虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中的應(yīng)用探究

張 闖 張 波

國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院 河北石家莊 050001

電子對抗兵訓(xùn)練是確保在未來聯(lián)合作戰(zhàn)中獲取對敵信息優(yōu)勢的關(guān)鍵，其訓(xùn)練效果的好壞將直接關(guān)系到信息作戰(zhàn)的成敗。與傳統(tǒng)軍事訓(xùn)練相比，現(xiàn)在的電子對抗兵訓(xùn)練更加突出強調(diào)信息化條件下諸軍兵種多級別、多要素和多單元的橫向與縱向交叉重疊的集成訓(xùn)練，這種訓(xùn)練方式對訓(xùn)練的技術(shù)條件和訓(xùn)練環(huán)境都提出了新的、更高的要求。顯然，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)并運用虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行電子對抗兵訓(xùn)練，是目前最有效的一種方法，給電子對抗兵訓(xùn)練帶來了新的方法手段[1]。因此，充分認(rèn)識虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中的重要性，研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)如何在電子對抗兵訓(xùn)練中發(fā)揮其優(yōu)勢作用，就成為一個非常值得探討的問題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中的基本特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來十分活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域，是一系列高新技術(shù)的集合，這些技術(shù)包括計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及高度并行的實時計算技術(shù)，借助這些高新技術(shù)，可為用戶創(chuàng)設(shè)一個實時反映實體對象變化與相互作用的虛擬世界，使用戶直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生“沉浸感”。與常規(guī)的訓(xùn)練方式相比較，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中應(yīng)用可呈現(xiàn)以下特點。

1.1 形象逼真

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能創(chuàng)造出與實裝和實戰(zhàn)相近似的電子對抗兵訓(xùn)練條件、形象直觀的裝備設(shè)施和逼真的戰(zhàn)場環(huán)境條件，并能按照不同的作戰(zhàn)要求和設(shè)置的作戰(zhàn)條件反復(fù)地進(jìn)行演練，使受訓(xùn)人員對戰(zhàn)場各種復(fù)雜情況應(yīng)付自如，在一定程度上體驗到未來戰(zhàn)場的氛圍，增強訓(xùn)練的真實感[2]。

1.2 靈活可控

虛擬現(xiàn)實能營造一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，使傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過自身與電磁環(huán)境的相互作用得到知識和技能，還可以根據(jù)其自身情況有針對性地構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)和選擇訓(xùn)練內(nèi)容，對訓(xùn)練過程實現(xiàn)實時控制，增強了訓(xùn)練的可控性，促進(jìn)其訓(xùn)練觀念由“要我訓(xùn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙?xùn)”，突破性地提升訓(xùn)練效果。

1.3 節(jié)省成本

在傳統(tǒng)的電子對抗兵訓(xùn)練中，受訓(xùn)人員多、電子對抗裝備少，訓(xùn)練場地受限等矛盾突出。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建電子對抗兵虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以彌補裝備、場地、經(jīng)費等硬件的不足，獲得與真實訓(xùn)練近似的體驗，在保證訓(xùn)練效果的前提下，極大地節(jié)省成本。

1.4 規(guī)避風(fēng)險

在組織電子對抗兵虛擬訓(xùn)練時，不運用真實的電子對抗裝備就可以展開訓(xùn)練，并能有效地控制訓(xùn)練的進(jìn)程，檢查訓(xùn)練實施的效果，從而減少電子對抗裝備的磨損和實裝演練的損耗，避免了實裝和實戰(zhàn)訓(xùn)練組織復(fù)雜以及容易發(fā)生意外事故的不足。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中的應(yīng)用形式

虛擬現(xiàn)實涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：大規(guī)模數(shù)據(jù)的場景建模技術(shù)；動態(tài)實時的立體視覺、聽覺生成技術(shù)；三維定位、方向跟蹤、觸覺反饋等傳感技術(shù)和設(shè)備；符合人類認(rèn)知心理的三維自然交互技術(shù)；三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術(shù)等[3]。隨著近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛，對于電子對抗兵訓(xùn)練而言，具體可以體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 構(gòu)建虛擬復(fù)雜電磁戰(zhàn)場環(huán)境

通過相應(yīng)的三維戰(zhàn)場環(huán)境圖形圖像庫，有針對性地創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)共享的、帶有不同地形和不同戰(zhàn)術(shù)背景的虛擬訓(xùn)練環(huán)境(包含一定的戰(zhàn)場視覺效果和聲音效果)，使訓(xùn)練人員置身于較為逼真的虛擬戰(zhàn)場中，提高不同環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)處置和適應(yīng)能力。

2.2 對抗指揮決策虛擬仿真

虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于指揮決策模擬，可以在電子對抗決策模擬中利用大規(guī)模并行處理機的建模和模擬仿真技術(shù)，精確地再現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)態(tài)勢，并精確地預(yù)見電子對抗過程中可能出現(xiàn)的情況，使指揮員能夠適時調(diào)整作戰(zhàn)計劃，迅速、有效地做出對抗決策。

2.3 電子對抗兵戰(zhàn)術(shù)虛擬訓(xùn)練

通過構(gòu)建分布式電子對抗兵虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可模擬遂行電子對抗任務(wù)的整個過程，包括受領(lǐng)任務(wù)、開進(jìn)展開、戰(zhàn)術(shù)情況處置等戰(zhàn)斗行動過程，還可以實現(xiàn)基于對抗任務(wù)的協(xié)同訓(xùn)練，提高受訓(xùn)人員在遂行任務(wù)過程中的情況處置能力與協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2.4 電子對抗兵作戰(zhàn)虛擬演習(xí)

利用分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的“虛擬戰(zhàn)場”，使參戰(zhàn)雙方同處其中，根據(jù)虛擬環(huán)境中的各種情況及其變化，實行“真實的”電子對抗演習(xí)。在虛擬作戰(zhàn)環(huán)境中，由于不受地域的限制，大大提高了演習(xí)的效果，也便于開展電子對抗作戰(zhàn)方案、理論與戰(zhàn)法的創(chuàng)新研究。

2.5 電子對抗兵訓(xùn)練考核評估

利用構(gòu)建的電子對抗兵虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以方便地對各類電子對抗專業(yè)人員進(jìn)行包括裝備操作、陣地選擇、情況處置等內(nèi)容的考核，以充分了解和掌握電子對抗部(分)隊各類人員的實際作戰(zhàn)能力和薄弱環(huán)節(jié)，為科學(xué)制訂和實施訓(xùn)練方案提供依據(jù)。

2.6 電子對抗裝備虛擬訓(xùn)練

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建與實際電子對抗裝備幾乎一致的各型電子對抗裝備“虛擬教室”，涵蓋裝備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、操作使用、故障處理等內(nèi)容，可以系統(tǒng)地對裝備操作及維修人員進(jìn)行培訓(xùn)。

3 電子對抗兵虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)實現(xiàn)的基本步驟

電子對抗兵虛擬訓(xùn)練要求綜合運用信息網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)，建立一個具有層次結(jié)構(gòu)的、集多種功能于一體的、適應(yīng)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)需要的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，主要包括以下三個步驟[4]。

3.1 構(gòu)建電子對抗裝備虛擬模型

電子對抗裝備是電子對抗系統(tǒng)的基本組成單元，要實現(xiàn)電子對抗系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練，首先應(yīng)從電子對抗裝備的虛擬模型構(gòu)建開始。建立電子對抗裝備虛擬模型的方法有兩種：一種是直接使用虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)編寫源代碼，但這種編寫源代碼的方法不夠直觀，特別是對于復(fù)雜模型的生成十分困難，所以只適合建立比較簡單的模型；另一種是通過輔助建模軟件，如3DS MAX軟件等，先建立三維物體的外觀模型，然后通過圖片渲染等方法實現(xiàn)三維物體的仿真。

3.2 構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境及訓(xùn)練環(huán)境模型

虛擬戰(zhàn)場及訓(xùn)練環(huán)境直接關(guān)系到整個電子對抗兵虛擬訓(xùn)練效果的好壞，因此，對于整個虛擬訓(xùn)練環(huán)境的構(gòu)建通常分為三個環(huán)節(jié)：首先是通過輔助建模軟件對整個虛擬訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行建模，包括虛擬訓(xùn)練場、虛擬實驗室、虛擬戰(zhàn)場及虛擬士兵等內(nèi)容的建模；其次是為訓(xùn)練環(huán)境添加聲、光、電等環(huán)境虛擬效果，增加虛擬訓(xùn)練環(huán)境的真實度和體驗度；最后要為整個訓(xùn)練環(huán)境設(shè)定環(huán)境變量，如訓(xùn)練環(huán)境邊界、環(huán)境碰撞的物理及粒子效果等。

3.3 創(chuàng)建虛擬訓(xùn)練的交互控制機制

單獨的模型不能直接拿來訓(xùn)練，因此，需要對這些模型進(jìn)行組織，創(chuàng)建必要的交互控制機制，才能達(dá)到整個虛擬訓(xùn)練的效果。對于模型和場景的交互控制，一方面可以借助一些虛擬現(xiàn)實制作軟件，如Virtools，EON Studio等，使用戶通過鼠標(biāo)鍵盤就可以控制場景中的模型；另一方面，還可以結(jié)合VRML語言進(jìn)行編程，將這些模型按照層次組織起來，以便實現(xiàn)復(fù)雜三維場景交互功能。

除此以外，為了實現(xiàn)具有網(wǎng)絡(luò)化功能的電子對抗兵虛擬訓(xùn)練，根據(jù)需要通常還應(yīng)建立各種場景與模型服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫。如果要獲得更加直觀形象的訓(xùn)練效果，還可以加上一些虛擬現(xiàn)實外設(shè)，包括數(shù)據(jù)手套、三維頭盔顯示器、立體眼鏡、三維跟蹤捕捉儀、數(shù)據(jù)衣等，用以獲取受訓(xùn)者的人體行為動作參數(shù)，實現(xiàn)更加簡便直觀的交互控制。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在營級分隊電子對抗兵訓(xùn)練中運用的實例及效果

以營以下電子對抗戰(zhàn)術(shù)分隊為例，通信干擾方艙虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括：一把能前傾、俯仰和振動的操作椅，一個實體模擬鍵盤，一臺能實時顯示立體彩色圖形且具有立體聲效果的環(huán)形270°屏幕，立體視覺眼鏡和數(shù)據(jù)手套，一套高速并行處理機系統(tǒng)，一臺高速彩色三維圖形工作站和語音識別系統(tǒng)。操作手置身于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，他所操縱的不僅是工作方艙本身，而且還能在虛擬界面下進(jìn)行開關(guān)機操作，根據(jù)系統(tǒng)輸入的敵方電磁目標(biāo)信號，在模擬主機界面上輸入偵察干擾參數(shù)，感受目標(biāo)信號的特征變化和干擾信號的效果，實現(xiàn)從接收指令、開機、偵察、判斷、釋放干擾到上報結(jié)果的全程模擬訓(xùn)練操作。使用這種系統(tǒng)訓(xùn)練偵測員和干擾員操作手時，操作手的每個操作動作都會被實時記錄下來，并被提示操作動作正確與否；操作手能看到偵察干擾的效果，并被告知分析判斷的背景特征信號和目標(biāo)信號正確與否；操作手還能實時聽到上級指揮員的命令，同時把自己的判斷及時上報，并與友鄰臺站聯(lián)系，實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。

5 結(jié)語

雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中具有各種各樣的優(yōu)點，但由于技術(shù)及認(rèn)識等多方面的原因，其在應(yīng)用推廣上還存在著一些不盡如人意的地方，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是對計算機配置要求較高。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)涉及大量的三維模型、圖形、數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)的運算，對計算機CPU，GPU的配置要求高。二是虛擬現(xiàn)實外設(shè)成熟度不夠。良好的虛擬現(xiàn)實體驗離不開與之相匹配的虛擬現(xiàn)實外設(shè)，而這些外設(shè)目前還不能小型化、便攜化，價格通常也比較昂貴，難以規(guī)模化應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，相信制約虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用推廣的瓶頸終會迎刃而解，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子對抗兵訓(xùn)練中的應(yīng)用必會迎來更大的發(fā)展。