第２６卷第５期 ２００７年１Ｏ月 ＶｏＬ ２６ ＮＯ．５ Ｏｃｔ．２００７ 虚拟现实技术在军事模拟训练中的应用 王 彪， 邹 煜， 张 颖， 林德群， 侯国林 （总装工程兵科研一所，江苏无锡２１４０３５） 摘 要：介绍了虚拟现实技术的概念、特点以及在军事模拟训练中应用范畴和优点，概述了虚拟现实技术在 国内外军事模拟训练中的应用情况，同时还介绍了军用桥梁半实物仿真模拟训练器的研制方案。 关键词：虚拟现实技术；军事模拟训练；军用桥梁仿真 中图分类号：Ｅ９３９：Ｅ９５１．３ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｉｎｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｂｉａｏ－ ＺＯＵＹｕ－ ＺＨＡＮＧＹｉｎｇ， Ｉ ＩＮ Ｄｅ—ｑｕｎ。ＨｏｕＧｕｏ—ｌｉｎ （Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｌ Ａｒｍａｍｅｎｔｓ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ。Ｗｕｘｉ ２１４０３５。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃａｔｅｇｏｒｙ ａｎｄ ａｄｖａｎ— ｔａｇｅｓ ｉｎ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｍｉｌｉｔａｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ；ｍｉｌｉｔａｒｙ ｂｒｉｄｇｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 虚拟现实的概念在上个世纪６Ｏ年代被提出， 各种危险突发事件的能力。 ８Ｏ年代逐步兴起。１９９２年第一个虚拟现实开发工 具问世，众多虚拟现实应用系统随后出现。至今， 虚拟现实技术已广泛涉足航天、军事、通信、医疗、 教育、娱乐、图形、建筑和商业等各个领域＿ｊｊ。 虚拟现实军事模拟，是外军于２Ｏ世纪９Ｏ年代 开始兴起并逐步推广的一种新的现代模拟训练方 虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ），是一种 虚拟现实技术的概念 基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就 是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼 式，它是综合运用虚拟现实技术，在视觉、听觉、触 觉等方面为受训者生成一个极为逼真的未来战争 真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境．用 户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的 对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同 虚拟环境，使受训者最大限度地得到近似实战化的 训练。目前，外军的虚拟现实模拟已经进入实用化 真实环境的感受和体验。它不仅包括图形学、图像 处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智 阶段，广泛运用于各军兵种的单兵单装训练、作战 指挥训练、战役战术训练等各个层次。从发达国家 军队的虚拟现实模拟实践看，虚拟现实模拟可以最 能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信、 气象、地理、美学、心理学和社会学等学科。 虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）是一种可以创建和 体验虚拟世界的计算机系统。它的基本特征包括： 沉浸感、交互性和想象力 ｊ。 （１）沉浸感（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）是指用户作为主角存 大限度地营造逼真的战场景况，模拟未来战争的各 种可能情况，使受训者最大限度地贴近实战锻炼； 可以为受训者提供各种困境、危境、绝境等高危境 况，全面模拟演练各种高危险性的行动，提高处理 收稿日期：２００７—０６—０６ 作者简介：王彪（１９７１～），男，安徽全椒人，高级下程师，主要从事渡河桥粱装备控制技术研究。 第５期 王彪，等：虚拟现实技术在军事模拟训练中的应用 ５３ 在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应 的合成战术训练系统、防空合成战术训练系统、野 战炮兵合成战术训练系统、工程兵合成战术训练系 该达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真 实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 （２）交互性（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）是指用户对虚拟环境 内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程 度。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物 体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景 中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。 （３）想象力（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ）是指用户沉浸在多 维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位 地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的 概念。 虚拟现实系统按其功能高低大体可分为桌面 虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、分布式虚拟现 实系统和混合虚拟现实系统等四类。其中桌面虚 拟现实系统成本较低，功能最简单；沉浸虚拟现实 系统主要应用于各种培训、演示以及高级游戏等； 分布式虚拟现实系统就是把分布于不同地方的沉 浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现 某种用途；混合虚拟现实系统是把真实环境和虚拟 环境结合起来的一种系统，又叫半实物仿真系统， 在当前军事模拟训练中应用最为广泛。 ２ 虚拟现实在军事模拟训练中的应 用范畴 ］ 为减少实战中的人员、物资损失和节约训练经 费，从２０世纪９０年代初起，美国率先将虚拟现实技 术应用于军事领域，随后各军事强国也将虚拟现实 技术向军事领域开拓。目前在军事训练领域主要 用于以下４个方面： （１）虚拟战场环境。即通过相应的三维战场环 境图形图像库，包括作战背景、战地场景、各种武器 装备和作战人员等，为使用者创造一种险象环生、 几近真实的立体战场环境，以增强其临场感觉，提 高训练质量。 （２）进行单兵模拟训练。让士兵穿上数据服， 戴上头盔显示器和数据手套，通过操作传感装置选 择不同的战场背景，输入不同的处置方案，体验不 同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高 技战术水平、快速反应能力和心理承受力。 （３）近战战术训练。近战战术训练系统把在地 理上分散的各个学校、战术分队的多个训练模拟器 和仿真器连接起来，以当前的武器系统、配置、战术 和原则为基础，把陆军的近战战术训练系统、空军 统，通过局域网和广域网连接起来。这样的虚拟作 战环境，可以使众多军事单位参与到作战模拟之 中，而不受地域的限制，具有动态分布交互作用；可 以进行战役理论和作战计划的检验，并预测军事行 动和作战计划的效果；可以评估武器系统的总体性 能，启发新的作战思想。 （４）实施诸军兵种联合演习。建立一个“虚拟 战场”，使参战双方同处其中，根据虚拟环境中的各 种情况及其变化，实施“真实的”对抗演习。利用虚 拟现实技术，根据侦察情况资料合成出战场全景 图，让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署 和战场情况，以便判断敌情。 ３ 虚拟现实技术在军事模拟训练中 的优点［ ］ 和传统军事训练方式相比，基于虚拟现实技术 的军事模拟训练方式存在众多优点，可主要归纳为 以下几个方面： （１）大大降低了训练的成本 美军经过统计和分析发现，一枚地空导弹的实 弹发射费用超过１００万美元，而在虚拟环境下模拟 发射一枚“导弹”，甚至花不到一美元。再如由美国 ＲＴＩ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）研制的Ｂｒａｄｌｅｙ Ｆｉｇｈｔｉｎｇ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａ３ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ａｎｄ Ｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔ— ｉｎｇ Ｔｒａｉｎｅｒ模拟训练器，这套系统共花费４２０万美 元，而如果没有这套系统，以实物战斗机培训同样 的飞行员，将花费１６００万美元，节省了近１１００万美 元的军费。 图１ 美军开发的单兵模拟训练系统 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｌｉｔａｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｕ．Ｓ．Ａｍ１ｙ （２）极大提高了训练的安全性 可以为受训者提供各种困境、危境、绝境等高 ５４ 工兵装备研究 第２６卷 危境况，全面模拟演练各种高危险性的行动，提高 处理各种危险突发事件的能力，能较好地改‘善实装 实弹训练安全系数低、易造成人员伤亡的状况。美 军海军研究所的Ｄｏｎ Ｂｒｕｔｚｍａｎ承认，美军之所以 在伊拉克战争中保持了很低的伤亡率是和虚拟现 实的模拟培训分不开的。 （３）最大限度地营造逼真的战场景况，模拟未 来战争的各种可能情况 采用虚拟现实技术和分布式交互仿真技术．可 以使相距几千公里的士兵与作战指挥人员在网络 上进行对抗作战演习和训练，效果如同在真实的战 场上＝一样。 （４）好教易学，可以因材施教，灵活安排训练内 容 比如美空军采用某套虚拟现实模拟训练器材 后，认为很大的一个优点就是。好教易学，操作失误 后不会带来很大损失。而且琶行员从模拟训练到 实际１毛行的转换非常容易。教官教给飞行员２７种 解决麻烦的方法，从而使１毛行员处理意外情况的能 力更强。 （５）可反复使用，并能持续升级 作为一套软、硬件设备，一旦建立．可在模拟培 训中反复使用。如果在训练中发现需要改进的地 方，或者新技术的出现都使科技人员可以方便地对 系统更新换代。 ４ 虚拟现实在外军模拟训练中的应 用动态 美国ＶＲ研究技术走在国际前列。上个世纪八 十年代美军在加利福尼亚Ｆｏｒｔ Ｉｒｗｉｎ建立了国家培 训中心，应用战术演习仿真系统ＴＥＳ（Ｔａｃｔｉｃａｌ Ｅｎ— ｇａｇｅ：ｍｅｒｉｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）对士兵进行培训。这 个做法很快就被英、德、法、瑞士等国军队采纳并装 备类似的系统。 虚拟现实技术是从用于驾驶员训练的军事模 拟器发展起来的。最早的分布式虚拟战场环境则 是１９８３年美国陆军制定的ＳＩＭＮＥＴ（ＳＩＭｕｌａｔｏｒ ＮＥＴｗｏｒｋｉｎｇ）研究计划，其目的是把２００多个虚拟 系统模拟器联网，组成一个实时的可供多人共享的 虚拟环境．主要用于模拟坦克、飞机、车辆等各种武 器装备。每个ＳＩＭＮＥＴ模拟器都是一个独立的装 置，它复现ＭＩ主战坦克的内部，包括：导航设备、武 器、传感器和显示器等。车载武器、传感器和发动 机由车载计算机动态模拟，该计算机还包含整个虚 拟战场的数据库生成。坦克乘员之间的通信是借 助于车内通信系统实现的，而与其它模拟器之间的 通信是通过远程网络由话音和电子报文实现的。 １９８７年已有２５０个模拟器投入运行。１９８８年整个 系统开始启动，目前已进入运行阶段 ｊ。 图２ 美军开发的１｛‘行训练模拟器 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｉｇｈｔ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｕ．Ｓ．Ａｒｍｙ 美陆军１９９２年提出了“近战战术训练系统” （ＣＣＴＴ），投资１０亿美元。它利用许多先进的主干 系统光纤网络结合分布式交互仿真，建立一个虚拟 作战环境，供单兵在人工合成环境中完成作战训练 任务。这个由美陆军主持的国防仿真网，通过局域 网和广域网联结着从韩国到欧洲的大约６５ 工作 站，各站之间可迅速传递模型和数据。它包括“艾 布拉姆斯”坦克、“布雷得利”战车、ＨＵＭＶＥＥＳ武 器系统，使士兵能在虚拟环境的动态地形卜进行作 战。 美空军用虚拟现实技术研制的琶行训练模拟 器，能产生视觉控制，能处理三维实时交互图形，且 有图形以外的声音和触感，不但能以正常方式操纵 和控制飞行器，还能处理虚拟现实中飞机以外的各 种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。 美国西南研究所为美国海军部队研制了近距 离战斗系统。它的头盔显示器可以让战士进行射 击训练，还可以使战士在虚拟世界中进行各种操 作．驾驶车辆纵横驰骋。 薯墨 ｉ图３美国西南研究所研制的近距离战斗系统 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｃｏｍｂａｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｕ．Ｓ．Ｗｅｓｔ—Ｓｏｕｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 另外，英国Ｖｉｒｔａｌｉｓ公司推出了便携的立体图 第５期 王彪，等：虚拟现实技术在军事模拟训练中的应用 机技术和电子技术，在室内通过大屏幕投影系统进 行模拟训练。全系统由投影系统、主计算机系统、 模拟发射架和训练控制软件系统等组成，该系统的 形投影系统和用于交互、跟踪的无线数据手套，在 工业、商业、医疗、文化和教育行业等领域得到了广 泛的运用。 模拟导弹发射架形象逼真，操作方式与实弹相同。 ●一函 在该模拟训练系统上可完成红箭一８、红箭７３改、 红箭７３和红箭９等导弹的训练 ｊ。 图４英国Ｖｉｒｔａｌｉｓ公一Ｊ研制的虚拟现实训练系统 Ｆｉｇ．４ Ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｖｉｒｔａｌｉｓ ｃｏｍｐａｎｙ ５ 虚拟现实在我军模拟训练中的应 用 和一些发达国家相比，我国ＶＲ技术还有一定 的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度 重视。国内一些院校和科研单位，陆续开展了ＶＲ 技术的研究。像北京航空航天大学计算机系虚拟 现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环 境ＤＶＥＮＥＴ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ），浙江大学心理学国家重点实验室开发的 虚拟故宫，清华大学计算机系对虚拟现实和临场感 方面进行了研究；另外，西安交通大学、国防科技大 学、中科院软件所等单位也进行了不同领域、不同 方面ＶＲ研究 Ｊ。 军事运用方面，空军第二航空学院研制的飞行 训练模拟系统可使操作者在虚拟环境下产生与现 实一致的身临其境的视觉、触觉效果。通过视、听、 手的动作参与虚拟环境中事物的运动过程，该技术 的开发和应用将使模拟训练以全新的面貌出现，为 解决贵重装备的训练开拓了新的重要途径。目前 已研制成功了国内第一套头盔式大视场、立体视觉 显示系统，数据手套和软件系统，超声波、全方位、 六自由度空间位置检测系统，用于计算机成像的立 体显示和控制软件系统。 解放军信息工程大学战场环境仿真工程实验 室取得了以“地形环境仿真系统”为代表的成果。 该系统是运用虚拟现实技术，在军事测绘数据库的 支持下，实现战场环境仿真的一个实用系统。主要 模拟作战区域的地形环境，可以为作战模拟的各层 次（战术、战役、战略）、各阶段（预案拟订、对抗模 拟、结果评估）提供各种地幅的二维电子地图、三维 地景和地理信息。 南京模拟技术研究所研制的反坦克导弹分布 交互式通用模拟训练系统运用虚拟现实技术、计算 图５地形环境仿真系统 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 图６ 反坦克导弹分布交互式通用模拟训练系统 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎｔｉ—ｔａｎｋ ｂｏｍｂ 匝圆ｌ１ｆ１： 图７半实物仿真模拟训练器系统组成 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 目前在工程兵系统中军用桥梁装备也进行了 相应技术应用研究，ｉ殳计了半实物仿真模拟训练器 的研制方案，通过Ｍｕｌｔｉｇｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ进行了相应的 三维仿真建模，并进行了表面细化纹理贴图和地形 仿真建模；利用Ｃ＋＋语言，通过ＯｐｅｎＧＬ和Ｄｉ— ｒｅｃＸ图形接口标准进行驱动，通过接口通讯软件和 仿真驱动软件的有效集成，实现训练作业的交互控 ５６ 工兵装备研究 第２６卷 制，并能够模拟环境声效，基本实现了交互性和一 定的沉浸感叫。图８、图９分别为某重型机械化桥 和某重型冲击桥的仿真应用实例。 图８机械化桥仿真截图 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ］ ］ 图９重型冲击桥仿真截图 Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ａｓｓａｕｌｔ ｂｒｉｄｇｅ ６ 结语 总之，虚拟现实是一个充满活力，应用前景巨 大的高新技术领域。基于虚拟现实技术进行军用 工程装备模拟训练，具有交互性强、安全性好、性价 比高等优点。通过军用桥梁装备模拟洲练器材的 开发实践证明，半实物仿真是军用工程装备模拟洲 练器材的研制发展方向，可显著节省作业手的受训 时问，是部队进行科技练兵和装备快速生成战斗力 有效手段。 参考文献： ［美］Ｗｉｌｌｉａｍ 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