虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)模塊化單兵裝備中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)單兵裝備在現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)中缺少全方位的效能評(píng)估和系統(tǒng)化的驗(yàn)證計(jì)算的實(shí)際情況，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，采用模塊化選擇裝備的方式，以一種在虛擬現(xiàn)實(shí)中仿真模擬的方式，通過(guò)將傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)信息技術(shù)分支進(jìn)行融合，營(yíng)造逼真的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，從而對(duì)單兵裝備的選擇進(jìn)行效能評(píng)估，選擇最佳作戰(zhàn)裝備，提高單兵作戰(zhàn)的殺傷力、持久力、忍耐力和生存能力，從而提高整個(gè)部隊(duì)的戰(zhàn)斗力，為我國(guó)的軍事化發(fā)展領(lǐng)域提供一種新的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)；單兵裝備；效能評(píng)估；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）05-0089-03

Application of Virtual Reality Technology in Future Modular Soldier Equipment

YUAN Shasha1，SHAO Yu2

（1.School of Arts and Media，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China；

2.School of Optoelectronic Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

Abstract：There is a lack of comprehensive effectiveness evaluation and systematic verification and calculation in the battlefield of single soldier equipment. Based on virtual reality experience，adopting the modular method of equipment selection，with a whole true in virtual reality simulation，through the sensor technology，multimedia technology，digital image processor，the branch of computer graphics，and other information technology integration，create a lifelike virtual battlefield，and the choice of individual equipment effectiveness evaluation，choose the best combat equipment，improve individual soldiers，endurance，endurance and viability，so as to improve the combat effectiveness of the whole army，China's military development areas to provide a new method to calculate.

Keywords：virtual reality experience；single soldier equipment；effectiveness evaluation；system design

0 引 言

隨著現(xiàn)代高科技的不斷發(fā)展，世界上很多國(guó)家為了搶占“先機(jī)”以應(yīng)對(duì)軍事戰(zhàn)爭(zhēng)，都在研究制定單兵作戰(zhàn)裝備的發(fā)展計(jì)劃，搶占軍事高科技的制高點(diǎn)。

未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)將以多種方式呈現(xiàn)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為20世紀(jì)末以來(lái)的一門新型的綜合信息技術(shù)，它通過(guò)將傳感器技術(shù)、多媒體信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等融合在一起，創(chuàng)建了虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，將其應(yīng)用到軍事化的單兵裝備中，具有較高的挑戰(zhàn)性。同時(shí)士兵可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，置身于虛擬化的戰(zhàn)場(chǎng)中，在復(fù)雜多變的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中提高他們的戰(zhàn)斗意識(shí)和作戰(zhàn)素養(yǎng)，為提升先進(jìn)信息化作戰(zhàn)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

過(guò)去人們只能通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤、計(jì)算機(jī)等獲得單維數(shù)字化信息去加深對(duì)事物的認(rèn)知，現(xiàn)在人們能夠通過(guò)多種傳感器、三維化信息技術(shù)沉浸在計(jì)算機(jī)營(yíng)造的虛擬環(huán)境中，從而便捷體驗(yàn)新的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)多個(gè)研究領(lǐng)域起到了一定的影響作用，因此利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在突發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)單兵裝備進(jìn)行效能評(píng)估，選擇最佳作戰(zhàn)裝備比傳統(tǒng)方式更為有效。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在單兵作戰(zhàn)裝備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用開創(chuàng)了新思路，要使單兵裝備達(dá)到最佳評(píng)估效能，該系統(tǒng)必須近似戰(zhàn)場(chǎng)訓(xùn)練環(huán)境，最大限度地貼近高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)，這是評(píng)估單兵裝備性能的重要的條件之一。為實(shí)現(xiàn)模塊化的單兵裝備效能評(píng)估平臺(tái)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)首先要提供各種滿足實(shí)驗(yàn)研究的戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗環(huán)境，結(jié)合生物反饋測(cè)試儀、心率表，心、肺功能測(cè)量?jī)x、肌電掃描儀等各種仿生物理學(xué)、生物力學(xué)的測(cè)試儀器，結(jié)合數(shù)字化媒體檢驗(yàn)出單兵作戰(zhàn)的實(shí)際效能，從而為模塊化單兵智能裝備的研制和訓(xùn)練提供一個(gè)嶄新的訓(xùn)練環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將光、電、聲、像等物理手段結(jié)合起來(lái)，充分展示未來(lái)聯(lián)合作戰(zhàn)的“高技術(shù)性”。地形則是戰(zhàn)斗的客觀因素，戰(zhàn)爭(zhēng)的地形是決定裝備有效性的重要因素，為了使訓(xùn)練士兵能夠高效、熟練地使用所攜帶的各種裝備，提升戰(zhàn)斗中的殺傷力、忍耐力、生存能力，虛擬系統(tǒng)作戰(zhàn)場(chǎng)景能夠創(chuàng)造逼真的戰(zhàn)場(chǎng)地形，可營(yíng)造出一種更加接近真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的氛圍，給予參加訓(xùn)練的戰(zhàn)士們以更加真實(shí)的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了各種戰(zhàn)場(chǎng)特效的設(shè)計(jì)。軍事專家認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)中可能會(huì)有強(qiáng)烈的閃光、猛烈的爆炸聲、彌漫的滾滾硝煙、熊熊燃燒的烈火、震耳欲聾的飛機(jī)和坦克轟鳴聲、斷壁殘?jiān)髽菑U墟、人煙罕至的沙漠戈壁和地形復(fù)雜的巷子，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境極其復(fù)雜，利用數(shù)字化計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化仿真模擬技術(shù)模擬這些場(chǎng)景和人員傷亡等情景，這些都可以使參加訓(xùn)練的人員能夠真實(shí)確切地感受到戰(zhàn)場(chǎng)上隨時(shí)可能出現(xiàn)的各種刺激因素給感官所帶來(lái)的各種沖擊體驗(yàn)，訓(xùn)練增強(qiáng)他們的心理承受能力和隨機(jī)應(yīng)變的重要素能，如圖1所示。

虛擬系統(tǒng)作戰(zhàn)模擬分系統(tǒng)是系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的兵力模塊能提供一個(gè)真實(shí)的作戰(zhàn)氛圍，給參加測(cè)試的人員一種身臨其境的作戰(zhàn)體驗(yàn)。系統(tǒng)作戰(zhàn)模塊建立并靈活設(shè)置虛擬的敵人，使測(cè)試訓(xùn)練的過(guò)程真正像實(shí)體作戰(zhàn)那樣“打”起來(lái)、“抗”起來(lái)，在無(wú)限接近實(shí)戰(zhàn)的對(duì)抗中運(yùn)用策略和方案，分出勝負(fù)。

2 模塊化單兵裝備的配備過(guò)程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)起步較晚，將其應(yīng)用到軍事領(lǐng)域是現(xiàn)代高科技的一項(xiàng)突破。在國(guó)內(nèi)，通常將基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真系統(tǒng)中心放于實(shí)體作戰(zhàn)設(shè)備如坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈上。然而在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)演示中，通過(guò)對(duì)單兵裝備進(jìn)行模塊化劃分，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)裝備進(jìn)行綜合效能評(píng)估，整體采用現(xiàn)實(shí)加仿真的模擬手段，以數(shù)字化和物理混合的方式，以人為中心，以模塊化的智能穿戴為參試，以人機(jī)交互接口的虛擬仿真戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)作為平臺(tái)，以數(shù)字化、生物、物理設(shè)備為重要的測(cè)算設(shè)備，檢測(cè)單兵裝備在通過(guò)最佳模塊化選擇的狀態(tài)下最佳的效能評(píng)估，在此期間任何裝備選擇得不合理都要做出相應(yīng)的反饋，并協(xié)調(diào)各個(gè)裝備之間的關(guān)系和技術(shù)指標(biāo)，而后檢驗(yàn)此方案的技術(shù)指標(biāo)，最終達(dá)到對(duì)單兵最少的附著力，對(duì)敵人最大的殺傷力效果，在此期間要科學(xué)地評(píng)判裝備設(shè)計(jì)和系統(tǒng)負(fù)荷，有效地評(píng)估方案的合理性和可行性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)過(guò)程需建模和仿真并驗(yàn)證全過(guò)程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既能加快單兵裝備的研制過(guò)程又能有效地評(píng)估其裝備的合理效能。根據(jù)單兵具有“高度集成化特點(diǎn)”來(lái)建立虛擬仿真系統(tǒng)，在虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)可對(duì)單兵戰(zhàn)士進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和技能管理。將士兵執(zhí)行任務(wù)時(shí)所需要的裝備（攜行、穿戴、藥物、作戰(zhàn)裝備）進(jìn)行合理劃分，簡(jiǎn)稱個(gè)體防護(hù)裝備，設(shè)計(jì)數(shù)字化的裝備產(chǎn)品，以此來(lái)驗(yàn)證在虛擬仿真的環(huán)境下單兵可能需要的作戰(zhàn)武器和裝備，來(lái)提高戰(zhàn)士的作戰(zhàn)能力。由小的分支構(gòu)成大的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)分支系統(tǒng)和部件進(jìn)行全面的升級(jí)和管理，檢驗(yàn)其是否合格，是否最佳，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝備的最佳狀態(tài)進(jìn)行總體的評(píng)價(jià)。

通過(guò)對(duì)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，如平原、山區(qū)、盆地等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行全真模擬，建立一種逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，包括不同地區(qū)的地理?xiàng)l件。對(duì)敵方的工作臺(tái)，敵方可能會(huì)突襲的地點(diǎn)，實(shí)施火力壓制，建立三維戰(zhàn)場(chǎng)模型并對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)劃分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)隨機(jī)生成相應(yīng)的戰(zhàn)場(chǎng)，單兵通過(guò)數(shù)字化多媒體技術(shù)參與到逼真的、近似戰(zhàn)場(chǎng)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中，營(yíng)造親臨戰(zhàn)場(chǎng)的感覺(jué)。單兵融入到不同的戰(zhàn)場(chǎng)中，在面對(duì)敵方的襲擊時(shí)，要做出相應(yīng)的反應(yīng)，包括裝備的智能化選擇，采取不同的舉動(dòng)來(lái)進(jìn)行裝備編排，采用先進(jìn)的六自由度三維定位儀，將單兵嵌入虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，并且對(duì)敵兵和我軍任務(wù)姿態(tài)進(jìn)行采集，記錄場(chǎng)景的模擬過(guò)程，并且將單兵對(duì)裝備的選擇和對(duì)各種狀況的應(yīng)對(duì)反應(yīng)等進(jìn)行同步的記錄，在這個(gè)模擬過(guò)程結(jié)束后重現(xiàn)整個(gè)過(guò)程，保存相關(guān)數(shù)據(jù)。以此作為判斷單兵在應(yīng)對(duì)不同襲擊下選擇的裝備性能的優(yōu)良，并分析最佳的搭配方式。

3 現(xiàn)實(shí)效能評(píng)估與設(shè)計(jì)裝備改進(jìn)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以營(yíng)造出任何危險(xiǎn)狀況和突發(fā)事件，對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，有利于對(duì)裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)改造、升級(jí)，重點(diǎn)發(fā)展單兵裝備體系，減少人員傷亡，增強(qiáng)武器的殺傷力，提高智能裝備的攻擊效能。

美國(guó)是最早將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到單兵裝備設(shè)計(jì)中的國(guó)家，Natick士兵中心的設(shè)計(jì)小組根據(jù)各種設(shè)計(jì)和各類分析研究，針對(duì)未來(lái)戰(zhàn)士作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，提高了士兵裝備的性能。國(guó)內(nèi)要使士兵戰(zhàn)斗達(dá)到最佳狀態(tài)，必須對(duì)裝備進(jìn)行模塊化的劃分，如頭盔、穿著、隨身攜帶的武器等，對(duì)這些裝備進(jìn)行最佳地分配組合。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)選擇的最佳作戰(zhàn)武器，整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)主演示計(jì)算機(jī)組和對(duì)臺(tái)的參演計(jì)算機(jī)共同組成，主機(jī)和參機(jī)相互互動(dòng)相應(yīng)，圖像工作站A處理人機(jī)交互接口，跑臺(tái)控制和采集人體姿態(tài)，參考單兵和虛擬環(huán)境的交互數(shù)據(jù)參數(shù)，包括單兵在執(zhí)行任務(wù)時(shí)映像出的數(shù)據(jù)，人機(jī)交互接口模塊負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)處理單兵在執(zhí)行任務(wù)時(shí)肢體數(shù)據(jù)的對(duì)接，圖像工作站B負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，控制射擊、計(jì)算毀損、模擬敵軍生成，所有生成的數(shù)據(jù)必須和圖像工作站A保持一致，如圖3所示。

參演計(jì)算機(jī)為從屬部分，在整個(gè)系統(tǒng)中執(zhí)行虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)的接收，以及虛擬場(chǎng)景的同步顯示，人機(jī)交互接口和交互數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓?zhí)行具體任務(wù)，在數(shù)據(jù)初始化時(shí)需要與主機(jī)建立連接，在執(zhí)行參算數(shù)據(jù)時(shí)，該模塊負(fù)責(zé)人可通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)和系統(tǒng)直接達(dá)成交互互動(dòng)，且與主機(jī)輸出數(shù)據(jù)保持一致。

4 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用為軍事化中單兵作戰(zhàn)武器的效能評(píng)估提供了新的手段，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，作為未來(lái)檢測(cè)單兵裝備性能的必備科技，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合效能評(píng)估平臺(tái)能夠?yàn)閼?zhàn)士們選擇最佳裝備的搭配方式，激烈的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)為驗(yàn)證裝備的整體效能提供了可能，這將提高單兵的作戰(zhàn)能力和整體部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。雖然還有很多技術(shù)問(wèn)題還需要解決，但該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，其必將對(duì)我國(guó)“未來(lái)戰(zhàn)士”的研究和實(shí)踐產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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作者簡(jiǎn)介：原沙沙（1994-），女，漢族，山西晉城人，產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)，碩士。研究方向：兵器美學(xué)與復(fù)雜產(chǎn)品研究。