虚拟现实在技术训练应用上的研究-赵继涛博士

2021-04-08

1 引言

虚拟现实( Virtual Reality,VR) 概念从1984 年被William Gibson 提出以来,在系统仿真领域造成了巨大的影响。VR 技术作为仿真技术的重要方面,是随着计算机技术的发展而发展,先后经历了系统仿真-可视化仿真系统-虚拟现实领域仿真等阶段。20 世纪90 年代,VR 技术受到军界高度重视,并迅速兴起模拟训练热潮,在视、听、触觉等方面为参训者创造一个贴近实战的未来虚拟作战环境。在同一时期,在虚拟现实仿真理论与开发等方面,国内研究与国外研究工作几乎处于同步阶段。进入21 世纪以来,受到阿富汗和伊拉克战争的影响和启示,美国充分吸纳信息技术,运用仿真和虚拟现实等手段,超前性实践前沿作战理论,为未来战争作好充分准备。美军认为,“虚拟现实模拟技术是21 世纪的主要训练方式”,并计划在今后几年里投入5 亿美元资金和相当人力,以获得可实际使用的成果。尤其是虚拟现实技术的训练应用,使得训练具有训练场景可设、安全经济、可重复性、针对性强等特点,极大的提高了费效比。

2 VR 技术概念及其特征

2.1 VR 技术概念

《军语》指出虚拟现实技术,亦称灵境技术,是指综合利用计算机、传感器等,近似真实地反映事物状态、特征变化及其相互作用的技术。简单来说,虚拟现实就是一种人与通过计算机机生成的虚拟环境可自然交互的人机界面。通过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境,使用户以自然的方式感知虚拟环境中的客体并进行体验和交互作用,从而产生身临其境的感受的一种技术。

2.2 VR技术特征

    VR技术具有的3个突出特征:沉浸性、交互性和想象性。

2.2.1 沉浸性

    使用户感受到已融合到虚拟现实环境中去,能在真三维图像的虚拟空间中有目的地漫游、观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对象的特征,而且似乎离开了自身所处的外部环境,沉浸在所研究的虚拟世界之中,成为系统的组成部分。

2.2.2 交互性

    用户在虚拟世界中所感受到的信息,经过大脑的思考和分析,形成自己想要实施的动作或策略,通过输入界面反馈给系统,实现与系统的交互。

2.2.3 想象性

用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为,通过联想、推理和逻辑判断等思维过程,随着系统的运行状态变化对系统运行的未来进行想象,以获得更多的知识、认识复杂系统深层次的运动机理和规律性。

3 虚拟现实技术训练应用研究

虚拟现实技术训练是指以虚拟现实技术为支撑,创建提供模拟实兵、实装、实弹的虚拟环境,培训和提高受训者作战能力的训练活动,属于模拟训练。具有安全保密、场景多变、费效比高可重复性等优点。根据训练的目的、条件、内容以及方式方法,结合当前VR技术在部队训练中的应用研究现状,笔者将其划分为5个方面:

3.1 虚拟战场环境仿真

虚拟战场环境,是指综合运用虚拟现实、分布式仿真、数据和多媒体技术,将战场信息数据库融合于三维虚拟场景中,根据现实或想象构造一个生动的、效果真实、直观的三维虚拟场景。主要包括:1)自然环境仿真。如侯宇飞等设计开发了三维地形可视化分系统、语音合成识别分系统和三维声效仿真分系统,对虚拟战场环境中的地形和声响进行了仿真,为装甲兵乘员提供了高逼真的作战环境;侯学隆等提出了基于虚拟现实技术和垂直风洞技术的跳伞模拟训练系统设计,对受训者离开飞机到安全着陆全阶段动作进行训练。2)电磁环境仿真。陈国栋等通过建立扫描、告警、干扰等模型,实现雷达电子战系统的功能和行为建模,构建了逼真的复杂电磁对抗仿真训练环境,解决了计算机生成兵力CGF( Computer Generated Forces)中的雷达电子战能力问题。3)人员装备仿真。美军第二代虚拟战斗空间(VBS2)仿真系统,不仅能够仿真多种自然环境,还支持武器火力和摧毁环境的效果仿真等,既能实现单兵导航、炮兵抵近侦察及步兵小分队战术等多种单兵训练,又能实现地对地、空对地作战支援行动等方面联合作战训练。综上所述,我军对虚拟战场环境的仿真程度不够,处于较为基础的阶段,仿真模拟不深,问题仍存在。

3.2 指挥决策训练模拟

通过战前指挥决策训练模拟,使指挥员熟练掌握作战中遇到的各种情况,以便在实战中遇到类似情况也可以迅速地作决策。同时,通过模拟推演,能够事先推测出作战结果,从而制定最佳的实战作战计划。如罗批等提出构建面向高层决策训练的战略决策虚拟训练平台-沉浸式战略对抗演习系统,可实现虚拟战略时空集成环境、战略信息环境营造、动态对抗推演等功能,以期提高参训者的战略指挥决策能力。这类训练系统主要解决作战指挥员“判断形势、理解意图、定下决心、摆兵布阵、处置情况”五个方面的能力。由于我军长期缺乏实战的检验,以及真实作战数据的支撑,可通过经典案例推演,以及反恐维稳、抢险救灾、维护权益、安保警戒、国际维和、国际救援、联合军事演习等非战争军事行动获取经验,模拟实战指挥训练。

3.3 装备操作训练模拟

装备操作训练模拟主要包括射击训练模拟、驾驶训练模拟、情报侦察训练模拟以及装备维修训练模拟等,是虚拟现实技术训练应用的基础内容。

3.3.1 射击训练模拟

主要包括射击系统的模拟仿真,并实施目标选择、参数装定、确定攻击效果等方面训练,使参训者熟练掌握手中射击武器装备操作,提高目标命中率。1)陆军,以火炮为主。靳树昌等指出利用虚拟仿真软件,设计出具有单炮指挥操作训练、战术演练、综合射击指挥训练以及可实时观察射击毁伤效果等功能的某型火箭炮作战指挥训练仿真系统,以期代替实装训练,达到缩短训练时间、节约训练资源,提高训练效率的目的;2)海军,以舰船为主。如成顺利等以虚拟现实技术为支撑,设计了具有作战过程模拟、海战场环境模拟、军舰和导弹模型的动态建立等功能的舰空导弹火控训练系统,以期能够直观反映训练情况,进一步评判训练过程,有针对性提高训练效果;3)空军,以飞机为主。何川等采用PCI总线技术、Vega Prime视景仿真控制、Creator实体建模,设计出基于视景仿真技术的武器训练系统,使武器训练过程人机交互更加便捷,有效提高了训练效率;4)火箭军,以导弹为主。钱红林从虚拟环境建模、主要功能及流程以及关键技术等方面着手,详细阐述了基于Creator和Vega的某型导弹武器虚拟操作训练系统的开发,构成一个具有可控性、无破坏性、可重复性以及安全经济的训练环境,促进操作人员战斗力快速生成。研究主要以各军兵种主战装备的射击系统仿真为主,且以操作复杂、装备成本昂贵、战斗力形成慢的武器装备为主要对象。在虚拟现实技术发展初期,技术不够成熟,虚拟仿真装备造价高,只能用于主要装备的仿真训练。随着技术发展,2016年虚拟现实进入产业元年,VR设备价格大幅度降低,VR技术被广泛应用到部队训练中,但仍存在虚拟装备未成规模化、系统化、体系化,需进一步开发研究。

3.3.2 驾驶训练模拟

主要包括驾驶训练系统的仿真模拟,以及驾驶技能的训练,包括飞机、坦克、装甲车辆、领航、导航训练等,解决驾驶能力不足问题。如贾冰指出坦克驾驶训练模拟器是由场景显示系统、模拟挂档、加速、刹车等控制系统、考核评估系统等部分组成,构成与真实坦克外观相同的驾驶舱,使坦克驾驶员产生身临其境的感觉,在各种复杂地形上锻炼驾驶技能;刘国庆等提出应用GL Studio和Vega Prime。软件开发出具有虚拟仪表和三维视景的某型飞机模拟训练器,形成逼真的训练环境,实现受训者与仿真环境自然交流,提高训练效率。

3.3.3 情报侦察训练模拟

用于实现战场的情报侦察工作训练,提高发现目标、监视敌情及动态、掌握我情及动态、判断战场态势、发布预警信号等方面能力训练。如王斌等指出利用分布式虚拟现实技术构建模拟目标发射及飞行全程的视景仿真训练系统,实现光学跟踪装备,参训人员模拟训练及测控系统联网演练等功能,有效解决了传统训练中设备操作手跟踪实物飞机、导弹等,训练成本高,不可重复以及场地受限等问题,提高了装备操管人员的技术水平和参试战斗力。

3.3.4 装备保障训练模拟

用于保障系统的仿真模拟,开展战场物资和装备保障中弹药油料等作战物资的补给训练,以及损坏武器的维修训练等,提高实战中部队持续作战能力。1)装备维修训练。赵彬从维修训练现状出发,针对新装备维修人员培训难、培训成本高等实际问题出发,提出了桌面式虚拟维修训练系统,并利用面向对象的方法,设计出具有训练管理、学习演示、交互训练等功能的某型飞机的虚拟训练系统;2)作战保障训练。江煌等围绕舰载无人机训练保障过程中的场务准备、机务准备和测控准备等三个方面,建立具有无人直升机、运输保障车、测控车及各级保障人员的仿真模型的虚拟仿真系统,实现训练保障流程的全过程仿真,使受训者不受时空限制,分阶段进行训练。

3.4 战役战术训练模拟

用于开展指挥控制能力训练,提高战场态势分析能力、指挥决策能力、通信联系建立能力以及协同作战能力等。1)战术训练。汪兵等通过多通道视景仿真手段为坦克分队各单车提供不同角度的观察视场,可使乘员浸入“真实”战场环境,进行分队战术协同训练;2)战役训练。如兵棋推演系统,以作战进程为主线,采用红蓝对抗形式对作战进行规划决策、方案推演以及指挥协同演练,以提高实战中的指挥协调、战术协同、作战行动等方面的能力,获取近似实战的战场经验。

3.5 军事游戏训练模拟

军事游戏,是指以军事活动为主题,涵盖战争与战争准备等诸多内容的电子游戏,通过娱乐促进训练、增长知识等其它目标的游戏。具有培养军人价值观、激发训练兴趣、熟悉装备操作、培养指挥能力以及协同意识等作用。根据美军统计,经过电脑游戏模拟对抗训练后,首次执行任务的飞行员生存的概率可从60%提高到90 %。

我军首款关于军事的游戏《光荣使命》的发布,标志军事电子游戏正式引入部队模拟训练,向正规化、标准化迈进;陈永科等从基于虚拟游戏技术的训练需求出发,研究了无人机侦察校射虚拟游戏训练系统的训练要素、训练流程及训练规则,并探讨了关键技术及场景实现,使得虚拟游戏模拟训练成为可能。张博等指出使用电脑游戏实现虚拟环境下分队实兵对抗训练,可实现只有在实战情况下的暴力活动—面对面较量,具有安全可靠、效益明显、紧贴实战作用,配合实战可取得较好效果。目前,军事游戏已成为模拟训练的手段之一,但在我军作用发挥不够明显。例如,美军利用军事游戏作为招募新兵重要手段之一,不仅培养了新兵参军入伍兴趣,而且提高了其基本军事技能。

4 结语

虚拟现实已经被公认为21世纪影响人们生活的重要技术之一,它能给人带来更为逼真、更为自然的人机交互体验。VR技术与众多新兴技术类似,在经历了最初诞生期的不为人知,到萌芽的举步维艰,以及初期产业化屡遭失败后,终于迎来了春大。目前,随着人工智能技术、5G通讯技术以及物联网技术的蓬勃发展,未来VR的发展前景广阔。针对我国模拟训练器发展现状,合理引进先进技术,做到思想上的转变,积极推进技术上的创新。可从以下方面着手,一是利用增强现实技术,在实装武器中安装模拟训练模块,参训者可以不受时间、地点、天候的约束,随时随地小范围组网进行模拟训练;二是对所有不同的武器系统进行评估和分析,研究一种所有型号的系统,即最佳系统,这样参训者可以从云端获取信息,而非将信息仅储存于模拟器内。在出现新的威胁时,将威胁的属性、各方面情况挂到云中,由模拟器自由获取。