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美軍虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用
一、虛擬現(xiàn)實概念及演進
“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)險而又能逼真再現(xiàn)戰(zhàn)爭的方式,達到訓(xùn)練士兵、論證軍事理論、演示戰(zhàn)斗策略、評估武器裝備的效果。虛擬現(xiàn)實(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(IEEE)的定義,VR是指在視、聽、觸、嗅、味覺等方面高度逼真的計算機模擬環(huán)境,用戶可與此環(huán)境進行互動,產(chǎn)生身臨其境的體驗。VR集成了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(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戰(zhàn)訓(xùn)練,在提升軍隊?wèi)?zhàn)斗實力,節(jié)省經(jīng)費開支,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會議上,Ivan Sutherland在此次會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 等先進技術(shù),應(yīng)用強大的3D 計算能力和交互式技術(shù),提高渲染質(zhì)量和傳輸速度,進入了嶄新的發(fā)展時代。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年美國消費電子展上,VR產(chǎn)品成為展會的絕對主角。
二、美軍VR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、研究項目及應(yīng)用實例
現(xiàn)有VR技術(shù)應(yīng)用可分為三大類:模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練、幫助指揮官進行任務(wù)規(guī)劃、預(yù)演與決策以及武器系統(tǒng)構(gòu)建、評估與測試。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體驗戰(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、人機操縱裝置等與虛擬環(huán)境中的對象進行交互且相互影響,產(chǎn)生沉浸于真實作戰(zhàn)環(huán)境中的感受和體驗。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)實訓(xùn)練環(huán)境到多場所復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)組隊訓(xùn)練儀都運用了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個小房間,其中6個房間模擬顯示直升機座艙、一個房間是控制中心,另一個房間是一個可容納20人的行動回顧(AAR)室。
AVCATT-A的獨特之處在于它的6個模擬直升機座艙的房間,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、UH-60“黑鷹”通用直升機、OH-58 “基洛瓦勇士”偵察直升機和CH-47“支奴干”運輸直升機中的任何一種。模擬轉(zhuǎn)換由操作AVCATT-A的人員負責(zé),通過與6個模擬直升機座艙房間連接的儀表盤面板就可以完成模擬四種直升機座艙的轉(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)境的動態(tài)地形上進行近戰(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)用主要包括兩個方面: 一是通過對獲取到的情報數(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戰(zhàn)場態(tài)勢以便更好地進行決策; 二是采用基于VR技術(shù)的作戰(zhàn)方案分析系統(tǒng)對指揮決策人員提出的決策方案進行仿真分析,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,如美國海軍實驗室(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)實威脅和信息化戰(zhàn)爭的時代特征,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)用實例
1)“龍”系統(tǒng)
由美國海軍實驗室資助開發(fā)的“龍”系統(tǒng)已在演習(xí)與實戰(zhàn)中得到檢驗與應(yīng)用。該系統(tǒng)可以在72小時內(nèi),提供90×90km范圍的數(shù)字地形數(shù)據(jù)(Digital Terrain Elevation Data,DTED)5級(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態(tài)三維顯示系統(tǒng)更有效地制定任務(wù)計劃和演練,評估行動路線,保持態(tài)勢的認知。同時還能夠使士兵“看清”道路、樹木、山地和水路等。該系統(tǒng)可以在工作臺或頭盔顯示器等平臺上運行,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,以及最新的情報信息,但這還不算最先進的指揮系統(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)單元進行快速信息共享。通過觸覺和視覺傳感器完成對艦艇的控制,甚至可進行類似全息化的指揮操作。同時,通過配備耳機進行互動聊天和超視頻的信息傳遞,讓作戰(zhàn)人員產(chǎn)生更加真實的感覺。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艦船進行控制。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)。實際上,將VR技術(shù)應(yīng)用于武器系統(tǒng)研制的各個階段,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)來對相關(guān)技術(shù)支撐下的武器裝備進行建模并在各種虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境下進行虛擬仿真實驗,檢驗相關(guān)技術(shù)的可行性,以確保系統(tǒng)設(shè)計性能。在系統(tǒng)的研制設(shè)計階段,采用基于VR的虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototyping)進行虛擬設(shè)計,不僅可以保證系統(tǒng)設(shè)計的首次制造的正確性,而且可以大大降低研制費用,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)時間。在最后的實驗定型階段,采用基于VR的虛擬試驗可以模擬可能出現(xiàn)的各種情況和環(huán)境因素,縮短試驗時間和降低試驗費用。
美國空軍第四代戰(zhàn)斗機F-22和JSF在研制的全過程中由于采用了VR技術(shù),實現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計和制造一體化,使研制周期縮短50%,節(jié)省的研制費用超過93%。由于采用VR技術(shù),在系統(tǒng)設(shè)計的初期,就能夠向飛行員提供直接體驗新設(shè)計優(yōu)點的“虛擬”系統(tǒng),并能隨時按照定貨方要求現(xiàn)場修改設(shè)計,美軍用這一技術(shù)成功地設(shè)計了“阿帕奇” 和“科曼奇”武裝直升機的電子座艙等。
美國陸軍正在使用類似于 “星際旅行” 樣式的虛擬現(xiàn)實技術(shù), 輔助設(shè)計未來作戰(zhàn)車輛。坦克機動車輛與武器局武器研究發(fā)展與工程中心負責(zé)虛擬樣機的官員在評價這種技術(shù)時說:“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的車輛里,我們不必去制造任何硬件樣機,這種技術(shù)一旦研制成功,我們不但能在計算機上設(shè)計戰(zhàn)車,而且還能設(shè)計武器系統(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)展費用”。
美國諾格公司正在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為美國海軍設(shè)計下一代航母CVN 21,它是第一艘完全在虛擬環(huán)境中設(shè)計的航母.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)同真人臨境實驗室(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)濟性和效率。該公司計劃把CHIL用于各種項目中,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)同真人臨境實驗室(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實驗室中,工程師與技術(shù)人員可以探索衛(wèi)星的設(shè)計與測試功能,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目風(fēng)險。
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載人探測船等各個項目中利用CHIL。目前,洛克希德·馬丁公司已經(jīng)在CHIL實驗室對下一代全球定位系統(tǒng)及其他空間計劃開始進行測試與驗證。
來源:電科防務(wù)研究(CETC-ETDR)
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