虚拟现实与仿真技术在火控系统中的应用

作者：张建平 景博

欢迎访问e展厅 展厅 6 警用/国防装备展厅 警用/国防装备... 摘要：简述了虚拟现实(VR)的概念、基本特征及其系统体系结构，探讨了虚拟现实(VR)与系统仿真的关系，介绍了其在火控系统中的应用。 关键词：虚拟现实(VR)；沉浸感；交互性；计算机仿真；火控系统 引言 现代局部战争表明，高技术兵器在局部战争中发挥着愈来愈重要的作用，世界各国都在进行高技术兵器的研制与应用，但高技术兵器研制的巨大投资与可能装备间的矛盾也日益尖锐。虽然高技术兵器是打赢战争的必要条件，但其性能的发挥还有赖于交战双方各种力量体系间的对抗。任何武器系统，其功能都是为了击毁目标，因而提高现代武器系统全天候作战能力及其命中精度，是现代武器系统设计和研制的重要任务之一。火控系统的仿真研究因其灵活性好、费用低等特点而得到越来越多的有关专家学者的重视并取得了很大的发展［1］。虚拟现实是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多种学科而发展起来的90年代计算领域的最新技术，它为火控系统的仿真研究开辟了新天地［2、3］。 1 虚拟现实的概念及特征 1.1 虚拟现实的概念 虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境，仿佛就在我们周围。可见，虚拟现实的概念包括了以下含义： .模拟环境就是由计算机生成的具有双视点的、实时动态的三维立体逼真图像。逼真就是要达到三维视觉，甚至包括三维听觉、触觉及嗅觉等的逼真，而模拟环境可以是某一特定现实世界的真实实现，也可以是虚拟构想的世界。 .感知是指理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知。除了计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知(Multi Sensation)。 .自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入(手势、口头命令等)作出实时响应，并分别反馈到用户的五官，使用户有身临其境的感觉，并成为该模拟环境中的一内部参与者，还可以和在该环境中的其他参与者打交道。 .传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。 VR并不是真实的世界，也不是现实，而是一种可交替更迭的环境，人们可以通过计算机的各种媒体进入该环境，并与之交互：从技术上看，VR与各相关技术有着或多或少的相似之处(计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术、人工智能等)，但在思想方法上，VR已经有了质的飞跃。VR是一门系统性技术，它需要将所有组成部分作为一个整体去追求系统整体性能的最优。脱离不同的应用背景看，VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供了一种高级的人与计算机交互的接口。 1.2 虚拟现实的特征 VR有四个主要特征，用以区别相邻技术，如计算机图形学、多媒体技术、仿真技术、科学计算可视化技术等。 a多感知性(Multi-Sensation)是指不仅包括视觉、听觉、触觉、运动感知，而且还应该包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。 b沉浸感(Immension)又称存在感，是指操作者存在于虚拟环境中的真实程度，理想的虚拟现实应该达到使操作者感觉和真实环境一样的程度。 c交互性(Interaction)有两个方面：一是指操作者对虚拟环境中物体的可操作程度；另一个是指操作者从虚拟环境中得到实时反馈的自然程度。 d自主性(Autonomy)是指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。 2 虚拟现实系统的体系结构 2.1 基本硬件 . 图像生成器：图像生成是虚拟现实系统中最耗费时间的一项任务。 . 3D鼠标：与虚拟世界交互的关键之一是跟踪真实物体的位置，实现位置跟踪。 . 数据手套(Data Glove)：这种手套的手指装有传感器，整个手套装有位置/方向跟踪器。 . 头盔：是和虚拟现实联系极其密切的一种硬件装置，看起来象头盔或风镜。头盔在使用者眼睛的前面装有小型视频显示器，利用特殊的光学系统聚焦和拓展使用者视野。 . 声音发生器：虚拟境界中要求的声音系统为三维声音，即真实境界中的听觉方式。 2.2 虚拟现实系统的体系结构 虚拟现实系统一般可分为桌面虚拟现实系统(Desktop VR)、沉浸式虚拟现实系统(Immersive VR)、分布式虚拟现实系统(Distributed VR)和遥控系统。典型的虚拟现实系统结构包括虚拟环境产生器、效果产生器、应用系统和几何造型系统等。 2.2.1 虚拟环境产生器 虚拟环境产生器是VR系统的核心部件，它由计算机软硬件系统，软件开发工具及配套硬件组成。它实质是一个包括数据库和产生立体图像的高性能计算机系统，其主要功能有：对虚拟环境中物体对象及其运动、行为、碰撞作用等特性进行描述；生成左、右眼视图合成三维立体图像；为声音系统实时地提供参与者头部的位置和方向信号；处理输入、输出数据，并将这些数据融合在虚拟环境中。它的输出要转换成参与者的视觉和听觉信息，因此它是VR感觉反馈的一个关键部件。 2.2.2 效果产生器 是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置，包括能产生沉浸感的各类输出装置，例如头盔显示器、立体声耳机等。 2.2.3 应用系统 是面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容，包括仿真的动态逻辑、结构以及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系，它的内容直接取决于VR系统的应用目的。 2.2.4 仿真管理 是一个协调景、物、事件、输入信息的专用软件，它使得虚拟环境让参与者接近真实生活。 3 虚拟现实与仿真 多媒体是仿真技术的重要手段之一。多媒体技术利用计算机综合组织、处理和操作多种媒体信息(如图形、图像、声音、文字等)，它虽然具有多种媒体的支持，但在感知范围上却没有VR广泛。其表现形式也是二维的，因此，它的存在感和交互性也不如VR优越。目前一般应用软件中所说的多媒体，实际在表现上都是视觉和听觉媒体的组合。建立在多媒体等技术之上的虚拟现实，缩短了人类与机器之间的距离，改善了人与他所处环境相互交流信息的方式，缩短了信息传递的路径。因此我们可以说，虚拟现实技术是多媒体技术的顶峰，也是人机接口技术的最后堡垒。 计算机仿真(Computer Simulation:CS)是一门利用计算机软件模拟真实环境进行科学实验的技术。从模拟真实环境这一点看，CS技术与VR技术有一定的相似性，但是在多感知性方面，当前的CS技术原则上以视觉和听觉为主；在存在感方面，CS基本上将用户视为旁观者，其可视场景不随用户视点的变化而变化，用户没有身临其境的感觉；在交互性方面，CS一般不强调交互的实时性。 VR是一种由计算机综合的虚拟环境，它能让参与者体验或控制某些虚拟的事件，并可同其他参与者发生交互作用。VR技术也是一门系统性技术，它将系统的所有组成部分作为一个整体来考虑，并对系统整体性能进行全局优化，因此，VR技术最适合于系统仿真，是仿真技术的发展方向。 4 虚拟现实与仿真技术在武器系统中的应用 计算机仿真是在系统结构得到足够的定义，并存在描述系统预期表现的计算方法的情况下，由计算机推演的分析过程。传统的仿真技术存在许多不尽人意之处：一是复杂系统的数学模型往往涉及许多领域的专门知识，难以建立；二是仿真结果大多是对系统各种特性的统计数字，难于理解。由于用户不了解系统仿真的内部机理，因此仿真结果也难以赢得用户的信任。大量事实证明，人类对基于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息的理解能力。把虚拟现实技术引入作战系统仿真的各个阶段，将使模型的建立和验证更加方便。它能逼真地显示虚拟战场和作战过程，供军事专家制定合适的作战方案，还能模拟决策的过程，向用户解释系统的行为机制，受到作战指挥人员的普遍欢迎。 现代化战争的明显发展趋势是：在高层决策制定过程中越来越强调仿真的运用。当前对国防系统分析的发展能产生变革作用的一种新技术，就是虚拟现实技术与分布式网络交互作用仿真。它包括： . 虚拟化的武器系统、战场环境和作战过程仿真。按照某种武器装备或某一战役的真实战场环境(包括地形、地物、空情、海情、气象、兵力和武器装备情况)生成虚拟武器和虚拟战场，让有关人员在这种虚拟环境下参与新武器系统的作战试验和演练，或者按照既定的作战方案和演化规则打一场虚拟战争，用来检验新武器的作战性能。 . 用VR技术设计新的作战系统。按照真实系统的设计方案建造一个虚拟化的原型系统，然后把该系统的设计者、使用者和试验人员聚集到一起，让他们在这个虚构的系统面前进行交互式操作，共同探讨真实系统的设计思想、战术性能和作战方法，从中发现潜在的问题，帮助设计者对设计方案进行修改，为新系统的工程化提供可靠的技术依据。 . 虚拟化的电子信息综合集成研讨厅。按照真实的作战指挥场所生成虚拟的作战指挥机构，然后使用遥控技术把整个战位上的指挥人员和各个战场的情况集成到这个研讨厅内，让决策者在这个虚拟的环境中共同进行战略、战术的研究，预测其效果，评估其效能，检讨其缺陷，启发新的作战指挥思想。 采用分布式体系结构的虚拟战场技术能为武器装备研制、作战试验、战略战术研究和人员培训提供极有价值而又节约开支的实践战场。 采用VR技术的作战系统仿真过程一般有以下几个步骤： (1)信息采集：系统采用战场文书采集方式，直接从作战现场获取有关数据，避免人工过滤造成的失真。 (2)作战模拟：对无法采集的数据，则通过作战模型，在战术原则指导下，使用VR技术来模拟生成，供指挥员查询和仿真应用。 (3)决策支持：通过虚拟技术建立虚拟的战区地形、气象、战场态势以及双方实力对比，为指挥员提供决策依据。 (4)辅助决策：指挥员在虚拟现实中进行交互操作，虚拟现实系统根据输入的作战方案和摧毁概率进行演示，并向指挥员推荐具体的作战方案。 (5)决策评估：通过虚拟现实系统对指挥员制定的各种作战方案进行定性和定量分析，提出合理的评估意见，并给出解释。 在美国武装部队的各兵种中，美国海军和空军对强有力的VR系统的研究较为积极。美国空军航空系统分公司(ASD)采用有经验的目视耦合飞机系统模拟器接口，重点开发具有综合通信的微型计算机图形，用于研究未来战斗机。 分布式VR系统是将不同的用户(参与者)连接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户协同工作达到一个更高的境界。分布式VR的基础是分布交互模拟(DIS)。 这些分布式节点通过局域和广域计算机网络(LAN和WAN)连接在一起。虚拟飞机执行器“actor”的实质是一组离散的过程，每个“actor”负责系统的一种功能，它可以是与环境数据库交互操作的单个进程或一组进程。它可用于模拟虚拟环境的构件或用作与真实环境的接口。每个“actor”可用在模拟虚拟环境中协同工作，并享用相同的全局数据。采用仿真网络可使多个操作者各在异地共同参与同一场景的变化，还可仿真天气、地形等条件的变化，再加上通信和声音处理，使操作者产生“身临其境”的感觉。 5 结束语 许多国家都在积极进行着VR的开发与运用，目前已有不少实际成果，如美国的高级研究设计局与陆军联合开发的SIMNET，德国的虚拟空间测试平台，瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境等等。在我国，VR技术的研究才刚刚起步，VR的实际应用还不多。因此，抓住机遇，发展我国的VR技术是非常必要的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)