情景互動式影像訓練系統(tǒng)應用研究

劉樂斌，石 斌，鄧云璐

（中國人民公安大學，北京 102623）

警務戰(zhàn)術是警察處置執(zhí)法沖突與對抗行為的原則、策略和方法。警務戰(zhàn)術訓練是針對警察執(zhí)法實踐而專門組織的教育訓練過程，其核心為戰(zhàn)術思維能力的培養(yǎng)，因此，不斷改進和創(chuàng)新貼近警務實戰(zhàn)并符合戰(zhàn)術思維能力形成規(guī)律的訓練方法對提高警務戰(zhàn)術訓練效果尤為重要。伴隨著科學技術的飛速發(fā)展，越來越多的高科技手段應用于戰(zhàn)術訓練之中，出現(xiàn)了大量適用警務實戰(zhàn)需要的戰(zhàn)術訓練器材和設備，極大地豐富了訓練內容和訓練手段。仿真技術在軍事領域中已被廣泛應用。警察戰(zhàn)術訓練與軍事作戰(zhàn)訓練有著許多相似之處，近年來也有許多仿真技術被應用于警察戰(zhàn)術訓練之中。情景互動式影像訓練就是現(xiàn)代科技應用于訓練實踐的一個成功典范，目前，該訓練方法已成為國內外警察系統(tǒng)訓練實戰(zhàn)技能和戰(zhàn)術能力的主要手段之一，歐美、香港的警察部門更將其廣泛應用于警察的實戰(zhàn)對抗訓練中，對提高警員執(zhí)法技巧及槍械運用的實際能力產(chǎn)生了積極的作用。

一、仿真技術概述

仿真技術是由多門學科相融合而組成的一項綜合技術，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗，可以非常有效而經(jīng)濟地用于科研、訓練之中。并且，仿真技術作為一種試驗手段，允許操作者多次重復試驗，可以對其進行有效地控制，破壞性小，耗費也很低。例如，在警務戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)中所采用的情景互動式影像訓練，將先進的仿真技術與網(wǎng)絡相結合，采用仿制裝備和計算機仿真系統(tǒng)共同構成模擬的戰(zhàn)術情景，之后再利用網(wǎng)絡將受訓者聯(lián)系在一起，讓受訓者真實地體驗戰(zhàn)術行為，這樣既可以使受訓者加深對戰(zhàn)術行動的理解，而且還能找出其中存在的問題，及時解決問題。仿真技術是一項國防關鍵技術，對提高武器系統(tǒng)的研制效率、改善部隊訓練和提高戰(zhàn)斗力將發(fā)揮越來越大的作用，已成為發(fā)達國家實現(xiàn)質量建軍的一種重要手段。而且，近年來還被應用于警察戰(zhàn)術訓練之中，以圖提高警察部隊的整體執(zhí)法能力。

二、警務戰(zhàn)術情景互動式影像系統(tǒng)概況

警務戰(zhàn)術情景互動影像系統(tǒng)以實景拍攝的場景影像及全虛擬仿真的3D場景投影顯示作為訓練情境，使用無后坐力激光槍或實彈槍、警棍以及仿真辣椒水激光噴射器對屏幕進行模擬對抗訓練，其特點是讓受訓人員置身于實景拍攝的模擬執(zhí)法現(xiàn)場，通過聲、光、電的反復立體刺激，訓練其對危險的評估能力和警察強制手段的使用技巧。該系統(tǒng)可滿足標準射擊科目訓練、自設射擊科目訓練、多層次戰(zhàn)術科目訓練的需要，運用控制仿真訓練、實景訓練和聯(lián)網(wǎng)對抗訓練等訓練方式培養(yǎng)受訓人員的綜合實戰(zhàn)能力；并且還具備人員及訓練成績管理，訓練效果考評，專家系統(tǒng)指導數(shù)據(jù)庫管理等功能。

（一）系統(tǒng)構成（見后表）

（二）系統(tǒng)主要功能

1.射擊科目訓練的功能

可在計算機屏(雙屏)上設置參數(shù)，將靶標顯示在投影屏上進行訓練，成績同時顯示在兩個屏上。系統(tǒng)提供命令語音接口，供教官在訓練過程中使用口令，如，準備、開始射擊；提供訓練過程中的背景音樂，可以容納3名射手同時訓練，可設置對應不同射手靶標邊框和彈著點的顏色。靶標可以隨機出現(xiàn)，也可以指定位置出現(xiàn)。

（1）標準科目訓練：提供標準的訓練科目，如7M胸環(huán)靶射擊等。

（2）自設科目訓練：可選擇訓練場景、靶標類型、射擊距離、隱現(xiàn)方式、隱現(xiàn)次數(shù)、隱現(xiàn)時間、運動速度等具體參數(shù)類型，形成自設科目，進行訓練。

名稱 數(shù)量 單位 設備組成 技術參數(shù)及功能說明投影攝像一體機 1 套 高亮度高清晰投影機 電源 AC100V-240V功耗 300W以上*亮度 2500流明*分辨率1280×720顯示互動影像計算機探測屏幕上的紅外激光光斑（定位誤差＜1個投影像素）調整監(jiān)控范圍和角度處理紅外攝像頭捕捉到的數(shù)據(jù)，計算彈孔在屏幕上的坐標位置1 臺激光定位系統(tǒng) 1 套 紅外攝像頭微調平臺定位軟件主系統(tǒng)和錄像考評系統(tǒng)用影像互動射擊裝置訓練評估軟件1 套 提供隱蔽，探測躲閃等戰(zhàn)術動作在屏幕上目標開火的同時，氣槍同時發(fā)出彩彈，訓練戰(zhàn)術能力提供拔槍，鳴槍等交互觸發(fā)提供交互主軟件模塊 1 套 軟件部分界面友好，數(shù)據(jù)反應充分，節(jié)目運行流利，符合需求，畫面銜接平穩(wěn)，射擊后沒有幀停頓現(xiàn)象實景資料庫用于射手射擊結果的評估音響設備 專業(yè)功放，音箱電動投影屏 進口投影屏總控制臺 控制臺及彩色噴墨打印機 安裝設備及輸出訓練結果掩體氣槍攻擊系統(tǒng)槍支控制系統(tǒng)對講系統(tǒng)實景影像資料1 1 1 1套套套套

（3）戰(zhàn)術科目訓練：可選擇不同的復雜場景，提供不同的背景聲響，在場景中配套特殊人型靶標(如劫持人質靶，持槍歹徒靶等)，指定出靶條件（如，時間到，1號靶標被命中2號靶標起，外部交互傳感器有出發(fā)等）隱靶條件，利用非實景的靜態(tài)科目，盡可能地模擬真實場景，進行訓練。

2.實戰(zhàn)訓練仿真功能

提供與實景影像聯(lián)動鳴槍、拔槍、躲閃、語音控制等交互手段，提供與實景影像聯(lián)動的彩彈等攻擊武器以及帶有后坐力的激光模擬槍，營造產(chǎn)生心理壓力的真實訓練環(huán)境，以得到更好的訓練效果。

系統(tǒng)所配拔槍、鳴槍動作檢測模塊對受訓人員的一些基本動作，如執(zhí)法過程中的語言控制、危險情形下的避險動作等進行跟蹤與處理，提高了訓練過程的互動性。同時對訓練人員的一些槍械操作動作能實現(xiàn)檢測與跟蹤，如執(zhí)法過程中的拔槍、鳴槍警告等動作，通過這些信號的檢測，可對受訓人員進行更為有效地評估。

每個實景科目訓練完成后，系統(tǒng)將訓練過程中的事件以列表的方式顯示（如：射手每一發(fā)射擊的時間，命中目標與否，歹徒是否開槍，是否有躲閃，喊話，拔槍，鳴槍等事件），同時以畫中畫的形式顯示對應事件的場景，最后保存到數(shù)據(jù)庫。針對運行中的實景提供靜音、暫停功能，以用于講解。對多種隨機跳轉方式，可以提供隨機跳轉，也可以提供選定跳轉到固定的下續(xù)場景。提供豐富的設置接口，可以任意選擇使用與否。針對同一訓練實景可以設置不同訓練難度。

3.實時互動對抗功能

對抗訓練主訓者可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)和輔助訓練者實時的音視頻和文字交互溝通。將安裝在兩個房間鄰近的兩套影像靶系統(tǒng)連接在一起，訓練者通過投影屏幕進行實彈或激光模擬的對抗訓練，投影屏幕顯示的是對方所處的真實情形，而不是預先攝制的影像資料，這樣使訓練更具有實時性、真實性和對抗性（見圖1）。

圖1 實時互動對抗系統(tǒng)示意圖

為實現(xiàn)實時對抗，系統(tǒng)共增加了兩套動作采集攝像機，用于隨時采集對抗雙方的實時動作，并通過視頻采集設備和投影設備將兩名對抗訓練者的實時視頻影像資料傳輸?shù)綄Ψ降耐队捌聊簧希纬蓪崟r的、互動的訓練場景（見圖2）。

圖2

對抗射擊器主要用于在對抗訓練時增加訓練人員的壓力和緊張感，當一方訓練者（如訓練者B）進行射擊時，在同一時間，對方（訓練者A）前端的對抗射擊器會向A發(fā)射一顆BB彈，以體現(xiàn)真實對抗射擊時的交戰(zhàn)效果（見圖3）。

圖3

4.開放式編輯功能

系統(tǒng)提供開放的實景資料編輯平臺。通過實景編輯可以將同一套實景資料進行設置，實現(xiàn)有針對性地訓練。同時能將自由拍攝訓練進行錄像，接駁到系統(tǒng)中使用。系統(tǒng)實現(xiàn)錄像可以自由編輯、射擊區(qū)域自由編輯等功能，由施訓者實現(xiàn)訓練思想。

5.訓練考評功能

采用畫中畫技術，將射手動作采集并合成為同步影像資料文件,儲存于電腦硬盤中，以方便考評人員于現(xiàn)場或事后進行指導或綜合考評。該系統(tǒng)具備實時錄像、回放、快進、快退、暫停、局部放大縮小功能。

6.數(shù)據(jù)庫（IC卡）管理功能

能夠提供基于IC卡的人員管理和訓練成績管理，提供查詢管理功能，提供以柱狀圖、折線圖等圖表方式實現(xiàn)的分析功能，顯示查詢數(shù)據(jù)，提供打印功能?？颇坑柧毺峁┑陌袠藞D表打印在對訓練成績打印時，針對有環(huán)數(shù)要求的射擊成績,不僅可列表打印成績,還可以打印靶型與彈著點,使成績打印單一目了然,便于集中考核時的成績統(tǒng)計（見圖4）。

圖4

成績排序功能也可以在比賽結束時，立刻按從高到低的次序列出所有射手的射擊成績，節(jié)省大量的統(tǒng)計時間并且避免了人工操作可能出現(xiàn)的失誤。

通過數(shù)據(jù)庫管理能夠實現(xiàn)對射擊數(shù)據(jù)的分析功能，起到輔助訓練指導的作用。并且該系統(tǒng)專門將檔案管理功能單獨列出，以便于日常維護和對數(shù)據(jù)進行密碼管理，以防止無關人員誤操作造成數(shù)據(jù)丟失。

7.光點捕捉功能

采用激光模擬射擊時,一體機內的CCD攝像頭能將畫面上的激光斑實時攝入并傳給系統(tǒng)的圖像識別系統(tǒng)進行計算，從而判斷是否擊中目標，并自動檢測出彈著點，目標被擊中做出的反應。

8.專家系統(tǒng)分析功能

提供專家系統(tǒng)對以往射擊數(shù)據(jù)進行分析，產(chǎn)生射擊動作等的改進意見，起到輔助指導的作用。

三、警務戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)科技應用展望

（一）基于警務戰(zhàn)術訓練實戰(zhàn)模擬研究的訓練仿真技術應用

實戰(zhàn)模擬研究是警務戰(zhàn)術的研究方法之一，其構成特質與警務實戰(zhàn)存在密切的聯(lián)系。警務戰(zhàn)術學作為揭示執(zhí)法戰(zhàn)斗規(guī)律的科學，可以認定該研究方法對于推動警務戰(zhàn)術學科體系的完善有直接的作用。

警務戰(zhàn)術訓練仿真技術應用就是將系統(tǒng)仿真思想融入警務戰(zhàn)術訓練過程，將實戰(zhàn)模擬研究方法與系統(tǒng)仿真方法結合，以促進警務戰(zhàn)術訓練貼近實戰(zhàn)并提高警務戰(zhàn)術訓練效果。同時，訓練仿真技術的應用將有利地創(chuàng)新模擬教學與訓練方法，研發(fā)適用警察實戰(zhàn)需要的戰(zhàn)術訓練器材與設備，將高科技手段應用于戰(zhàn)術訓練之中。

警務戰(zhàn)術訓練仿真系統(tǒng)可分為：演示性仿真、研究型仿真和教育訓練仿真；依據(jù)仿真對象可分為：實戰(zhàn)環(huán)境仿真系統(tǒng)、戰(zhàn)術主體仿真系統(tǒng)和實戰(zhàn)環(huán)境與戰(zhàn)術主體的交互仿真系統(tǒng)；這是警務戰(zhàn)術領域區(qū)別與其他領域仿真分類的特點。

1.演示性仿真：大多采用三維建模技術，對警察執(zhí)法戰(zhàn)術實施過程和實戰(zhàn)環(huán)境進行建模，其目的是為了真實顯示警察執(zhí)法戰(zhàn)術實施的具體過程或者實戰(zhàn)環(huán)境的整體場面，給人以視覺效果，增加系統(tǒng)的可視性。該類仿真通常用于在執(zhí)行大型案發(fā)現(xiàn)場的建模中，例如群體性騷亂事件的處置等。

2.研究型仿真：該類仿真通常用于針對研究的需要而建立的仿真系統(tǒng)。其建模的目的在于將實戰(zhàn)過程的數(shù)據(jù)信息進行采集，進行物理建模和數(shù)學建模，以供研究戰(zhàn)術過程的一般規(guī)律。

3.教育訓練仿真：該類仿真是比較受專業(yè)研究人員關注，其應用目的在于提高警員執(zhí)法戰(zhàn)術的運用能力。因為這類仿真系統(tǒng)具有較強的實用性，在警務戰(zhàn)術訓練過程中常用于實戰(zhàn)訓練，以期提升警員的實戰(zhàn)能力。

在警務戰(zhàn)術訓練中，仿真的對象包含實戰(zhàn)環(huán)境、參戰(zhàn)警員、群眾和犯罪嫌疑人，依據(jù)其仿真對象的特征，可分為以下三類仿真系統(tǒng)：

1.實戰(zhàn)環(huán)境仿真系統(tǒng)：該仿真系統(tǒng)是對實戰(zhàn)環(huán)境進行的仿真。其應用的功能類似警用沙盤，即對實戰(zhàn)環(huán)境進行客觀描述之用。對實戰(zhàn)環(huán)境仿真系統(tǒng)的深入研究，有助于專業(yè)研究人員設計和組織戰(zhàn)術訓練，使得訓練效果更為貼近實戰(zhàn)的需要。

2.戰(zhàn)術主體仿真系統(tǒng)：在警務戰(zhàn)術訓練過程中，戰(zhàn)術的主體包含參戰(zhàn)民警、群眾和犯罪嫌疑人。單警的仿真，其目的是為了研究個體警員在戰(zhàn)術系統(tǒng)中的功能；警員團隊的仿真，是為了研究警員團隊聯(lián)合戰(zhàn)術行動的狀況，以促進改良警員團隊在戰(zhàn)術行動中的效能；人群的仿真，主要用于處置群體性騷亂事件人員安全應對的研究中，或者應用于人群密集的場所進行戰(zhàn)術行動的設計與處置。

3.實戰(zhàn)環(huán)境與戰(zhàn)術主體的交互仿真系統(tǒng)：是一種針對警察執(zhí)法戰(zhàn)斗過程和結果的仿真。仿真過程往往與特定的戰(zhàn)術案例類別相聯(lián)系，例如解救人質、抓捕行動、車輛查控等。該類仿真系統(tǒng)的建立可從專家系統(tǒng)和實戰(zhàn)案例系統(tǒng)出發(fā)，采用數(shù)學建模手段建立交互式仿真，為警務戰(zhàn)術訓練服務，達到對警員的有效戰(zhàn)術訓練。

警務戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)仿真技術具有廣闊的發(fā)展前景，依托計算機模擬技術、軍事數(shù)理戰(zhàn)術的科技發(fā)展，可以研發(fā)適用于警察戰(zhàn)術訓練的專業(yè)訓練儀器和設備。

比較軍事作戰(zhàn)模擬的發(fā)展現(xiàn)狀并參考系統(tǒng)仿真學科在各相關領域應用新進展，可以認為警務戰(zhàn)術實戰(zhàn)模擬研究與訓練仿真技術具有廣闊的發(fā)展前景，計算機模擬技術、電子學習技術等的發(fā)展可能為警務戰(zhàn)術計算機輔助訓練系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)造良好的基礎條件。在警務戰(zhàn)術實戰(zhàn)模擬研究和仿真模擬訓練的基礎上，可以開發(fā)基于網(wǎng)絡的警務戰(zhàn)術仿真訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、仿真訓練軟件。

（二）交互式警務推演電子沙盤

國內目前無論是電子沙盤三維立體，還是激光沙盤虛擬現(xiàn)實，他們都是利用聲光電和控制技術與真實的物理沙盤結合視頻技術實現(xiàn)立體沙盤的展示，并通過圖文掃描儀將收到的照片或對實物沙盤通過聲光電控制過程進行錄像，之后把信息輸入電腦顯示，它只能按照固定的錄像順序或事先程序編好的播放順序或游歷順序游歷，無法在屏幕上直接做交互，無法任意放大縮小、任意漫游標注擺放，且受實際大小限制，操作不方便，也無法在屏幕上直接交互。

自然交互式警務推演電子沙盤系統(tǒng)把現(xiàn)有的各種應用集成到一臺中心圖形計算機上，用自然交互式通用指揮平臺作為顯示和操作平臺。通過各種接口實現(xiàn)與現(xiàn)有三維地圖及警務實戰(zhàn)模擬訓練相關數(shù)據(jù)庫連接，通過人手或教鞭等輔助工具實現(xiàn)對屏幕顯示的三維地圖放大、縮小、漫游、拖拉、寫字畫圈等標注,使受訓人員在顯示的虛擬執(zhí)法環(huán)境下進行實戰(zhàn)指揮能力訓練。

（三）警用數(shù)字單兵

警用數(shù)字單兵是在惡劣的地理條件、危險的環(huán)境及車輛不能到達的地方，通過單兵背負的形式到達現(xiàn)場，實現(xiàn)實時圖像傳輸和指揮調度等功能，具有機動靈活、攜帶方便的特點，擔負著消防執(zhí)勤、單兵偵察、公安刑偵等單兵機動任務的遠程現(xiàn)場多媒體信息實時、動態(tài)的收集處理傳遞的重要任務。

警用數(shù)字單兵由個人無線傳輸設備、便攜視頻監(jiān)控設備、便攜電池、個人語音通信設備等四部分構成，可以輕松集成、便于攜帶。單兵隊員利用個人無線傳輸設備，可將個人便攜視頻監(jiān)控設備采集的所處周圍環(huán)境和偵查對象的圖像實時傳回給指揮人員和現(xiàn)場指揮中心；同時通過語音通信設備同指揮員進行雙向通話，聽取、回復指令；隨身供電系統(tǒng)為以上設備提供充足電力。警用數(shù)字單兵的功能由單兵終端、通信指揮車及其它輔助系統(tǒng)如車載監(jiān)控顯示系統(tǒng)等組成來實現(xiàn)。它采用了一系列先進的擴頻通信技術、調制解調技術、信道編解碼技術、差錯控制技術，并結合數(shù)字圖像壓縮等多媒體網(wǎng)絡傳輸技術，能夠在高速移動環(huán)境下實現(xiàn)視頻、語音、數(shù)據(jù)等寬帶多媒體業(yè)務的實時、同步傳輸。

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