摘 要：針對單兵裝備在現(xiàn)實的戰(zhàn)場中缺少全方位的效能評估和系統(tǒng)化的驗證計算的實際情況，本文基于虛擬現(xiàn)實體驗，采用模塊化選擇裝備的方式，以一種在虛擬現(xiàn)實中仿真模擬的方式，通過將傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理器、計算機(jī)圖形學(xué)等多個信息技術(shù)分支進(jìn)行融合，營造逼真的虛擬戰(zhàn)場，從而對單兵裝備的選擇進(jìn)行效能評估，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，從而提高整個部隊的戰(zhàn)斗力，為我國的軍事化發(fā)展領(lǐng)域提供一種新的計算方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實體驗；單兵裝備；效能評估；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，世界上很多國家為了搶占“先機(jī)”以應(yīng)對軍事戰(zhàn)爭，都在研究制定單兵作戰(zhàn)裝備的發(fā)展計劃，搶占軍事高科技的制高點。

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

過去人們只能通過鼠標(biāo)、鍵盤、計算機(jī)等獲得單維數(shù)字化信息去加深對事物的認(rèn)知，現(xiàn)在人們能夠通過多種傳感器、三維化信息技術(shù)沉浸在計算機(jī)營造的虛擬環(huán)境中，從而便捷體驗新的事物。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對多個研究領(lǐng)域起到了一定的影響作用，因此利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在突發(fā)的戰(zhàn)場環(huán)境下，對單兵裝備進(jìn)行效能評估，選擇最佳作戰(zhàn)裝備比傳統(tǒng)方式更為有效。

1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題

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

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將光、電、聲、像等物理手段結(jié)合起來，充分展示未來聯(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)場景能夠創(chuàng)造逼真的戰(zhàn)場地形，可營造出一種更加接近真實戰(zhàn)場環(huán)境的氛圍，給予參加訓(xùn)練的戰(zhàn)士們以更加真實的體驗。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)優(yōu)化了各種戰(zhàn)場特效的設(shè)計。軍事專家認(rèn)為，現(xiàn)實的戰(zhàn)場中可能會有強(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、斷壁殘垣，大樓廢墟、人煙罕至的沙漠戈壁和地形復(fù)雜的巷子，戰(zhàn)場環(huán)境極其復(fù)雜，利用數(shù)字化計算機(jī)與現(xiàn)代化仿真模擬技術(shù)模擬這些場景和人員傷亡等情景，這些都可以使參加訓(xùn)練的人員能夠真實確切地感受到戰(zhàn)場上隨時可能出現(xiàn)的各種刺激因素給感官所帶來的各種沖擊體驗，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)的一個子系統(tǒng)，計算機(jī)系統(tǒng)生成的兵力模塊能提供一個真實的作戰(zhàn)氛圍，給參加測試的人員一種身臨其境的作戰(zhàn)體驗。系統(tǒng)作戰(zhàn)模塊建立并靈活設(shè)置虛擬的敵人，使測試訓(xùn)練的過程真正像實體作戰(zhàn)那樣“打”起來、“抗”起來，在無限接近實戰(zhàn)的對抗中運用策略和方案，分出勝負(fù)。

2 模塊化單兵裝備的配備過程

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國起步較晚，將其應(yīng)用到軍事領(lǐng)域是現(xiàn)代高科技的一項突破。在國內(nèi)，通常將基于虛擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)中心放于實體作戰(zhàn)設(shè)備如坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈上。然而在軍事戰(zhàn)爭演示中，通過對單兵裝備進(jìn)行模塊化劃分，并通過虛擬現(xiàn)實對裝備進(jìn)行綜合效能評估，整體采用現(xiàn)實加仿真的模擬手段，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)場系統(tǒng)作為平臺，以數(shù)字化、生物、物理設(shè)備為重要的測算設(shè)備，檢測單兵裝備在通過最佳模塊化選擇的狀態(tài)下最佳的效能評估，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)各個裝備之間的關(guān)系和技術(shù)指標(biāo)，而后檢驗此方案的技術(shù)指標(biāo)，最終達(dá)到對單兵最少的附著力，對敵人最大的殺傷力效果，在此期間要科學(xué)地評判裝備設(shè)計和系統(tǒng)負(fù)荷，有效地評估方案的合理性和可行性，系統(tǒng)設(shè)計整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個過程需建模和仿真并驗證全過程，虛擬現(xiàn)實技術(shù)既能加快單兵裝備的研制過程又能有效地評估其裝備的合理效能。根據(jù)單兵具有“高度集成化特點”來建立虛擬仿真系統(tǒng)，在虛擬設(shè)計平臺可對單兵戰(zhàn)士進(jìn)行合理的設(shè)計和技能管理。將士兵執(zhí)行任務(wù)時所需要的裝備（攜行、穿戴、藥物、作戰(zhàn)裝備）進(jìn)行合理劃分，簡稱個體防護(hù)裝備，設(shè)計數(shù)字化的裝備產(chǎn)品，以此來驗證在虛擬仿真的環(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)，對系統(tǒng)的各個分支系統(tǒng)和部件進(jìn)行全面的升級和管理，檢驗其是否合格，是否最佳，從而實現(xiàn)對整個裝備的最佳狀態(tài)進(jìn)行總體的評價。

通過對真實戰(zhàn)場進(jìn)行分析，如平原、山區(qū)、盆地等，虛擬現(xiàn)實技術(shù)會對真實場景進(jìn)行全真模擬，建立一種逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，包括不同地區(qū)的地理條件。對敵方的工作臺，敵方可能會突襲的地點，實施火力壓制，建立三維戰(zhàn)場模型并對其進(jìn)行隨機(jī)劃分，計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)隨機(jī)生成相應(yīng)的戰(zhàn)場，單兵通過數(shù)字化多媒體技術(shù)參與到逼真的、近似戰(zhàn)場的虛擬戰(zhàn)場中，營造親臨戰(zhàn)場的感覺。單兵融入到不同的戰(zhàn)場中，在面對敵方的襲擊時，要做出相應(yīng)的反應(yīng)，包括裝備的智能化選擇，采取不同的舉動來進(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)場環(huán)境中，并且對敵兵和我軍任務(wù)姿態(tài)進(jìn)行采集，記錄場景的模擬過程，并且將單兵對裝備的選擇和對各種狀況的應(yīng)對反應(yīng)等進(jìn)行同步的記錄，在這個模擬過程結(jié)束后重現(xiàn)整個過程，保存相關(guān)數(shù)據(jù)。以此作為判斷單兵在應(yīng)對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)實效能評估與設(shè)計裝備改進(jìn)

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以營造出任何危險狀況和突發(fā)事件，對其進(jìn)行仿真模擬，有利于對裝備進(jìn)行設(shè)計改造、升級，重點發(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。

美國是最早將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到單兵裝備設(shè)計中的國家，Natick士兵中心的設(shè)計小組根據(jù)各種設(shè)計和各類分析研究，針對未來戰(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。國內(nèi)要使士兵戰(zhàn)斗達(dá)到最佳狀態(tài)，必須對裝備進(jìn)行模塊化的劃分，如頭盔、穿著、隨身攜帶的武器等，對這些裝備進(jìn)行最佳地分配組合。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)選擇的最佳作戰(zhàn)武器，整個系統(tǒng)由一個主演示計算機(jī)組和對臺的參演計算機(jī)共同組成，主機(jī)和參機(jī)相互互動相應(yīng)，圖像工作站A處理人機(jī)交互接口，跑臺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)時肢體數(shù)據(jù)的對接，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。

參演計算機(jī)為從屬部分，在整個系統(tǒng)中執(zhí)行虛擬場景數(shù)據(jù)的接收，以及虛擬場景的同步顯示，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)初始化時需要與主機(jī)建立連接，在執(zhí)行參算數(shù)據(jù)時，該模塊負(fù)責(zé)人可通過鍵盤、鼠標(biāo)和系統(tǒng)直接達(dá)成交互互動，且與主機(jī)輸出數(shù)據(jù)保持一致。

4 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為軍事化中單兵作戰(zhàn)武器的效能評估提供了新的手段，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國發(fā)展迅速，作為未來檢測單兵裝備性能的必備科技，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合效能評估平臺能夠為戰(zhàn)士們選擇最佳裝備的搭配方式，激烈的虛擬戰(zhàn)場為驗證裝備的整體效能提供了可能，這將提高單兵的作戰(zhàn)能力和整體部隊的戰(zhàn)斗力。雖然還有很多技術(shù)問題還需要解決，但該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用場景，其必將對我國“未來戰(zhàn)士”的研究和實踐產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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