龍知洲，陳珺嫻，唐榮富，鄧寶松，馬 天*

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100010；2.軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071）

0 引言

士兵系統(tǒng)是指為士兵、尤其是徒步士兵研制的，包括武器、頭盔、防護(hù)服、電臺(tái)、計(jì)算機(jī)及有關(guān)軟件等在內(nèi)的一體化作戰(zhàn)系統(tǒng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)作為近年來(lái)蓬勃興起的顛覆性交互技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M信息和真實(shí)世界融合在一起，為用戶提供虛實(shí)融合的場(chǎng)景并實(shí)時(shí)進(jìn)行交互，在軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)能夠在不影響正常觀察、機(jī)動(dòng)、射擊等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的同時(shí)，在士兵眼前呈現(xiàn)出作戰(zhàn)所需的各類信息，進(jìn)而成倍提升士兵的感知力、殺傷力、機(jī)動(dòng)力和防護(hù)力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與士兵系統(tǒng)的有機(jī)融合，將顛覆未來(lái)士兵近距離作戰(zhàn)模式，極大增強(qiáng)未來(lái)士兵的訓(xùn)練與作戰(zhàn)效能，使其成為各國(guó)士兵系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概述

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概念與組成

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)又被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種新型計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互技術(shù)，它由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，使用者看到的場(chǎng)景和人物部分真實(shí)、部分虛擬，通過(guò)把虛擬的信息帶入真實(shí)的世界中，達(dá)到能超越現(xiàn)實(shí)的感覺(jué)，創(chuàng)造出一種新的觀察世界、與世界交互的技術(shù)手段。該技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤與注冊(cè)、場(chǎng)景融合等技術(shù)和手段，自誕生以來(lái)，被廣泛認(rèn)為是最有可能成為繼移動(dòng)手機(jī)之后的下一代計(jì)算平臺(tái)，對(duì)生產(chǎn)方式和社會(huì)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，備受各國(guó)政府和企業(yè)的關(guān)注。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般由視頻采集設(shè)備、頭戴式顯示器、跟蹤系統(tǒng)和移動(dòng)計(jì)算處理單元4 部分組成，視頻采集設(shè)備如攝像頭等，負(fù)責(zé)獲取真實(shí)環(huán)境中的各種信息；頭戴式顯示器如智能眼鏡等，通過(guò)感應(yīng)人們眼部活動(dòng)、肢體動(dòng)作或?qū)嶋H按鈕操作來(lái)接受指令，呈現(xiàn)所需圖像；跟蹤系統(tǒng)用來(lái)識(shí)別這些運(yùn)動(dòng)，并且準(zhǔn)確呈現(xiàn)出用戶在任何時(shí)刻看到的真實(shí)世界與虛擬模型相融合后的圖像；移動(dòng)計(jì)算處理單元?jiǎng)t是用來(lái)進(jìn)行計(jì)算、創(chuàng)建三維立體圖形等工作。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)發(fā)展沿革

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)從誕生至今已歷經(jīng)60 余年的發(fā)展，按照性能及設(shè)備特點(diǎn)可劃分為三代。第一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可追溯到Morton Heilig 在20 世紀(jì)五六十年代根據(jù)電影拍攝經(jīng)驗(yàn)所發(fā)明的Sensorama Stimulator 機(jī)器，它可以同時(shí)使用圖像、聲音、氣味和震動(dòng)等讓人們感受到在街道上騎摩托車的場(chǎng)景。隨后美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ivan sutherland 在1968 年創(chuàng)建了The Sword of Damocles（達(dá)摩克利斯之劍）系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)生成的圖形，被普遍認(rèn)為是頭戴式顯示設(shè)備以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的雛形。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與硬件價(jià)格的急劇降低，第二代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以1990 年波音公司Tom Caudell 研究員正式提出（augmented reality，AR）這個(gè)詞組開(kāi)端，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)朝著小型化、實(shí)用化迎來(lái)了新一輪的研究高潮。1992 年美國(guó)空軍首次研發(fā)出了虛擬幫助系統(tǒng)，哥倫比亞大學(xué)在同一時(shí)間推出了機(jī)械師修理幫助系統(tǒng)，1996 年Steve Feiner 利用可穿透的顯示屏創(chuàng)建了世界上第一個(gè)戶外可移動(dòng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，1999 年日本的Kato Hirokazu 開(kāi)發(fā)了一種適用于桌面級(jí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤注冊(cè)工具包，即AR Toolkit 項(xiàng)目。第三代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以2012 年Google Glass 的誕生為里程碑，移動(dòng)式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)真正進(jìn)入到人們生活中，開(kāi)始向規(guī)?；瘧?yīng)用邁進(jìn)。

2 軍事領(lǐng)域增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)方法

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要任務(wù)是進(jìn)行真實(shí)世界和虛擬物體的無(wú)縫融合，需要解決真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體的合成一致性問(wèn)題。為確保士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效性，需解決好以下3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1.1 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)

三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，可以在三維空間中將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行配準(zhǔn)注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景的無(wú)縫疊加。該技術(shù)包括兩方面，一是使用者的空間定位跟蹤技術(shù)，二是虛擬物體在真實(shí)空間中的定位技術(shù)。跟蹤注冊(cè)技術(shù)首先檢測(cè)需要“增強(qiáng)”的物體特征點(diǎn)以及輪廓，跟蹤物體特征點(diǎn)自動(dòng)生成二維或三維坐標(biāo)信息，利用跟蹤技術(shù)確定移動(dòng)設(shè)備攝像頭與虛擬信息的位姿關(guān)系，從而保證虛擬信息能夠?qū)崟r(shí)顯示在屏幕的正確位置。三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和魯棒性直接決定著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的成功與否，常用的三維跟蹤注冊(cè)方法有：基于跟蹤器的注冊(cè)、基于機(jī)器視覺(jué)跟蹤注冊(cè)、基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)3 種。

2.1.2 虛實(shí)融合顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是構(gòu)建一個(gè)虛擬模型與真實(shí)場(chǎng)景相融合的三維立體場(chǎng)景，但是簡(jiǎn)單地將虛擬模型顯示在真實(shí)物體前方不能保證二者的有效融合，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的可用性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)虛擬模型和真實(shí)物體的遮擋進(jìn)行處理，保證陰影和光照的一致性，能夠適應(yīng)環(huán)境的真實(shí)光照變化，同時(shí)要考慮真實(shí)模型和虛擬物體間的陰影、虛焦模糊等情況，使得虛擬模型產(chǎn)生如同真實(shí)物體一樣的光照和陰影效果。另外還必須解決虛擬融合顯示的延遲問(wèn)題，保證系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。

2.1.3 自然人機(jī)交互技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)用戶與真實(shí)環(huán)境中虛擬模型自然直觀的三維交互，需要設(shè)計(jì)針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互工具，并能夠跟蹤定位到交互工具的位置信息，從而正確執(zhí)行用戶指令，提升用戶友好性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互方式主要有基于硬件設(shè)備和基于視頻處理兩種方式，基于硬件設(shè)備的方式是通過(guò)外接設(shè)備如鼠標(biāo)鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)手套等進(jìn)行人機(jī)交互，基于視頻處理的方式如基于計(jì)算視覺(jué)的自然手勢(shì)交互方法，借助人手識(shí)別算法對(duì)人的肢體動(dòng)作等進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行人機(jī)交互。

2.2 士兵系統(tǒng)中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心思想是建立一種以士兵為中心的信息呈現(xiàn)和交互的方式，從而達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊的目的。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：

2.2.1 作戰(zhàn)行動(dòng)更加順暢

傳統(tǒng)士兵信息終端一般采用平板電腦或軍用手機(jī)。士兵在查看戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)或作戰(zhàn)信息時(shí)，必須暫?；蛑袛嘧鲬?zhàn)行動(dòng)，雙手脫離武器低頭操作終端，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將地圖、方位、敵我位置等戰(zhàn)術(shù)信息直接呈現(xiàn)在士兵眼前，從而解放士兵雙手，加速作戰(zhàn)行動(dòng)。

2.2.2 呈現(xiàn)方式更加直觀

在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，信息呈現(xiàn)方式通常是基于戰(zhàn)場(chǎng)坐標(biāo)系或大地坐標(biāo)系進(jìn)行全局顯示，然而士兵的觀察、機(jī)動(dòng)、打擊能力均有較大限制，因此，其作戰(zhàn)決策往往依賴于自身方位進(jìn)行判斷，兩種視場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換帶來(lái)不直觀、不便捷等問(wèn)題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以融合士兵方位和戰(zhàn)場(chǎng)坐標(biāo)，建立一種以士兵為中心的信息呈現(xiàn)和戰(zhàn)場(chǎng)理解方式，從而有效提升士兵決策效率。

2.2.3 交互手段更加豐富

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供一種新的裝備交互控制方式，在按鍵、觸摸等傳統(tǒng)交互控制方式的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步融合手勢(shì)、語(yǔ)音、眼動(dòng)、腦機(jī)接口等新型交互手段，從而成倍提升人機(jī)交互效率。

2.2.4 實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練更加高效

傳統(tǒng)的實(shí)兵訓(xùn)練或模擬訓(xùn)練方式均有其局限性，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有虛實(shí)融合的天然優(yōu)勢(shì)，可將實(shí)兵訓(xùn)練和模擬訓(xùn)練結(jié)合形成一種新的沉浸式訓(xùn)練方法，具有高效率、高保真、快部署、低成本的綜合優(yōu)勢(shì)，這也正是美軍近年來(lái)推動(dòng)合成訓(xùn)練環(huán)境（synthetic training environment，STE）建設(shè)的動(dòng)因。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的士兵系統(tǒng)成果應(yīng)用

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)軍事應(yīng)用前景日趨明朗，主要國(guó)家政府和軍隊(duì)陸續(xù)將其納入士兵系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，從而在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)一步擴(kuò)大與對(duì)手的技術(shù)鴻溝，取得非對(duì)稱信息優(yōu)勢(shì)。

3.1 美國(guó)研發(fā)“集成視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)”

美國(guó)在20 世紀(jì)90 年代率先提出將士兵作為一個(gè)系統(tǒng)（soldier-as-a-system）理念，也是較早探索在士兵系統(tǒng)中運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)家之一。2013年，美軍特種作戰(zhàn)司令部啟動(dòng)“輕型戰(zhàn)術(shù)突擊作戰(zhàn)服”研制工作，其中盔載視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)作為7 個(gè)子系統(tǒng)之一，具備目標(biāo)獲取、寬視場(chǎng)多光譜融合顯示等功能，能夠提升特戰(zhàn)士兵對(duì)復(fù)雜環(huán)境的感知能力。2018 年，美國(guó)陸軍士兵殺傷力跨職能小組主導(dǎo)開(kāi)展增強(qiáng)型雙目夜視儀（ENVG-B）開(kāi)發(fā)工作，該裝備能夠與現(xiàn)役“奈特勇士”士兵系統(tǒng)完全兼容，不僅具備微光/紅外融合夜視能力，而且能夠?qū)⒆陨矸轿?、敵我位置等?zhàn)術(shù)信息顯示在目鏡內(nèi)，如圖1 所示。另外一款由該小組負(fù)責(zé)研發(fā)的集成視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)（integrated visual augmentation system，IVAS），如圖2 所示，是士兵增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)歷史上的里程碑成果。

圖1 美國(guó)增強(qiáng)型雙目夜視儀

圖2 美國(guó)IVAS 系統(tǒng)

3.1.1 發(fā)展概述

IVAS 系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)防部領(lǐng)導(dǎo)、美陸軍主導(dǎo)的一個(gè)高優(yōu)先級(jí)項(xiàng)目，融合了先進(jìn)傳感、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，總體目標(biāo)是提升士兵以及分隊(duì)的合成訓(xùn)練效果和全天候作戰(zhàn)能力，同時(shí)與現(xiàn)役“奈特勇士”系統(tǒng)完全兼容。

美國(guó)陸軍士兵殺傷力跨職能小組主導(dǎo)IVAS 系統(tǒng)研制工作，他們打破了傳統(tǒng)的裝備研發(fā)流程，加強(qiáng)與院校、私營(yíng)企業(yè)合作以快速推動(dòng)前沿技術(shù)應(yīng)用。2018 年11 月，軍方選擇微軟公司作為合作伙伴，基于商用HoloLens 眼鏡打造原型系統(tǒng)。為保證項(xiàng)目推進(jìn)達(dá)到預(yù)期效果，美軍啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“士兵接觸點(diǎn)”（soldier touch points，STP）的計(jì)劃，包括陸軍特種部隊(duì)、游騎兵、第25 步兵師、第10 山地師和第82 空降師，以及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)等部隊(duì)士兵使用原型系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，再將意見(jiàn)反饋給研發(fā)團(tuán)隊(duì)用于系統(tǒng)迭代。在整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，美軍為IVAS 系統(tǒng)定義了4 個(gè)階段的能力集（capability sets）測(cè)試：

能力集1：微軟HoloLens 2 集成熱成像傳感器、戰(zhàn)術(shù)突擊軟件包（tactical assault kit，TAK）和地圖等，以Wi-Fi 通聯(lián)，2019 年3 月交付50 套原型系統(tǒng)；

能力集2：在能力集1 的基礎(chǔ)上，集成GPS 和戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電功能。2019 年10 月交付300 套原型系統(tǒng)；

能力集3：在能力集2 的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軍用加固設(shè)計(jì)并集成微光傳感器和熱成像傳感器。2020 年6月交付600 套原型系統(tǒng)；

能力集4：在能力集3 的基礎(chǔ)上，具備量產(chǎn)能力，可增強(qiáng)分隊(duì)殺傷能力。2020 年9 月交付1 600套原型系統(tǒng)。

2021 年4 月，微軟公司通過(guò)軍方測(cè)試后，獲得一份采購(gòu)量超過(guò)12 萬(wàn)臺(tái)、總額約219 億美元、時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 年的IVAS 供貨合同，標(biāo)志著士兵增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)即將真正走向戰(zhàn)場(chǎng)并形成新質(zhì)作戰(zhàn)能力。

3.1.2 主要功能

IVAS 系統(tǒng)主要功能歸納如下：

1）地圖定位。士兵佩戴IVAS 系統(tǒng)時(shí)，低頭可以看到作戰(zhàn)場(chǎng)景的俯瞰圖（birds-eye view）以及敵我作戰(zhàn)單元在地圖上的位置及標(biāo)識(shí)；

2）任務(wù)預(yù)演。對(duì)于任務(wù)規(guī)劃和預(yù)演，指揮員可以使用IVAS 上傳目標(biāo)的3D 地形圖，從而在出發(fā)前向所屬部隊(duì)進(jìn)行任務(wù)簡(jiǎn)報(bào)；

3）夜間導(dǎo)航。系統(tǒng)融合非制冷紅外和被動(dòng)微光夜視等傳感器，能夠支持士兵完成夜間徒步導(dǎo)航和環(huán)境感知等功能；

4）目標(biāo)識(shí)別。IVAS 系統(tǒng)采用人工智能技術(shù)，能夠?qū)Φ湫蛻?zhàn)場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和敵我識(shí)別，依托通信網(wǎng)絡(luò)，完成該目標(biāo)信息的快速流轉(zhuǎn)和共享，同時(shí)支持臉部識(shí)別、典型目標(biāo)識(shí)別、文字自動(dòng)翻譯等功能；

5）輔助瞄準(zhǔn)。IVAS 系統(tǒng)能夠同步顯示槍械瞄準(zhǔn)具上的十字分劃線，士兵手持武器即可通過(guò)眼鏡進(jìn)行瞄準(zhǔn)和射擊；

6）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。IVAS 系統(tǒng)能夠記錄士兵訓(xùn)練過(guò)程中的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)，一方面提升訓(xùn)練水平，另一方面指揮中心可以根據(jù)士兵上報(bào)信息，判斷其身體狀況并適時(shí)提供幫助；

7）系統(tǒng)控制。IVAS 系統(tǒng)在士兵前胸安裝了控制面板，外殼內(nèi)置“觸覺(jué)參考點(diǎn)”，士兵無(wú)需低頭即可點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行操控；

8）協(xié)同感知。IVAS 系統(tǒng)可實(shí)時(shí)下載來(lái)自無(wú)人機(jī)、直升機(jī)、地面車輛和其他傳感器的圖像、視頻等數(shù)據(jù)，為士兵提供豐富的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息；

9）訓(xùn)練復(fù)盤(pán)。IVAS 系統(tǒng)可將參訓(xùn)士兵位置、射擊、地圖、操控等訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄在訓(xùn)練系統(tǒng)中，事后進(jìn)行全面復(fù)盤(pán)分析進(jìn)而提升訓(xùn)練效果；

10）合成訓(xùn)練。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛實(shí)融合特點(diǎn)，士兵在使用IVAS 系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練過(guò)程中，可以在真實(shí)場(chǎng)景中疊加虛擬對(duì)象，從而增加訓(xùn)練的可重復(fù)性和提升效率。此外，采用人工智能技術(shù)還可以不斷提升虛擬智能體的對(duì)抗水平，從而增加對(duì)抗難度、提升訓(xùn)練效果。

3.1.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

IVAS 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和集成過(guò)程中，始終遵循以士兵為中心的系統(tǒng)工程理念，充分考慮了重量、結(jié)構(gòu)、穿戴、環(huán)境等因素，開(kāi)展充分測(cè)試和部隊(duì)試驗(yàn)，并采取技術(shù)中立、客觀實(shí)用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有設(shè)備裝備進(jìn)行充分比對(duì)。經(jīng)過(guò)有效組織和多輪迭代測(cè)試，成效顯著，已經(jīng)獲得美軍高層的認(rèn)可。在訓(xùn)練方面，IVAS 系統(tǒng)已經(jīng)初步成型，能有效融入美軍合成訓(xùn)練環(huán)境；在作戰(zhàn)方面，由于尚未批量列裝部隊(duì)，其作戰(zhàn)效能仍有待進(jìn)一步觀察和驗(yàn)證。但無(wú)論如何，IVAS系統(tǒng)的實(shí)際訂單已經(jīng)為士兵增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軍事應(yīng)用指出了一個(gè)重要方向，值得國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和人員長(zhǎng)期跟蹤和重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 英國(guó)展示“未來(lái)士兵愿景”概念

英國(guó)國(guó)防部國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室（DSTL）在2015 年英國(guó)防務(wù)展覽會(huì)上，展示了未來(lái)士兵愿景（future soldier vision，F(xiàn)SV）概念。主要面向2025 年前后的徒步士兵，提升其生存能力、態(tài)勢(shì)感知能力和網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)能力。與2003 年啟動(dòng)的“未來(lái)集成士兵技術(shù)”（FIST）項(xiàng)目相比，引入了大量的內(nèi)置傳感器、智能織物和信息化裝備。其頭盔子系統(tǒng)除了盔體、傳感器以外，還配備了與骨傳導(dǎo)耳機(jī)一體化集成的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，如圖3 所示，通過(guò)士兵攜帶的計(jì)算單元融合處理后，可以在眼鏡上呈現(xiàn)無(wú)人機(jī)偵察圖像、敵我位置、生理監(jiān)測(cè)等信息。

圖3 英國(guó)“未來(lái)士兵愿景”概念

3.3 新加坡展示“陸軍單兵輕型生態(tài)裝備”概念

新加坡ST Engineering 公司在2018 年法國(guó)防務(wù)展上展示了陸軍單兵輕型生態(tài)裝備（the army individual eco-lightweight equipment，ARIELE）概念，該士兵系統(tǒng)集成了先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)通信、偵察和防護(hù)技術(shù)，并可從C4ISR 網(wǎng)絡(luò)中獲取信息以提升士兵態(tài)勢(shì)感知能力。ARIELE 系統(tǒng)包括系列模塊化組件，其中作戰(zhàn)頭盔集成了高級(jí)護(hù)目鏡系統(tǒng)（the shielded advanced eyewear system，SHADES），如圖4 所示，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將態(tài)勢(shì)、導(dǎo)航、指揮控制、敵我識(shí)別等戰(zhàn)術(shù)信息投射到單目鏡片上，并可根據(jù)算法和熱傳感器調(diào)整顯示亮度。

圖4 新加坡“陸軍單兵輕型生態(tài)裝備”士兵系統(tǒng)概念

3.4 以色列推出“統(tǒng)治者”士兵系統(tǒng)

以色列ELBIT SYSTEMS 公司在2012 年首次推出面向特種部隊(duì)的統(tǒng)治者（Dominator）士兵系統(tǒng)，并于2019 年發(fā)布了最新的升級(jí)版本，用以提升指揮員和士兵指揮控制能力，其重要特征是在智能眼鏡、瞄準(zhǔn)具和夜視儀中廣泛應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如圖5 所示。智能眼鏡（SmartEye）具備目標(biāo)圖像識(shí)別能力，并可顯示武器瞄準(zhǔn)具、無(wú)人機(jī)和其他偵察部隊(duì)提供的圖像信息；智能瞄具（SmartSight）融合了激光測(cè)距、指南針等信息，有效提升射擊精度；智能夜視儀（SmartNVG）能夠疊加導(dǎo)航信息，從而提升士兵夜間作戰(zhàn)能力。

圖5 以色列“統(tǒng)治者”士兵系統(tǒng)

3.5 俄羅斯發(fā)布“戰(zhàn)士-3”士兵系統(tǒng)

俄羅斯中央精密機(jī)械制造研究所于2017 年發(fā)布最新型“戰(zhàn)士-3”（Ratnik-3），如圖6 所示，士兵系統(tǒng)樣機(jī)，計(jì)劃于2025 年開(kāi)始全面替換其現(xiàn)役“戰(zhàn)士-2”系統(tǒng)。該系統(tǒng)將包含突擊步槍、外骨骼、生命監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)等59 個(gè)組件，其中，智能頭盔系統(tǒng)作為關(guān)鍵組件承擔(dān)系統(tǒng)信息中心角色，不僅內(nèi)置了生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還具有自動(dòng)瞄準(zhǔn)功能。頭盔集成的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)護(hù)目鏡，能夠顯示偵察、健康、生理、溫度、目標(biāo)、地圖等信息，查看地圖、射擊范圍內(nèi)的圖像、射擊點(diǎn)、無(wú)人車拍攝圖像等。

圖6 俄羅斯“戰(zhàn)士-3”士兵系統(tǒng)

3.6 我國(guó)的應(yīng)用探索

國(guó)內(nèi)士兵增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究大多集中在裝備信息化等相關(guān)應(yīng)用，而較少?gòu)氖勘到y(tǒng)角度進(jìn)行整體分析。黃天智等較早從系統(tǒng)設(shè)備、工作環(huán)境、顯示優(yōu)先機(jī)制、可穿戴計(jì)算機(jī)等方面分析了軍用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的總體需求。王爽英等設(shè)計(jì)了單兵智能頭盔的基本組成，重點(diǎn)分析了頭盔的態(tài)勢(shì)信息顯示、融合信息處理、信息交互等功能在武器打擊中的應(yīng)用。王海龍回顧了軍用智能可穿戴設(shè)備發(fā)展，對(duì)智能綜合頭盔、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)進(jìn)行了較為深入的分析。馬文秀等針對(duì)應(yīng)急指揮和態(tài)勢(shì)掌握等需求，設(shè)計(jì)了基于手機(jī)和華為AR 引擎的單兵戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)生成軟件。2021 年6 月，紅隼防務(wù)公司發(fā)布了自主研制的單兵智能戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)2.0 版，如下頁(yè)圖7 所示，該系統(tǒng)采用衍射光波導(dǎo)技術(shù)，已從1.0版單目顯示系統(tǒng)升級(jí)至雙目系統(tǒng)，提出了士兵增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用方案。

圖7 “單兵智能戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)”2.0 版

4 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的士兵系統(tǒng)功能分析與前景展望

4.1 功能特征分析

4.1.1 全面精細(xì)的態(tài)勢(shì)感知

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的頭戴式顯示設(shè)備能夠給士兵提供全方位各角度的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，不局限于傳統(tǒng)情況下士兵本人眼前所見(jiàn)場(chǎng)景，從而極大地增強(qiáng)士兵的態(tài)勢(shì)感知能力。

4.1.2 準(zhǔn)確靈活的指揮控制

通過(guò)士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，指揮員可以直接將作戰(zhàn)命令下發(fā)到每個(gè)士兵，有利于準(zhǔn)確執(zhí)行作戰(zhàn)命令，加強(qiáng)士兵間的協(xié)同作戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)單兵融入戰(zhàn)場(chǎng)體系的現(xiàn)實(shí)需求。

4.1.3 快捷高效的火力打擊

士兵可以在瞄具等裝備的輔助下對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助瞄準(zhǔn)技術(shù)有效提升射擊精度，實(shí)現(xiàn)快捷高效的火力打擊。

4.1.4 多型模塊的集成設(shè)計(jì)

士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以與導(dǎo)航、夜視、監(jiān)測(cè)等模塊集成設(shè)計(jì)于一體，拓展士兵系統(tǒng)功能與兵種特色，滿足新形勢(shì)下全時(shí)全域作戰(zhàn)的多樣化需求。

4.2 未來(lái)軍事應(yīng)用前景

4.2.1 合成軍事訓(xùn)練

軍事訓(xùn)練作為軍隊(duì)建設(shè)的重要部分，是實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)潛力向作戰(zhàn)實(shí)力轉(zhuǎn)化的重要途徑。士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于軍事訓(xùn)練領(lǐng)域，有別于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建“沉浸式”訓(xùn)練環(huán)境，它可以構(gòu)建虛擬的人員、裝備、目標(biāo)，并與真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境相融合的合成訓(xùn)練場(chǎng)景，一方面減少對(duì)時(shí)間、地域、成本等因素的限制，另一方面由于訓(xùn)練與真實(shí)場(chǎng)景緊密結(jié)合，實(shí)戰(zhàn)中使用的槍械、電臺(tái)等裝備器材均可以得到應(yīng)用，參訓(xùn)人員“虛擬感”更弱、代入感更強(qiáng)，做到訓(xùn)練和作戰(zhàn)無(wú)縫轉(zhuǎn)換。運(yùn)用人工智能技術(shù)，還可以不斷提升虛擬藍(lán)軍的對(duì)戰(zhàn)水平，從而大幅改善實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練效果。

4.2.2 實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)

在實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中，士兵們可以利用士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)豐富戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)頭盔或眼鏡等穿戴式設(shè)備直接獲取戰(zhàn)場(chǎng)地圖、敵我態(tài)勢(shì)、指揮命令等信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)信息的共享化與可視化；在瞄準(zhǔn)鏡、夜視儀等裝備上應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以極大地提高士兵的精確射擊與夜戰(zhàn)水平，滿足士兵全時(shí)作戰(zhàn)的需求。通過(guò)士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以拓展士兵的態(tài)勢(shì)感知能力，增強(qiáng)分隊(duì)間的協(xié)同作戰(zhàn)，有利于士兵快速作出戰(zhàn)斗反應(yīng)，及時(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行指揮員命令，完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)，進(jìn)一步提升士兵與分隊(duì)的作戰(zhàn)效能，實(shí)現(xiàn)在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)信息體系下信息優(yōu)勢(shì)向作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)變。

4.3 軍事應(yīng)用中的發(fā)展建議

士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，作為相關(guān)領(lǐng)域研究人員，除了密切跟進(jìn)其研究進(jìn)展，還應(yīng)當(dāng)充分汲取其系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)防尖端科技的創(chuàng)新超越：

1）必須始終貫徹以士兵為中心的設(shè)計(jì)原則，重視研發(fā)、測(cè)試、迭代的科學(xué)規(guī)律，全程汲取作戰(zhàn)人員意見(jiàn)建議，以免開(kāi)發(fā)出不符合實(shí)戰(zhàn)要求的裝備或產(chǎn)品；

2）集成新技術(shù)于士兵系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)避免過(guò)分追求高科技含量，充分考慮重量、結(jié)構(gòu)、功耗、使用環(huán)境等因素并開(kāi)展充分測(cè)試，正確、客觀評(píng)估新技術(shù)在軍事訓(xùn)練與作戰(zhàn)的效能，切實(shí)將高新技術(shù)有效轉(zhuǎn)化為部隊(duì)裝備和戰(zhàn)斗力；

3）注重與現(xiàn)有士兵系統(tǒng)裝備的綜合集成，提高裝備適應(yīng)性和兼容性；

4）充分發(fā)揮地方高新企業(yè)的技術(shù)力量，探索成熟貨架產(chǎn)品向軍事裝備的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，縮短研發(fā)流程，提高轉(zhuǎn)化效率。

5 結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的人機(jī)交互技術(shù)，在改變?nèi)藱C(jī)交互模式、增加決策效率、提升士兵和分隊(duì)作戰(zhàn)效能方面具有重要發(fā)展?jié)摿?。以美?guó)為代表的世界主要軍事強(qiáng)國(guó)，正在加快推進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在士兵系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代社會(huì)人工智能、大數(shù)據(jù)、融合感知等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，士兵系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將大幅度提升新一代士兵系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要作用。