基于時空信息的單兵作戰模擬訓練系統設計

姚靜趙裴楊娜劉永強

基于時空信息的單兵作戰模擬訓練系統設計

姚靜1，2，趙裴1，2，楊娜1，劉永強1

（1.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安航天天繪數據技術有限公司，陜西 西安 710061）

針對作戰人員身臨其境模擬作戰訓練過程的迫切需求，以AR/VR為支撐，研究基于時空信息的單兵作戰模擬訓練體系。基于虛擬戰場環境的三維建模、高效渲染和可視化以及多感官交互等關鍵技術的研究，搭建全息單兵作戰模擬訓練仿真系統框架。完成自然人機交互的時空信息全息圖模擬演示，實現單兵作戰模擬訓練的目的。

AR/VR；戰場環境；全息圖；三維建模

1 國內外現狀

1.1 時空信息應用

中國時空信息應用系統在衛星平臺、有效載荷、運載火箭、反衛星武器和網絡技術等方面具備了一定的能力和技術基礎，能夠進行航天偵察、預警探測、測繪地理、氣象水文、導航時頻、通信中繼等各類信息的獲取以及資源整合，除應用于國土、林業、農業、海洋、環保、氣象、水利、減災等領域外，在軍用領域也得到了廣泛應用[1]。

1.2 VR/AR技術應用

1968年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺采用陰極射線管的光學透明頭戴式顯示器[2]，為虛擬現實技術的基本思想產生和理論發展奠定了基礎，標志著VR思想和技術的萌芽。2015-06美國海軍陸戰隊在弗吉尼亞州展示了一種能夠模擬戰場環境的增強現實眼鏡[2]，并將其接入到了名為“增強沉浸式團隊訓練器”的大型訓練系統當中，標志著VR/AR技術進入應用階段。2017-05戛納電影節上，7 min的VR電影《血與沙》展示了未來電影的一個雛形，也標志著VR技術應用向民用擴展。

VR/AR經過多年的發展，各國研究者在跟蹤技術、顯示技術、交互技術等關鍵與支撐技術上不斷取得突破[2]，其應用領域也在不斷擴展。當前，隨著計算機軟硬件計算能力的提高，以及物聯網、大數據等新一代信息技術的發展，VR/AR技術已經逐步從實驗室理論研究階段開始轉入大眾與行業應用階段，為人們提供了認知與體驗周圍事物的全新方式，被眾多知名機構預測為未來最有前景的技術之一。

2 方案設計

2.1 建設目標

接收航天偵察、預警探測、導航時頻、測繪地理、氣象水文、通信中繼等各類時空信息以及其他戰場環境信息，以滿足大場景、可視化、人機交互的軍事模擬訓練仿真為目標，基于VR/AR技術，研究三維建模、高效渲染、場景可視化及多感官交互方法等關鍵技術，設計全息單兵作戰模擬訓練仿真系統。實現單兵作戰訓練全方位的一體化模擬，從整體上提高部隊綜合作戰能力和指揮決策能力。

2.2 總體設計

基于時空信息的全息單兵作戰模擬訓練仿真系統以虛擬現實和增強現實平臺為支撐，構建面向單兵作戰訓練業務的人機交互系統，實現從戰場環境到武器運用、從指揮機構到單兵[3]，對部隊實施全方位的一體化模擬訓練。系統中AR實戰模擬訓練子系統采用C/S體系架構，包括客戶端、服務器、數據中心三層架構，VR射擊訓練子系統和VR武器操作訓練子系統采用C端架構，包括客戶端和數據中心。

以航天偵察、預警探測、通信中繼、測繪地理、氣象水文、導航時頻等時空信息為基礎，經過數據準備和處理后存入數據中心。數據中心包括用于系統場景搭建和業務邏輯的模型數據和屬性數據。

VR射擊訓練子系統和VR武器操作訓練子系統均以客戶端為重點內容，VR射擊訓練子系統負責在VR場景中讓受訓人員以自然交互方式進行模擬射擊練習，包括射擊模式的選擇、射擊場景的選擇、使用武器的選擇、子彈裝填的操作和目標射擊練習等內容，VR武器操作訓練子系統允許受訓人員以自然交互方式進行武器的選擇、360°視角的武器瀏覽，以及在規定時間內進行武器的分步驟拆解和武器部件的分步驟組裝等訓練內容。AR實戰模擬訓練子系統的服務端是整個AR實戰模擬訓練子系統的中心，一方面負責數據訪問，另一方面負責客戶端的連接、數據請求和數據同步，并對客戶端進行場景設置、天氣設置、任務發送等控制。

AR實戰模擬訓練子系統的客戶端是整個AR實戰模擬訓練子系統的重點部分，受訓人員通過佩戴安裝客戶端的Hololens，與服務端建立連接，以全息圖方式顯示服務端設置的場景，帶給受訓人員身臨其境的體驗；受訓人員通過凝視、手勢、語音等自然交互進行操作，包括量測、標繪、信息查看、消息發送、射擊目標等。

2.3 單兵作戰模擬訓練體系設計

作戰模擬的前提是要創造一個貼近實戰的訓練環境，使受訓者能夠依托此環境開展貼近實戰的訓練，營造接近實戰的真實效果。在虛擬作戰過程中，將傳感器加載到單兵實體上，訓練人員按照實戰需求選擇戰場環境，采取相應的處置方法，體驗各種戰場效果，使各類受訓用戶的戰術素養、指揮水平、應變能力和心理承受能力得到大力的提升。

單兵作戰模擬訓練體系由單兵作戰模擬訓練理論和單兵作戰模擬訓練系統組成。其中，單兵作戰模擬訓練理論包括組訓和受訓兩部分。組訓即組織實施訓練，主要內容包括訓練內容設計、訓練計劃制訂、訓練過程控制、訓練情節導調，以及訓練保障；受訓即接受訓練安排，完成訓練任務。單兵作戰模擬訓練系統就是受訓人員通過日常科目訓練，在模擬現實戰爭場景下執行作戰任務的軟件系統。

2.4 單兵作戰模擬訓練過程

單兵作戰模擬訓練過程可以簡單描述為組訓者按照實戰需求設計訓練內容、制定訓練計劃、構設訓練所需場景和作戰條件，受訓者通過傳感器設備接收相關信息，進行對應作戰訓練或行動，包括決策、指揮以及行動等三個環節。作戰模擬訓練系統連續接收受訓者發出的相關指令信息，并在虛擬環境中進行狀態更新，同時將對應任務執行結果顯示反饋至受訓者。

2.5 關鍵技術

2.5.1 虛擬戰場環境三維建模技術

要構建虛擬作戰環境，需要對戰場環境進行三維建模，三維模型數量以及精度可直接影響用戶體驗。

通過多源異構數據聯合自動空中三角測量技術，構建聯合空三方案，快速確定多源異構數據的外方位元素。采用多源異構數據密集點匹配技術，從多源異構數據中快速恢復出真實、精致的目標區三維模型。最終通過密集點云三角網構網與優化技術的研究，生成可以實時交互的、基于過渡帶層次細節（LOD）的真三維場景模型。

2.5.2 三維環境高效渲染可視化和特效技術

基于戰場環境三維模型，對戰場環境進行渲染，即通過光照、陰影、紋理等效果以及雨、雪、爆炸等特效展示，最大程度模擬真實戰場環境，為用戶提供逼真的作戰場景。

采用基于過渡帶層次細節的三維場景高效可視化渲染技術劃分不同精度模塊，繪制過渡區域三角形面片，建立動態索引關系，分區域進行渲染，并通過大幅地形數據的特殊處理和實時動態顯示的加速技術實現動態地形顯示。采用模擬和聲環境特效，對作戰特效（如爆炸、子彈尾跡等）、環境特效（風、雨、雪等）進行模擬，在為用戶提供一個比較好的虛擬戰場場景的基礎上，增加其真實感，使用戶產生較強的沉浸感。

2.5.3 虛擬戰場環境多感官交互技術

要使受訓人員具有沉浸感，需要通過多感官交互技術使受訓人員與戰場環境之間存在交互反饋，主要是以多傳感器組合的形式進行表現。

利用多感官通道的信息融合判斷輸入信息可靠性，并依據不同因素可靠性確定各感官權重分配，之后對多感官信息進行融合，向用戶展示虛擬現實圖形、動態場景以及方位聲音。在信息輸出過程中需要注意時空協同，主要體現在：同一交互任務其交互反饋在時間上需要保持一致，不同交互任務參與完成的關聯反饋在時間上需要保持一致。

2.6 單兵作戰模擬訓練系統

2.6.1 系統架構設計

基于單兵作戰模擬訓練體系和訓練過程的研究，在三維建模、高效渲染和場景可視化以及多感官交互等關鍵技術攻關基礎上，設計基于時空信息的全息單兵作戰模擬訓練仿真系統總體架構，如圖1所示。

圖1 系統總體架構

硬件支撐層：主要包括受訓人員配備的可穿戴式設備、數據服務器、多源傳感器、存儲設備、多感官交互設備等，為受訓人員完成模擬訓練提供硬件支撐。

數據層：主要包括屬性數據、基礎地理信息數據、三維場景數據、地物數據、三維模型數據以及雷達、衛星等其他數據，為應用層提供數據支撐。

應用層：根據戰場環境建模及單兵訓練等特殊要求，提供數據接入與處理、三維模型管理、三維場景編輯、場景操作、多感官交互、實戰模擬訓練、射擊訓練和武器操作訓練等業務應用功能。

用戶層：主要包括受訓人員、指揮人員以及上級領導等其他系統用戶。

2.6.2 系統組成

基于時空信息的全息單兵作戰模擬訓練仿真系統主要包括VR武器操作訓練子系統、VR射擊訓練子系統和AR實戰模擬訓練子系統三個部分，系統組成如圖2所示。

2.6.2.1 VR武器操作訓練子系統

VR武器操作訓練子系統通過高性能圖形工作站渲染一個360°的全景武器操作訓練場景，場景中包含各種型號的步兵武器，并將此場景輸出到穿戴式虛擬現實頭盔顯示設備，在配套的空間基站定位器下，受訓人員利用頭盔顯示設備帶有的頭部跟蹤器可以輕松瀏覽360°場景，并通過無線操控設備進行武器的拆解或武器的組裝練習。

擬采用基于多源異構數據的三維模型構建360°武器操作練習場景，主要完成武器的選擇、瀏覽、拆卸、組裝、計時設置、考核評價以及結果統計等功能，適用于機械化步兵單兵進行日常的武器操作訓練。

圖2 單兵作戰模擬訓練系統組成

2.6.2.2 VR射擊訓練子系統

VR射擊訓練子系統通過高性能圖形工作站渲染360°全景射擊場景，并將場景輸出到穿戴式虛擬現實頭盔顯示設備，在配套的空間基站定位器下，受訓人員利用頭盔顯示設備帶有的頭部跟蹤器可以輕松瀏覽360°射擊場景，并通過無線操控設備進行場景操作或進行射擊訓練。擬采用基于多源異構數據的三維模型構建360°全景射擊場景，射擊場景分為城市區域或荒漠區域的靜態靶向目標射擊或動態靶向目標射擊，適用于機械化步兵單兵進行日常的射擊訓練。

2.6.2.3 AR實戰模擬訓練子系統

AR實戰模擬訓練子系統由指揮中心（服務端）和可穿戴式增強現實計算機系統（客戶端）組成，擬采用基于多源異構數據的三維模型構建全息戰場場景，場景占地最大范圍約36 m2，分為城市巷戰區域或荒漠野戰區域，主要完成模式設置、場景選擇、武器選擇、子彈裝填、目標射擊、考核評價以及結果統計等功能，適用于機械化步兵單兵進行環境或心態的實戰模擬訓練。

指揮中心是AR實戰模擬訓練子系統的服務端，主要實現對客戶端的場景設置、任務規劃制定、任務下達、實時查看作戰環境及戰況、數據整合、數據推送等功能，同時指揮中心也支持多人協同作戰模擬訓練仿真功能。

可穿戴式增強現實計算機系統作為AR實戰模擬訓練子系統的客戶端，以增強現實可穿戴式設備為基礎，實現自然人機交互的全息圖應用系統，主要實現與指揮中心的連接、通信、位置同步、量測、標繪、信息查看和射擊目標等功能。

3 成果展示

拆卸教學：受訓人員可以通過無線操控器進行武器的分步驟拆解，詳細了解構成武器的各部件形狀、尺寸等結構。

武器學習：訓練系統提供手槍、自動步槍、沖鋒槍、機槍等多種型號的步兵輕武器信息，受訓人員可以根據需要進行學習。

實戰射擊：系統提供多種模擬實戰場景，受訓人員可以根據需要進行選擇訓練。

考核評價：根據受訓人員的射擊環數和訓練任務的評價指標或者完成武器拆解或武器組裝的計時和結果，訓練系統提供即時的受訓人員考核顯示功能。

4 結論

本課題結合機械化步兵單兵作戰模擬訓練相關理論基礎，設計基于時空信息的全息單兵作戰模擬訓練仿真系統，能夠通過可穿戴式頭盔顯示設備為受訓人員提供面向真實戰場環境的武器組裝、武器學習、子彈裝填、目標射擊、場景設置、考核評價、量測、標繪等功能，可以為單兵提供武器操作訓練、靶場射擊訓練和實戰模擬訓練，為部隊實施全方位的一體化模擬訓練提供技術支撐，能夠從整體上提高部隊綜合作戰能力和指揮決策能力。

［1］馬翀.美軍航天力量發展［J］.國防科技，2017，38（2）：94-101.

［2］吳勤.顛覆未來作戰的前沿技術系列之增強現實［J］.軍事文摘，2015（17）：43-46.

［3］駱書陽.VR技術的軍事化運用淺探［J］.電腦知識與技術，2016，12（20）：229-231.

2095－6835（2019）22－0047－03

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.013

姚靜（1989—），女，陜西興平人，碩士研究生，中級工程師，研究方向為虛擬現實/增強現實技術應用。

〔編輯：嚴麗琴〕