美军虚拟现实技术发展及其应用
2016-10-25 10:50:18
    一、虚拟现实概念及演进
    “预先战争演练”是军事领域专家们一直寻求的方法,以便能够以较少的投资、最低的风险而又能逼真再现战争的方式,达到训练士兵、论证军事理论、演示战斗策略、评估武器装备的效果。虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术应此需求而产生,根据电气和电子工程师协会(IEEE)的定义,VR是指在视、听、触、嗅、味觉等方面高度逼真的计算机模拟环境,用户可与此环境进行互动,产生身临其境的体验。VR集成了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术,在军事领域的应用以低廉的成本、逼真的效果最大程度地代替实战训练,在提升军队战斗实力,节省经费开支,缩短武器装备研制周期等方面都发挥了重要的作用。
    VR概念首次出现在1965年的IFIP会议上,Ivan Sutherland在此次会议上提交的一篇名为The UltimateDisplay(《终极的显示》)的学术论文中提出模拟环境下浸入、完全传感输入与输出的关键概念,这些概念是当今虚拟现实研究的基础。20 世纪80年代美国VPL 公司的创建人之一Jaron Lanier 正式提出了“Virtual Reality”一词。VR 技术于20世纪90 年代得到了蓬勃发展,2000 年以后,VR 技术整合发展中的XML、JAVA 等先进技术,应用强大的3D 计算能力和交互式技术,提高渲染质量和传输速度,进入了崭新的发展时代。为了把握VR技术优势,美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发,并显示出良好的应用前景,随着硬件性能的提升和成本的大幅度降低,近年来VR产品获得了广泛发展,特别是2016年美国消费电子展上,VR产品成为展会的绝对主角。
    二、美军VR技术应用现状、研究项目及应用实例
    现有VR技术应用可分为三大类:模拟作战训练、帮助指挥官进行任务规划、预演与决策以及武器系统构建、评估与测试。本文将着重描述美军在三大应用领域的发展现状及典型系统。
    (一)模拟作战训练
    1.应用现状
    模拟作战训练是VR技术在军事领域最广为人知的应用,通过VR技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉作战区域的环境特征。用户通过显示设备、立体观察装置、人机操纵装置等与虚拟环境中的对象进行交互且相互影响,产生沉浸于真实作战环境中的感受和体验。目前,军事领域的VR技术应用跨度很大,从商业产品演化而来的桌面飞行训练仪、沉浸式虚拟现实训练环境到多场所复杂战术组队训练仪都运用了VR技术。
美军在虚拟作战训练领域的典型应用有单兵武器装备模拟训练系统如美军F-16战斗机训练模拟器和美陆军使用的EST 2000、联合训练模拟器如美空军航空联合战术训练系统(Aviation Combined Arms Tactical Trainer-Aviation,AVCATT-A)系统、虚拟战场环境模拟训练如美军在阿富汗和伊拉克战争中使用的作战区域三维地形模拟环境和“激光沙盘”的虚拟现实系统,以及异地网络环境模拟训练如美陆军的近战战术训练系统(Close Combat Tactical Trainer, CCTT)。
    2.典型应用实例
    1)航空联合战术训练系统(AVCATT-A)
美空军AVCATT-A系统是典型的联合飞行训练模拟器。整个AVCATT-A物理布局由两部长53英尺(约15.2米)的拖车组成,共包括8个小房间,其中6个房间模拟显示直升机座舱、一个房间是控制中心,另一个房间是一个可容纳20人的行动回顾(AAR)室。
    AVCATT-A的独特之处在于它的6个模拟直升机座舱的房间,只要45分钟就可以完成重构以模拟AH-64“阿帕奇”攻击直升机、UH-60“黑鹰”通用直升机、OH-58 “基洛瓦勇士”侦察直升机和CH-47“支奴干”运输直升机中的任何一种。模拟转换由操作AVCATT-A的人员负责,通过与6个模拟直升机座舱房间连接的仪表盘面板就可以完成模拟四种直升机座舱的转换。
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图1 AVCATT-A物理布局
    2)近战战术训练系统(CCTT)
    美陆军研制的CCTT是一个网络化模拟训练系统,该系统投资近10亿美元,是美陆军第一个也是迄今为止最大的分布式交互模拟系统。它利用许多先进的主干光纤系统网络并结合分布式交互仿真,建立起虚拟作战环境,供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务。该系统通过局域网和广域网连接从韩国到欧洲大约65个工作站,各站之间可迅速传递模型和数据。它包括“艾布拉姆斯”坦克、“布雷得利”战车和HUMVESS1武器系统等,使士兵能在虚拟环境的动态地形上进行近战战术训练。
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图2 CCTT系统内场景
    (二)帮助指挥官进行任务规划、预演与决策
    1.应用现状
    在作战指挥决策领域,VR技术的应用主要包括两个方面: 一是通过对获取到的情报数据在三维战场环境上合成逼真的三维战场态势场景,使指挥人员更加形象直观地把握整个战场态势以便更好地进行决策; 二是采用基于VR技术的作战方案分析系统对指挥决策人员提出的决策方案进行仿真分析,以便更好地为决策人员提供参考。
目前被广泛应用的三维战场可视化系统如电子沙盘就是根据侦察到的战场情报资料和战场自然环境,采用三维图形可视化系统合成出形象直观的三维战场全景图,让指挥员能够全面直观地观察和分析双方兵力部署和战场情况,以便判断敌情,做出正确决议,如美国海军实验室(Naval Research Laboratory)资助开发的“龙”(Dragon)系统就是此种应用的典型代表。
    在作战阶段,采用基于VR技术研制的分析类仿真系统可以为指挥员制定的决策方案进行反复的模拟仿真分析,以提供最佳的作战方案选择。分析类仿真系统不仅能够提供逼真的三维战场环境,而且还能够对指挥员制定的决策方案的执行结果进行直观的可视化展现,使指挥员能够一目了然地了解决策方案可能出现的一系列后果,从而为指挥员选择和制定高质量的决策方案提供参考。 近些年来,美军着眼于其所面临的现实威胁和信息化战争的时代特征,先后研制了一系列大规模诸军兵种联合作战分析类模拟系统,如JWARS(Joint Warfare System) (该系统已于2006年8月更名为Joint Analysis, System,JAS)、JMASS(JointModeling and Simulation System)、NETWARS、WARSIM2000等,并在这些系统的支持下进行了一系列的大规模联合军事演习,为美军的21世纪军事转型研究和军事理论创新提供了强有力的支持。
近年来,美军还将全息投影技术与虚拟技术相结合,不仅有作战力量空间分布、最新情报等信息的屏幕显示,也有利用全息投影系统生成的在半空中悬浮的三维场景画面,具有科幻片中亦幻亦真的惊人效果。美海军正在研制的全息虚拟指挥中心是此类技术的典型应用。
    2.典型应用实例
    1)“龙”系统
    由美国海军实验室资助开发的“龙”系统已在演习与实战中得到检验与应用。该系统可以在72小时内,提供90×90km范围的数字地形数据(Digital Terrain Elevation Data,DTED)5级(1m)特征数据和图像特征。在作战之前,能够快速将复杂战场态势可视化,使指挥员及其参谋人员能灵活使用两维或者动态三维显示系统更有效地制定任务计划和演练,评估行动路线,保持态势的认知。同时还能够使士兵“看清”道路、树木、山地和水路等。该系统可以在工作台或头盔显示器等平台上运行,提供以地图为中心或以用户为中心的导航方式,以操纵杆提供人-机交互,操作和携带都非常方便。该系统曾经参与“猎人勇士”(Hunter WarriorAWE3)和“联合反雷”(Joint Counter Mine)等先进概念战术演习。
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 图3 龙系统所展示的3D虚拟战场
    2)美海军全息虚拟指挥中心
    目前,美国海军使用的全玻璃化舰队指挥系统的指挥室内充满了各种各样的荧光屏,可以显示出己方作战力量的空间分布,以及最新的情报信息,但这还不算最先进的指挥系统,研究人员正在开发一种全息虚拟指挥控制系统,将在2025年参与作战。在这种全息虚拟指挥中心内,作战人员可以最大限度地利用战场信息,与周围的作战单元进行快速信息共享。通过触觉和视觉传感器完成对舰艇的控制,甚至可进行类似全息化的指挥操作。同时,通过配备耳机进行互动聊天和超视频的信息传递,让作战人员产生更加真实的感觉。图4中显示的是一位士兵正在虚拟的指挥中心操纵舰艇,通过佩戴视觉和触觉传感器对舰船进行控制。全息虚拟指挥系统的研究人员表示类似图中的控制技术将应用于未来的海军舰艇。
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图4 美海军全息虚拟指挥中心
    (三)武器系统构建、评估与测试
    1.应用现状
    在武器装备研制与采办领域逐步得到各国国防部武器装备采购部门和国防工业部门认可的一种新的采办理念是基于仿真的采办(Simulation based acquisition, SBA)。SBA本质上是关于武器装备采办的全寿命的管理过程,但是其核心支撑技术是VR技术。实际上,将VR技术应用于武器系统研制的各个阶段,已经成为世界各国武器装备研制策略的重要组成部分。
    在相关技术的选型与研制方案探索阶段,可以采用基于VR技术的武器装备先期技术演示(Advanced Technology Demonstration,ATD)来对相关技术支撑下的武器装备进行建模并在各种虚拟的作战环境下进行虚拟仿真实验,检验相关技术的可行性,以确保系统设计性能。在系统的研制设计阶段,采用基于VR的虚拟样机技术(Virtual Prototyping)进行虚拟设计,不仅可以保证系统设计的首次制造的正确性,而且可以大大降低研制费用,缩短研制周期。在系统的制造阶段,可以采用基于VR的虚拟制造技术精确模拟计划的生产设施和过程,保证可生产性,降低制造成本,减少生产时间。在最后的实验定型阶段,采用基于VR的虚拟试验可以模拟可能出现的各种情况和环境因素,缩短试验时间和降低试验费用。
    美国空军第四代战斗机F-22和JSF在研制的全过程中由于采用了VR技术,实现了三维数字化设计和制造一体化,使研制周期缩短50%,节省的研制费用超过93%。由于采用VR技术,在系统设计的初期,就能够向飞行员提供直接体验新设计优点的“虚拟”系统,并能随时按照定货方要求现场修改设计,美军用这一技术成功地设计了“阿帕奇” 和“科曼奇”武装直升机的电子座舱等。
    美国陆军正在使用类似于 “星际旅行” 样式的虚拟现实技术, 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:“我们把士兵置于这种虚拟环境中并使他们感觉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CVN 21,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。
    在太空领域,洛克希德•马丁公司开发的协同真人临境实验室(Collaborative Human Immersive Laboratory, CHIL) 使用VR技术来提高太空系统开发的经济性和效率。该公司计划把CHIL用于各种项目中,其中包括美国空军的下一代全球定位系统GPS III 和NASA 的猎户座乘员探索飞行器。
    2.典型应用实例
    洛克希德•马丁公司开发的使用VR技术的协同真人临境实验室(CHIL)已广泛应用于各种空间系统,包括卫星、空间探测器、发射飞船和导弹防御系统。在CHIL实验室中,工程师与技术人员可以探索卫星的设计与测试功能,并能在虚拟世界中调整空间位置并排除故障。在开始加工制造之前,利用CHIL可以虚拟地优化和核查各种工艺过程;在问题发生前,利用CHIL可以识别各种瓶颈、冲突和工作流程问题、改善资源利用率、材料流程和生产性以及减少返工并降低项目风险。
    洛克希德•马丁公司将在包括美国空军的下一代全球定位系统——GPS III和NASA的Orian载人探测船等各个项目中利用CHIL。目前,洛克希德•马丁公司已经在CHIL实验室对下一代全球定位系统及其他空间计划开始进行测试与验证。

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