【科技评论】虚拟仿真技术及其军事应用
摘要：虚拟仿真技术是近年来系统仿真领域研究的热门问题，而且在军事领域有了广泛的应用。本文以虚拟现实技术为基础，具体讨论了虚拟现实技术在作战仿真中的应用，对虚拟作战仿真的研究进行了探讨。
1. 引言
自从世界上出现第一台训练仿真系统（以1929 年美国空军飞机练习器-林克机为代表）以来，经过了以机电解算装置为主的仿真系统，以模拟计算机为主的仿真系统，以数字计算机为主的仿真系统等几个阶段，系统仿真技术得到逐步发展。特别是近十几年来，随着计算机技术的发展，系统仿真技术的发展也更加迅猛，而且在军事领域中的应用也越来越广泛。
虚拟现实（Virtual Reality 简记VR）技术是近年来系统仿真领域研究的热点，并且在很多行业开始有了实际应用。在军事领域，美国最早将虚拟现实技术应用于作战仿真。其研究人员在虚拟现实技术构造的数字化地形、地貌和敌情数据库上进行作战仿真和武器装备性能的评估。由于虚拟现实技术在军事领域有着广泛的应用前景，因此，美国军方始终把虚拟现实技术的研究与应用列于《国防部关键技术计划》中，并将虚拟现实技术视为建设21世纪军队和培训21世纪人才以及发展新一代信息化战争武器装备的“革命性”手段。
目前，我军对作战仿真的研究日趋深人，但与先进的军事大国相比，仍存在不少差距。由于虚拟现实技术的出现极有可能为未来军事领域带来革命性的影响，因此我军应积极研究虚拟现实技术在作战仿真中的应用。本文以虚拟现实技术为基础，具体讨论虚拟作战仿真及其军事应用。
2. 虚拟现实技术简介
2.1 虚拟现实技术的内涵
虚拟现实技术是80年代提出的一种新兴技术，它是将计算机技术、自动控制技术、系统工程方法、人工智能、仿真技术、多媒体技术、信息融合技术、立体影像技术、光电技术以及神经生物学、心理学和行为科学等诸多科学技术成果融合一体的崭新的人工合成的“虚拟环境”。
2.2虚拟现实技术的特征
虚拟现实技术创造的人机和谐仿真环境具有“沉浸-交互-构思”的基本特征。它利用并集成高性能的计算机系统和各类传感器，在多维信息空间创造一个使研究者处于具有身临其境的沉浸感，具有完善的交互作用能力，能帮助和启发构思的仿真信息环境。VR 的主要特征为：
(1)多媒体感知性
在虚拟现实系统中，用户将感觉不到身体所处的外部环境而“融合”到虚拟世界中去，即指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
(2)交互性
用户可以通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象，并从虚拟环境中得到反馈信息。
(3）自主性
指虚拟现实系统中的物体可按各自的模型和规则自主运动，即指虚拟环境中物体依据客观规律动作的程度。
2.3 虚拟现实系统的分类
依据交互界面的不同，可将VR 系统分为下几种类型：
（1）世界之窗（Window on World System -WOW ) ：
这种系统使用普通的计算机监视器来显示虚拟环境，用户通过键盘、鼠标来控制虚拟环境中的对象，如同通过窗户观察世界一样。
(2）视频映射（Video Mapping ) ：
该系统是“世界之窗”的分支，它使用视频输人设备将用户的身影与虚拟环境的图像合成在一起，用户通过监视器来观察自身与虚拟环境的交互。
(3)沉浸式系统（Immersive system ) ：
该系统完全将用户的视觉及感觉包容在虚拟环境内部，用户所看到、听到、碰到乃至闻到和尝到的都是虚拟环境中的物体。这是最理想的虚拟现实系统。它可采用头盔显示器提供视场和音效，或者采用多个投影显示器建造一个房间，用户置于其中。
(4）远程到场（Telepresence ) ：
该系统不同于完全由计算机生成虚拟环境的系统，它是真实环境的反映。这种技术是把真实环境中的远程传感器与操作者的感觉联系起来。比如用在异地带有摄像机的机器人处理危险情况等。
(5）混合现实（Mixed Reality ) ：
它是遥控系统和沉浸式系统的集成。该技术将计算机生成的图像与真实环境的图像合成在一起。比如医生在作脑外科手术时看到的可能是预先用CT 扫描获得的图像与实时超声波扫描图像的合成；战斗机驾驶员看到的地图与数据的合成图像等。
2.4 虚拟现实的关键技术
从技术上来看，VR 是现代科技的集大成者，它涉及到诸多技术领域，如图形图像处理、实时分布系统、数据库、立体环绕音响、跟踪定位装置等等。
在硬件上实现较理想的VR 系统需要有头盔显示器、数据手套／数据服、高性能计算机等。在软件上，VR 软件的基本组成包括输入处理、仿真引擎、声音处理、虚拟世界的渲染、触觉与反馈力的处理、其他知觉的处理、世界数据库等。其中仿真引擎是VR 技术的核心内是VR 技术的核心内容
综上所述：虚拟现实的关键技术包括：
（1）动态建模技术
其中虚拟环境的建立是VR 技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是为了获取实际环境的真实三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。
(2）三维图像快速生成技术
为了获得真实感，图像的刷新频率至少不低于15帧／s。，最好高于30帧／s。如何保证在不降低图像质量、复杂程度的前提下提高刷新频率是VR 技术研究的一个重要内容。
(3) 立体显示和传感器技术
立体显示和传感器技术的发展水平制约着VR 技术的发展。例如头盔式三维立体显示器，有分辨率低、延迟大、跟踪精度低、行动不便、眼易疲劳、视场不够宽等特点，因此有必要开发新的三维立体显示技术。
3. 虚拟作战仿真
目前虚拟现实技术已经在军事领域的作战仿真中得到广泛的应用，使军事训练相对于真实作战的逼真程度和使用效果产生本质上的飞跃。但是由于作战仿真系统自身的复杂性，虚拟作战仿真的全面应用与完善尚需进一步研究，具体研究方向如下：
(l）在作战仿真系统中引人虚拟化概念，如人工合成虚拟器、虚拟战场、虚拟战斗等等。仿真对象可以是现实的，也可以是超现实的。借助虚拟现实技术使用户逼近真实地沉浸在虚拟环境里，便于作战仿真应用的扩展。
( 2）综合运用分布式交互仿真和虚拟现实技术。由于现代战争对相对独立的分布式指挥的要求，及互联网技术的日臻成熟，为分布式交互仿真提供了广阔的开发前景。分布式交互仿真技术与虚拟现实技术使传统的作战仿真在内容上、组织形式上以及作战方法上均发生了根本性变革，将更加适应作战仿真系统的复杂性，特别适合建设具有纵深层次、横向分布、交互使用的巨型实时分布式虚拟作战仿真系统。
(3）以虚拟现实技术改善“人机界面”，使人机交互向“虚拟现实”发展。实现直观分析和逼近真实训练一直是作战仿真中用户界面努力的目标。应用虚拟现实技术，实时生成允许有彼此可视的、多个交互局中人的“虚拟环境”，使用户能进人一个交替的、基于机器的环境，并实时地与数据结构和程序相互作用。
( 4）对硬件的要求：虚拟作战仿真系统的大规模准确环境的实时交互要求系统具有巨大的计算能力及直观显示系统的高逼真度，目前的大型图形工作站以及显示设备尚不完善，但是随着计算机技术的不断发展，硬件要求的满足不会太难。
( 5）对软件的要求：虚拟仿真的系统软件开发工具，基于微机系统的已有不少实现了商品化，基于图形工作站系统的应用开发工具和软件开发平台也相继出台。引用与借鉴这些软件开发工具，开发出适合我军的虚拟作战仿真系统软件开发工具，制定统一的工程标准，才能使我军的虚拟作战仿真走上系统化、兼容性的发展道路。
( 6）对技术的要求：在现有硬件基础上进行的虚拟仿真，由于媒体数据的大量信息，数据压缩手段就成为制约虚拟现实技术的“瓶颈”问题。
4. 虚拟作战仿真的军事应用
4.1用于军事训练
虚拟作战仿真可以解决部队高质量的训练问题。它不但可以不动用实际装备而使受训人员具有身临其境之感；它可以任意设置战斗环境背景，对作战人员进行同一作战环境，同一作战预案的多次重复训练，还可进行不同作战环境，不同作战预案的训练，使作战人员迅速地积累丰富的作战经验，同时不担任何风险。
虚拟现实技术特别适合于解决多兵种协同作战训练问题。它可使分布在不同地域的各兵种处于同一作战想定方案下，利用分布式仿真系统进行对抗演习，以利提高部队的作战能力。还可以解决武备操作人员的训练问题，将操作人员置于安全环境中多次重复训练，使操作人员具有了一定经验之后再进行实装操作，以达到缩短训练时间，节约训练费用的目的。
4.2 用于制定作战方案和进行战法研究
虚拟现实技术作为一种最新的人机交互技术，非常适用于作战模拟。由于虚拟现实技术可预先建立战场环境的三维图形、图形库，包括各种作战对象、作战场景、作战背景以及双方的人员情况，因而被训指挥员可方便、多次地进行作战方案和战法的制定及试验。在指挥员决策仿真训练方面，它可以帮助指挥员进行任务规划的训练，通过多方观察了解敌方形势，迅速进行决策，并掌握好在各阶段如何做出最佳决策。
在现代战争中，情况千变万化，大量的信息、数据实时汇聚到指挥员眼前，如果指挥员不及时掌握、处理，就会失去战机。因而虚拟作战系统可以帮助指挥员学会如何利用传感器融合技术处理后送来的各类数据和信息，制定作战方案和进行战法研究。
4.3 用于武器装备的研制与开发
在武器系统的研制与开发方面，虚拟现实技术可发挥多种作用。一方面可作为武器装备体系顶层设计的技术手段。虚拟现实系统可以对未来高技术局部战争的战场环境、武器装备的战术技术性能和战术使用等进行作战模型，因而可预先进行选择对提高武器装备体系效能贡献大、耗资少、技术可行性强的武器系统进行重点开发。另一方面，可避免武器装备在实际研制、生产和部署各阶段由于决策失误造成的资金浪费，缩短研制周期。
（来源 ：军桥网）
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