协同能力都提出了极高的要求。为应对新军事变革的挑战，以计算机为主体的数字化虚拟现实技术在军事领域得到广泛应用，并在作战指挥、军事训练和战法研究等方面取得了革命性成果，在很大程度上解决真实作战训练中的一些实际问题，并因其在指挥决策、训练演习和理论训练上特有的科学性、经济性、对抗性、真实性、直观性、严密性、交互性、实时性、可控性和再现性等诸多优点，引起当今各国军队的极大兴趣，被视为信息时代提高作战效能和加强军队质量建设的有效途径。2.虚拟现实技术的概念虚拟现实是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。简单地说，虚拟现实就是人们利用计算机生成一个逼真的三维视、听、嗅等感觉的虚拟环境，使人作为参与者通过自然技能使用传感设备等适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用的新技术。任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是“沉浸（Immersion)”、“交互（Interaction)”和“想象（Imagination)”。这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互，它强调人在虚拟现实环境中的主导作用．虚拟现实技术种类繁多，主要有：(1)桌面级虑拟现实桌面级虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备如鼠标，追踪球，力矩球等一般用来驾驭虚拟境界，并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。它要求参与者使用位置跟踪器和一个手控输入设备，坐在监视器前，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者并没有完全投入，因为他仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面级的虚拟现实最大特点是缺乏完全投入的功能，但是成本也相对低一些，应用面比较广．(2)沉浸式虚拟现实沉浸式虚拟现实系统提供完全投入的功能，使用户有一种置身虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。(3)增强现实的虚拟现实又叫做增强现实，指不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。这种类型虚拟现实典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。(4)分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历．那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统．3.虚拟现实技术在军事领域的应用3.1开创了武器装备研制的新思路虚拟现实技术在武器设计、研究分析、生产规划、制造使用等环节都有重要的应用价值。在武器设计研制过程中，用虚拟现实技术提供先期演示，让研制者与用户同时进入虚拟作战环境操作武器系统，检验其设计方案、战术技术性能指标及操作的合理性，把先进设计思想溶入武器装备研制的全过程，从而保证其总体质童和效能，实现武器装备投资的最佳战略选择。设计者采用虚拟现实技术方便自如地介入系统建模和仿真试验全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作战效能，使之更接近实战的要求．采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的战术技术性能和使用效率等进行仿真，利于有选择地重点发展武器装备体系，优化其整体质量和作战效能．美国陆军正在使用类似于“星际旅行”样式的全息控制板技术，即虚拟现实技术，辅助设计未来作战车辆。坦克机动车辆与武器局武器研究发展与工程中心负责虚拟样机的官员在评价这种技术时说：“我们将把士兵置于这种虚拟环境中．并使他们体验到是在一辆真实的车辆里”.“我们不必去制造任何硬件样机”,“这种技术一旦研制成功，我们不但能在计算机上设计战车，而且还能设计武器系统和其它装备。这样，我们不仅能使发展武器的时间缩短数年，还能为我们节约数百万美元的研究发展费用”。美国诺格公司正在利用虚拟现实技术为美国海军设计下一代航母CVN21，它是第一艘完全在虚拟环境中设计的航母．虚拟模型使人们能够思考如何最好地装配这艘航母，特别是系统区域，例如，在哪里放置管道，如何在上层甲板安装之前建造下层甲板等等。诺。格公司CVN21计划的副总裁Shawcross认为，使用计算机辅助设计工具被证明能够节省费用。例如，法国达索公司和IBM公司共同提供的CATIA帮助设计者事先发现了设计中的所有问题和错误，这当然会节省费用。他说；“这在好多方面都很有用，零部件的加工精度将更高，我们已经在‘海狼’和‘弗吉尼亚’级潜艇上看到了这样的效果，它还能使我们更好的进行规划，能够提供加工数据，例如下达给弯管机的弯曲指令或者下达给钢板切割机的指3.2提供了军事演练的新方法(1)虚拟战场环境采用虚拟现实技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉将作战区域的环境特征。演练者通过必要的设备与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验，使演练者“真正”进入形象逼真的战场。在这样的环境中，指挥员可以获得充足的战场信息，拥有决策优势，贯彻各种战术思想，体会运筹帷幄的惊心动魄；士兵可以熟悉战场环境，适应战场氛围，训练战斗技能和坚韧的意志．在阿富汗战争打响之前，美国陆军装备司令部出资10亿美元构建了通真的阿富汗虚拟战场，模拟了从沙摸到丛林以及拥挤的街道等各种地形，并通过人工智能的方法设计塔利班“士兵”供参战人员模拟作战使用。同样，美军早在对伊拉克开战半年前就构建了巴格达城区虚拟战场，将所有的建筑物、街道、公共设施、树木等全部模拟出来．演练的士兵如身临其境，可以判定进攻方向、威胁强度、掩蔽位置，可以制定作战预案，进行战斗演练。它将参训人员带到像实战一样、弥漫着危险气氛的环境，让他们相信自己可以应付眼前的一切。当这些人员真正上战场时，他们已经成了熟悉战场环境的老兵。虚拟战场环境在武器试验中的作用更充分体现了信息技术的优势。高新武器的研制试验总伴随着高昂的经费．而在虚拟战场环境中测试武器装备的准确射程、打击范围、损毁程度等指标，不仅精确度高，也大大节省了经费。“知己知彼，百战不殆．”在现代战争中，信息的多寡就意味着战争的胜负。虚拟战场环境像一束强光穿透战场的迷雾．使战场变得透明．(2)单兵模拟训练和评到训练仿真是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能，如目前使用较多的驾驶模拟仿真系统、多用途复合激光作战仿真系统等．这些仿真系统的准确性和逼真性得到了很大的提高，图像的仿真程度也已经与实物、实景相差无几．特别是训练仿真系统具有在危险小、低消耗的条件下训练出较强作战技能的部队的特点，因此受到世界各国军队的极大重视。美军于上世纪70年代未开始将模拟训练器材应用于部队训练，80年代以来，美军更加重视适合于实战要求的作战模拟系统的研制．截至目前为止，美军己能够模拟35种武器装备的操作使用和相应的战术演练．在针对海湾战争的训练中，美军大量采用了模拟坦克、装甲车辆等器材，通过模拟仿真训练，既避免了由于采用实兵、实车、实弹等进行训练带来的武器、弹药的损耗，又保证了人身安全，节省了大童经费。现在，美军从营级到师级的实兵实车等实装训练正逐渐减少，主要进行模拟训练。未来的士兵将在电子头盔、数据手套和武器平台仿真器集成的模拟舱内，身经“百战”，在虚拟的战斗中体验生与死的角逐，磨练娴熟的战术技能和坚韧的战斗意志。与常规的训练方式相比较，虚拟现实训练具有环境逼真，沉浸感强、场景多变，训练针对性强和安全经济，可控制性强等特点．此外，随着计算机及现代通信技术的飞速发展及在训练上的广泛运用，训练仿真系统呈现出由单车、单炮等模拟向作战联网方向发展的趋势．如美军要求现在和今后购置的模拟训练器材，以及将要研制的新型模拟训练器材，都要从全局着眼，为形成网络化打下基础．待模拟训练器材达到标准化和系统化要求后，将各种模拟训练器材相连结，形成一个大型的作战模拟网络，这样，在未来的训练中，只需要在单元车上安装模拟器，便可以将作战编组联在一起训练．而且，不同形式的模拟器材和不同种类的仿真系统也可互联，同时也可异地互联，从而使分布在不同地点的战车、分队共享一个数据库，这就使射击程序、指挥控制、远距离火力支援等科目的训练可通过模拟仿真技术来实现，从而极大地提高分队的战斗力。(3)诸军种联合虚拟演习建立一个虚拟战场，使参战双方同处其中，根据虚拟环境中的各种情况及其变化，实施“真实的”对抗演习。在这样的虚拟作战环境中，可以使众多军事单位参与到作战模拟来中而不受地域的限制，可大大提高战役训练的效益，还可以评估武器系统的总体性能，启发新的作战思想。虚拟军事演习系统可以任意增加联合演习的次数，这样便于作战方案与理论的研究。传统的实兵演习周期长、耗费大，如果借助虚拟军事演习系统进行训练，就可以较小的代价、较短的时间实施大规模战区、战略级演习，并可通过多次演习或一次演习多种方案，发现、解决实战中可能出现的问题。最早的分布式虚拟战场环境是1983年美国陆军制定的虚拟环境研究计划SIMNET，这一计划将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的训练和作战演练。从1994年开始，美国陆军与美国大西洋司令部联合开展了战争综合演练场的研究，建成了一个包括海陆空多兵种、有3700多个仿真实体参与的地域范围覆盖500公里×750公里的军事演练环境。(4)指挥决策棋拟利用虚拟现实技术，根据侦察情况资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确决心。美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能遇真地模拟与真的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训军官沉浸于“真实的”战场之中。通过计算机作战模拟，不仅可以在严谨的科学基础上对新的作战理论原则、作战行动规则进行多方位的论证，并通过模拟对抗，计算各军、兵种部队的攻防作战能力，经过比较挑出最佳作战方案，而且可以使指挥员置于陆海空天电五维全方位的作战空间，从而摆脱二维空间的思维枷锁，使指挥艺术得到更充分的发挥．美军曾经使用过许多作战模拟系统来培训军事人员，并取得了显著的效果。目前，美军更进一步采取措施，通过设置“军官虚拟现实教程”来强化人员培训。从训练效果的角度讲，这种“军官虚拟现实教程”大大超过以往陆军联合训练中心所实施的作战模拟训练和实战演习的方法。仅需5个月左右就能培训出既具备战术专家素质，又能直接观察与分析战场态势，并能指挥与控制所属部队进行作战的军官。1993年，美国陆军利用虚拟现实技术进行了“路易斯安娜演习”，为美国陆军制定出适合于二十一世纪作战要求的条令、战术和部队编成进行实验论证，仅此一项就为美国陆军节约经费近20亿美元。目前，美国国防大学已为军官开设了军事政治课程以及联合与合成作战模拟课程。美三军主要作战中心每年都要接待各类高级指挥和参谋人员进行作战模拟训练。为了统一建模方法和统一数据格式，美陆军部推行了“作战模型改进计划”，设想一个统一的管理机构下建立一个具有层次结构的陆军作战模拟系列，将陆军各兵种的作战模型全部纳入这个体系中，以