虚拟现实技术在军事训练中的应用及发展前景.doc

虚拟现实技术在军事训练中的应用及
未来发展前景
一、综述
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一系列高新技术如计算机软件、硬件、图形学、多媒体、人工智能、智能人机接口、传感器、高性能计算技术以及人类行为学、心理学等多领域最新技术的汇集与融合。
它是建立在自动控制技术、计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感器技术及人工智能技术基础之上， 本质上是一种在系统仿真技术的基础之上发展起来的高级接口技术，但是它与仿真技术有明显的区别。虚拟现实的目的是为人与实际环境之间接的交互提供一种自然的、方便的界面，即所谓的虚拟环境。虚拟环境可以给人一种进入真实环境的效果，人可以与虚拟环境交互，通过改变虚拟环境，进而实现改变实际环境的目的。
像IT界其他高新技术同样，比如计算机、Internet等，这些新技术不仅是一方面应用于军事领域，同时军事领域的应用需求与研究也是这些技术逐步发展成熟的决定性推动力量， VR技术也不例外，在军事训练准备中发挥着越来越重要的作用。下面就对虚拟现实技术在军事训练中的应用和发展前景做简要的分析。
二、虚拟现实技术特点
1.对于一个人造的环境，人需要有参与的感觉，不能只是此环境的外部观测者，人要对虚拟现实技术中的武器装备进行自主操作，在虚拟技术中掌握武器装备的使用方法。
2.虚拟现实依赖于3维立体的、头跟踪的显示，以及手身体跟踪和双耳声音，虚拟现实是一种有临场感的多传感的体验，给人以身临战场的真实感觉。
3.虚拟现实技术中的场景与实际作战场景的地形和标志物相似，可以使作战人员提前适应战场环境。
4.虚拟现实技术中设计各种突发事件，增强士兵解决突发事件的能力，培养作战小分队的团结协作能力。
三、在军事训练中的应用
（一）在新式武器研究方面
在新式武器与装备的研制和应用上，军事模拟也可以得到很大的效益。
比如，在美国国防部测绘局在1995年8月到9月北约对波黑进行大规模空袭期间，曾在意大利的空军基地建立一个作战模拟设施，运用侦察卫星拍摄的高分辨率图像与测绘据提供的波黑地区的数字地图相结合通过作战模拟所产生的灵境环境，模拟战斗机在波黑地区上空的飞行。
通过这个仿真环境的训练，极大地提高了实战的成功率和飞行员的适应性。
（二）作战训练与人才培养方面
这些方面的应用重要体现在以下几个方面：
一方面是彻底检查部队的训练战略，更新传统的训练观念，培养单兵或小范围作战编组的作战技能。这些仿真系统的准确性和逼真性得到了很大的提高,图像的仿真限度也已经与实物、实景相差无几。特别是训练仿真系统具有在危险小、消耗低的条件下训练出较强作战技能部队的特点,因此受到世界各国军队的极大重视。通过在模拟实验室里进行训练,部队可无须进行实际操作就能理解现代战争的概念和流程,士兵在战前就可确切知道他要完毕什么样的任务,从而提高完毕任务的能力和增强完毕任务的信心。
并且,分散在各地的部队无须集中就能通过模拟器材一起训练。从排到营的机械化分队可演练协同作战,袭击机可演练从不同基地起飞执行同一任务,舰只可演练互相间的配合和策应,特种作战部队可反复演练预定作战任务中的每个细节。此外,仿真模拟演练可在一定限度上代替大规模实兵演习,节省大笔经费。另一方面是研讨发展趋势。
此外尚有在过去成功的作战模拟系统的基础上，继续向一体化的、联合作战的模拟系统发展；更多的包含作战模拟设施的作战演习。以检查部队的训练为例，现代化的科学技术已经允许军队以一种过去完全想象不到的方式来培训战术、战役和战略军官了。
在部队训练方面,模拟仿真技术同样大有用武之地。
目前,外军的虚拟现实训练技术已发展到相称水平。到上世纪80年代末,美国陆军训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。野战训练的重要问题是燃料、弹药消耗大,场地、安全都有困难,组织大规模演习费时又费力,模拟训练所用的模拟器也许比它所模拟的真实装备还要贵。
为了解决部队训练问题,美国国防部高级研究计划局1983年开始实行模拟器联网计划,把分散在各地的训练器用计算机联成网络,形成分布式交互仿真,实现异地联通与互操作。
(三 )作战仿真模拟
一般而言,作战模拟可分为实地军事演习、现场实验、沙盘作业、图上作业、战争对策、计算机模拟等几种类型。采用虚拟现实技术不仅为研究战争提供了科学的方法,使研究的进程更加逼真、更加接近于实战,实现作战过程的仿真模拟,并且使研究的结果更加可信,从而有助于提高指挥艺术和作战技能。计算机作战模拟是把对抗的全过程结构组成和大部分规定事先编人计算机程序,然后用计算机语言描述战斗过程,并用计算机进行解决的一种新型模拟方法。
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,通过比较挑出最佳作战方案,并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足的发挥,事实上,“沙漠盾牌”作战计划的蓝本就是出自“内部观测90”的计算机模拟演习。
(四)指挥决策仿真模拟
虚拟现实技术运用于指挥决策模拟,重要是辅助指挥员进行决策和指挥作战。指挥员不仅可以在虚拟的战场上空飞行,视察传感设备对敌方兵力部署等敌情、战情的感知情况,并且还能看见位于敌方观测点的部队,通过多方位的观测,可以进一步了解敌人当前的意图,更清楚地展现我方智能搜索设备的盲区(如雷达盲区)、电台配置的具体细节、通信节点部署的实际地理环境特点等。
此外,运用建立在网络基础上的分布式虚拟现实系统,还可以建立诸军兵种合成指挥系统。在战争决策模拟中,运用大规模并行解决机的建模和模拟仿真技术,可以精确地再现战区作战态势,逼真地模拟战场环境,并精确地预见未来战术、战略上的发展态势,从而可认为指挥决策提供尽也许接近实际的战场情况,使指挥员可以对的地指挥作战和进行战略决策。
(五) 信息网络虚拟(欺骗)战
信息网络虚拟(欺骗)战是以计算机成像、电子显示、话音辨认和合成、传感等技术为基础实行的信息欺骗。它通过信息网络某一节点,把己方计算机与对方联网,或战前通过各种途径将虚拟现实技术植入敌方的指挥控制信息系统中,把己方的虚拟信息即假情报、假决心、假部署传输给敌方,迷惑敌人,诱敌判断失误向敌指挥官和士兵发布敌方军官假命令,使敌听命是从,改变敌方指挥官的作战意图,使敌军事行动陷入混乱。这种战法能使敌方在三维声像环境中,看到酷似实物的立体交战图像,使敌方产生错觉,增大了欺骗的真实性。
由于虚拟现实技术在军事上能把接受者投放到一种逼真的、为作战而设立的现实中,可以模拟未来战场各种复杂情况,从而使敌改变决心和部署。1994年4月,随着美军第一支数字化部队的建立,美军就开始着手运用虚拟现实技术进行模拟对抗性演习,并专门成立了虚拟现实技术欺骗战研究小组,由其具体负责技术研制和实验。
四、国内外虚拟现实技术研究现状
（一）国外虚拟现实技术研究现状 　 
　　计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，概括的国内外虚拟现实技术，它重要涉及到三个研究领域：通过计算图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观测界面；使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。
1.VR技术在美国的研究现状 
　　美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用重要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用，目前美国在该领域的基础研究重要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 
　　上世纪80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们重要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域重要从事运用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运送机采用全无纸化设计，运用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。 
　　图形图像解决技术和传感器技术是以上VR项目的重要技术。就目前看，空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最重要焦点。 　 
2.VR技术在欧洲的研究现状 
　　在欧洲，英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行解决、辅助设备(涉及触觉反馈)设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处在领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，重要涉及VR重构问题。他们的产品还涉及建筑和科学可视化计算。 
　　欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。 例如：
瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。 
荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO- PEL)开发的训练和模拟系统，通过改善人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。 
德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、减少成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。
2023年10月27-29日在法国举行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology大会，整体上促进了虚拟现实技术的进一步发展。 
3.VR技术在日本的研究现状 
　　日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面做出了很大的成就。 
　　在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为Spmarnec公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来解决CAD中的三维形体模型。通过数据手套把对模型的解决与操作者的手联系起来；日本工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用x、Y记录器的受力反馈装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点重要集中在远程控制方面，他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；日本奈良尖端技术研究生院大学专家千原国宏领导的研究小组于2023年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 　 
（二）国内虚拟现实技术研究现状 　 
　　在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比尚有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相称的重视，引起我国各界人士的爱好和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境!虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。 
　　北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表达与解决；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法。 
　　清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。 
五、虚拟现实技术在军事训练中的发展前景
随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断进一步，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。重要表现在以下方面： 
(1)动态环境建模技术。 
　　虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。 
(2)实时三维图形生成和显示技术。 
　　三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不减少图形的质量和复杂限度的前提下，如何提高刷新频率将是此后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。 
(3)适人化、智能化人机交互设备的研制。 
　　虽然头盔和数据手套等设备可以增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达成沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。 
(4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。 
　　网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，运用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、合用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户信息对象(实体)之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处在不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。
目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境。 
六、结语
综上所述，虚拟现实技术在军事训练中日益扮演着重要的作用，并随着科技的发展而不断发展。正如其它新兴科学技术同样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着虚拟我们必须清醒地结识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未客服的技术保障。
客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的集合作用问题。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息解决系统间的隔阂才有也许被彻底地克服了。 运用军事建模与仿真技术来开发新技术，并努力使其转化为经济上可以承受的、决定性的军事能力，正是当前国际上质量建军的重要方向之一。
　　虽然如此，但它独特的优势专长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口，同时，我们也相信，随着计算机技术，特别是网络技术的飞速发展虚拟现实技术将会得到更为长足的发展，必将更为广泛地应用于各个领域为人类的生产生活带来全新的面貌。