面向城市分隊作戰(zhàn)的增強現(xiàn)實研究

鄧 晨,游 雄,張威巍

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院,河南鄭州 450052)

隨著現(xiàn)代化大城市、超大城市的發(fā)展,城市的戰(zhàn)略地位與軍事價值日益突出,逐漸成為各類軍事活動的重要場所。1997年,美國海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)發(fā)展司令部概念司(Concepts Division of the Marine Corps Combat Development Command)提出,未來許多軍事行動將在城市環(huán)境中發(fā)生[1-2],例如城市反恐與維穩(wěn)、人道主義援助、非戰(zhàn)斗撤離,以及大規(guī)模高強度城市作戰(zhàn)行動等。城市作戰(zhàn)作為一種新的軍事行動樣式使得城市可能成為21世紀(jì)的主要戰(zhàn)場之一[3]。

軍事行動的環(huán)境通常是復(fù)雜多變的,而日益復(fù)雜城市環(huán)境更增加了其復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。首先,城市本身是極其復(fù)雜的三維立體環(huán)境,城市地面之上人工設(shè)施眾多,高低層建筑參差不齊;地面之下,下水道和隧道網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯,聯(lián)通四方。其次,城市環(huán)境隨作戰(zhàn)行動展開易發(fā)生變化,而變化的環(huán)境又將反過來影響作戰(zhàn)行動,例如損壞的建筑可能導(dǎo)致碎石填滿狹窄的街道而致使曾經(jīng)的安全路線無法通行。再次,城市非戰(zhàn)斗人口和平民目標(biāo)眾多,而敵方可以機動和隱藏,致使軍民混雜,為減少平民的傷亡和損毀,需要更復(fù)雜的識別和判斷。

這種復(fù)雜、混亂、密集的城市環(huán)境對處于戰(zhàn)斗一線、危險邊緣的單兵和分隊提出了更高的要求:一方面,在危機四伏、瞬息變化、生死攸關(guān)的城市近戰(zhàn)當(dāng)中,單兵在承受巨大心理壓力同時,仍需快速準(zhǔn)確地判別周圍態(tài)勢,以求先發(fā)制敵;另一方面,在狹窄而擁擠的街道上,分隊成員的視線易受遮擋難以實現(xiàn)所有成員的直接通視,在超視距條件下,傳統(tǒng)的喊叫、手勢、無線電等方式難以實現(xiàn)高效的分隊協(xié)同與指控[4]。復(fù)雜的城市作戰(zhàn)環(huán)境充滿著戰(zhàn)爭迷霧,分隊作戰(zhàn)人員對態(tài)勢感知有迫切的需求,在城市作戰(zhàn)行動中需要為作戰(zhàn)人員提供特殊的能力和靈活性,以應(yīng)對高度動態(tài)的近距離作戰(zhàn)。

增強現(xiàn)實作為輔助人在真實環(huán)境中進行認(rèn)知和交互的工具,其本身的技術(shù)特點與城市作戰(zhàn)中態(tài)勢感知又快又準(zhǔn)的需求高度契合。增強現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用于城市作戰(zhàn)當(dāng)中能夠極大地提高作戰(zhàn)人員的態(tài)勢感知能力[2],成為提升分隊城市作戰(zhàn)能力的有效途徑。從20世紀(jì)末開始[5],以美國為代表的多個國家開始有針對性地將增強現(xiàn)實技術(shù)用于軍事活動中,期望盡可能地減少作戰(zhàn)人員在理解作戰(zhàn)信息方面所用的時間,大幅提高部隊在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的生存能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力。未來面向城市作戰(zhàn)的增強現(xiàn)實技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

相比于國外的研究,國內(nèi)對該領(lǐng)域的關(guān)注相對較晚且較少,2018年初，游雄[6]等首次提出了城市作戰(zhàn)增強現(xiàn)實(UWAR)的基本概念,并梳理了其關(guān)鍵技術(shù)體系框架。本文進一步對增強現(xiàn)實具體應(yīng)用于城市分隊作戰(zhàn)行動中的相關(guān)問題進行系統(tǒng)梳理與綜述,分析國內(nèi)與國外在該領(lǐng)域的發(fā)展差距,從而為后續(xù)研究與投入提供參考。具體而言,首先分析概括了增強現(xiàn)實本身的技術(shù)與認(rèn)知特點;然后對其在分隊行動中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的梳理與分析;在此基礎(chǔ)上,探究了增強現(xiàn)實在分隊作戰(zhàn)行動中的應(yīng)用模式與突出價值;最后,對增強現(xiàn)實在分隊作戰(zhàn)行動中應(yīng)用存在的重難點技術(shù)問題進行了總結(jié)。

1 增強現(xiàn)實及其特點

增強現(xiàn)實這一術(shù)語最早是1992年波音公司的Thomas P Caudell和David Mizell在研究輔助工程師布線時提出的[7],通過使用頭戴式顯示器將計算機生成的圖形信息疊加在真實工作環(huán)境中,并結(jié)合語音控制圖形信息顯示,達到“不需要將手和眼睛離開工作場景的條件下”輔助布線工程師進行布線操作。這種在主體(用戶)當(dāng)前的周圍環(huán)境中,提供與主體當(dāng)前任務(wù)密切相關(guān)的計算機圖形信息,并且直觀地疊加到當(dāng)前環(huán)境中正確位置的方式,為主體完成當(dāng)前任務(wù)帶來了巨大的便利。

這一術(shù)語和內(nèi)涵一經(jīng)提出便受到廣泛的關(guān)注,各行業(yè)的學(xué)者分別對其特點加以研究和應(yīng)用。從技術(shù)實現(xiàn)的角度,1997年Ronald T. Azuma提出了AR技術(shù)實現(xiàn)的三個基本特征[8-9],即虛實融合、實時交互和三維配準(zhǔn),較好地概括了增強現(xiàn)實“實現(xiàn)虛實直接關(guān)聯(lián)、讓用戶直觀感知”的特點,與虛擬現(xiàn)實的“3I”特征相互區(qū)分,得到廣泛認(rèn)可。當(dāng)前,大多數(shù)AR應(yīng)用的概念模型[10]可以簡要抽象為圖1所示,將增強現(xiàn)實理解為以顯示器(視覺)、位姿傳感器、虛實融合、人機交互等模塊為基礎(chǔ),旨在輔助用戶在當(dāng)前環(huán)境中通過平視的方式直觀獲取所需信息的系統(tǒng)或技術(shù)集成。

圖1 增強現(xiàn)實應(yīng)用概念模型[10]

相比于從技術(shù)實現(xiàn)上看待增強現(xiàn)實及其組件模塊,另外一些研究[11-12]從用戶認(rèn)識和體驗的角度,探討了增強現(xiàn)實 “增強”的內(nèi)涵,嘗試回答了增強現(xiàn)實“增強了什么”這一本質(zhì)問題,即:人(AR用戶)對現(xiàn)實世界的感知與認(rèn)知范圍往往局限于人的五官感知通道所能感受到的信息,因而比較有限;而增強現(xiàn)實系統(tǒng)給用戶“增強”的,是用戶在現(xiàn)實世界中自身不能直接感知到的信息與內(nèi)容,尤其是與用戶當(dāng)前任務(wù)密切相關(guān)的現(xiàn)實世界信息和內(nèi)容。基于這種對周圍現(xiàn)實世界認(rèn)知的“增強”,用戶可以更好地完成當(dāng)前任務(wù)。

顯然,在AR應(yīng)用實現(xiàn)時,首先需要通過各類傳感器設(shè)備對現(xiàn)實世界信息進行采集和建模,充分掌握現(xiàn)實世界詳盡的信息;然后,在用戶使用AR時,根據(jù)當(dāng)前用戶的狀態(tài)(如位姿與視野方向,任務(wù)、心理、生理狀態(tài)等因素),以最為直觀的方式實時地呈現(xiàn)在用戶視野中(或者其他的感知通道中),并且不影響用戶對現(xiàn)實世界本身的直接觀察。因此,計算機對現(xiàn)實世界建模的程度,即計算機對現(xiàn)實世界信息掌握的程度[13-14],是增強現(xiàn)實系統(tǒng)給用戶提供“增強”信息的基礎(chǔ);不影響用戶直接對現(xiàn)實的觀察,并“增強”這種觀察是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的最終目的;而用戶當(dāng)前狀態(tài)是進行“增強”信息過濾、篩選和表達的關(guān)鍵因素。

綜合從技術(shù)與認(rèn)知的視角對AR的相關(guān)理解,本文進一步總結(jié)增強現(xiàn)實應(yīng)用的作用,如下:

1)AR可以增強用戶對現(xiàn)實世界感知的精確度。一方面,增強現(xiàn)實可以將各類傳感器感知到的信息轉(zhuǎn)化為人能感受的信息,從而拓展人的感知范圍,提升對現(xiàn)實更為全面的理解;另一方面,AR可以對人所能感知的信息做進一步的精確化和確認(rèn),這是因為人通常對現(xiàn)實世界的感知與認(rèn)知是定性化、模糊化的,計算機通過傳感器獲得對現(xiàn)實世界更為精確、量化的信息后,可以用于增強主體對現(xiàn)實世界的精確認(rèn)知。

2)AR可以提高用戶對周圍現(xiàn)實世界感知的效率。因為AR技術(shù)實現(xiàn)時需要實現(xiàn) “虛實直接關(guān)聯(lián)與融合”,使得可以以最為直觀的方式在用戶當(dāng)前的感知范圍內(nèi)展示所需的“增強”信息,如在用戶平視視野內(nèi)疊加信息,從而提升用戶感知信息的效率。與當(dāng)前移動地圖呈現(xiàn)信息[15]的方式相比,使用頭戴式顯示器進行平視觀察的AR系統(tǒng)一方面不需要用戶在低頭/抬頭之間來回切換、反復(fù)比對,來理解真實世界和屏幕上內(nèi)容的關(guān)聯(lián)關(guān)系;另一方面,通過在用戶當(dāng)前的視野中高亮、突出的展示“增強”信息,可以快速將用戶注意力(如視覺注意力)引導(dǎo)到當(dāng)前迫切需要關(guān)注的目標(biāo)上。

正是因為增強現(xiàn)實在技術(shù)上和認(rèn)知上具備這些特點,使得AR可以廣泛地應(yīng)用到各領(lǐng)域中,輔助人們更好地完成各項任務(wù)。下面具體對增強現(xiàn)實在城市單兵/分隊作戰(zhàn)行動中的相關(guān)應(yīng)用研究和進展進行梳理和分析。

2 相關(guān)研究與進展

受限于頭戴式顯示器設(shè)備與位姿跟蹤技術(shù)的發(fā)展,增強現(xiàn)實在作戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用,最早期的研究是輔助戰(zhàn)機飛行員駕駛和火力瞄準(zhǔn)的[16]。隨著技術(shù)和裝備的進展,增強現(xiàn)實應(yīng)用逐步拓展至陸地和水面軍事裝甲車輛當(dāng)中[17],并進一步面向徒步士兵應(yīng)用發(fā)展。相比于機載和車載平臺,面向徒步士兵的AR系統(tǒng)需要在單兵有限負(fù)重的前提下,提供更為輕便的可穿戴式顯示器和更為靈活的頭部姿態(tài)跟蹤,以適應(yīng)單兵作戰(zhàn)行動的需要,這無疑增加了巨大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前,面向城市單兵/分隊作戰(zhàn)應(yīng)用的增強現(xiàn)實系統(tǒng),以美軍為代表的軍事強國在技術(shù)研究和裝備發(fā)展方面都處于領(lǐng)先水平,起步早加上多年持續(xù)的投入,目前已具備相當(dāng)?shù)姆e累,逐步向?qū)嵱没l(fā)展。下面對目前相關(guān)的研究進行梳理與分析。

2.1 BARS原型系統(tǒng)及其相關(guān)研究

將增強現(xiàn)實應(yīng)用于陸地徒步士兵作戰(zhàn)行動中的設(shè)想與研究可以追溯到2000年,著眼于應(yīng)對未來城市分隊作戰(zhàn)可能遇到的挑戰(zhàn),在美國海軍研究實驗室虛擬現(xiàn)實實驗室Lawrence Rosenblum的倡導(dǎo)下,Mark A. Livingston和Simon Julier等人推出了第一個戰(zhàn)場增強現(xiàn)實原型系統(tǒng)(BARS),對增強現(xiàn)實在城市分隊作戰(zhàn)行動中的應(yīng)用問題進行先期探索[2，5]。該原型系統(tǒng)由現(xiàn)成的商業(yè)產(chǎn)品集成得到,旨在為步兵分隊在城市作戰(zhàn)行動中提供態(tài)勢感知增強,輔助步兵在陌生城市環(huán)境中應(yīng)對視線受阻、通訊低效、識別友軍與敵軍困難等挑戰(zhàn),原型系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 BARS原型系統(tǒng)組件[19]及其設(shè)想的信息呈現(xiàn)界面:疊加顯示行動路徑、建筑方位關(guān)系以及建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息

在此原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上,該團隊一直致力于研究增強現(xiàn)實系統(tǒng)在作戰(zhàn)應(yīng)用中的人因問題,以期改進增強現(xiàn)實系統(tǒng)的整體設(shè)計,從而給用戶提供更好的“增強”體驗,如Mark A. Livingston等人對戰(zhàn)場增強現(xiàn)實系統(tǒng)[18-19]當(dāng)中的深度感知、色彩感知、遮擋表達、用戶界面、協(xié)同交互、信息過濾,以及配準(zhǔn)精度的需求與影響[20]等問題,進行了實驗分析和研究,取得初步的研究成果,為其后續(xù)工作打下了良好基礎(chǔ)。

2.2 ULTRA-Vis項目及ARC4系統(tǒng)

在BARS原型系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,2008年美國國防高級研究項目局(DARPAR)啟動了一項名為“Urban Leader Tactical Response,Awareness & Visualization (ULTRA-Vis)”的項目[4],其主要目的是研究和開發(fā)出可以在實戰(zhàn)環(huán)境中使用的士兵可穿戴式系統(tǒng)和裝備,以適應(yīng)分隊在快速、動態(tài)的城市作戰(zhàn)中的使用要求,為分散的士兵提供超視距的協(xié)同與指揮控制能力。

該項目旨在推動AR在實戰(zhàn)中的實際應(yīng)用,因此注重對AR軟硬件的同時研發(fā),而不僅僅是簡單地對當(dāng)前已有商業(yè)產(chǎn)品進行集成。項目計劃重點研發(fā)出高亮度、多色彩顯示的頭戴式透視顯示器設(shè)備,輕便、低功耗、高精度、低延遲的戶外位姿跟蹤軟硬件,以及可同時識別語音、手勢和觸覺輸入的多模式交互接口等。該項目規(guī)定的各項具體指標(biāo)如表1所示,值得一提的是項目還要求開發(fā)出15套原型裝備,以供班組進行協(xié)同作戰(zhàn)測試,以檢驗分隊實際使用效果。

圖3 ULTRA-Vis項目設(shè)想的作戰(zhàn)應(yīng)用場景圖(示例)[4]

如圖3所示是該項目設(shè)想的分隊作戰(zhàn)AR應(yīng)用場景圖,分隊指揮員通過AR可以實時掌握各個分組成員的位置(圖中左上角),而不用將視線離開當(dāng)前關(guān)注區(qū)域,或者低頭查看屏幕顯示器;指揮員也可以便捷地為分組成員直接指示目標(biāo)位置,并使分組士兵分別在自己的視角通過顯示器看到指揮員傳遞的目標(biāo)(圖中右上角紅色虛線圈部分),并可以保持手不離開武器裝備。

DARPA對該項目進行了6年的支持,經(jīng)過2008年到2014年持續(xù)的研發(fā),2014年5月,該項目的主要承包公司ARA發(fā)布了一款名為“ARC4”(Augmented Reality Command Control Communicate Coordinate)的軍用增強現(xiàn)實軟件系統(tǒng)[21]。顧名思義,ARC4即增強現(xiàn)實用于指揮、控制、通訊和協(xié)同,是一款增強現(xiàn)實軟件引擎,主要負(fù)責(zé)完成士兵戶外位姿跟蹤、地理配準(zhǔn)信息的表達與可視化以及網(wǎng)絡(luò)通信管理等工作,作為“大腦”可以搭載在BAE公司的Q-Warrior透視式頭戴式顯示器上,也可以集成到其他的頭顯中,如Lumus、Vuzix、Six15等。

如圖4、5所示,ARC4可以分別搭載于白天頭顯和夜視儀中,實現(xiàn)在白天和夜間的戰(zhàn)術(shù)信息增強,而且頭顯的視場角為40°?30°,亮度峰值可以達到3 000 ft-L,符合項目規(guī)定的要求,即在戶外10 000 ft-L環(huán)境光亮度背景中,達到至少2 000 ft-L(背景亮度的20%)的顯示亮度以保證符號的清晰可見[22]。

圖4 ARC4應(yīng)用于白天[21]

圖5 ARC4應(yīng)用于夜間(結(jié)合夜視儀使用)[21]

在配準(zhǔn)精度方面,ARC4通過融合GPS、慣導(dǎo)、地磁、氣壓和DEM等數(shù)據(jù),在野外環(huán)境中進行測試實現(xiàn)了較高精度的地理配準(zhǔn)[23-24]。如圖6、7所示,通過圖標(biāo)投影渲染的位置和目標(biāo)在環(huán)境中的真實位置來評估配準(zhǔn)的精度,綠色的圓圈代表配準(zhǔn)的誤差大小(一個圓的半徑是10 mrad,即0.57°)。經(jīng)過實地測試驗證,在野外開闊、弱磁干擾環(huán)境中,士兵相對低速運動狀態(tài)下,通過GPS-INS組合能近實時地實現(xiàn)平均25 mrad的地理配準(zhǔn)精度,為更高精度的地理配準(zhǔn)打下良好基礎(chǔ)。

圖6 通過投影的圖標(biāo)位置與目標(biāo)的真實位置來評估地理配準(zhǔn)的精度[22]

圖7 通過在透視顯示器上投影分級同心圓圖標(biāo)來實時在線評估配準(zhǔn)精度[22]

表1 ULTRA-Vis項目的各項指標(biāo)[4]

在信息呈現(xiàn)和用戶交互方面,通過與士兵用戶群體進行交流和討論,經(jīng)過迭代優(yōu)化,ARC4系統(tǒng)設(shè)計了一套相對簡單、易學(xué)、易于理解的用戶界面[25],并探索通過語音、手勢和觸控等多種方式進行人機交互。其用戶界面上呈現(xiàn)的信息內(nèi)容如圖8所示。

ARC4旨在戰(zhàn)斗行動期間為分隊成員提供增強的態(tài)勢感知能力,其用戶界面上的信息內(nèi)容可以視為三個透明圖層的疊加[22-23],如圖9所示,包含靜態(tài)疊加層(GUI控制菜單/系統(tǒng)狀態(tài)/指控命令/警報等),動態(tài)疊加層(地理配準(zhǔn)的戰(zhàn)術(shù)圖標(biāo))和態(tài)勢感知疊加層(自己/友軍/敵人位置的360°態(tài)勢感知環(huán))。每一疊加層分別提供不同的戰(zhàn)術(shù)相關(guān)信息,如圖8所示,涵蓋戰(zhàn)場環(huán)境、裝備實體、作戰(zhàn)人員、當(dāng)前任務(wù)、系統(tǒng)狀態(tài)等信息內(nèi)容。

圖8 ARC4用戶界面呈現(xiàn)的信息內(nèi)容[23]

其中,靜態(tài)疊加層上的內(nèi)容將始終顯示在當(dāng)前FOV中相同的位置,與現(xiàn)實世界物體位置無關(guān),其內(nèi)容隨系統(tǒng)狀態(tài)和作戰(zhàn)進程變化。為了最小化顯示干擾,靜態(tài)疊加層沿視野頂部顯示,針對不同的警報信息提供不同的標(biāo)志和閃爍頻率。

動態(tài)疊加層能夠?qū)⑾嚓P(guān)的戰(zhàn)術(shù)圖標(biāo)信息準(zhǔn)確放置在真實環(huán)境中對應(yīng)的位置處,使得作戰(zhàn)分隊人員可以分別從自己的視角看到精確地理配準(zhǔn)的圖標(biāo)。為了減少士兵認(rèn)知圖標(biāo)的負(fù)擔(dān),采用軍標(biāo)符號規(guī)范設(shè)計圖標(biāo)樣式(如美軍的MIL-STD-2525C符號規(guī)范)。所有顯示的內(nèi)容都基于用戶位置和視線方向,在以用戶自我為中心的徑向坐標(biāo)系中進行顯示,并隨著用戶頭部轉(zhuǎn)動而移動,以保持他們的位置精確配準(zhǔn)到對應(yīng)的真實世界對象上,其中,ARC4要求配準(zhǔn)的角度精度為10 mrad(100 m距離處的側(cè)向誤差大小為1 m),深度精度為0.1 m(100 m距離處)。這種精度允許在建筑物或車輛上標(biāo)記特定的窗戶。

上述動態(tài)疊加層為士兵提供了精確的周邊態(tài)勢感知,但僅限于從用戶當(dāng)前的視野觀察。相比之下,態(tài)勢疊加層(situational overlay)為用戶提供其周圍所有情況的實時動態(tài)360°頂視圖,可以觀察當(dāng)前視野內(nèi)部和外部的所有對象。如圖10所示,底部中心的橢圓是360°的態(tài)勢顯示圓環(huán)(Command and Control 360°Display),中心點是當(dāng)前士兵的位置(采用軍事網(wǎng)格坐標(biāo)參考格式),正上方是當(dāng)前士兵的頭部方向(如圖中的地磁偏角189°)和40°的視野范圍,環(huán)上其他的位置標(biāo)示了友軍、敵軍、地物等(使用不同符號及不同顏色,符合MIL-STD-2525C軍標(biāo)規(guī)范)的相對方位與相對距離(如圖中的數(shù)字注記)。這個簡單直觀的用戶界面為戰(zhàn)士提供了持續(xù)的態(tài)勢感知,可以回答理解戰(zhàn)場空間至關(guān)重要的三個關(guān)鍵問題:我在哪里?我的朋友在哪里?敵人在哪里?

圖10 態(tài)勢感知環(huán)[25]

事實上,上述三層疊加信息涵蓋了分隊上下級通訊與指控、單兵個人作戰(zhàn)以及分隊成員間協(xié)同行動所需要的信息內(nèi)容,并提供了第一人稱視角顯示視圖,和以自我位置為中心、方向?qū)崟r隨動、表達相對位置和距離的簡易頂視圖(近似第三人稱視圖),使得士兵既能直觀觀察當(dāng)前環(huán)境,又能便捷掌握全局態(tài)勢。

2.3 TAR概念系統(tǒng)

在ARC4開發(fā)的基礎(chǔ)上,2017年5月美國陸軍通信電子研究發(fā)展工程中心(Communications-Electronics Research Development and Engineering Centre,CERDEC)發(fā)布了名為“Tactical Augmented Reality”(TAR)的戰(zhàn)術(shù)增強現(xiàn)實概念系統(tǒng),該系統(tǒng)側(cè)重于將AR應(yīng)用范圍進一步拓展到室內(nèi)作戰(zhàn)當(dāng)中,為分隊提供室內(nèi)外一體的戰(zhàn)場態(tài)勢信息感知保障。如圖11所示是該系統(tǒng)設(shè)想的效果圖,通過該系統(tǒng)能夠?qū)⑹覂?nèi)外的目標(biāo)、友軍和環(huán)境信息與真實場景進行疊加顯示,使得戰(zhàn)斗員在城市室內(nèi)外作戰(zhàn)過程中能夠快速、準(zhǔn)確獲取戰(zhàn)場態(tài)勢信息。但這一系統(tǒng)目前仍處于研發(fā)當(dāng)中。

圖11 TAR系統(tǒng)效果圖,應(yīng)用于室內(nèi)作戰(zhàn):通過頭顯和夜視儀疊加顯示室內(nèi)外人員位置、行動路徑和目標(biāo)等信息

2.4 現(xiàn)狀總體分析

從整體上來看,對比早期的BARS(2000年)原型系統(tǒng)與近期研發(fā)的ARC4(2014年)系統(tǒng),以及設(shè)想的TAR(2017年)系統(tǒng),可以很明顯地發(fā)現(xiàn)通過近20年的努力,美軍在面向城市分隊作戰(zhàn)行動的增強現(xiàn)實系統(tǒng)研發(fā)方面已經(jīng)取得了較大進步,并且逐步向?qū)崙?zhàn)實用化發(fā)展:1)其顯示設(shè)備可以支持高亮度顯示(峰值亮度可達3000 foot-Lamberts),滿足在戶外強光條件下的使用要求;2)相關(guān)位姿跟蹤硬件設(shè)備在小型化、輕便化、低功耗化方面有了實際進步,并且實現(xiàn)了較高的精度和效率;3)圖形用戶界面信息呈現(xiàn)和交互方式逐步向?qū)崙?zhàn)所需趨近;4)系統(tǒng)核心組件重量低于3磅(含電池在內(nèi)低于1 360 g),位姿傳感器功耗低于1W,為系統(tǒng)方便徒步士兵長時間、大范圍持續(xù)使用提供了可能。5)而且,在分隊作戰(zhàn)行動中應(yīng)用增強現(xiàn)實的作戰(zhàn)概念與真實作戰(zhàn)場景正處于不斷發(fā)展和挖掘當(dāng)中。

通過上述梳理與分析,可以看到相比于國外的發(fā)展,國內(nèi)在技術(shù)與裝備上的發(fā)展還存在一定的差距。由于目前增強現(xiàn)實技術(shù)與裝備的不成熟以及“并不驚艷”的體驗,關(guān)于增強現(xiàn)實的“有用性”、“可用性”,尤其是在強調(diào)技術(shù)可靠性的軍事行動當(dāng)中“到底有多大的可用性”、“是否是干擾”等問題仍然存在不同意見與質(zhì)疑。下面,本文在文獻分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合實踐經(jīng)驗與思考,對增強現(xiàn)實在分隊作戰(zhàn)中的應(yīng)用模式與價值進行探討。

3 增強現(xiàn)實在分隊作戰(zhàn)中的應(yīng)用模式

增強現(xiàn)實在分隊作戰(zhàn)行動中的應(yīng)用價值,一方面受限于技術(shù)與裝備的進展,另一方面也取決于增強現(xiàn)實系統(tǒng)被使用的方式,即應(yīng)用模式。2015年,ARC4的項目負(fù)責(zé)人David Roberts提出以ARC4為代表的增強現(xiàn)實系統(tǒng)在城市作戰(zhàn)中可以發(fā)揮平視感知與導(dǎo)航(Heads-up SA and Navigation)、友軍跟蹤、目標(biāo)傳遞(Target Handoff)、圖像共享和環(huán)境標(biāo)記(Environment Tagging)等功能[21],簡要概括了增強現(xiàn)實系統(tǒng)可能的應(yīng)用方式。本文旨在更進一步探究和挖掘增強現(xiàn)實系統(tǒng)在分隊作戰(zhàn)行動中的突出應(yīng)用價值。

一般而言,作戰(zhàn)行動是有組織、按計劃進行的活動,分隊作戰(zhàn)行動通常涉及單兵個人行動,以及單兵與分隊其他成員的協(xié)同行動和指控等方面。增強現(xiàn)實系統(tǒng)作為輔助人們更好獲取信息的工具,可以在上述各方面發(fā)揮作用。本文從增強單兵個人作戰(zhàn)能力、增強分隊成員間協(xié)同與指控能力,以及增強分隊與遠(yuǎn)程力量聯(lián)合能力等角度分析AR系統(tǒng)在城市分隊作戰(zhàn)當(dāng)中的應(yīng)用模式及其相應(yīng)的應(yīng)用價值。

1)對于單兵而言(單個AR用戶),AR系統(tǒng)可以增強其在戰(zhàn)場實地的態(tài)勢感知能力。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以直接在士兵當(dāng)前的視野(或其他感知通道中)中疊加地理配準(zhǔn)的各類戰(zhàn)術(shù)信息,提高單兵態(tài)勢感知的能力和效率,從而增強單兵的作戰(zhàn)能力:

一方面,士兵可以保持抬頭平視觀察和手持武器,在交戰(zhàn)過程中迅速判定敵我情況,從而提高士兵自我安全保護并增強對敵的殺傷力和效率;

另一方面,士兵可以在更為安全的條件下,提高機動和導(dǎo)航的速度,因為持續(xù)在士兵視野中顯示目標(biāo)的相對方位與距離,士兵可以快速定位定向并啟動行動,而不需要停止以研究地圖或查看指南針,從而更為容易地繞過障礙物而不失去運動方向。

2)對于分隊而言(多個AR用戶),在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的支持下,增強現(xiàn)實系統(tǒng)突出的作用是為分隊內(nèi)信息傳播與共享提供了新的便捷方式,增強分隊成員的協(xié)同行動和指控能力。

如圖12所示,除了傳達指揮員命令、分享隊友位置以進行友軍跟蹤之外,增強現(xiàn)實還可以為分隊成員信息傳播與分享提供新的便捷方式。這是因為增強現(xiàn)實具有的環(huán)境標(biāo)記和目標(biāo)傳遞功能,即AR系統(tǒng)首先已經(jīng)獲取到當(dāng)前士兵頭部精確的位姿(即位置和視線方向已知),在環(huán)境本身的精確三維模型預(yù)先已知時[26],通過在當(dāng)前視野中疊加指示標(biāo)識,士兵通過直觀交互的方式(如圖13中的槍口指示或手指指示等方式),便捷地將標(biāo)識對準(zhǔn)到相應(yīng)環(huán)境目標(biāo)上,實現(xiàn)在3D空間中對目標(biāo)進行拾取和標(biāo)記,并可以配置相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)圖標(biāo)描述其屬性信息;再通過戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)傳播和分享目標(biāo)后,可以使分隊成員分別從自己的視角平視觀察到該目標(biāo)。

實現(xiàn)這種“目標(biāo)信息視覺平視傳遞與分享”后,將大大增強分隊的協(xié)同行動能力,因為,這將使得通過前端無人機、無人車觀察到的戰(zhàn)場實時信息,或者處于高處、優(yōu)勢觀察位置的分隊指揮員、狙擊手、偵查人員等觀察的信息(如圖12所示),以及多個分隊成員在分散視點觀察到的信息,能夠被直觀、便捷地拾取和標(biāo)記(如通過圖13中的交互方式),并傳遞給處于戰(zhàn)場實地尤其是最接近危險區(qū)域的作戰(zhàn)人員,使他們分別能從自己的視角快速地平視觀察和判斷,實現(xiàn)從傳感器/偵查人員的探測、發(fā)現(xiàn)到處于實地的作戰(zhàn)人員高效、快速平視感知的無縫銜接,這是傳統(tǒng)的語音、手勢、無線電等協(xié)同方式難以實現(xiàn)的。本文認(rèn)為支持分隊多人使用的AR系統(tǒng)實現(xiàn)了“將他人平視所見轉(zhuǎn)化為自己或其他分隊成員的平視所見”,從而可以大大提高分隊成員間的信息共享與協(xié)同作戰(zhàn)的能力。

圖12 處于高處、優(yōu)勢觀察位置的偵查人員等為處于危險邊緣的士兵指示威脅目標(biāo)信息

圖13 可以通過槍口瞄準(zhǔn)或手指指示等便捷方式拾取并標(biāo)記3D空間中的目標(biāo)信息

因此,增強現(xiàn)實作為一項輔助分隊成員信息獲取與分享的先進技術(shù),其在分隊多人間使用的整體效果將大于多個單兵個人使用效果的簡單疊加之和。

3)AR可以在分隊與遠(yuǎn)程力量聯(lián)合方面發(fā)揮作用。

文獻[22]中提出,在城市分隊作戰(zhàn)中,地面分隊任務(wù)的成功與否很大程度上取決于近地空域力量的運用與支持,而AR可以在地空協(xié)同行動中發(fā)揮作用:通過對飛機位置的廣播與分享(使用CoT數(shù)據(jù)格式[27]),即使是在超視距或者有遮擋等情況下(如云、地形等遮擋),地面士兵依然可以快速定位飛機的位置,并獲取其相關(guān)屬性信息(如飛行高度、飛機呼號),從而可以更好地引導(dǎo)空域飛機的機動以支持地面部隊行動。

與上述分享飛機位置相反,通過AR系統(tǒng)具備的環(huán)境標(biāo)記功能,本文認(rèn)為分隊作戰(zhàn)人員可以通過AR方便地拾取目標(biāo)在3D環(huán)境中的位置,為空域、甚至遠(yuǎn)程海上力量提供目標(biāo)指引,從而為其遠(yuǎn)程精確打擊提供位置參考,其基本原理與前文所述類似。

綜合上述分析:AR系統(tǒng)應(yīng)用于城市作戰(zhàn)當(dāng)中將帶來重大影響和變化,AR可以在單兵作戰(zhàn)、多人協(xié)同、甚至與遠(yuǎn)程力量聯(lián)合作戰(zhàn)方面產(chǎn)生重大效應(yīng),其對未來城市分隊作戰(zhàn)樣式帶來的變化需要進一步深入研究與實踐驗證。盡管AR設(shè)備在一定程度上確實增加了士兵的負(fù)重,但就其可以發(fā)揮的作用與價值而言,未來單兵/分隊作戰(zhàn)迫切需要增強現(xiàn)實進行輔助與支持,以應(yīng)對復(fù)雜、動態(tài)、高壓的近距離城市作戰(zhàn)。

4 AR城市作戰(zhàn)應(yīng)用存在的主要挑戰(zhàn)

城市分隊作戰(zhàn)是在極其復(fù)雜、混亂的城市環(huán)境中展開的,為了讓作戰(zhàn)人員獲得良好的“增強”體驗,增強現(xiàn)實應(yīng)用于城市分隊作戰(zhàn)將需要克服諸多挑戰(zhàn)與難題。本節(jié)對增強現(xiàn)實應(yīng)用需要的外部支撐條件,以及增強現(xiàn)實自身組件技術(shù)面臨的重點問題進行分析,作為后續(xù)工作與研究的參考。

4.1 增強現(xiàn)實應(yīng)用需要的外部支撐條件

首先,增強現(xiàn)實系統(tǒng)能夠給分隊作戰(zhàn)人員提供“增強”信息的前提,是計算機系統(tǒng)能夠預(yù)先掌握現(xiàn)實世界詳盡的信息,對戰(zhàn)場環(huán)境有精確和完整的建模[28],而這在陌生的城市作戰(zhàn)環(huán)境中將是十分困難的:一方面,因為作戰(zhàn)的突然性可能來不及預(yù)先完全建模;另一方面,考慮到城市環(huán)境不僅涉及室外,還涉及室內(nèi)甚至地下,也難以完全精確建模。因此,充分發(fā)展各類傳感器設(shè)備與技術(shù),形成對現(xiàn)實世界快速建模和信息采集的能力,以滿足短期快速環(huán)境建模甚至實時建模[29]的需要,是重要的技術(shù)挑戰(zhàn);并且,如何充分利用越來越多的泛在數(shù)據(jù)、眾包數(shù)據(jù)[30],從中提取可用的信息,也是面臨的一大難題。

其次,增強現(xiàn)實應(yīng)用于分隊作戰(zhàn)通常需要戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的支持,然而在城市復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及信號干擾源多的情況下,如何維護穩(wěn)定、高速的戰(zhàn)術(shù)鏈接網(wǎng)絡(luò),是影響增強現(xiàn)實應(yīng)用的重要因素。

事實上,正是因為上述因素的影響,美軍目前的研究也是將增強現(xiàn)實作戰(zhàn)應(yīng)用定位在具有信息優(yōu)勢或不對稱的城市作戰(zhàn)行動當(dāng)中。

4.2 增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)難點

除了增強現(xiàn)實頭顯、位姿跟蹤設(shè)備等硬件小型化、廉價化、輕便化、低功耗化發(fā)展的需求[31]之外,增強現(xiàn)實實際應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來源高精度的虛實信息配準(zhǔn)、可直觀認(rèn)知的信息表達,以及魯棒便捷的交互方式等三個方面。具體而言:

1)高精度的虛實信息配準(zhǔn):高精度的虛實配準(zhǔn)是作戰(zhàn)人員高效平視感知和高效目標(biāo)標(biāo)識與傳遞的技術(shù)支撐。在城市分隊作戰(zhàn)行動中,同一棟建筑上相鄰的窗戶或者相鄰近的兩輛車的實際距離通常在米級左右,為了實現(xiàn)對各個目標(biāo)準(zhǔn)確的區(qū)分,虛實配準(zhǔn)的精度需要控制在10 mrad以內(nèi),這也正是表1中所示,美軍專家[32]提出為了滿足作戰(zhàn)人員的基本應(yīng)用要求,需要在100 m距離處實現(xiàn)1 m左右的側(cè)向配準(zhǔn)精度和0.1 m的深度配準(zhǔn)精度的原因。但是,在定位信號易受干擾、環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市環(huán)境中,實現(xiàn)上述配準(zhǔn)精度是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。

除此之外,在保證配準(zhǔn)精度的前提下,如何在城市室外、室內(nèi)以及地下環(huán)境中,長時間、大范圍、白天和夜間[21]提供實時、穩(wěn)定的虛實配準(zhǔn),更是增強現(xiàn)實實際應(yīng)用面臨的突出難題。

2)可直觀認(rèn)知的信息表達:呈現(xiàn)在作戰(zhàn)人員視野中的“增強”信息,事實上也很有可能成為令作戰(zhàn)人員分心[15]的“干擾”,尤其是當(dāng)呈現(xiàn)的信息與當(dāng)前任務(wù)無關(guān),或者難以理解時。因此,AR顯示器上呈現(xiàn)信息的內(nèi)容和方式,對作戰(zhàn)人員準(zhǔn)確理解極為重要。

一方面,如前文所述,已經(jīng)有部分研究對增強現(xiàn)實圖形符號表達的深度感知[33-34]、認(rèn)知負(fù)擔(dān)[35]等問題進行了研究,但仍處于初步階段。如圖14所示,在城市擁擠、狹窄的環(huán)境里,分隊作戰(zhàn)人員很容易身處受遮擋的“孤立”空間中,如何讓作戰(zhàn)人員直觀認(rèn)知受多層遮擋的對象的表達方法[36-37]仍是實戰(zhàn)中面臨的、需要深入研究的問題。

圖14 在AR中對受多層遮擋的目標(biāo)信息進行表達

另一方面,作戰(zhàn)環(huán)境不同于普通環(huán)境,作戰(zhàn)人員也比非戰(zhàn)時承受更大的壓力和負(fù)擔(dān),如何根據(jù)當(dāng)前的作戰(zhàn)環(huán)境與作戰(zhàn)人員的狀態(tài)、任務(wù)、角色等因素,為其“量身定制”信息及其表達方法,也是亟須克服的難題。

3)魯棒便捷的交互方式:增強現(xiàn)實系統(tǒng)對處于危險前沿的作戰(zhàn)人員的一項重要輔助作用是可以幫助其“解放”雙手而不放下手中武器,同時保持自然的“平視”戰(zhàn)場態(tài)勢感知。但目前,AR系統(tǒng)可能可用的交互方式包括鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏、手勢、語音、眼動注視等[38],前三種交互方式需要用戶直接抓取或者觸摸特定的交互設(shè)備;眼動注視[39]則容易分散士兵觀察、搜索戰(zhàn)場的注意力,而語音[4]、手勢[40]等交互方式在城市作戰(zhàn)嘈雜的干擾下,或是在昏暗或照明有限的室內(nèi)、地下環(huán)境中,魯棒性難以保證[6]。

因此,根據(jù)特定的作戰(zhàn)場景和應(yīng)用模式,綜合運用多種交互方式,為作戰(zhàn)人員提供穩(wěn)定、便捷的交互能力以完成多種人機交互任務(wù),仍是需要深入研究的問題。面向作戰(zhàn)應(yīng)用的AR系統(tǒng),必須要實現(xiàn)符合作戰(zhàn)人員行為習(xí)慣和戰(zhàn)斗狀態(tài)需要的交互方式,才能最大限度地發(fā)揮增強現(xiàn)實系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

5 結(jié)束語

總體而言,增強現(xiàn)實技術(shù)在城市分隊作戰(zhàn)行動中具有廣闊應(yīng)用前景,能夠為分隊作戰(zhàn)帶來重大的效應(yīng)。目前,美軍在相關(guān)技術(shù)與裝備領(lǐng)域已取得了長足的進步,逐漸向?qū)嵱没l(fā)展;相比較而言,國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展需要加速。

盡管目前增強現(xiàn)實技術(shù)與裝備不成熟,在強調(diào)技術(shù)可靠性的軍事行動當(dāng)中其“有用性”、“可用性”、“干擾性”仍存在一定質(zhì)疑,但隨著眾多技術(shù)的不斷發(fā)展與集成,未來成熟、實用的AR系統(tǒng)令人期待。