1虛擬現實技術的概念
虛擬現實技術(Virtual Reality,縮寫為 VR)又稱靈境技術或幻境技術。 是一種高新的人-機界面形式。 它依托于數學、計算機科學、機械學、聲學、力學、生物學、光學乃至社會科學和美學等多種學科,在計算機圖形學、智能接口技術、圖像處理與模式識別、多傳感技術、人工智能技術、網絡技術、語音處理與音響技術、高性能計算機系統和并行處理技術等基礎上迅速發展起來的信息技術。 目前,該應用已涉及教育培訓、科研、軍事、工程設計、影視、醫學、商業等眾多領域,是公認的能促使社會發展巨大變化的革命性技術。
2虛擬現實技術的特征
虛擬現實系統也是由軟件系統和硬件系統構成的。一個完備的虛擬現實系統應具有以下 3 個方面的本質特征:
(1)沉浸感。 VR 技術的核心內容是虛擬環境的建立,目的是獲取真實環境的三維數據,并建立虛擬環境模型,實時顯示三維圖像,達到真實環境的虛擬圖形展示。
(2)交互性。 用戶與虛擬環境里各種對象相互作用,傳感器是高級人機交互技術的關鍵,例如人取物體時,機器應對虛擬環境作相應的變化。
(3)空間想象力。VR 應用的關鍵是發揮主觀能動性、進行創造性思維,它與多媒體技術、計算機技術的發展密切相關。
3虛擬現實技術在初級指揮院?,F地演練中的應用的優勢
3.1 虛擬現實技術可以突破演練時空的局限
現代戰爭戰斗樣式多種多樣,根據戰場條件的地形條件,分為登陸、城市、荒漠草原、渡江河、山岳叢林、高寒山地、水網稻田進攻戰斗等。 按照戰斗時間,可分為晝間、夜間進攻等。 由于院校教學的時間和場地相對固定, 要在真實的時空環境中進行上述戰斗樣式的演練,勢必要耗費大量的時間和金錢,這對于院校教學而言并不現實。 然而利用虛擬現實技術, 在空間上可以實現逼真的各種形態的地形地貌、植被地標等地理環境,在時間上也可以實現白晝、夜暗的自由設定。
3.2 虛擬現實技術可以突破演練氣候的局限
真實的戰場環境離不開一定的天候氣象背景,而天氣狀況作為戰斗地域內最不穩定的因素,也是影響戰斗成敗的重要因素之一。 巧妙利用天候氣象條件獲取戰斗勝利的戰例亦是不勝枚舉。真實戰場環境中可能遭遇的天氣狀況多種多樣,有常見的陰、晴、雨、霧、雪等,也有少見的風暴、雷暴等。 在現地教學過程中,課時安排相對固定,各種天氣狀況的出現具有隨機性, 難以開發針對各種天氣狀況的教學課程。
虛擬現實技術可以模擬出各種各樣的天候氣象狀況,并且可以實時改變氣象條件,增強了演練的導調手段。
3.3 虛擬現實技術可以突破演練裝備的局限
隨著科學技術的不斷發展,各軍兵種的高新技術武器裝備不斷涌現,并迅速投入到實戰中來。 這些高新武器通常有著強大的殺傷力和破壞力,且訓練和使用成本極其昂貴。 初級指揮學院的專業方向設置固定,教學器材種類單一,諸多武器裝備難以為院校配備,使得院校裝備水平和部隊裝備水平形成鴻溝。 此外,院校配備的部分武器裝備存在訓練成本高,殺傷威力大,實彈演練十分危險,難以在現地演練中實際操作和使用的問題。利用虛擬現實技術,院校難以配備的武器裝備,以及已經配備了,卻不敢實兵實彈應用的裝備也可以通過模擬仿真器材進行訓練和演練。
3.4 虛擬現實技術可以突破演練兵力的局限
現代步兵分隊執行任務的形式日趨多樣化,既有在上級編成內完成作戰任務, 也有與其他兵種分隊協同或者獨立遂行多種作戰任務。
信息化條件下的局部戰爭多軍種、 多兵種參與的聯合作戰將成為主流,作戰人員編成或大或小,或單一或復雜,靈活性極大。 我軍初級指揮院校都屬于兵種專業院校, 受軍兵種單一和教學規模固定的限制,傳統現地演練的戰術背景十分簡單,難以實現多軍兵種、多樣化戰斗任務的實兵演練。 虛擬現實技術可以實現海陸空二炮等多軍兵種,可大可小的兵力和火力編成, 使得在院校培養學員形成聯合作戰的意識,以及培養遂行多樣戰斗任務的實踐能力成為可能。
3.5 虛擬現實技術可以突破演練氣氛的局限
傳統現地演練通常利用空包彈、TNT、發煙罐、發煙手榴彈等設施營造戰場氛圍,雖然具有一定的逼真效果,但其局限性也非常突出。其一是,手段較為單一,隨著大量高技術武器裝備投入到戰場中,各種武器裝備所造成的視聽效果、毀傷效果多種多樣,差異極大,傳統手段難以再現。 其二是,傳統手段危險系數較高,如 TNT 具有十分強大的爆炸力,發煙裝置產生的煙霧對人的呼吸系統和消化系統具有一定的損傷力,空包彈在一定距離以內仍然有一定的殺傷力。 虛擬現實技術可以通過聲、光、電等形式再現戰場的各種戰斗效果,并且十分安全。 受訓人員在接受戰場心理訓練時可以免于遭受人身傷害的威脅。
4虛擬現實技術在初級指揮院?,F地演練的應用途徑
4.1 戰場環境的虛擬實現
指揮院校的現地演練場地需要營造逼真的戰場環境。戰場環境通常分為自然環境和軍事環境,戰場自然環境主要包括地形、氣象、水文等依自然規律發生的要素。 軍事環境主要指交戰雙方軍事設施、武器裝備、戰斗人員,以及戰斗中各種火器所產生火光、揚塵、煙幕、聲響等要素。 利用電子地圖數據與高分辨率的衛星遙感或航空相片疊加,生成預定演練地區逼真的三維地形圖解,實施無級縮放,無邊界漫游,任意角度旋轉等技術實現地形場景的仿真模擬。利用三維建模技術模擬各類軍事設施和人員,再利用外部調用及單元分割技術將各種不動的實體模型和運動的實體模型實時組合到地形場景中,實現軍事環境的模擬。利用光照和粒子系統實現一些非剛性物體(氣流、尾焰、爆炸、雨雪等)和一些不規則物質的仿真模擬。
4.2 小型武器裝備的虛擬實現。
小型武器裝備是初級指揮院校的主要裝備,所謂小型武器裝備特指步兵分隊中小口徑武器系統,包括各種槍支、反坦克火箭、無坐力炮、迫擊炮等小口徑炮等。 小型武器裝備的外觀形態的構建方法是根據武器裝備整體機構及其部件結構的三維模型,構建出所需的真實感圖像。對小型武器機械動力學進行研究,掌握其運動學、動力學特性,搜集槍械出射擊精度、強度及連發時的射彈散布等數據,建立數學模型,通過面向對象程序編程建立武器虛擬樣機模型。當槍械扳機觸發仿真武器的信號發射器,仿真子彈炮彈的運動軌跡數據及彈著點三維坐標數據進入計算機網絡系統,與整個戰場模擬系統合為一體,從而實時引發虛擬環境發生形態變化,并反映到顯示設備上,實現人機交互。
4.3 單兵戰斗動作的虛擬實現
單兵戰斗動作是分隊戰斗中最基本的要素。單兵戰斗動作的虛擬仿真實現,須具備三維圖形可視化生成系統、數據服及數據手套、全封閉立體頭盔顯示器、 三位交互式聲音合成技術、provision 高性能圖形工作站、平面原地運動平臺等技術手段。演練人員穿上數據服、戴上數據手套,其肢體的狀態信息會輸入到計算中,計算機生成的虛擬人物將復現其肢體的運動和變化,并合成到虛擬戰場環境中。 三維圖形可視化生成系統形成的虛擬戰場圖像通過全封閉立體頭盔顯示器展現在參演人員眼前。演練人員通過操作虛擬武器裝備或者傳感裝置便可以與同處于虛擬環境中的實兵協同戰斗或者對抗。
4.4 跨軍兵種近戰戰術的虛擬實現
近戰戰術是分隊戰術的主要形式,也是初級指揮院校教學的核心內容。 近戰戰術訓練系統把在地理上分散的各個學校、戰術分隊的多個訓練模擬器和仿真器連接起來,以當前的武器系統、配置、戰術和原則為基礎,把陸軍的近戰戰術訓練系統、空軍的合成戰術訓練系統、防空合成戰術訓練系統、野戰炮兵合成戰術訓練系統、工程兵合成戰術訓練系統,通過局域網和廣域網連接起來。這樣的虛擬作戰環境,可以使眾多軍事單位參與到作戰模擬之中,而不受地域的限制,具有動態的分布交互作用;可以進行戰術理論和作戰計劃的檢驗,并預測軍事行動和作戰計劃的效果;可以評估武器系統的總體性能,啟發新的作戰思想。
5結論
虛擬現實技術被譽為"21 世紀的新科技",隨著計算機科學及相關技術的發展,虛擬現實技術不斷成熟,虛擬現實在未來作戰和訓練中的應用將越來越多,對作戰訓練的影響也將越來越大,可以確信虛擬現實技術發展和運用必將在我軍新一輪軍事變革中產生深遠的影響。
及時跟蹤與虛擬現實技術相關的技術的發展動態,深入研究虛擬現實技術對未來人類戰爭及其他領域的影響將變得越來越有必要。
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