美軍虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用
一、虛擬現(xiàn)實(shí)概念及演進(jìn)
“預(yù)先戰(zhàn)爭演練”是軍事領(lǐng)域?qū)＜覀円恢睂で蟮姆椒?，以便能夠以較少的投資、最低的風(fēng)險(xiǎn)而又能逼真再現(xiàn)戰(zhàn)爭的方式，達(dá)到訓(xùn)練士兵、論證軍事理論、演示戰(zhàn)斗策略、評(píng)估武器裝備的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)應(yīng)此需求而產(chǎn)生，根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的定義，VR是指在視、聽、觸、嗅、味覺等方面高度逼真的計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，用戶可與此環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)。VR集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種技術(shù)，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用以低廉的成本、逼真的效果最大程度地代替實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，在提升軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗實(shí)力，節(jié)省經(jīng)費(fèi)開支，縮短武器裝備研制周期等方面都發(fā)揮了重要的作用。
VR概念首次出現(xiàn)在1965年的IFIP會(huì)議上，Ivan Sutherland在此次會(huì)議上提交的一篇名為The UltimateDisplay(《終極的顯示》)的學(xué)術(shù)論文中提出模擬環(huán)境下浸入、完全傳感輸入與輸出的關(guān)鍵概念，這些概念是當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)研究的基礎(chǔ)。20 世紀(jì)80年代美國VPL 公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier 正式提出了“Virtual Reality”一詞。VR 技術(shù)于20世紀(jì)90 年代得到了蓬勃發(fā)展，2000 年以后，VR 技術(shù)整合發(fā)展中的XML、JAVA 等先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用強(qiáng)大的3D 計(jì)算能力和交互式技術(shù)，提高渲染質(zhì)量和傳輸速度，進(jìn)入了嶄新的發(fā)展時(shí)代。為了把握VR技術(shù)優(yōu)勢，美、英、日等國政府及大公司不惜巨資在該領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，并顯示出良好的應(yīng)用前景，隨著硬件性能的提升和成本的大幅度降低，近年來VR產(chǎn)品獲得了廣泛發(fā)展，特別是2016年美國消費(fèi)電子展上，VR產(chǎn)品成為展會(huì)的絕對(duì)主角。
二、美軍VR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、研究項(xiàng)目及應(yīng)用實(shí)例
現(xiàn)有VR技術(shù)應(yīng)用可分為三大類：模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練、幫助指揮官進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、預(yù)演與決策以及武器系統(tǒng)構(gòu)建、評(píng)估與測試。本文將著重描述美軍在三大應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及典型系統(tǒng)。
（一）模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練
1.應(yīng)用現(xiàn)狀
模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練是VR技術(shù)在軍事領(lǐng)域最廣為人知的應(yīng)用，通過VR技術(shù)使受訓(xùn)者在視覺和聽覺上真實(shí)體驗(yàn)戰(zhàn)場環(huán)境、熟悉作戰(zhàn)區(qū)域的環(huán)境特征。用戶通過顯示設(shè)備、立體觀察裝置、人機(jī)操縱裝置等與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互且相互影響，產(chǎn)生沉浸于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中的感受和體驗(yàn)。目前，軍事領(lǐng)域的VR技術(shù)應(yīng)用跨度很大，從商業(yè)產(chǎn)品演化而來的桌面飛行訓(xùn)練儀、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境到多場所復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)組隊(duì)訓(xùn)練儀都運(yùn)用了VR技術(shù)。
美軍在虛擬作戰(zhàn)訓(xùn)練領(lǐng)域的典型應(yīng)用有單兵武器裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)如美軍F-16戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練模擬器和美陸軍使用的EST 2000、聯(lián)合訓(xùn)練模擬器如美空軍航空聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（Aviation Combined Arms Tactical Trainer-Aviation，AVCATT-A)系統(tǒng)、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境模擬訓(xùn)練如美軍在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中使用的作戰(zhàn)區(qū)域三維地形模擬環(huán)境和“激光沙盤”的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及異地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬訓(xùn)練如美陸軍的近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（Close Combat Tactical Trainer, CCTT）。
2.典型應(yīng)用實(shí)例
1）航空聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（AVCATT-A）
美空軍AVCATT-A系統(tǒng)是典型的聯(lián)合飛行訓(xùn)練模擬器。整個(gè)AVCATT-A物理布局由兩部長53英尺(約15.2米)的拖車組成，共包括8個(gè)小房間，其中6個(gè)房間模擬顯示直升機(jī)座艙、一個(gè)房間是控制中心，另一個(gè)房間是一個(gè)可容納20人的行動(dòng)回顧(AAR)室。
AVCATT-A的獨(dú)特之處在于它的6個(gè)模擬直升機(jī)座艙的房間，只要45分鐘就可以完成重構(gòu)以模擬AH-64“阿帕奇”攻擊直升機(jī)、UH-60“黑鷹”通用直升機(jī)、OH-58 “基洛瓦勇士”偵察直升機(jī)和CH-47“支奴干”運(yùn)輸直升機(jī)中的任何一種。模擬轉(zhuǎn)換由操作AVCATT-A的人員負(fù)責(zé)，通過與6個(gè)模擬直升機(jī)座艙房間連接的儀表盤面板就可以完成模擬四種直升機(jī)座艙的轉(zhuǎn)換。
圖1 AVCATT-A物理布局
2）近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)（CCTT）
美陸軍研制的CCTT是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)投資近10億美元，是美陸軍第一個(gè)也是迄今為止最大的分布式交互模擬系統(tǒng)。它利用許多先進(jìn)的主干光纖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合分布式交互仿真，建立起虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，供作戰(zhàn)人員在人工合成環(huán)境中完成作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)。該系統(tǒng)通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接從韓國到歐洲大約65個(gè)工作站，各站之間可迅速傳遞模型和數(shù)據(jù)。它包括“艾布拉姆斯”坦克、“布雷得利”戰(zhàn)車和HUMVESS1武器系統(tǒng)等，使士兵能在虛擬環(huán)境的動(dòng)態(tài)地形上進(jìn)行近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。
圖2 CCTT系統(tǒng)內(nèi)場景
（二）幫助指揮官進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、預(yù)演與決策
1.應(yīng)用現(xiàn)狀
在作戰(zhàn)指揮決策領(lǐng)域，VR技術(shù)的應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面: 一是通過對(duì)獲取到的情報(bào)數(shù)據(jù)在三維戰(zhàn)場環(huán)境上合成逼真的三維戰(zhàn)場態(tài)勢場景，使指揮人員更加形象直觀地把握整個(gè)戰(zhàn)場態(tài)勢以便更好地進(jìn)行決策; 二是采用基于VR技術(shù)的作戰(zhàn)方案分析系統(tǒng)對(duì)指揮決策人員提出的決策方案進(jìn)行仿真分析，以便更好地為決策人員提供參考。
目前被廣泛應(yīng)用的三維戰(zhàn)場可視化系統(tǒng)如電子沙盤就是根據(jù)偵察到的戰(zhàn)場情報(bào)資料和戰(zhàn)場自然環(huán)境，采用三維圖形可視化系統(tǒng)合成出形象直觀的三維戰(zhàn)場全景圖，讓指揮員能夠全面直觀地觀察和分析雙方兵力部署和戰(zhàn)場情況，以便判斷敵情，做出正確決議，如美國海軍實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory）資助開發(fā)的“龍”（Dragon）系統(tǒng)就是此種應(yīng)用的典型代表。
在作戰(zhàn)階段，采用基于VR技術(shù)研制的分析類仿真系統(tǒng)可以為指揮員制定的決策方案進(jìn)行反復(fù)的模擬仿真分析，以提供最佳的作戰(zhàn)方案選擇。分析類仿真系統(tǒng)不僅能夠提供逼真的三維戰(zhàn)場環(huán)境，而且還能夠?qū)χ笓]員制定的決策方案的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行直觀的可視化展現(xiàn)，使指揮員能夠一目了然地了解決策方案可能出現(xiàn)的一系列后果，從而為指揮員選擇和制定高質(zhì)量的決策方案提供參考。 近些年來，美軍著眼于其所面臨的現(xiàn)實(shí)威脅和信息化戰(zhàn)爭的時(shí)代特征，先后研制了一系列大規(guī)模諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)分析類模擬系統(tǒng)，如JWARS(Joint Warfare System) (該系統(tǒng)已于2006年8月更名為Joint Analysis, System，JAS)、JMASS（JointModeling and Simulation System）、NETWARS、WARSIM2000等，并在這些系統(tǒng)的支持下進(jìn)行了一系列的大規(guī)模聯(lián)合軍事演習(xí)，為美軍的21世紀(jì)軍事轉(zhuǎn)型研究和軍事理論創(chuàng)新提供了強(qiáng)有力的支持。
近年來，美軍還將全息投影技術(shù)與虛擬技術(shù)相結(jié)合，不僅有作戰(zhàn)力量空間分布、最新情報(bào)等信息的屏幕顯示，也有利用全息投影系統(tǒng)生成的在半空中懸浮的三維場景畫面，具有科幻片中亦幻亦真的驚人效果。美海軍正在研制的全息虛擬指揮中心是此類技術(shù)的典型應(yīng)用。
2.典型應(yīng)用實(shí)例
1）“龍”系統(tǒng)
由美國海軍實(shí)驗(yàn)室資助開發(fā)的“龍”系統(tǒng)已在演習(xí)與實(shí)戰(zhàn)中得到檢驗(yàn)與應(yīng)用。該系統(tǒng)可以在72小時(shí)內(nèi)，提供90×90km范圍的數(shù)字地形數(shù)據(jù)（Digital Terrain Elevation Data，DTED）5級(jí)（1m）特征數(shù)據(jù)和圖像特征。在作戰(zhàn)之前，能夠快速將復(fù)雜戰(zhàn)場態(tài)勢可視化，使指揮員及其參謀人員能靈活使用兩維或者動(dòng)態(tài)三維顯示系統(tǒng)更有效地制定任務(wù)計(jì)劃和演練，評(píng)估行動(dòng)路線，保持態(tài)勢的認(rèn)知。同時(shí)還能夠使士兵“看清”道路、樹木、山地和水路等。該系統(tǒng)可以在工作臺(tái)或頭盔顯示器等平臺(tái)上運(yùn)行，提供以地圖為中心或以用戶為中心的導(dǎo)航方式，以操縱桿提供人-機(jī)交互，操作和攜帶都非常方便。該系統(tǒng)曾經(jīng)參與“獵人勇士”（Hunter WarriorAWE3）和“聯(lián)合反雷”（Joint Counter Mine）等先進(jìn)概念戰(zhàn)術(shù)演習(xí)。
圖3 龍系統(tǒng)所展示的3D虛擬戰(zhàn)場
2）美海軍全息虛擬指揮中心
目前，美國海軍使用的全玻璃化艦隊(duì)指揮系統(tǒng)的指揮室內(nèi)充滿了各種各樣的熒光屏，可以顯示出己方作戰(zhàn)力量的空間分布，以及最新的情報(bào)信息，但這還不算最先進(jìn)的指揮系統(tǒng)，研究人員正在開發(fā)一種全息虛擬指揮控制系統(tǒng)，將在2025年參與作戰(zhàn)。在這種全息虛擬指揮中心內(nèi)，作戰(zhàn)人員可以最大限度地利用戰(zhàn)場信息，與周圍的作戰(zhàn)單元進(jìn)行快速信息共享。通過觸覺和視覺傳感器完成對(duì)艦艇的控制，甚至可進(jìn)行類似全息化的指揮操作。同時(shí)，通過配備耳機(jī)進(jìn)行互動(dòng)聊天和超視頻的信息傳遞，讓作戰(zhàn)人員產(chǎn)生更加真實(shí)的感覺。圖4中顯示的是一位士兵正在虛擬的指揮中心操縱艦艇，通過佩戴視覺和觸覺傳感器對(duì)艦船進(jìn)行控制。全息虛擬指揮系統(tǒng)的研究人員表示類似圖中的控制技術(shù)將應(yīng)用于未來的海軍艦艇。
圖4 美海軍全息虛擬指揮中心
（三）武器系統(tǒng)構(gòu)建、評(píng)估與測試
1.應(yīng)用現(xiàn)狀
在武器裝備研制與采辦領(lǐng)域逐步得到各國國防部武器裝備采購部門和國防工業(yè)部門認(rèn)可的一種新的采辦理念是基于仿真的采辦（Simulation based acquisition, SBA）。SBA本質(zhì)上是關(guān)于武器裝備采辦的全壽命的管理過程，但是其核心支撐技術(shù)是VR技術(shù)。實(shí)際上，將VR技術(shù)應(yīng)用于武器系統(tǒng)研制的各個(gè)階段，已經(jīng)成為世界各國武器裝備研制策略的重要組成部分。
在相關(guān)技術(shù)的選型與研制方案探索階段，可以采用基于VR技術(shù)的武器裝備先期技術(shù)演示（Advanced Technology Demonstration，ATD）來對(duì)相關(guān)技術(shù)支撐下的武器裝備進(jìn)行建模并在各種虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境下進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)相關(guān)技術(shù)的可行性，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能。在系統(tǒng)的研制設(shè)計(jì)階段，采用基于VR的虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping）進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，不僅可以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首次制造的正確性，而且可以大大降低研制費(fèi)用，縮短研制周期。在系統(tǒng)的制造階段，可以采用基于VR的虛擬制造技術(shù)精確模擬計(jì)劃的生產(chǎn)設(shè)施和過程，保證可生產(chǎn)性，降低制造成本，減少生產(chǎn)時(shí)間。在最后的實(shí)驗(yàn)定型階段，采用基于VR的虛擬試驗(yàn)可以模擬可能出現(xiàn)的各種情況和環(huán)境因素，縮短試驗(yàn)時(shí)間和降低試驗(yàn)費(fèi)用。
美國空軍第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22和JSF在研制的全過程中由于采用了VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造一體化，使研制周期縮短50%，節(jié)省的研制費(fèi)用超過93％。由于采用VR技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，就能夠向飛行員提供直接體驗(yàn)新設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)的“虛擬”系統(tǒng)，并能隨時(shí)按照定貨方要求現(xiàn)場修改設(shè)計(jì)，美軍用這一技術(shù)成功地設(shè)計(jì)了“阿帕奇” 和“科曼奇”武裝直升機(jī)的電子座艙等。
美國陸軍正在使用類似于 “星際旅行” 樣式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 輔助設(shè)計(jì)未來作戰(zhàn)車輛。坦克機(jī)動(dòng)車輛與武器局武器研究發(fā)展與工程中心負(fù)責(zé)虛擬樣機(jī)的官員在評(píng)價(jià)這種技術(shù)時(shí)說：“我們把士兵置于這種虛擬環(huán)境中并使他們感覺是在一輛真實(shí)的車輛里，我們不必去制造任何硬件樣機(jī),這種技術(shù)一旦研制成功，我們不但能在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)戰(zhàn)車，而且還能設(shè)計(jì)武器系統(tǒng)和其它裝備。這樣，我們不僅能使發(fā)展武器的時(shí)間縮短數(shù)年，還能為我們節(jié)約數(shù)百萬美元的研究發(fā)展費(fèi)用”。
美國諾格公司正在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為美國海軍設(shè)計(jì)下一代航母CVN 21，它是第一艘完全在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)的航母．虛擬模型使人們能夠思考如何最好地 裝配這艘航母，特別是系統(tǒng)區(qū)域，例如，在哪里放置管道，如何在上層甲板安裝之前建造下層甲板等等。
在太空領(lǐng)域，洛克希德·馬丁公司開發(fā)的協(xié)同真人臨境實(shí)驗(yàn)室(Collaborative Human Immersive Laboratory, CHIL) 使用VR技術(shù)來提高太空系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和效率。該公司計(jì)劃把CHIL用于各種項(xiàng)目中，其中包括美國空軍的下一代全球定位系統(tǒng)GPS III 和NASA 的獵戶座乘員探索飛行器。
2.典型應(yīng)用實(shí)例
洛克希德·馬丁公司開發(fā)的使用VR技術(shù)的協(xié)同真人臨境實(shí)驗(yàn)室（CHIL）已廣泛應(yīng)用于各種空間系統(tǒng)，包括衛(wèi)星、空間探測器、發(fā)射飛船和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。在CHIL實(shí)驗(yàn)室中，工程師與技術(shù)人員可以探索衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與測試功能，并能在虛擬世界中調(diào)整空間位置并排除故障。在開始加工制造之前，利用CHIL可以虛擬地優(yōu)化和核查各種工藝過程；在問題發(fā)生前，利用CHIL可以識(shí)別各種瓶頸、沖突和工作流程問題、改善資源利用率、材料流程和生產(chǎn)性以及減少返工并降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。
洛克希德·馬丁公司將在包括美國空軍的下一代全球定位系統(tǒng)——GPS III和NASA的Orian載人探測船等各個(gè)項(xiàng)目中利用CHIL。目前，洛克希德·馬丁公司已經(jīng)在CHIL實(shí)驗(yàn)室對(duì)下一代全球定位系統(tǒng)及其他空間計(jì)劃開始進(jìn)行測試與驗(yàn)證。
來源：電科防務(wù)研究（CETC-ETDR）
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