李丽荣，陆宇平，王彦民
(南京航空航天大学自动化学院，南京210016)
摘要：虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、计算机仿真技术、传感器技术、计算机视觉和人的行为学研究等多项关键技术，是一门基于多种学科发展起来的计算机领域的高新技术。本文主要介绍了虚拟现实技术在军事领域的应用以及真三维立体显示技术，表明基于虚拟现实技术的军事仿真训练系统在飞行训练、海军潜艇训练、立体三维坦克作战指挥系统、立体三维直升机训练系统、立体三维海军作战指挥系统、立体三维实战演示系统等领域具有非常广阔的应用前景。 关键词：虚拟现实；军事；真三维立体显示
The App lication of V i r tua l R ea lity Techn i que i n M ilitary A ffa i r s
L iL irong,Lu Yup i n g,Wang Yanm in
(College ofAuto mati o n Engi n eering,Nanji n g Un i v ersity ofAer onauti c s&Astronautics,Nan jing210016,Ch i n a)
Abstr act:V irtual reality technology is a ne w multi-d isci p li n e technology in the co mputer fil e d,
i n volving co mputer graph ics,multi m ed ia,artifi c ial inte lligence,m an-co mputer i n terf ace,co mputer
si m ulation,co mputer vision and human engi n eer i n g.The paper presents application of the virtual rea l2 ity technol o gy f or m ilitar y aff airs and the true3D vision techn i q ue.M ilitary si m ulati o n training syste m s base on the virtua l reality technol o gy has been f ound to have very w i d e applicati o ns i n fli g ht tra i n i n g, navy submarine training,3D tank ca mpa i g n co mm and syste m,3D he licopter tra i n i n g,3D navy co m2 mand syste m and3D co mbat de monstration syste m.
K ey w ord s:virtual reality;m ilitary aff a irs;true3D visi o n
国家保持强大的现代化国防和军事威慑手段的一条重要途径就是要具备现代化的训练和演练水平。现代战争科技水平越来越高，综合性越来越强，耗资越来越巨大。提高军队的训练水平成为各国急需解决的问题，但进行实战训练，耗资太大，并且受到空域和场地的限制，某些训练项目还具有很高的危险性。这些新特点都迫切要求军事仿真训练系统的新突破，通过仿真技术以低廉的成本、逼真的效果最大程度地替代实兵训练与演练。
虚拟现实系统
早期军事仿真训练系统的目的是对作战人员的武器操作技能进行训练，后来发展到训练作战人员的协同作战能力与战场对抗能力，并进一步发展为进行战术联合演练、训练作战人员指挥能力及选择最佳战术和作战方案的综合平台；仿真训练的手段和设施也由原来的单武器平台发展为多武器平台，并进一步发展成为大规模远程网络支持的多兵种武器平台环境。
军事仿真训练系统主要采用虚拟现实技术、网络技术和人机交互技术等。采用虚拟现实技术可以建立三维逼真战场合成环境，可为参与训练和演练的战斗员和指挥员提供高度逼真的战场环境；网络技术可以建立一个供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境，使处于不同地理位置的用
收稿日期:20050128
户不受物理时空的限制；人机交互技术使战斗平台的操作人员可以得到近似实战的完美体验[1]。
世界各发达国家都认识到了虚拟现实技术巨大的应用潜力，美国国防部更是将以虚拟现实技术为标志的/建模与仿真技术0作为21世纪保证美军优势地位的七大关键技术之一，在军事仿真训练系统的理论研究和实际应用中都作了巨大的投入。
1概述
虚拟现实(V irtual Reality)是一个由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境。通
过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，参与其中的事件。虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、计算机仿真技术、传感器技术、高度并行的实时计算机技术和人的行为学研究等多项关键技术，是一门基于多种学科发展起来的计算机领域的高新技术。由于网络的飞速发展，仿真世界需要运行在通过网络连接的多台计算机上，因此产生了分布式虚拟现实技术，它是虚拟现实技术和网络技术结合的产物，其目标是建立一个可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境，使处于不同地理位置的用户可以不受物理时空的限制，通过姿态、声音和文字等/在一起0进行交流、学习、研讨、训练和娱乐，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。
总之,/动态、交互、沉浸、多感知和分布化0可以概括虚拟现实系统的特征[2]。
目前，虚拟现实技术广泛应用于工程应用、影视娱乐、科学应用、教育培训和军事等各个领域。尤其在军事领域，如战争模拟、任务计划和演练、训练核潜艇机组人员、训练飞行员、降落伞使用训练和导弹训练系统等方面都有着极为广泛的应用前景。
2真三维立体显示技术
一个真正的虚拟现实系统应该能够充分反映真实的三维现实世界，然而，由于计算机屏幕是个二维平面，使我们从计算机屏幕上所看到的仅仅是用二维平面所表示的三维图像，无论计算机上显示的物体
和场景如何逼真、如何绚烂，这些三维图像由于缺乏物理深度，无论如何也不能算作真正的三维信息，并且也不能同时由多个人从多个不同角度去观察这一场景。并且实现一个虚拟现实系统还需要大量昂贵的硬件设备，如头盔式显示器、立体眼镜、3D声音合成器、数据手套、3D跟踪设备等。同时，军事应用中对作战环境的仿真和虚拟显示，需要有一个环形视场来动态地从不同侧面、不同角度监控任务执行情况，要在可视化环境中以最大的逼真度再现作战环境的动态图像。为此，上述传统的三维显示技术显然是无法满足要求的。
基于此，摒弃原来的计算机三维显示原理，我们从另一个方向去思考这个问题。在近代战争中，军事指挥员在进行作战指挥时，往往采用一个相对于战场环境的沙盘。这个沙盘模拟了整个作战区域的地形情况，并在其上标注了敌我双方的战争态势。军事指挥员基于此就可以统观全局，并指挥作战。因此，我们设想如果有一种半球形的屏幕，利用全景图像技术将现实世界的场景显示在这个半球形的立体屏幕上，就可以实现真正的三维立体显示。美国Actuality Syste m s公司研制的A ct u a lity三维立体显示器就可以直接显示三维图像，从而使得表现出的三维物体既有心理景深，更有物理景深，而且多个观察者不需要任何辅助设备就可以从多个角度直接观察三维物体。Actuality三维立体显示器是采用旋转屏幕技术的一种新产品，它采用一个X GA级别的高分辨率(1024@768)投影仪将图像投影到一个旋转屏幕上，该屏幕同光学投影器件和3组起转向投影作用的平面镜一起，以600r/m in或其以上的速度旋转，被投影的图像实际上是呈放射状的/图像切片0，由于视觉暂留，这些图像切片快速连续地投影到三维空间，从而在人眼中形成有真实立体感的三维图像(图1)。
这时立体屏幕内的每一个体素(Voxe l)(相对于二维屏幕上的像素Pixel)对应空间的一个真实点(x,y,z)。这样，无论在任何方向、以任何角度去看，都可以看到这个三维物体或者场景的面貌，这样就相当于一个真实的三维物体或者场景展现在我们面前。这是具有非常诱人前景的真正立体三维技术。而三维鼠标、视觉手套的出现，又为真三维视景中三维物体的定位和操作提供了手段。
图1Actuality 三维立体显示器
3 应用前景
通过这种立体三维显示技术，对于战场环境的精确模拟就变得十分有效。该技术相对于模拟战场环境的固定沙盘或者二维电子沙盘，具有非常明显的优势，它已经实实在在变成了一个立体真三维电子沙盘。不仅变换场景非常方便，而且可以随意对战场环境进行缩放、旋转和平移操作。甚至可将战区场景随意拉远和拉近，有利于战区指挥官洞悉整个战区全貌，更便于指挥作战，而且对于陆海空的时空战场，以及战场中的坦克、潜艇和作战飞机，其位置是随时移动的。利用这样一个系统，就可以随时再现当前时刻战场上敌我双方的战斗情况，以便于随时根据战场的情况下达不同的命令，也便于及时处理战区发生的突发事件。这样一个显示系统不需要用户戴偏光镜就可以充分展现真三维的效果。在这种显示设备中，物体是浮在空中的，人站在不同的位置看物体会看到物体的不同侧面，上述的设想如图2
所示。
图2立体三维实战演示显示系统
对于上述的真三维立体显示系统，我们可以把它比喻成一个金鱼缸。鱼缸中的水就是战场环境中的空气或海洋中的水，而其中的金鱼针对不同的环境可以看作空中的作战飞机、陆上的作战坦克或者海里的潜艇。由此可见，其在军事上具有非常诱人的应用前景。
将三维立体显示器应用到虚拟现实技术当中，对研究多机、多目标、多航迹的精确打击过程以及战场态势的动态变化、飞行器的超低空飞行和地形跟随/回避等具有最直观和最逼真的视觉效果，同时可以虚拟电子沙盘，还可以进行战场效能评估及人机互动，是指挥员作战训练的好帮手。上述不难看出，真三维立体显示技术将在
如下的领域具有非常好的应用前景。该技术的突破将会对下述我国军事技术领域相关技术的发展起到积极的作用。目前虚拟现实技术在军事上主要应用在以下几个领域:
(1)飞行仿真训练系统。(2)海军潜艇训练。
(3)立体三维坦克作战指挥系统。(4)立体三维直升机训练系统。(5)立体三维海军作战指挥系统。
(6)立体三维实战演示系统。
下面以立体三维实战演习显示系统为例加以说明，该系统的示意图如图3所示。
图3立体三维实战演习显示系统示意图
整个作战区域的地形地貌特征数据是事先输入计算机系统的。当实战演习开始时，战场上各种信息数据(可由传感器获得，也可事先在各运动的单体如战士、飞行器、坦克等上面安装自动
传输设备)通过无线传输链路传入控制中心的计算机。计算机经过计算之后，将各种数据实时显示在三维立体显示系统中，这样就使围坐在控制台周围的指挥官将整个战场的敌我态势一览无余，便于抓住战机，随时下达命令，最终取得胜利。其优势在于，显示设备本身与其他显示方式相比较，扩大了视野、视角以及单位时刻人眼信息的摄入量，从根本上改变了对于事件的处理方法[3,4]。
在飞行仿真训练系统中，通过虚拟现实技术，可以构建分布式飞行仿真训练系统。该系统主要由以下四部分组成:
(1)座舱系统
座舱系统除具有和真实飞机座舱一样布局的模拟座舱外，还包括仪表显示系统、操纵负荷系统和音响系统等。仪表显示系统实时显示飞机的各种飞行参数和机载设备的运行状态。操纵负荷系统给飞行员提供操纵杆、舵面的负荷力，操纵负荷将和在真实飞机上一样随飞行速度、高度、舵偏角大小而变化。音响系统给飞行员提供各种音响效果。
(2)视景系统
视景系统产生座舱外的景象，包括机场跑道、信号塔、灯光、建筑物和地形地貌等。视景系统还能模拟能见度、云、雨、雪、雾等气象条件，白天、黄昏和夜间的景象，生成空中和地面的活动目标景象，使飞行员有身临其境的感觉。
(3)运动系统
运动系统给飞行员提供动感，目前通常采用六自由度运动系统，能提供瞬时过载感，但不能提供持续过载感。
(4)计算机系统
计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞机的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。
虚拟现实技术的使用使人机交互界面更加友好，更加真实，能够逼真地模拟人在飞行环境的视觉、听觉和运动，供飞行员完成飞机起降、视距内空战、超视距空战、密集编队协同作战、电子对抗和空中加油等科目的训练。同时，分布式飞行仿真训练系统还可以应用到飞行器设计、飞行效果分析以及查事故原因等多个方面，具有非常广阔的应用前景[5~7]。
图4为基于虚拟现实技术的飞行器超低空追击/拦截三维可视化仿真视景。分别模拟了阿帕奇直升机和全球鹰无人机的模型及低空飞行场
景。
图4飞行器超低空追击/拦截三维场景图5
是海军潜艇的转战指挥系统。
图5海军潜艇训练指挥系统
图6是虚拟现实技术在军队指挥控制中心的应用[8]
。
图6虚拟现实技术在军队的指挥控制中心的应用
当然，虚拟现实技术在民用方面，如三维广告、数字化虚拟人体，特别是家庭游戏和3D T V 等领域，也将逐渐表现出很好的发展前景和很强的应用潜力，如图7所示。
图7家庭娱乐
参考文献
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[8]韦素媛，宁超，张世英，倪青.基于vr m l的航天模拟训练
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作者简介
李丽荣(1975))，女，讲师，博士研究生，研究方向：网络与控制、神经网络、计算机视觉。
陆宇平(1957))，男，教授，博士生导师，研究方向：先进飞行控制、网络与控制。
王彦民(1943))，男，硕士研究生，研究方向：导航、制导与控制。
(责任编辑：张艳雪)
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