虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)軍事應(yīng)用初探

王修齊 張磊 沈忱

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為二十一世紀(jì)最有代表性的技術(shù)之一，在各個(gè)領(lǐng)域都引起了廣泛關(guān)注。尤其是近兩年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)步迅猛，向著更真實(shí)、更精確、更實(shí)用方向發(fā)展。在軍事領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為信息化、可視化作戰(zhàn)帶來了諸多革新手段。通過分析實(shí)時(shí)建模技術(shù)、全景技術(shù)、全息投影技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)這四類新興虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的新型應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)時(shí)建模；全景技術(shù)；全息投影；混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）29-0251-03

Abstract： As one of the most representative technologies in the 21st century， virtual reality technology has attracted wide attention in various fields. Especially in the past two years， virtual reality technology has made rapid progress towards a more realistic， more accurate and more practical direction. In the military field， the development of virtual reality technology has brought many innovative means for information and visual warfare. By analyzing the four emerging virtual reality technologies， namely real-time modeling technology， panoramic technology， holographic projection technology and hybrid reality technology， this paper explores the new application mode of virtual reality technology in military field.

Key words： virtual reality； real-time modeling； panoramic； holographic； mix reality

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是指人在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬空間中，通過自然的方式進(jìn)行人機(jī)交互的技術(shù)。早在20世紀(jì)80年代，NASA就將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入航空航天中，并取得了令人矚目的研究成果。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展，逐漸占據(jù)市場(chǎng)主流，為軍事訓(xùn)練帶來了諸多革新手段。本文選取最有軍事應(yīng)用前景的四類新興虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，探索實(shí)時(shí)建模技術(shù)、全景技術(shù)、全息投影技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的新型應(yīng)用模式。

2 實(shí)時(shí)建模技術(shù)軍事應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是三維動(dòng)畫技術(shù)與實(shí)時(shí)交互技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著建模技術(shù)不斷發(fā)展，快速、精確、完整的重建三維信息成為建模技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。目前，實(shí)時(shí)建模技術(shù)主要有3D掃描儀、3D攝像機(jī)、多重影像建模等。3D掃描儀主要通過創(chuàng)建物體幾何表面的“點(diǎn)云”來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型，缺點(diǎn)是掃描范圍有限，無法掃描巨大的物體。3D攝像機(jī)主要通過兩個(gè)或者以上的3D鏡頭，拍攝出類似人眼所見的針對(duì)同一場(chǎng)景的不同圖像。多重影像建模則是通過拍攝大量、多角度的照片，對(duì)物體進(jìn)行建模。三種實(shí)時(shí)建模的方式各有優(yōu)長(zhǎng)，應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

2.1 武器裝備實(shí)時(shí)建模

對(duì)于武器裝備仿真而言，實(shí)時(shí)建模技術(shù)也是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著國內(nèi)外武器裝備的推陳出新，大量的新武器新裝備被研制，對(duì)于武器裝備仿真的需求也越來越大，特別是對(duì)于武器裝備零件的建模。傳統(tǒng)的武器裝備建模技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行繪制，建模周期較長(zhǎng)，如果沒有三視圖或者清晰準(zhǔn)確的照片，也無法保證建模的精確性。而利用實(shí)時(shí)建模技術(shù)，僅僅通過3D掃描儀、3D攝像機(jī)的拍攝掃描就可以直接得出武器裝備的實(shí)際數(shù)據(jù)，建模工作流程自動(dòng)化，大大提高了工作效率。

2.2 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)建模

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬變，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模效率較低，無法滿足需求。近年來，無人機(jī)已經(jīng)成為軍事大國們爭(zhēng)相發(fā)展的重點(diǎn)。利用傾斜攝影技術(shù)，在地理信息軟件中規(guī)劃采集數(shù)據(jù)區(qū)域、設(shè)置重疊率、鏡頭傾斜角度等信息，再將這些信息導(dǎo)入建模軟件中，通過軟件的合成計(jì)算，便可得到可交互可編輯的三維地景模型。

3 全景技術(shù)軍事應(yīng)用

全景技術(shù)，又被稱為3D實(shí)景，是一種新興的富媒體技術(shù)，其與視頻、聲音、圖片等傳統(tǒng)的流媒體最大的區(qū)別是“可操作，可交互”。全景技術(shù)是利用單反相機(jī)或無人機(jī)拍攝的360°實(shí)景照片，經(jīng)過特殊的拼合、處理，獲得全方位可互動(dòng)觀看的虛擬場(chǎng)景。全景技術(shù)在虛擬場(chǎng)景構(gòu)建上不同于傳統(tǒng)的建模技術(shù)，只需要幾張照片，就可以真實(shí)地將場(chǎng)景重現(xiàn)出來，具有真實(shí)感強(qiáng)、沉浸感強(qiáng)、交互性能好、制作周期短、操作簡(jiǎn)單、發(fā)布形式多樣、數(shù)據(jù)量小等特點(diǎn)。隨著全景相機(jī)和大量簡(jiǎn)易的全景合成軟件被開發(fā)，全景技術(shù)的門檻將越來越低，被越來越多的行業(yè)所關(guān)注。

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境勘測(cè)

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境勘測(cè)需要大量的信息，包括地形地貌、房屋建筑、天氣情況等，信息收集是否快速準(zhǔn)確、建模是否精準(zhǔn)逼真，對(duì)后期決策起到了重要作用。以往我們都是通過計(jì)算機(jī)軟件建模的方式仿真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，這種方式工作量大，制作成本高，建模時(shí)間長(zhǎng)，且難以建立精確的三維模型。即使能夠建模，光源、紋理、色彩、天氣等元素也難以與實(shí)際情況吻合，不夠接近真實(shí)場(chǎng)景，事倍功半。而實(shí)景全景技術(shù)，通過相機(jī)拍攝（相機(jī)難以拍攝的地區(qū)或危險(xiǎn)地區(qū)可以利用無人機(jī)拍攝）的真實(shí)照片來構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，確保了場(chǎng)景的真實(shí)可信，貼近實(shí)際；較短的制作周期也降低了虛擬場(chǎng)景制作成本，便于更新地景信息。同時(shí)，還可以利用GIS的電子地圖支持功能實(shí)現(xiàn)地圖的生成、管理、顯示和網(wǎng)絡(luò)共享，并建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境庫，減少重復(fù)的建模工程，為實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練提供輔助力量。

3.2 裝備仿真可視化

武器裝備仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用途徑。傳統(tǒng)的武器裝備仿真主要是應(yīng)用3DS MAX、MAYA等軟件進(jìn)行武器裝備外形的建模，但戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、裝甲車等裝備的駕駛室場(chǎng)景建模難以實(shí)現(xiàn)，只依靠圖片、視頻等多媒體展示，無法進(jìn)行移動(dòng)觀看，傳遞的信息有限。利用實(shí)景全景技術(shù)，通過拍攝駕駛艙內(nèi)部的照片，制作可以旋轉(zhuǎn)觀看的虛擬場(chǎng)景，還可以利用全景軟件的“熱區(qū)”功能，進(jìn)一步在場(chǎng)景中插入一些文字、圖片介紹。

4 全息投影技術(shù)軍事應(yīng)用

全息投影技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。目前已實(shí)現(xiàn)的全息投影技術(shù)一共分為空氣投影和交互技術(shù)、激光束投射技術(shù)、360°全息顯示屏技術(shù)幾類。美軍曾在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)用過這類技術(shù)，利用兩架噴氣式飛機(jī)飛到科威特沙漠的上空，“畫”了一幅巨大的伊拉克國旗又打了個(gè)巨大的白叉，使伊軍士氣一落千丈，也為全息投影技術(shù)賦予了心理戰(zhàn)效益。除此之外，全息投影技術(shù)還可以構(gòu)建電子沙盤、召開電視電話會(huì)議等。

4.1 全息電子沙盤

與傳統(tǒng)沙盤相比，電子沙盤具有簡(jiǎn)便、直觀、精確的特點(diǎn)，而且可以動(dòng)態(tài)顯示，內(nèi)容豐富，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。目前應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的電子沙盤主要是利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔觀看，沉浸體驗(yàn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)沙盤，但虛擬現(xiàn)實(shí)電子沙盤無法自然的交互，也不利于面對(duì)面的交流，在訓(xùn)練中實(shí)用性較差。而全息投影技術(shù)構(gòu)建的電子沙盤，既具有虛擬電子沙盤帶給使用者的動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)交互、方便聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，還具有傳統(tǒng)沙盤操作簡(jiǎn)便、易于面對(duì)面交流的特點(diǎn)。全息電子沙盤不同于計(jì)算機(jī)建模技術(shù)構(gòu)建的電子沙盤，其僅依靠立體投影儀便可以顯示，不需要構(gòu)建復(fù)雜的環(huán)境，大大降低了使用成本。但由于目前無介質(zhì)顯示技術(shù)并未得到很大突破，全息技術(shù)仍存在許多局限性。

4.2 全息電視電話會(huì)議

全息投影還可以應(yīng)用到電視電話會(huì)議中。早在多年前，美國商業(yè)大片就描繪了全息投影電視電話會(huì)議的場(chǎng)景，現(xiàn)在，隨著科技的進(jìn)步，這種技術(shù)將很快應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)。據(jù)境外媒體報(bào)道，已有多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行全息投影的商務(wù)應(yīng)用開發(fā)。

5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軍事應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，簡(jiǎn)而言之就是用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生三維信息來增強(qiáng)人對(duì)真實(shí)世界的感知?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mix reality，簡(jiǎn)稱MR），包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬，指的是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境。在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對(duì)象共存，并實(shí)時(shí)互動(dòng)?；旌犀F(xiàn)實(shí)同時(shí)具有虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，但混合現(xiàn)實(shí)的交互程度比增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)更高，它們之間的關(guān)系如圖：

5.1 武器裝備維修整套解決方案

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、虛擬訓(xùn)練、武器裝備維修等軍用領(lǐng)域。特別是在工業(yè)領(lǐng)域，我國自有產(chǎn)權(quán)的工業(yè)用AR/MR眼鏡已經(jīng)可以通過深度學(xué)習(xí)的方式來提高機(jī)器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的識(shí)別成功率，將其應(yīng)用于武器裝備維修中，AR/MR眼鏡將多種輔助信息顯示給維修人員，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備的零件圖等，提供整套維修方案，有效降低維修技術(shù)門檻。

5.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤

電子沙盤和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的研究是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在作戰(zhàn)指揮中應(yīng)用的重點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子沙盤由電子沙盤底板和虛擬沙盤場(chǎng)景組成。不同于全息電子沙盤和虛擬現(xiàn)實(shí)電子沙盤，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子沙盤可以像傳統(tǒng)沙盤一樣，使用手的操作完成沙盤設(shè)計(jì)，并通過虛擬頭盔內(nèi)置的識(shí)別功能或顯示器進(jìn)行虛擬動(dòng)態(tài)演示。既具有虛擬沙盤動(dòng)態(tài)顯示、易于交互的特點(diǎn)，也具有傳統(tǒng)沙盤易于操作，便于交流的優(yōu)勢(shì)。目前這項(xiàng)技術(shù)還處于探索階段，會(huì)在不久的未來得到實(shí)現(xiàn)。

5.3 可視化戰(zhàn)例研討系統(tǒng)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的二維碼識(shí)別功能還可以用于可視化戰(zhàn)例研討系統(tǒng)中。目前我軍自主研發(fā)的戰(zhàn)例互動(dòng)研討桌面主要由下屏二維平面投影和上屏三維立體顯示兩部分構(gòu)成，下屏用以顯示二維傳統(tǒng)軍事地圖態(tài)勢(shì)標(biāo)繪，上屏用以顯示三維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。利用帶有二維碼的標(biāo)識(shí)卡，正面繪制便于用戶識(shí)別的內(nèi)容提示，反面繪制便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的二維碼圖形，將標(biāo)識(shí)卡放置在下屏的任意位置移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，上屏?xí)趯?duì)應(yīng)位置出現(xiàn)相應(yīng)三維裝備實(shí)時(shí)部署。標(biāo)識(shí)卡的內(nèi)容既可以是態(tài)勢(shì)標(biāo)繪，也可以是具體作戰(zhàn)行動(dòng)，還可以是相機(jī)、光照、天氣等輔助信息。通過各種標(biāo)識(shí)卡的不同組合，用簡(jiǎn)單、高效、自然的方式進(jìn)行戰(zhàn)例教學(xué)和戰(zhàn)法實(shí)驗(yàn)，讓指揮員沉浸在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的作戰(zhàn)效果。

6 結(jié)語

近兩年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅猛，在軍事領(lǐng)域也越來越受到重視，已逐步應(yīng)用于各軍兵種的單兵訓(xùn)練、作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、武器裝備操作訓(xùn)練等各個(gè)層級(jí)中。未來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展、軍事需求的增加、戰(zhàn)場(chǎng)樣式的變化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為解決“最后一公里”問題的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭靜，陳圓圓.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在作戰(zhàn)指揮及軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].炮兵防空兵裝備技術(shù)研究，2012（1）：55.

[2]趙麗央，余海艷.基于全景技術(shù)的旅游景點(diǎn)動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2006（11）：59.

[3]程剛，譚樹人，婁靜濤，等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子沙盤中的大范圍注冊(cè)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（6）：3668.

【通聯(lián)編輯：梁書】