姚靜趙裴楊娜劉永強(qiáng)

基于時(shí)空信息的單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚靜1，2，趙裴1，2，楊娜1，劉永強(qiáng)1

（1.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710061）

針對作戰(zhàn)人員身臨其境模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練過程的迫切需求，以AR/VR為支撐，研究基于時(shí)空信息的單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練體系?；谔摂M戰(zhàn)場環(huán)境的三維建模、高效渲染和可視化以及多感官交互等關(guān)鍵技術(shù)的研究，搭建全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)框架。完成自然人機(jī)交互的時(shí)空信息全息圖模擬演示，實(shí)現(xiàn)單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練的目的。

AR/VR；戰(zhàn)場環(huán)境；全息圖；三維建模

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 時(shí)空信息應(yīng)用

中國時(shí)空信息應(yīng)用系統(tǒng)在衛(wèi)星平臺、有效載荷、運(yùn)載火箭、反衛(wèi)星武器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面具備了一定的能力和技術(shù)基礎(chǔ)，能夠進(jìn)行航天偵察、預(yù)警探測、測繪地理、氣象水文、導(dǎo)航時(shí)頻、通信中繼等各類信息的獲取以及資源整合，除應(yīng)用于國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋、環(huán)保、氣象、水利、減災(zāi)等領(lǐng)域外，在軍用領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1.2 VR/AR技術(shù)應(yīng)用

1968年美國麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺采用陰極射線管的光學(xué)透明頭戴式顯示器[2]，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本思想產(chǎn)生和理論發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，標(biāo)志著VR思想和技術(shù)的萌芽。2015-06美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在弗吉尼亞州展示了一種能夠模擬戰(zhàn)場環(huán)境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡[2]，并將其接入到了名為“增強(qiáng)沉浸式團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練器”的大型訓(xùn)練系統(tǒng)當(dāng)中，標(biāo)志著VR/AR技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段。2017-05戛納電影節(jié)上，7 min的VR電影《血與沙》展示了未來電影的一個(gè)雛形，也標(biāo)志著VR技術(shù)應(yīng)用向民用擴(kuò)展。

VR/AR經(jīng)過多年的發(fā)展，各國研究者在跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)、交互技術(shù)等關(guān)鍵與支撐技術(shù)上不斷取得突破[2]，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件計(jì)算能力的提高，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，VR/AR技術(shù)已經(jīng)逐步從實(shí)驗(yàn)室理論研究階段開始轉(zhuǎn)入大眾與行業(yè)應(yīng)用階段，為人們提供了認(rèn)知與體驗(yàn)周圍事物的全新方式，被眾多知名機(jī)構(gòu)預(yù)測為未來最有前景的技術(shù)之一。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

接收航天偵察、預(yù)警探測、導(dǎo)航時(shí)頻、測繪地理、氣象水文、通信中繼等各類時(shí)空信息以及其他戰(zhàn)場環(huán)境信息，以滿足大場景、可視化、人機(jī)交互的軍事模擬訓(xùn)練仿真為目標(biāo)，基于VR/AR技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)單兵作戰(zhàn)訓(xùn)練全方位的一體化模擬，從整體上提高部隊(duì)綜合作戰(zhàn)能力和指揮決策能力。

2.2 總體設(shè)計(jì)

基于時(shí)空信息的全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺為支撐，構(gòu)建面向單兵作戰(zhàn)訓(xùn)練業(yè)務(wù)的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從戰(zhàn)場環(huán)境到武器運(yùn)用、從指揮機(jī)構(gòu)到單兵[3]，對部隊(duì)實(shí)施全方位的一體化模擬訓(xùn)練。系統(tǒng)中AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)采用C/S體系架構(gòu)，包括客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心三層架構(gòu)，VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)和VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)采用C端架構(gòu)，包括客戶端和數(shù)據(jù)中心。

以航天偵察、預(yù)警探測、通信中繼、測繪地理、氣象水文、導(dǎo)航時(shí)頻等時(shí)空信息為基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理后存入數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心包括用于系統(tǒng)場景搭建和業(yè)務(wù)邏輯的模型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)和VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)均以客戶端為重點(diǎn)內(nèi)容，VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在VR場景中讓受訓(xùn)人員以自然交互方式進(jìn)行模擬射擊練習(xí)，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(biāo)射擊練習(xí)等內(nèi)容，VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)允許受訓(xùn)人員以自然交互方式進(jìn)行武器的選擇、360°視角的武器瀏覽，以及在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行武器的分步驟拆解和武器部件的分步驟組裝等訓(xùn)練內(nèi)容。AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的服務(wù)端是整個(gè)AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的中心，一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)訪問，另一方面負(fù)責(zé)客戶端的連接、數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)同步，并對客戶端進(jìn)行場景設(shè)置、天氣設(shè)置、任務(wù)發(fā)送等控制。

AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的客戶端是整個(gè)AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的重點(diǎn)部分，受訓(xùn)人員通過佩戴安裝客戶端的Hololens，與服務(wù)端建立連接，以全息圖方式顯示服務(wù)端設(shè)置的場景，帶給受訓(xùn)人員身臨其境的體驗(yàn)；受訓(xùn)人員通過凝視、手勢、語音等自然交互進(jìn)行操作，包括量測、標(biāo)繪、信息查看、消息發(fā)送、射擊目標(biāo)等。

2.3 單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練體系設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)模擬的前提是要創(chuàng)造一個(gè)貼近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練環(huán)境，使受訓(xùn)者能夠依托此環(huán)境開展貼近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練，營造接近實(shí)戰(zhàn)的真實(shí)效果。在虛擬作戰(zhàn)過程中，將傳感器加載到單兵實(shí)體上，訓(xùn)練人員按照實(shí)戰(zhàn)需求選擇戰(zhàn)場環(huán)境，采取相應(yīng)的處置方法，體驗(yàn)各種戰(zhàn)場效果，使各類受訓(xùn)用戶的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)、指揮水平、應(yīng)變能力和心理承受能力得到大力的提升。

單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練體系由單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練理論和單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成。其中，單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練理論包括組訓(xùn)和受訓(xùn)兩部分。組訓(xùn)即組織實(shí)施訓(xùn)練，主要內(nèi)容包括訓(xùn)練內(nèi)容設(shè)計(jì)、訓(xùn)練計(jì)劃制訂、訓(xùn)練過程控制、訓(xùn)練情節(jié)導(dǎo)調(diào)，以及訓(xùn)練保障；受訓(xùn)即接受訓(xùn)練安排，完成訓(xùn)練任務(wù)。單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)就是受訓(xùn)人員通過日?？颇坑?xùn)練，在模擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)爭場景下執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的軟件系統(tǒng)。

2.4 單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練過程

單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練過程可以簡單描述為組訓(xùn)者按照實(shí)戰(zhàn)需求設(shè)計(jì)訓(xùn)練內(nèi)容、制定訓(xùn)練計(jì)劃、構(gòu)設(shè)訓(xùn)練所需場景和作戰(zhàn)條件，受訓(xùn)者通過傳感器設(shè)備接收相關(guān)信息，進(jìn)行對應(yīng)作戰(zhàn)訓(xùn)練或行動，包括決策、指揮以及行動等三個(gè)環(huán)節(jié)。作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)連續(xù)接收受訓(xùn)者發(fā)出的相關(guān)指令信息，并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行狀態(tài)更新，同時(shí)將對應(yīng)任務(wù)執(zhí)行結(jié)果顯示反饋至受訓(xùn)者。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境三維建模技術(shù)

要構(gòu)建虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，需要對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行三維建模，三維模型數(shù)量以及精度可直接影響用戶體驗(yàn)。

通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)聯(lián)合自動空中三角測量技術(shù)，構(gòu)建聯(lián)合空三方案，快速確定多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的外方位元素。采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)密集點(diǎn)匹配技術(shù)，從多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中快速恢復(fù)出真實(shí)、精致的目標(biāo)區(qū)三維模型。最終通過密集點(diǎn)云三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)與優(yōu)化技術(shù)的研究，生成可以實(shí)時(shí)交互的、基于過渡帶層次細(xì)節(jié)（LOD）的真三維場景模型。

2.5.2 三維環(huán)境高效渲染可視化和特效技術(shù)

基于戰(zhàn)場環(huán)境三維模型，對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)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(shí)戰(zhàn)場環(huán)境，為用戶提供逼真的作戰(zhàn)場景。

采用基于過渡帶層次細(xì)節(jié)的三維場景高效可視化渲染技術(shù)劃分不同精度模塊，繪制過渡區(qū)域三角形面片，建立動態(tài)索引關(guān)系，分區(qū)域進(jìn)行渲染，并通過大幅地形數(shù)據(jù)的特殊處理和實(shí)時(shí)動態(tài)顯示的加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)動態(tài)地形顯示。采用模擬和聲環(huán)境特效，對作戰(zhàn)特效（如爆炸、子彈尾跡等）、環(huán)境特效（風(fēng)、雨、雪等）進(jìn)行模擬，在為用戶提供一個(gè)比較好的虛擬戰(zhàn)場場景的基礎(chǔ)上，增加其真實(shí)感，使用戶產(chǎn)生較強(qiáng)的沉浸感。

2.5.3 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境多感官交互技術(shù)

要使受訓(xùn)人員具有沉浸感，需要通過多感官交互技術(shù)使受訓(xùn)人員與戰(zhàn)場環(huán)境之間存在交互反饋，主要是以多傳感器組合的形式進(jìn)行表現(xiàn)。

利用多感官通道的信息融合判斷輸入信息可靠性，并依據(jù)不同因素可靠性確定各感官權(quán)重分配，之后對多感官信息進(jìn)行融合，向用戶展示虛擬現(xiàn)實(shí)圖形、動態(tài)場景以及方位聲音。在信息輸出過程中需要注意時(shí)空協(xié)同，主要體現(xiàn)在：同一交互任務(wù)其交互反饋在時(shí)間上需要保持一致，不同交互任務(wù)參與完成的關(guān)聯(lián)反饋在時(shí)間上需要保持一致。

2.6 單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

2.6.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練體系和訓(xùn)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于時(shí)空信息的全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

硬件支撐層：主要包括受訓(xùn)人員配備的可穿戴式設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)器、多源傳感器、存儲設(shè)備、多感官交互設(shè)備等，為受訓(xùn)人員完成模擬訓(xùn)練提供硬件支撐。

數(shù)據(jù)層：主要包括屬性數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及雷達(dá)、衛(wèi)星等其他數(shù)據(jù)，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層：根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境建模及單兵訓(xùn)練等特殊要求，提供數(shù)據(jù)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(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練、射擊訓(xùn)練和武器操作訓(xùn)練等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。

用戶層：主要包括受訓(xùn)人員、指揮人員以及上級領(lǐng)導(dǎo)等其他系統(tǒng)用戶。

2.6.2 系統(tǒng)組成

基于時(shí)空信息的全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)主要包括VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)、VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)和AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)三個(gè)部分，系統(tǒng)組成如圖2所示。

2.6.2.1 VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)

VR武器操作訓(xùn)練子系統(tǒng)通過高性能圖形工作站渲染一個(gè)360°的全景武器操作訓(xùn)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(xiàn)實(shí)頭盔顯示設(shè)備，在配套的空間基站定位器下，受訓(xùn)人員利用頭盔顯示設(shè)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(shè)備進(jìn)行武器的拆解或武器的組裝練習(xí)。

擬采用基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建360°武器操作練習(xí)場景，主要完成武器的選擇、瀏覽、拆卸、組裝、計(jì)時(shí)設(shè)置、考核評價(jià)以及結(jié)果統(tǒng)計(jì)等功能，適用于機(jī)械化步兵單兵進(jìn)行日常的武器操作訓(xùn)練。

圖2 單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成

2.6.2.2 VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)

VR射擊訓(xùn)練子系統(tǒng)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(xiàn)實(shí)頭盔顯示設(shè)備，在配套的空間基站定位器下，受訓(xùn)人員利用頭盔顯示設(shè)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(shè)備進(jìn)行場景操作或進(jìn)行射擊訓(xùn)練。擬采用基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建360°全景射擊場景，射擊場景分為城市區(qū)域或荒漠區(qū)域的靜態(tài)靶向目標(biāo)射擊或動態(tài)靶向目標(biāo)射擊，適用于機(jī)械化步兵單兵進(jìn)行日常的射擊訓(xùn)練。

2.6.2.3 AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)由指揮中心（服務(wù)端）和可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（客戶端）組成，擬采用基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建全息戰(zhàn)場場景，場景占地最大范圍約36 m2，分為城市巷戰(zhàn)區(qū)域或荒漠野戰(zhàn)區(qū)域，主要完成模式設(shè)置、場景選擇、武器選擇、子彈裝填、目標(biāo)射擊、考核評價(jià)以及結(jié)果統(tǒng)計(jì)等功能，適用于機(jī)械化步兵單兵進(jìn)行環(huán)境或心態(tài)的實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練。

指揮中心是AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的服務(wù)端，主要實(shí)現(xiàn)對客戶端的場景設(shè)置、任務(wù)規(guī)劃制定、任務(wù)下達(dá)、實(shí)時(shí)查看作戰(zhàn)環(huán)境及戰(zhàn)況、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)推送等功能，同時(shí)指揮中心也支持多人協(xié)同作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真功能。

可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為AR實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)的客戶端，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可穿戴式設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)自然人機(jī)交互的全息圖應(yīng)用系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)與指揮中心的連接、通信、位置同步、量測、標(biāo)繪、信息查看和射擊目標(biāo)等功能。

3 成果展示

拆卸教學(xué)：受訓(xùn)人員可以通過無線操控器進(jìn)行武器的分步驟拆解，詳細(xì)了解構(gòu)成武器的各部件形狀、尺寸等結(jié)構(gòu)。

武器學(xué)習(xí)：訓(xùn)練系統(tǒng)提供手槍、自動步槍、沖鋒槍、機(jī)槍等多種型號的步兵輕武器信息，受訓(xùn)人員可以根據(jù)需要進(jìn)行學(xué)習(xí)。

實(shí)戰(zhàn)射擊：系統(tǒng)提供多種模擬實(shí)戰(zhàn)場景，受訓(xùn)人員可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇訓(xùn)練。

考核評價(jià)：根據(jù)受訓(xùn)人員的射擊環(huán)數(shù)和訓(xùn)練任務(wù)的評價(jià)指標(biāo)或者完成武器拆解或武器組裝的計(jì)時(shí)和結(jié)果，訓(xùn)練系統(tǒng)提供即時(shí)的受訓(xùn)人員考核顯示功能。

4 結(jié)論

本課題結(jié)合機(jī)械化步兵單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練相關(guān)理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于時(shí)空信息的全息單兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，能夠通過可穿戴式頭盔顯示設(shè)備為受訓(xùn)人員提供面向真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境的武器組裝、武器學(xué)習(xí)、子彈裝填、目標(biāo)射擊、場景設(shè)置、考核評價(jià)、量測、標(biāo)繪等功能，可以為單兵提供武器操作訓(xùn)練、靶場射擊訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)模擬訓(xùn)練，為部隊(duì)實(shí)施全方位的一體化模擬訓(xùn)練提供技術(shù)支撐，能夠從整體上提高部隊(duì)綜合作戰(zhàn)能力和指揮決策能力。

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

［2］吳勤.顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)［J］.軍事文摘，2015（17）：43-46.

［3］駱書陽.VR技術(shù)的軍事化運(yùn)用淺探［J］.電腦知識與技術(shù)，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?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕