李 強，趙文彬，莫新民，張 昂

（西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種借助運用計算機生成、以模仿真實立體三維環(huán)境而創(chuàng)建仿真虛擬環(huán)境的人機交互接口，綜合了智能穿戴、圖形圖像、仿真模擬等多種新興技術(shù)，將現(xiàn)實空間中的實物信息映射到計算機的虛擬環(huán)境中生成相應(yīng)的數(shù)字模型，并通過視、聽、觸等感知行為使用戶沉浸其中，從而實現(xiàn)用戶與之直接實時的自然交互，產(chǎn)生一種全新的認識世界和探索世界的方法。在該技術(shù)條件下，用戶通過借助專用的交互設(shè)備，即可以按照自己的主觀意愿驅(qū)動虛擬環(huán)境，并與環(huán)境中的對象進行交互，達到一種虛物實化、身臨其境的效果體驗，可用于進行一些現(xiàn)實世界中難以完成或根本無法完成的科學(xué)技術(shù)活動[1-2]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性3個顯著特征。

（1）沉浸性。沉浸性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心，用于評價虛擬環(huán)境仿真還原真實世界的逼真程度，可以通過視覺沉浸、聽覺沉浸、嗅覺沉浸、觸覺沉浸及身體知覺沉浸等多方面感受到模擬環(huán)境中的真實感受。

（2）交互性。交互性是用戶通過借助各種專用的三維交互設(shè)備（如可穿戴設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等），對虛擬環(huán)境中的對象進行操作并得到與之對應(yīng)的操作反饋的擬真程度。

（3）構(gòu)想性。構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的目的，通過借助人工搭建的虛擬世界中產(chǎn)生的各種刺激，使用戶能快速獲取到感性或理性的認識，發(fā)散思維，獲得意想不到的新思路。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在武器裝備上的應(yīng)用

1.1 虛擬樣機

在武器裝備研制開發(fā)的各個階段，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的三維模型，設(shè)計師可以輕松地介入到系統(tǒng)建模和仿真實驗的每個過程，在物理樣機進行實驗之前，即可借助各種虛擬環(huán)境對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問題進行模擬研究，檢驗武器系統(tǒng)的設(shè)計方案和各項戰(zhàn)技性能指標(biāo)，由此可以利用最少的資源進行大量反復(fù)的實驗，大大縮短了武器裝備的研制周期，提高工作效率，降低實驗成本[3]，同時，還可減少在物理樣機實驗中可能出現(xiàn)的意外風(fēng)險，并能對武器系統(tǒng)的各項指標(biāo)進行合理評估，極大地方便了研制工作的推進。

1.2 模擬訓(xùn)練

1.2.1 操作訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以打破實踐操作中對時間和空間的限制，克服實際操作中武器裝備數(shù)量少、性能不穩(wěn)定、高風(fēng)險性等短板，使參與者通過人在回路或操作傳感裝置等方式做出或選擇相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)動作，達到在虛擬環(huán)境中沉浸式地實現(xiàn)對真實裝備實戰(zhàn)訓(xùn)練的目的，不僅便于論證武器裝備的操作性、人機工效、可靠性等性能指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計的不足之處，而且在增強士兵戰(zhàn)斗力、提升實戰(zhàn)化條件下的心理素質(zhì)、緊急情況下作出快速反應(yīng)等方面起到了關(guān)鍵作用。例如，某國在某戰(zhàn)斗機的單兵模擬訓(xùn)練中引進虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬傘降（圖1）。

圖1 飛行員模擬傘降

1.2.2 診斷維修

診斷維修充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造的全景式立體訓(xùn)練環(huán)境，在計算機生成的包含有維修仿真對象的虛擬場景中，通過人機交互來仿真整個維修過程，大到各類艦艇的發(fā)動機，小到納米級武器芯片，都能實時展示維修中的各種操作，如飛機零部件的拆裝和檢修等動作（圖2），從而向參與者提供全面直觀的診斷維修過程，極大方便了相關(guān)人員的培訓(xùn)，尤其適用于各類復(fù)雜裝備系統(tǒng)和價格昂貴的設(shè)備維修中，可以迅速提高人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和工作能力，減少事故發(fā)生[4-5]。

圖2 飛機零部件的拆裝和檢修

1.3 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將重要的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，如戰(zhàn)場地形、戰(zhàn)場場景、戰(zhàn)場武器裝備等進行處理，還原真實的立體戰(zhàn)場環(huán)境[6-7]，如圖3所示。在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中對所論證的武器裝備的各項性能進行反復(fù)模擬，將無形的作戰(zhàn)能力可視化，仿真武器裝備在作戰(zhàn)環(huán)境下的各項功能和性能數(shù)據(jù)，重復(fù)、安全、便捷，可以佐證樣機的研制開發(fā)，用于增強各項戰(zhàn)技指標(biāo)的可靠性和可信性，提高裝備論證的科學(xué)性，同時也可以為未來列裝部隊后的使用提供輔助決策和參考數(shù)據(jù)。

1.4 遠程技術(shù)保障

現(xiàn)代武器裝備發(fā)展的日趨復(fù)雜使得對專家團隊開展技術(shù)保障的迫切需求進一步加大，部隊對裝備技術(shù)的依賴性日益增加。能否對裝備故障進行及時快速的診斷并排除，對于保障武器裝備的戰(zhàn)斗力來說是非常重要的，因此，組織及時可靠的裝備技術(shù)保障勢在必行。傳統(tǒng)的技術(shù)保障工作往往是裝備發(fā)生故障后，由工程技術(shù)人員到現(xiàn)場處理，這種保障形式的信息化程度低，而且受時空限制，費時費力，很難做到高效及時，降低了裝備的保障能力和戰(zhàn)備完好性[8]。

通過在遠程技術(shù)保障中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以使前方維修人員和后方技術(shù)專家建立聯(lián)系，在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)和仿真武器裝備存在的故障問題，幫助后方技術(shù)人員進行輔助定位并制定相應(yīng)的維修方案，同時將零件拆裝等維修信息的虛擬演示場景傳送給前方，便于前方準確及時地獲得技術(shù)指導(dǎo)，進行診斷維修。

圖3 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境

2 實例分析

本文以遠程技術(shù)保障為例，說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)在武器裝備上的應(yīng)用。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行遠程技術(shù)保障，通過異地和同步的交流活動，彌補傳統(tǒng)維修方式的不足，使技術(shù)專家實現(xiàn)對故障現(xiàn)象進行遠程協(xié)同診斷，提高武器裝備維修的效率。

2.1 遠程技術(shù)保障平臺的框架

武器裝備的技術(shù)保障涉及的技術(shù)領(lǐng)域眾多，在平臺搭建過程中需要將這些技術(shù)層次進行梳理調(diào)整，進而便于實施統(tǒng)一有效的遠程信息支持。遠程技術(shù)保障平臺的框架劃分為用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)支持層、專家層等4個層面，其功能原理如圖4所示。從圖中可以看出，應(yīng)用層是整個遠程技術(shù)保障平臺的核心，遠程保障并發(fā)控制部分主要提供了虛擬現(xiàn)實所需的仿真環(huán)境，保證了場景環(huán)境的真實感和沉浸感；遠程保障信息支持部分包含了維修對象的基本信息、拆裝序列和故障排除方法；數(shù)據(jù)共享緩存區(qū)是后方技術(shù)專家和前方維修人員進行信息溝通交流的數(shù)據(jù)存儲區(qū)[9]。

圖4 遠程技術(shù)保障平臺框架圖

數(shù)據(jù)支持層是技術(shù)專家調(diào)用各種故障數(shù)據(jù)、部件模型和診斷信息，并對用戶層的技術(shù)問題進行診斷排除的區(qū)域，它包含了武器裝備最完整的技術(shù)數(shù)據(jù)信息。

在用戶層中，專家的反饋方案已經(jīng)借助虛擬環(huán)境中的3D模型和特效完整直觀的展示出來，如零件的拆裝運動、設(shè)備的運轉(zhuǎn)效果等，方便前方維修人員進行參照維修[10]。

2.2 遠程技術(shù)保障平臺的功能模塊劃分

如圖5所示，為了直觀地展現(xiàn)遠程技術(shù)保障平臺，便于前方維修人員和后方技術(shù)專家的操作控制，將平臺劃分為以下幾個模塊：虛擬視景顯示模塊，圖形用戶界面模塊，用戶操作事件驅(qū)動模塊及維修操作控制模塊。

圖5 遠程技術(shù)保障平臺的功能模塊

（1）虛擬視景顯示模塊：虛擬視景能形象地描述出仿真環(huán)境下的動態(tài)維修過程，并在3D場景和聲音特效下提供某些具體的場景特效或?qū)收犀F(xiàn)象進行提示，如滴水、漏油的聲響等。

（2）用戶圖形界面模塊：用戶和計算機交互的接口，是計算機對用戶操作最直觀的信息反饋。

（3）用戶事件驅(qū)動模塊：對用戶的輸入動作進行響應(yīng)，如視角切換、鼠標(biāo)控制等。

（4）維修操作控制模塊：在專家給出技術(shù)保障路線后，平臺可以根據(jù)給出的部件工藝數(shù)據(jù)、拆裝序列及維修數(shù)據(jù)等及時進行識別、判定和引導(dǎo)，以協(xié)助用戶在任何一步操作完成后，系統(tǒng)能給出該維修過程進行到哪一步、當(dāng)前操作是否正確、下一步該如何操作[11]。

3 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在武器裝備研制等軍事化領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，其應(yīng)用價值和潛力不可估量[12]。未來裝備系統(tǒng)的科技含量和綜合性越來越強，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于虛擬樣機、模擬訓(xùn)練、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和遠程技術(shù)保障等方面，不僅可以減少武器裝備的研制周期，節(jié)約成本，還可以對裝備的各項指標(biāo)進行重復(fù)的模擬仿真。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于武器裝備的研制過程中，可以在一定程度上提高武器裝備的現(xiàn)代化水平，錘煉信息化高技術(shù)的戰(zhàn)爭能力。