虚拟现实技术及其在军事模拟训练领域的应用
作者：张恩阳 田朝勇
1.引言
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是利用计算机创造一个虚拟空间，并使用户完全沉浸在这个虚拟的环境中。由于VR创造了全新的、更直观的人机交互方式，被业界认为极有可能成为下一代大众化交互方式和继移动互联网之后的下一代计算平台，并将在军民用领域得到广泛应用。
为了保持军队的战斗力，世界各国都高度重视军事模拟训练工作。美军模拟训练最早从20世纪70年代初开始，至今先后经历了人工模拟、半自动模拟和计算机模拟三大阶段。在20世纪80年代中期，随着计算机技术的日益成熟和推广应用，美军基本完成了从以复现实际地形的“沙盘”为主要器材的人工模拟向计算机模拟的转变。目前美军已经将计算机模拟训练与虚拟现实技术相结合，运用于陆、海、空、天各军兵种的独立或联合的训练与演习，包括各军兵种的院校教学、武器装备操作训练、复杂专业技术训练、作战指挥训练、战役战术训练以及战略级别的训练等。
本论文结合四川长虹电子控股集团有限公司多年以来在军工技术与虚拟现实技术领域的研究积累，提出了将虚拟现实技术用于我军模拟训练的构想，研讨了以“演练结合、战训一致”为训练目标的虚拟现实军事模拟训练系统的功能特点、系统构成及可实现的训练内容等，旨在为我军教育训练、作战研究、武器装备评估等发挥重大作用，有效提升我军实战能力。
2.虚拟现实技术概况
2.1什么是虚拟现实
虚拟现实（VR）技术与网络、多媒体技术并称为21世纪最具应用前景的三大技术。VR在20世纪60年代初首次被提出，指借助计算机系统及传感器技术生成一个三维环境，并创造出一种崭新的人机交互方式，通过调动用户所有的感官(视觉、听觉、触觉、嗅觉等)带来更加真实的、身临其境的体验。在虚拟现实技术的发展过程中，又出现了增强现实（Augmented Reality，AR）技术和混合现实（Mixed Reality，MR）技术，单纯从虚拟成分与现实成分占比的角度，可以简单地理解为VR呈现的是100%虚拟世界，是封闭的，AR是基于现实环境，叠加计算机生成的虚拟物体或电子信息，从而对现实达到“增强”的效果，而MR则是将虚拟世界叠加到现实环境的同时还可以与现实世界进行交互和信息的及时获取。我们认为未来VR/AR/MR只是带来模拟化视觉体验提升的不同技术分支，未来技术融合的概率大，因此本论文中暂时统称VR。
VR的基本特征是三性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Imagination)，其中沉浸性是指参与者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，多感知性是指由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、触觉、嗅觉等的传感及反应装置，参与者因此在虚拟环境中通过人机交互可获得视觉、听觉、触觉、嗅觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
2.2虚拟现实技术在民用领域的发展现状
虚拟现实技术主要有九大应用领域，包括视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事。但此前受制于处理器芯片、图像处理技术、显示系统及传感技术，三维立体内容分辨率和刷新率低，造成图像延迟现象较为严重，尤其是加入动作捕捉进行交互时，延迟导致沉浸感不强，人无法进入虚拟世界，且大部分VR体验者都会因延迟问题感觉到晕眩，因此虚拟现实产业此前并未取得快速发展。
改善眩晕是VR普及的关键。研究表明，造成VR晕眩的因素主要有两大点：一是身体的运动和视野中所观测到的运动不匹配；二是头部运动和视觉观测到的头部运动的不匹配。而延时恰恰是导致不匹配的主要成因。延时包括屏幕显示延时、计算延时、传输延时以及传感器延时，其中屏幕显示延时是VR设备延时的最主要因素，也即产生眩晕感的最重要因素之一。而降低屏幕显示延时的最有效方法就是提高刷新率，减少帧间延时，近年开始量产的AMOLED（主动矩阵有机发光二极管）显示屏是最佳解决方案。AMOLED相比LCD（液晶显示器）具有主动发光、更轻更薄、亮度高、对比度大、响应速度快、功耗低、使用温度范围宽（-40～85℃）、耐冲击抗振动和可实现柔性显示等优势。其中AMOLED的响应速度比LCD快1000倍，显示运动画面绝对不会有拖影的现象，因此恰恰是解决屏幕显示延时的最好解决方案。此外，CPU （中央处理器）+ GPU（图像处理器）的组合开始出现，且CPU主频不断提升，GPU的性能也以每年2.8倍的速度增长，大大提高了图像处理及并行运算的能力。除了CPU+GPU更加强大之外，视觉、声觉和触觉的快速反馈技术也不断出现，在克服眩晕及加强用户和内容之间的交互上体现了巨大的作用。也正因为上述三大方面的技术进步，目前的VR已经基本适用于普通大众，并能使他们取得较好的视觉、声觉和触觉的全方位交互体验，可以说已初步具备普及应用的基础。
从实际应用来看，随着Facebook、google、苹果、HTC、三星、微软、腾讯等科技巨头纷纷从硬件设备尤其是头戴显示设备开始切入VR产业并带动VR内容等整个产业链的发展，目前VR已率先在大娱乐产业获得发展，在游戏、影视、动漫、主题公园、体育等有明显的沉浸感和代入感、立体式体验需求的领域，和广告、培训、在线教育、在线医疗、在线服务、社交等可带来近似于面对面交流的切身体验的领域，VR已得到越来越多的应用。除大娱乐产业以外，虚拟现实技术在航空航天、船舶建造与设计、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域也逐渐显示出巨大的经济和社会效益。
从未来市场前景来看，根据Digi-Capital预测，2020年VR硬件和软件市场潜力将达到1500亿美元规模，预计未来5年复合增长率超过100%；而据游戏行业分析公司Superdata预测，到2017年底将会卖出7000万台VR头显，带来88亿美元的虚拟现实硬件盈利和61亿美元的虚拟现实软件盈利；根据TrendForce 的最新预测，2016年虚拟现实的市场总价值接近 67 亿美元，而到 2020 年其价值可能会高达700亿元美金。因此，从各咨询研究机构预测数据来看，VR未来5年将实现超高速增长，爆发近在咫尺。
3.基于虚拟现实技术的军事模拟训练系统
3.1虚拟现实军事模拟训练系统的特点
虚拟现实军事模拟训练系统是运用以虚拟现实技术为核心的新一代模拟训练系统，在继承传统的计算机模拟训练系统的基础上，强调受训人员以第一人称高度沉浸在模拟环境中，“身临其境”是其最显著的特点，具体归纳为以下几点：
（1） 是一套以超高清晰度、超大视场角的显示设备加上听觉、触觉、嗅觉、味觉等感知设备为特色的综合演练系统。传统的训练系统仅能提供战场环境和武器装备等的二维或三维可视化显示，受训人员是置身于场景之外的“旁观者”，而虚拟现实训练系统的受训人员将以“第一人称”置身于模拟场景中，并能增实感受到子弹掠过耳际的呼啸声、物体被烧的焦糊味、身体中弹的疼痛感、鲜血的咸甜味等，具有高度真实感。
（2） 受训人员可以第一人称与模拟场景中的对象进行自然的交互。传统的训练系统只能通过键盘、鼠标对目标进行控制，而虚拟现实训练系统可以通过体感手势、动作捕捉、运动追踪等技术实现受训人员与目标的自然交互，比如直接挥拳踢腿击打敌人、手握模型枪开枪射击、用虚拟工具维检武器装备、模拟舰机坦克的操控等。
（3） 720°全景及全要素动态场景模型。传统的训练系统只可以实现三维立体场景建模，并将空间地理信息、气象信息及大量不具备物理实体的战场要素信息以图表、文字的形式进行显示，而虚拟现实训练系统可以对场景进行720°全方位动态建模，并且支持气象特效（云、雨、雪、雷电等）、光照特效（白天、黑夜）的显示和采用仿真数据可视化技术对大量重要的不具备物理实体的战场要素信息进行可视化显示，使受训人员更真实地感知目标场景，更直观地获取战场细节。
（4） 集中式模拟与分布式模拟、单项训练与联合作战训练高度结合。虚拟现实训练系统综合运用了虚拟现实技术与计算机网络、大数据、云平台等先进技术，既可以将整个模拟系统集中在一个或几个相邻的建筑物内进行集中式模拟训练，也可以通过信息网络把分布在不同地点、相互独立的模拟系统或模拟器材联接起来形成分布式模拟训练系统；既可以进行射击、跳伞、舰机坦克驾驶等单项训练，也可以将多种模拟系统联接到一起，甚至陆海空天进行一体化联合作战模拟演习。
3.2虚拟现实军事模拟训练系统的构成
虚拟现实军事模拟训练系统按功能要求分为环境感知与态势侦测分系统、场景动态模型与数据分发分系统、中央控制分系统、虚拟现实态势显示分系统、虚拟现实头盔显示分系统、沉浸式交互输入与反馈分系统、效能评估分系统等七个组成部分。
3.3虚拟现实军事模拟训练系统的训练内容
虚拟现实军事模拟训练系统作为连接战争准备和实战之间的桥梁，根据不同的训练对象和训练任务，可以满足不同训练内容的需要。
（1） 单兵技能训练。通过佩戴虚拟现实头盔及传感器外设，在逼真的虚拟场景中训练战士的战场心理素质、装备使用技能及个人战技战术等。例如伞兵跳伞训练、舰机坦克模拟驾驶训练、射击模拟训练、战场环境心理适应性训练、特种兵战术技能训练等。由于VR系统能够逼真模拟各种真实场景，受训者甚至可身临欧洲、伊拉克、东海、南海等各种战场环境，在沙尘暴、浓雾、巨浪等几乎贴近实战的环境中，与敌方坦克、舰船、飞机等展开战斗，可以大大提高受训者的战术技能和反应能力，从而提高战场条件下完成作战任务的能力和自己的生存能力。
（2） 武器装备维检培训。通过实物建模，受训者只需佩戴VR设备就可以在虚拟场景中对坦克、飞机、舰艇、导弹等武器装备进行反复“拆卸和组装”，也可以对装备故障进行检查和维修，大大提高了尤其是对大型武器装备进行维检培训的便捷性，有利于受训者充分熟悉武器装备，为战时武器装备的故障检修赢得宝贵的时间。
（3） 红蓝对抗演练。运用虚拟现实系统，对包括两支或多支对抗力量的军事冲突进行实战化模拟。通过对综合自然环境的感知和全景建模，可以对作战方案或作战行动进行多方位的论证，计算各军兵种的武器配备、排兵布阵、后勤保障和攻防作战能力，并通过红蓝模拟对抗进行态势观测和毁伤评估，经过比较挑选出最佳作战方案。虚拟现实模拟演练系统可以使指挥员置身于陆海空天电的全维作战空间，充分发挥指挥艺术和指挥才能，为实战探索最优方案。
（4） 理论验证。运用虚拟现实模拟训练系统，可以为战争理论和新式武器装备研发提供检验手段。诸如网络战、电磁战等新的作战理论不能等到战争打响再进行检验，VR模拟系统可以提供“准战场化”的验证。新式武器装备为降低研发风险、缩短研制周期、降低装备造价，可以通过VR模拟训练系统在拟真的战场环境中对新式装备进行试验，以试验结果确定技术参数和最佳技术方案，然后再进行首件样品的制作，从而最大限度地降低风险和造价，实现装备研制的最佳效益。
4.结束语
战争和游戏，本质上并无不同，游戏就是虚拟的战争，战争也可以视为残酷的游戏，虚拟现实技术用于军事模拟训练将有力推动军事智能化。
虚拟现实军事模拟训练系统就是综合运用虚拟现实技术，在视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等方面为受训人员生成一个极为逼真的未来战争虚拟环境，模拟未来战争可能发生的各种情况，提高受训人员处理各种高危和突发事件的能力。
虚拟现实军事模拟训练系统可广泛运用于各军兵种的单兵训练、武器装备维检培训、红蓝对抗演练、战争理论及新式装备理论的验证等各个层级的训练，并做到环境逼真、对抗逼真、效果逼真的“准战场化”效果，达到直接为战争服务的水平。我国建成虚拟现实军事模拟训练系统必将大大增强我军的军事训练水平和实战能力，实现“演练结合、战训一致”的目标。
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