沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張志勇，王 涵，朱虹旭，周雙喜

(國(guó)防科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410072)

殘酷的戰(zhàn)斗、惡劣的環(huán)境、死亡的威脅等戰(zhàn)場(chǎng)高強(qiáng)度刺激會(huì)引起軍人的高度緊張和恐慌，導(dǎo)致身體器官紊亂與思維混亂，對(duì)技能與智能的發(fā)揮帶來(lái)嚴(yán)重障礙，即產(chǎn)生戰(zhàn)場(chǎng)不適應(yīng)[1]。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國(guó)部隊(duì)因戰(zhàn)場(chǎng)不適應(yīng)導(dǎo)致的自殺或誤殺傷亡占總傷亡的85%[2]。實(shí)踐證明，提高軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性最有效的方法，就是構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，使其“身臨其境”地體驗(yàn)戰(zhàn)斗條件下各種刺激因素，積累經(jīng)驗(yàn)并逐漸適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，在特定范圍內(nèi)生成融逼真視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)于一體的虛擬環(huán)境的技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]對(duì)軍事訓(xùn)練領(lǐng)域產(chǎn)生了的重大而深刻的影響。因此，深入研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)于開(kāi)展軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練，培養(yǎng)軍人在殘酷戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的心理穩(wěn)定能力和承受能力，增強(qiáng)軍人對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力具有重要意義。

1 沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析

不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境將產(chǎn)生不同的適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)。沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞具體作戰(zhàn)樣式過(guò)程中的任務(wù)、所處的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和面臨的戰(zhàn)場(chǎng)威脅因素確定。例如，以聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過(guò)程為基本依據(jù)，在航渡階段最大的威脅就是各種艦艇容易遭受敵方精確打擊；在登陸階段最大的威脅是搶灘上岸的有生力量和登陸艦、兩棲坦克等裝備將暴露在敵方火力之下；在鞏固和擴(kuò)大登陸場(chǎng)階段所面臨的最大威脅是敵方瘋狂的反撲等等[4]。

在陸軍、海軍、空軍和火箭軍中選取具有代表性的軍人所面臨的任務(wù)、所處的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和面臨的戰(zhàn)場(chǎng)威脅因素來(lái)確定沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練內(nèi)容體系，進(jìn)一步明確訓(xùn)練內(nèi)容，從而為設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)提供訓(xùn)練依據(jù)。

根據(jù)沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)的需求分析結(jié)果，分析陸軍、海軍、空軍和火箭軍等軍人在聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過(guò)程中、在戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練過(guò)程中產(chǎn)生的沉浸式體驗(yàn)，主要包括沉浸式的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)和前庭覺(jué)。

2 沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足開(kāi)放性與擴(kuò)展性原則，并使系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)化，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用資源分布、動(dòng)態(tài)加載的模式，主要包括人機(jī)交互界面、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)景系統(tǒng)、多通道沉浸系統(tǒng)、訓(xùn)練反饋系統(tǒng)與訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用多人同時(shí)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)安排四類(lèi)人員，即單兵、車(chē)輛駕駛員、艦船駕駛員和飛機(jī)駕駛員，每一類(lèi)訓(xùn)練對(duì)象都擁有獨(dú)立的模擬訓(xùn)練艙，可以體會(huì)不同位置的環(huán)境變化，且相對(duì)于整個(gè)訓(xùn)練環(huán)境可以更加精準(zhǔn)、快速和獨(dú)立地控制溫濕度、氣流、氣味，同時(shí)也方便增減和維護(hù)。采用單兵模擬訓(xùn)練艙、車(chē)輛、艦船、飛機(jī)模擬訓(xùn)練艙各一組(每組根據(jù)訓(xùn)練場(chǎng)地具體再明確數(shù)量)，共四組模擬訓(xùn)練艙。模擬訓(xùn)練艙為透明玻璃艙，包含溫濕度硬件、氣流硬件、氣味硬件、心率血壓硬件、監(jiān)控?cái)z像頭、電腦硬件系統(tǒng)等設(shè)備，模塊化設(shè)計(jì)，可獨(dú)立使用。

3 沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Unity開(kāi)發(fā)工具，Unity作為一個(gè)完全集成的專(zhuān)業(yè)級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，其包含了整合的編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性[5]。

3.1 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)景系統(tǒng)

虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)景系統(tǒng)以聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過(guò)程中依次出現(xiàn)的場(chǎng)景為原型，主要包括航渡階段場(chǎng)景、登陸階段場(chǎng)景、鞏固和擴(kuò)大登陸場(chǎng)場(chǎng)景等，場(chǎng)景模型元素包括：地形、植物、建筑、軍事設(shè)施、各種武器裝備等。場(chǎng)景模型元素采用3D MAX三維制作軟件在Unity的模型制作規(guī)范下進(jìn)行制作。

3.2 多通道沉浸系統(tǒng)

多通道沉浸系統(tǒng)主要包括視覺(jué)沉浸子系統(tǒng)、聽(tīng)覺(jué)沉浸子系統(tǒng)、觸覺(jué)沉浸子系統(tǒng)、嗅覺(jué)沉浸子系統(tǒng)和前庭覺(jué)沉浸子系統(tǒng)五個(gè)部分[6]。

視覺(jué)沉浸子系統(tǒng)。通過(guò)3D MAX等三維圖像制作軟件，制作VR場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)模型，運(yùn)用燈光、場(chǎng)景烘焙、后期鏡頭效果等技術(shù)制作出逼真的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)通過(guò)場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)在性能和效果上達(dá)到平衡，最終通過(guò)VR頭戴顯示器進(jìn)行立體呈現(xiàn)，為訓(xùn)練對(duì)象提供沉浸式逼真的視覺(jué)體驗(yàn)[7]。畫(huà)面效果的表現(xiàn)主要通過(guò)燈光和后期鏡頭效果烘托，然后運(yùn)用Unity中的全局光照技術(shù)為場(chǎng)景提供真實(shí)的光照。

聽(tīng)覺(jué)沉浸子系統(tǒng)。采用環(huán)繞立體聲技術(shù)，集成通過(guò)錄制和數(shù)字合作等手段搜集的聲音，如槍聲、爆炸聲、飛機(jī)聲、車(chē)輛聲、叫喊聲、環(huán)境背景聲、指揮單兵電臺(tái)聲等素材，然后利用Unity中對(duì)音場(chǎng)區(qū)過(guò)濾器和文件追蹤的支持，以及可編輯衰減曲線的推出，利用頭部傳送函數(shù)計(jì)算并模擬出聲音從某一方向傳來(lái)以及移動(dòng)變化時(shí)的效果，類(lèi)似于一個(gè)濾波器，對(duì)原始聲音進(jìn)行頻段上的調(diào)整，使其接近人耳接收到的聽(tīng)感效果，并通過(guò)耳機(jī)來(lái)回放，從而為訓(xùn)練對(duì)象提供更加真實(shí)、震撼、逼真的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。

觸覺(jué)沉浸子系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)發(fā)的軟件控制制冷系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)等硬件設(shè)備，可模擬真實(shí)的寒冷、炎熱等環(huán)境條件，溫度控范圍在-10～50 ℃(可根據(jù)項(xiàng)目需求和實(shí)際成本調(diào)整范圍)，在模擬訓(xùn)練艙布置風(fēng)扇陣列，共12渦輪風(fēng)扇，通過(guò)VR系統(tǒng)控制，可模擬產(chǎn)生全方位的氣流，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練對(duì)象的觸覺(jué)沉浸。

嗅覺(jué)沉浸子系統(tǒng)。通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將對(duì)于氣味從氣味存儲(chǔ)器中吹出，配合VR系統(tǒng)控制各種氣味的投放，包括但不限于硝煙味、腐臭味、血腥味、各類(lèi)香味、硫化氫等臭味、膻味、焦糊味等，經(jīng)過(guò)模擬訓(xùn)練艙底部出口進(jìn)入艙內(nèi)，再進(jìn)控制艙底部和頂部的排氣口迅速排出，如此循環(huán)可模擬VR場(chǎng)景中各個(gè)位置的氣味，模擬真實(shí)的嗅覺(jué)體驗(yàn)[8]。

前庭覺(jué)沉浸子系統(tǒng)。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)模擬物體在三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即前后平移、左右平移、上下垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航及復(fù)合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要應(yīng)用于戰(zhàn)車(chē)、飛機(jī)、艦船訓(xùn)練模擬艙。虛擬現(xiàn)實(shí)全向行動(dòng)平臺(tái)，亦稱(chēng)虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)[9]。它打破了虛擬和現(xiàn)實(shí)的空間限制，可以讓使用者在現(xiàn)實(shí)極小的空間即可實(shí)現(xiàn)在虛擬世界中無(wú)限的行動(dòng)，并將使用者在固定空間中真實(shí)的行走運(yùn)動(dòng)映射入虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)捕捉其腳部動(dòng)作達(dá)到在游戲中的前進(jìn)/后退等動(dòng)作，可讓訓(xùn)練對(duì)象在訓(xùn)練室，享受馳騁戰(zhàn)場(chǎng)的刺激體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)主要用于單兵訓(xùn)練模擬艙。

3.3 訓(xùn)練反饋系統(tǒng)

訓(xùn)練反饋系統(tǒng)主要由YKB1712脈搏波血壓傳感器芯片搭配HRB6708心率脈搏芯片和算法芯片SFB9710實(shí)現(xiàn)。可實(shí)現(xiàn)功能：心率采集計(jì)算、心電信息采集、人體體表溫度監(jiān)測(cè)、血壓跟蹤監(jiān)測(cè)等[10]。脈搏波血壓傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記(PPG)的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過(guò)心率脈搏芯片HRB6708和算法芯片SFB9710輸出心率和血壓等串口信號(hào)。設(shè)備佩戴于訓(xùn)練對(duì)象手腕等位置，通過(guò)串口或 I2C 與 SFB9710通信，傳送心率、血壓、脈搏波等人體健康指標(biāo)數(shù)據(jù)到訓(xùn)練對(duì)象頭戴顯示器的HUD界面上和監(jiān)控顯示器上。

3.4 訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)可以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，包括兵種、場(chǎng)景的選擇，學(xué)員數(shù)據(jù)顯示和切換等功能。所有訓(xùn)練對(duì)象以列表的形式顯示在監(jiān)控窗口上面，組訓(xùn)者可以直觀地看到所有訓(xùn)練對(duì)象的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性數(shù)值，包括心率、血壓、控制艙溫度、濕度等數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

圍繞提高部隊(duì)備戰(zhàn)打仗能力，全軍將大抓軍事訓(xùn)練，按照國(guó)防部“加快推進(jìn)先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練手段”[11]的要求，結(jié)合近幾年沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了沉浸式軍人戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練原型系統(tǒng)，為全軍軍官、士官、士兵開(kāi)展戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練提供逼真的情境刺激和感知體驗(yàn)，軍事應(yīng)用前景廣闊。后續(xù)還將持續(xù)關(guān)注VR技術(shù)的發(fā)展，深入分析戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練的實(shí)際需求，不斷完善系統(tǒng)功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的針對(duì)性與有效性。

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