青出于藍而勝于藍的虛擬現(xiàn)實技術(shù)
“虛擬現(xiàn)實”(VR-Virtual Reality)是利用計算機生成一種模擬環(huán)境(如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等),通過多種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中,實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接的自然交互。這個提法是在上個世紀80年代出現(xiàn)的,但對它的研究可追溯到上世紀60年代。當時以美國國家航空航天局(NASA)為首,致力于把VR技術(shù)用于各種武器系統(tǒng)操作人員,特別是飛機駕駛員和宇航員的模擬訓(xùn)練,以減少實戰(zhàn)中的人員、物資損失并節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費。
VR技術(shù)與我們熟知的計算機仿真技術(shù)的關(guān)系可以概括成是“青出于藍而勝于藍”。計算機仿真是一門利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學(xué)試驗的技術(shù)。從模擬實際環(huán)境這一特點看,計算機仿真技術(shù)與VR技術(shù)有著一定的相似性。二者之間的差異主要表現(xiàn)為兩點:首先是感知方面。計算機仿真技術(shù)原則上以視覺和聽覺為主要感知,很少用到其他感知(如觸覺、力覺等),用戶基本上是“旁觀者”,可視場景既不隨用戶的視點變化,用戶也沒有身臨其境之感,VR技術(shù)則不然。其次在交互性方面。計算機仿真一般不強調(diào)交互的實時性,而VR技術(shù)本質(zhì)上就是利用計算機產(chǎn)生一個讓人以自然的視、聽、嗅、觸等功能感覺到的三維空間環(huán)境,從而讓用戶以習(xí)慣的能力和方法,對這個生成的“客觀世界”進行觀察、分析、操作和控制,最終沉浸其中。在硬件上,實現(xiàn)較理想的VR系統(tǒng)需要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套/數(shù)據(jù)服、高性能計算機等。軟件方面,主要包括輸入處理、仿真引擎、聲音處理、虛擬世界的渲染、觸覺與反饋力的處理等軟件。
概括說來,VR技術(shù)源于仿真技術(shù),又是一種更高級、更先進的計算機仿真技術(shù)。
眾多領(lǐng)域VR技術(shù)大顯身手
世界上與VR技術(shù)有關(guān)的公司有100多家,所開發(fā)的VR系統(tǒng)已在軍事、航空航天、工程設(shè)計、教育培訓(xùn)、市場營銷、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域投入應(yīng)用,對減少損失、節(jié)約經(jīng)費、縮短產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大的作用。在不同領(lǐng)域,VR技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度相差很大,但從總體上來說,目前VR技術(shù)的應(yīng)用還僅處于初期的半實物功能仿真階段,其優(yōu)勢尚未完全體現(xiàn),所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種,無論是感知范圍還是感知精確度都尚未達到理想的狀態(tài)。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,VR技術(shù)已經(jīng)滲透進了軍事領(lǐng)域的許多方面,并開始發(fā)揮越來越大的作用。概括起來,其在軍事方面的應(yīng)用可歸結(jié)為以下方面:
虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的建立
通過相應(yīng)的三維戰(zhàn)場環(huán)境圖形圖像庫,包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等,為使用者創(chuàng)造一種險象環(huán)生、逼真的立體戰(zhàn)場環(huán)境,增強身臨其境之感,提高訓(xùn)練質(zhì)量。
單兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng)
士兵穿上數(shù)據(jù)服,戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套,通過操作傳感裝置選擇不
同的戰(zhàn)場背景,輸入不同的處置方案,體驗參加實戰(zhàn)的感覺,檢驗不同的作戰(zhàn)效果。這種訓(xùn)練方式可大大鍛煉和提高士兵的戰(zhàn)術(shù)水平、快速反應(yīng)能力和心理承受能力。
近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練
通過VR技術(shù)對近距離作戰(zhàn)(如城區(qū)軍事行動)進行建模和仿真,進行戰(zhàn)術(shù)理論和作戰(zhàn)計劃的檢驗,并預(yù)測軍事行動和作戰(zhàn)計劃的效果,還可評估武器系統(tǒng)的總體性能,啟發(fā)新的作戰(zhàn)思想。
實施軍兵種聯(lián)合演習(xí)
以當前的武器系統(tǒng)、配置、戰(zhàn)術(shù)和原則為基礎(chǔ),把陸軍、海軍、空軍、工兵等諸軍兵種的合成戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來,建立一個“虛擬戰(zhàn)場”,使參戰(zhàn)雙方共處其中。根據(jù)虛擬環(huán)境中的各種情況及其變化,實施“真實的”對抗演習(xí)。
輕武器領(lǐng)域,VR技術(shù)發(fā)展 方興未艾
與坦克、導(dǎo)彈、飛機等大型武器系統(tǒng)相比,輕武器顯得小巧玲瓏、高技術(shù)含量偏低,但卻是世界各國裝備數(shù)量最多的武器裝備。在輕武器領(lǐng)域,VR技術(shù)還未得到廣泛深入的應(yīng)用,其主要產(chǎn)品都集中于半實物仿真系統(tǒng)方面。
近年,VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出了方興未艾的發(fā)展趨勢。隨著VR 技術(shù)的完善及其與輕武器領(lǐng)域結(jié)合程度的加深,新型產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)的輕武器激光模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)將成為昨日黃花。如澳大利亞在1999年推出了一種據(jù)稱達到世界最新技術(shù)發(fā)展水平的輕武器激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng),可用于訓(xùn)練國防軍士兵的射擊技能和武器操作能力。這些設(shè)備可讓士兵練習(xí)使用各種裝有激光器的武器射擊計算機生成的目標,并應(yīng)付計算機所生成的場景。實踐證明,這是訓(xùn)練澳大利亞國防軍士兵操作使用輕武器的一種十分有效的方法。2004年初,以色列BVR系統(tǒng)公司獲得了一份價值260萬美元的合同,用以提供步兵多武器射擊模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種基于計算機的戰(zhàn)術(shù)和步兵作戰(zhàn)訓(xùn)練器,用于先進輕武器的訓(xùn)練,含有許多射擊站,這些射擊站可按步槍、機槍和迫擊炮進行分類。2004年5月,美國AIS公司與美國空軍空中作戰(zhàn)指揮部(ACC)簽訂了輕武器訓(xùn)練系統(tǒng)合同:AIS公司與庫比克防務(wù)應(yīng)用公司(庫比克公司的一個子公司)模擬系統(tǒng)分部合作,共同研制創(chuàng)新方案以滿足美國空軍的訓(xùn)練需求。這種被稱為“先進交戰(zhàn)技能訓(xùn)練器(EST 2000)”的系統(tǒng)將裝備美國空軍的15個不同ACC基地。這種訓(xùn)練器將取代現(xiàn)役的老式訓(xùn)練模擬器,大幅度提高美國空軍的訓(xùn)練能力,并使ACC能夠指導(dǎo)射擊技術(shù)和判定射擊技能。
目前,VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域應(yīng)用的大部分產(chǎn)品主要側(cè)重于單兵射擊訓(xùn)練或帶戰(zhàn)術(shù)背景的單兵射擊訓(xùn)練,也有一些產(chǎn)品可用于反恐、緊急救援等方面的仿真訓(xùn)練。不足之處主要
表現(xiàn)在如下兩個方面:
(1)VR技術(shù)與輕武器領(lǐng)域結(jié)合的程度有待繼續(xù)加深,應(yīng)充分利用VR技術(shù)的不斷進步,并結(jié)合輕武器自身的特點,深入挖掘潛力,真正體現(xiàn)VR技術(shù)的沉浸感、交互性、自主性等特點。
(2)應(yīng)拓寬VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,深入研究VR技術(shù)與槍械以外的其他輕武器(如自動榴彈發(fā)射器、手榴彈、彈射器等裝備)在研制和訓(xùn)練等方面相結(jié)合的可能性和可行性。這是VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域的研究空白,蘊涵著巨大的發(fā)展空間。
VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域應(yīng)用展望
輕武器一直是世界各國裝備量最大的武器。傳統(tǒng)意義上的輕武器性能單一、造價低廉、高技術(shù)含量低,但隨著步兵分隊作戰(zhàn)需求的不斷變化和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,對輕武器的性能要求也在不斷提高,輕武器開始向高新技術(shù)方向發(fā)展。這一發(fā)展趨勢將對輕武器的科研論證、研制開發(fā)和訓(xùn)練等方面產(chǎn)生巨大的影響。隨著輕武器裝備性能的不斷提升和高新技術(shù)的不斷應(yīng)用,VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域?qū)@得極大的發(fā)展。
VR技術(shù)將貫穿輕武器裝備的科研論證、工程研制和定型試驗全過程
利用VR技術(shù)進行大型復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計和評估論證等工作,已有很多成功的先例。目前,VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于槍械的射擊訓(xùn)練和作戰(zhàn)效能仿真方面,而在科研論證和工程研制等方面尚未得到應(yīng)用。隨著作戰(zhàn)需求的不斷豐富和技術(shù)的不斷進步,步兵分隊對輕武器的性能要求將越來越高。研制開發(fā)一種新型輕武器的周期將變得越來越長,耗資也呈不斷上升的趨勢,隨之而來的研制風(fēng)險也將加大。如果在輕武器裝備科研論證和工程研制的過程中融入 VR技術(shù),設(shè)計者便可方便地介入武器系統(tǒng)建模和仿真試驗的全過程,這將大大縮短輕武器系統(tǒng)的研制周期,節(jié)約科研經(jīng)費,并能對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行合理評估,使性能指標更接近實戰(zhàn)要求。此外,在輕武器系統(tǒng)研制過程中,VR技術(shù)還可為用戶提供先期技術(shù)演示,讓研制單位和用戶同時進入虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境中操作武器系統(tǒng),檢驗武器系統(tǒng)的設(shè)計方案、戰(zhàn)技指標及操作的合理性。
輕武器在申請設(shè)計定型之前,必須要在國家靶場進行相應(yīng)的技術(shù)性能指標考核試驗(如射擊精度、威力、可靠性等)。但受經(jīng)費和時間等條件的限制,有些考核科目(例如武器系統(tǒng)使用壽命的考核)常常無法真正完成。有效地將VR技術(shù)融入這一方面,實現(xiàn)對輕武器各種技術(shù)性能的真正考核,必將是VR技術(shù)在輕武器領(lǐng)域應(yīng)用的一大突破。
VR技術(shù)將開辟輕武器射擊訓(xùn)練的新局面
為了節(jié)約訓(xùn)練費用,保障訓(xùn)練安全,減輕對環(huán)境的污染,世界各國都非常重視武器訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的開發(fā)研制。近些年,計算機技術(shù)、激光技術(shù)、傳感器技術(shù)和VR技術(shù)有了飛速發(fā)展,為研制更加逼真的訓(xùn)練模擬系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
輕武器的裝備量最大,而日常的射擊操作訓(xùn)練受場地、經(jīng)費和裝備自身維護保養(yǎng)情況的限制較大。射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以安全、經(jīng)濟、可控、可多次重復(fù)、無風(fēng)險、不受氣候條件和場地空間限制,既能常規(guī)操作訓(xùn)練,又能培訓(xùn)處理各種事故的應(yīng)變能力以及高效率、高效益等獨特優(yōu)勢,深受各國軍方的高度重視。隨著VR技術(shù)與輕武器領(lǐng)域結(jié)合的不斷深入,輕武器射擊訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的開發(fā)將步入一個新的階段。
玩過“三角洲特種部隊”和“反恐精英”等戰(zhàn)術(shù)類游戲的人,可能對游戲中逼真的戰(zhàn)術(shù)場景模擬、實時的戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、各種武器裝備的“真實”使用等方面驚嘆萬分。而融入VR技術(shù)的未來輕武器射擊訓(xùn)練模擬系統(tǒng)與其相比,將有過之而無不及。這類系統(tǒng)的開發(fā),將大大提高士兵對武器的熟練程度,增強其戰(zhàn)場生存能力。