基于AR技術(shù)的對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

邵 偉，許仁杰，譚亞新，何天鵬

(陸軍裝甲兵學(xué)院 演訓(xùn)中心， 北京 100072)

1 引言

當(dāng)前軍事對(duì)抗訓(xùn)練活動(dòng)中，常見的訓(xùn)練方式包括基于模擬器的對(duì)抗訓(xùn)練及實(shí)兵對(duì)抗訓(xùn)練?；谀M器的對(duì)抗訓(xùn)練主要是訓(xùn)練人員使用半實(shí)物模擬器與半實(shí)物模擬器、虛擬兵力之間進(jìn)行對(duì)抗，優(yōu)點(diǎn)在于訓(xùn)練組織快速高效、節(jié)約經(jīng)費(fèi)，可解決專業(yè)訓(xùn)練問題及戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練問題，但存在一定不足，主要是模擬器是對(duì)實(shí)裝操作環(huán)境的模擬仿真，大多對(duì)實(shí)裝操作環(huán)境進(jìn)行了一定程度上的簡(jiǎn)化，因此操作人員的感官體驗(yàn)與實(shí)裝相比還有一定差距；采用實(shí)兵實(shí)裝進(jìn)行對(duì)抗訓(xùn)練，對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地要求較高、訓(xùn)練成本花費(fèi)較大、組織較為復(fù)雜。選用何種技術(shù)，可將模擬訓(xùn)練與實(shí)裝訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合，將是訓(xùn)練研究的重點(diǎn)。

基于以上考慮，擬采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，立足于坦克實(shí)虛對(duì)抗訓(xùn)練環(huán)境，設(shè)計(jì)坦克實(shí)虛對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)能夠滿足在坦克實(shí)裝環(huán)境下乘員可對(duì)虛擬裝備進(jìn)行觀察、交互對(duì)抗，從而有效解決實(shí)虛對(duì)抗中的交互問題，即在坦克實(shí)裝中，車內(nèi)乘員可從視覺上觀察到虛擬對(duì)手，從而進(jìn)行對(duì)應(yīng)實(shí)裝操作，后期也可進(jìn)行拓展研究，在坦克實(shí)裝中對(duì)研究成果進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmented reality，AR)，主要是基于相關(guān)軟件技術(shù)及硬件設(shè)備，將虛擬對(duì)象疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合展現(xiàn)效果[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)前已應(yīng)用到制造業(yè)、娛樂業(yè)等多個(gè)行業(yè)，在相關(guān)行業(yè)中發(fā)揮了重要作用。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有3個(gè)突出的特點(diǎn)[2]：真實(shí)世界和虛擬對(duì)象的集成；具有實(shí)時(shí)交互性，即操作人員可與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互互動(dòng)；可在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。如圖1所示[3]，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行人員信息顯示。

圖1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人員信息展現(xiàn)情景圖Fig.1 Personnel information display based on AR technology

基于以上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，可將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到坦克實(shí)虛對(duì)抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，即坦克操作人員在實(shí)裝坦克中，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可視化觀察車外環(huán)境中出現(xiàn)的虛擬對(duì)手，從而基于此視景條件驅(qū)動(dòng)對(duì)抗的實(shí)施。

3 基于實(shí)裝坦克的對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究的是實(shí)裝坦克車內(nèi)實(shí)虛交互問題(包括視景交互及對(duì)抗交互)，可分為坦克乘員操作環(huán)境硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

3.1 硬件部分

設(shè)計(jì)中考慮為每一名坦克乘員實(shí)裝操作環(huán)境配置硬件裝置，包括駕駛員、射擊手、車輛指揮員3類乘員[4]，由一套硬件組成，該套硬件包括高性能手持計(jì)算終端、高清攝像頭、定制化顯示屏。

高性能手持計(jì)算終端充當(dāng)計(jì)算機(jī)使用，類型可選用高性能平板、高性能手機(jī)終端等，要求在于小巧、簡(jiǎn)易、計(jì)算性能高，可安裝固定在駕駛員、射擊手、車輛指揮員工作位置處，在終端上可運(yùn)行軟件系統(tǒng)；高清攝像頭與手持計(jì)算終端相連，攝像頭安裝在駕駛員、射擊手、車輛指揮員操作環(huán)境外置觀察鏡位置，用來實(shí)時(shí)獲取駕駛員、射擊手、車輛指揮員應(yīng)該能觀察到的車外實(shí)景圖像；定制化顯示屏與手持計(jì)算終端連接，定制化顯示屏充當(dāng)計(jì)算機(jī)顯示器使用，從而組成了一套小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，定制化顯示屏的設(shè)計(jì)需要充分考慮坦克乘員觀察鏡的外型及大小，即顯示屏模擬乘員觀察鏡，乘員通過觀察顯示屏，即可獲取與使用觀察鏡進(jìn)行觀察同樣的視景觀察效果。

在高性能手持計(jì)算終端上運(yùn)行三維視景系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是攝像頭實(shí)時(shí)捕捉實(shí)地場(chǎng)景，再基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)地場(chǎng)景上疊加上虛擬對(duì)抗對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)虛擬兵力在視景中的顯示，效果如圖2所示。

圖2 三維視景系統(tǒng)顯示效果(圖中的坦克為虛擬生成)Fig.2 The display effect of 3D visual system (The tank in the figure is a virtual tank)

如圖5所示，背景地形是攝像頭實(shí)時(shí)捕捉到的實(shí)景，場(chǎng)景中的3輛坦克，是虛擬生成的，疊加在實(shí)景上，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的虛實(shí)結(jié)合顯示。

駕駛員、射擊手、車輛指揮員的定制化顯示屏需進(jìn)行設(shè)計(jì)，即駕駛員的顯示屏設(shè)計(jì)成駕駛員觀測(cè)處觀察鏡的大小，可固定覆蓋在觀察鏡上，從而將顯示屏顯示的圖像提供給訓(xùn)練人員使用；射擊手、車輛指揮員顯示屏的設(shè)計(jì)，與駕駛員一致，區(qū)別在于把顯示屏設(shè)計(jì)為圓形形狀，即與射擊手、車輛指揮員觀測(cè)處觀察鏡大小、形狀一致，覆蓋觀察鏡即可。具體硬件設(shè)備的連接關(guān)系如圖3～圖5所示。

圖3 駕駛員硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.3 The hardware design of driver

圖4 射擊手、車輛指揮員觀察處設(shè)計(jì)框圖Fig.4 The hardware design of shooter and commander

圖5 某型坦克駕駛員硬件安裝位置設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 The design of hardware installation position of a tank driver

射擊手、車輛指揮員安裝位置與駕駛員類似，區(qū)別在于設(shè)備安裝在射擊手、車輛指揮員觀測(cè)位置處。

以上具體硬件的安裝位置，需要與具體型號(hào)坦克中乘員的操作位置一致，不同型號(hào)坦克操作位置會(huì)有所區(qū)別，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2 軟件部分

軟件部分主要是運(yùn)行在手持計(jì)算終端中的三維視景系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，功能包括兩個(gè)方面，一方面為實(shí)時(shí)展現(xiàn)實(shí)景與虛擬對(duì)象疊加的效果，另一方面計(jì)算實(shí)裝坦克對(duì)虛擬對(duì)象的射擊毀傷效果。

實(shí)時(shí)展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬對(duì)象的疊加效果，主要是將攝像頭獲取的實(shí)景及AR生成的虛擬對(duì)象進(jìn)行融合展現(xiàn)，從而呈現(xiàn)出虛實(shí)結(jié)合的效果。效果如圖6所示。

圖6 AR效果(場(chǎng)景中的直升機(jī)及人員為虛擬對(duì)象)圖Fig.6 The effect of AR(The helicopter and personnel in the scene are virtual objects)

計(jì)算坦克對(duì)虛擬對(duì)象的射擊毀傷效果，主要是基于坦克操作人員的操作信息及坦克及炮塔的位置、姿態(tài)信息，及虛擬對(duì)象的位置、姿態(tài)信息，構(gòu)建相關(guān)射擊計(jì)算模型，可計(jì)算出彈著點(diǎn)的位置，并根據(jù)虛擬對(duì)象的類型、材質(zhì)等，計(jì)算出實(shí)裝坦克對(duì)虛擬對(duì)象的射擊毀傷效果，從而計(jì)算出交互結(jié)果[5]。

當(dāng)前基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)，大多采用相關(guān)三維圖形引擎進(jìn)行開發(fā)，包括應(yīng)用較為廣泛的Unity3D、虛幻4等三維圖形引擎，另從運(yùn)行環(huán)境考慮，當(dāng)前手持終端(包括手機(jī)及平板等)大多運(yùn)行的是安卓系統(tǒng)、IOS系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)等[6]，因此需要充分結(jié)合運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行效果、開發(fā)難易程度、開發(fā)成本等要求選取合適的三維圖形引擎工具進(jìn)行開發(fā)。

4 工程實(shí)現(xiàn)考慮

上述設(shè)計(jì)，從理論層面，具備可行性，從工程實(shí)踐角度考慮，還存在難點(diǎn)需要突破，尤其是基于實(shí)虛的對(duì)抗訓(xùn)練，很多是在野外大空間中實(shí)施的，這就有其特殊性，工程層面需要關(guān)注的問題如下：

4.1 AR技術(shù)中虛擬對(duì)象實(shí)景遮擋問題

基于AR技術(shù)，借助相關(guān)軟件及硬件外設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象的可視化呈現(xiàn)，但虛擬對(duì)象疊加在實(shí)景中，存在遮擋問題。

遮擋主要包括兩類，一類為實(shí)景對(duì)虛擬對(duì)象的遮擋，一類為虛擬對(duì)象對(duì)實(shí)景的遮擋。實(shí)景對(duì)虛擬對(duì)象的遮擋，如一臺(tái)虛擬坦克，放置在場(chǎng)景中，由于位置不同，理論上實(shí)物會(huì)對(duì)其造成遮擋，如樹木會(huì)對(duì)其造成遮擋，房屋會(huì)對(duì)其造成遮擋，這樣呈現(xiàn)的效果，從坦克操作人員觀察角度考慮，應(yīng)該呈現(xiàn)出遮擋部分看不見、未遮擋部分能夠看見的效果，這也是虛實(shí)對(duì)抗視景效果體現(xiàn)逼真性的要求，效果如圖7所示[7]。

圖7 遮擋效果(圖中小貓為虛擬對(duì)象， 右側(cè)圖展現(xiàn)的是小貓被床遮擋產(chǎn)生的效果)圖Fig.7 The effect of shelter(The cat in the scene is a virtual object，the picture on the right shows the effect of the cat covered by the bed)

當(dāng)前從技術(shù)成熟角度考慮，AR遮擋目前在小空間環(huán)境中已實(shí)現(xiàn)、已成熟，如在一個(gè)小房間中，房間中有辦公桌椅，虛擬對(duì)象在小房間中即可呈現(xiàn)出桌椅對(duì)它的遮擋效果，而在大空間中，尤其是野外大空間中，目前技術(shù)上還不夠成熟，在野外的遮擋目前實(shí)現(xiàn)效果還不夠好[8]。

4.2 AR技術(shù)中虛擬對(duì)象空間定位問題

在虛實(shí)對(duì)抗中，實(shí)裝和虛擬對(duì)象的空間定位問題較為重要，AR技術(shù)是將虛擬對(duì)象疊加在實(shí)景中，這就需要AR中的實(shí)景空間位置和虛擬空間位置是統(tǒng)一、一致的，這樣才可實(shí)現(xiàn)實(shí)虛的交互，即實(shí)裝可感知虛擬對(duì)象的位置，并可對(duì)其進(jìn)行射擊，根據(jù)空間位置關(guān)系及射擊信息，可計(jì)算出射擊毀傷效果，虛擬空間存在同樣的問題，虛擬對(duì)象也可感知實(shí)裝的位置，并對(duì)其進(jìn)行射擊并計(jì)算射擊效果，如果空間位置關(guān)系不一致，上述交互問題則無法正確計(jì)算。

當(dāng)前AR技術(shù)中，小空間內(nèi)的虛實(shí)位置關(guān)系已有成熟解決方案，但在野外大空間中，實(shí)虛位置關(guān)系的實(shí)現(xiàn)還存在技術(shù)難題，尤其是野外地形環(huán)境復(fù)雜，地物類型多樣，地貌起伏變化大，在上述野外大空間環(huán)境下的定位問題，目前在工程實(shí)踐中，還存在技術(shù)難題，這也是下一步AR技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

4.3 虛擬對(duì)象與實(shí)景地形的匹配問題

虛擬對(duì)象出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)實(shí)景中，需要進(jìn)行地形匹配，如虛擬坦克出現(xiàn)在地形中，坦克的位置、姿態(tài)均需要與地形進(jìn)行匹配融合，需要根據(jù)地形的起伏，調(diào)整坦克的姿態(tài)，這樣從視覺效果上，展現(xiàn)才更加逼真，增加對(duì)抗訓(xùn)練的沉浸感，提升訓(xùn)練人員的訓(xùn)練熱情，若虛擬對(duì)象與地形不匹配，如虛擬坦克漂浮在空中，這樣從視覺效果上來看，訓(xùn)練營造的視景環(huán)境逼真性較差，也很難達(dá)到預(yù)期訓(xùn)練效果[9-10]。

上述問題，也是AR技術(shù)的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)，尤其在野外大空間環(huán)境中，虛擬對(duì)象與地形的匹配融合，目前成熟度上還有提升的空間。

4.4 實(shí)裝坦克中硬件環(huán)境構(gòu)設(shè)問題

基于坦克實(shí)裝進(jìn)行實(shí)虛對(duì)抗，需要在實(shí)裝坦克安裝相關(guān)外設(shè)，在實(shí)裝中構(gòu)設(shè)相關(guān)硬件環(huán)境，根據(jù)實(shí)裝相關(guān)管理操作要求，不能進(jìn)行大規(guī)模改造，尤其是不能破壞或調(diào)整實(shí)裝已有布設(shè)的硬件環(huán)境，這就需要構(gòu)設(shè)操作環(huán)境時(shí)，要求簡(jiǎn)易、易拆裝，另外由于坦克實(shí)裝中人員操作空間較狹小，這也要求相關(guān)硬件外設(shè)小巧、靈活。

但從工程實(shí)現(xiàn)角度考慮，一方面需要保證實(shí)裝環(huán)境中的布設(shè)要求，另外也需要考慮運(yùn)行系統(tǒng)的要求，即運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備有性能要求，設(shè)備性能不達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)也無法正常穩(wěn)定運(yùn)行?；谝陨峡紤]，可選用小巧、性能較高的手持計(jì)算設(shè)備，如手持平板或手機(jī)等設(shè)備，支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，另從運(yùn)行時(shí)間考慮，還需要準(zhǔn)備移動(dòng)式電源，可確保系統(tǒng)順利支撐訓(xùn)練。

5 結(jié)論

本文基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR技術(shù))，對(duì)基于坦克實(shí)裝的訓(xùn)練方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、拓展，即訓(xùn)練人員在坦克實(shí)裝中可實(shí)施虛實(shí)對(duì)抗，一方面節(jié)約了訓(xùn)練成本，另一方面也拓展了訓(xùn)練內(nèi)容，即可構(gòu)建出貼近實(shí)戰(zhàn)的虛擬訓(xùn)練戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，訓(xùn)練人員在該環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，有效提升訓(xùn)練效益?；谝陨涎芯浚蛇M(jìn)一步拓展，一方面基于AR技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息交互技術(shù)等構(gòu)建多裝備、多兵種的互聯(lián)訓(xùn)練環(huán)境，在統(tǒng)一的訓(xùn)練環(huán)境中進(jìn)行集成戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，有效提升訓(xùn)練人員的配合意識(shí)及戰(zhàn)術(shù)協(xié)同意識(shí)，另一方面在實(shí)裝中的操作設(shè)備上安裝布設(shè)傳感器設(shè)備，操作人員通過操作設(shè)備將傳感信息反饋到虛擬環(huán)境中的裝備控制上，從而產(chǎn)生更加逼真、沉浸式的訓(xùn)練效果。