2012-11-29 09:06:37
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摘 要：戰場環境是一切軍事行動的空間基礎，戰場環境仿真是目前軍事作戰模擬領域研究的熱點。本文討論了戰場環境的構成、戰場環境仿真的主要內容，重點討論了虛擬現實技術在戰場環境感知仿真中的應用和關鍵技術。
戰爭具有很強的實踐性特點，指戰員的指揮藝術和作戰能力，都需要在一定的戰爭環境中得到鍛煉和提高。戰爭年代，這種能力可以通過真正的戰爭實踐得以積累，但這種實踐是不可重演、不可試驗的，其代價也十分高昂。因此，即使在戰爭年代，非戰時的訓練也成為決勝的關鍵，指導訓練的標準就是戰爭實踐本身。和平時期，軍事演習是一種普遍的訓練方法，駕馭戰爭實踐的能力是通過各種作戰樣式的試驗來積累和提高。由于缺少實際戰爭的檢驗，各訓練樣式也就規定著未來作戰的樣式。
自人類歷史上出現戰爭以來，人們對軍事訓練的研究都是以對戰爭規律的學習和探討為目的，并在訓練領域逐漸形成了“作戰模擬”這一特殊的研究主題。作戰模擬是對包括戰爭規律和戰爭指導規律兩個方面在內的戰爭本質規律的模擬[1]，其首要的一點就是要創造一個貼近實戰的訓練環境，使得各類受訓人員能夠在此環境中得到恰如其分的訓練[2]。
戰場環境是敵對雙方作戰活動的空間，在現代作戰模擬中，要營造一個貼近實戰的訓練環境，首先就要根據仿真原理來建立一個符合特定的作戰訓練科目需要的數字化的戰場環境，這就是戰場環境仿真（Battlefield Environment Simulation）。戰場環境仿真在內容上包括戰場感知 。
虛擬現實是二十世紀90年代末出現的一種十分有效的仿真技術，本文將重點討論如何運用虛擬現實技術來實現戰場環境仿真。
1戰場環境仿真概述
1.1 戰場環境的構成
戰場環境是指作戰空間中除人員與武器裝備以外的客觀環境。從戰爭所涉及的客觀因素來分析，戰場環境應該包含戰場地理環境、氣象環境、電磁環境和核化環境。也許，隨著網絡信息戰的形成，戰場網絡環境也將成為戰場環境的一個重要的組成部分。
戰場環境具有多維性、互動性的特點。多維性的含義是：①戰場環境是由多個具有自身變化規律的客觀環境構成的，上述的四個環境分屬于不同的學科領域；②這些客觀環境的空間形態是隨作戰過程而演變的。互動性的含義是：上述環境之間互有影響，其中，地形環境是其他環境的物理依托，是可以進行空間定位和加載各種作戰信息的基礎。如圖1所示，戰場環境中，氣象環境與地理環境互有影響，氣象環境具有地緣特點，如不同的地理位置具有熱帶、亞熱帶等氣象特征，而氣象環境會影響地理環境，如流水侵蝕地貌、冰川地貌的形成，雨天和晴天對地面土質有影響，進而影響行軍速度；地理環境和氣象環境都對電磁環境的形成有重大影響，不僅規定了電子設施的分布，還決定著電磁波的傳遞范圍和受氣象干擾的程度；戰場核化環境的形成，與核設施的地理位置及其周圍的環境有關，核污染的區域的形成和發展與地理環境和氣象環境密切相關。
1.2 戰場環境仿真及其描述方式
戰場環境仿真是指運用仿真技術來描述戰場環境。仿真（Simulation）是通過系統模型的實驗來研究一個存在的或設計中的系統。計算機仿真（也稱數學仿真）是指借助計算機，用系統的模型對真實系統或設計中的系統進行試驗，以達到分析、研究與設計該系統的目的[3]。在這里，系統是指為了達到某種目的的一組具有特定功能、彼此相互聯系的若干要素的有機整體。對一個系統的仿真涉及三個要素：系統、系統模型、計算機，而聯系這三個要素的基本活動是：模型建立、仿真模型建立和仿真實驗[4]（如圖2所示）。
如果把戰場環境作為一個戰場空間系統來看待，其特定功能就是構成戰場的空間載體和物理條件，戰場環境中各類環境的相互關系則構成這個空間載體的有機整體。運用計算機實現戰場環境仿真，首先需要把戰場環境數字化，即建立戰場環境模型，數字地圖就是一種典型的戰場環境模型。這種模型具備通用性，但往往不能滿足一些特殊的需求，例如現代作戰模擬由于仍沿襲兵棋的推演方式，需要把地形環境數據按一定分辨率處理成按格網存儲的數據，而且這些數據還隨著作戰過程的展開而動態變化。這種把戰場環境模型處理成符合作戰模擬使用的模型的過程，就是戰場環境的二次建模（仿真建模）。經過二次建模處理的戰場環境模型，就可以用于計算機作戰模擬。為了保證作戰模擬結果的準確、可靠，要求戰場環境模型具有一定的精確性，這就需要通過仿真實驗對模型進行檢驗（驗模）。
根據戰場環境仿真在作戰模擬中的用途，可以將其區分為數據仿真和感知仿真兩種描述方式。數據仿真主要用于仿真對抗和作戰評估，此時，戰場環境數據是提供給電腦“認識”戰場使用，不妨把由基本的戰場環境數據轉化成計算機能夠識別的戰場環境模型的過程稱為“戰場模型化”。感知仿真主要是針對指揮作業和訓練模擬，即通過戰場視景、聲效等要素來展現戰場環境，指揮員通過一定的操作界面來感知戰場環境，達到輔助現地勘察、掌握態勢和輔助決策等目的，這種“戰場感知化”的結果，是供人腦認識戰場使用的。戰場環境的數據仿真和感知仿真都是以數字化戰場環境為基礎，在實際應用中，這兩種仿真描述方式互為作用，根據模型驅動而改變的數據仿真通過感知化展現給參訓人員，而參訓人員通過人機交互可以改變數據仿真的結果。圖3表述了戰場環境仿真兩種描述方式之間的關系。由于篇幅所限，本文只對戰場環境的感知仿真的內容與關鍵技術加以討論。
1.3 戰場環境感知仿真的主要內容
感知仿真的目的是通過直觀地展現戰場環境來充分訓練參訓人員的指揮決策能力。其內容包括對戰場環境的視覺、聽覺、觸覺等多種感覺通道的仿真。視覺仿真通常也稱“戰場可視化”，是感知仿真中的一種主要形式，就是將戰場環境中可見的（如地形、地物）和不可見的（如電磁場、潮汐流場）要素以立體的、三維的或二維的圖形圖像表達出來。聽覺仿真是指通過對戰場中各作戰單元的聲音（音效、音量和音位）的模擬來營造戰場氣氛。觸覺仿真是指通過對人機交互設備的操作來實現人與環境的交流，這是使參訓人員產生臨場感的重要手段。這種通過多感覺通道的模擬來實現臨場感覺的技術就是虛擬現實技術。與傳統的通過地圖、實物沙盤或影像資料等來了解戰場的認知方式相比，在這樣的系統中，參訓人員就由旁觀者轉變為參與者，可以主動地在逼真的環境中進行探索，從而大大地提高戰場認知的效率。
2 虛擬現實與戰場環境感知仿真
2.1 虛擬戰場環境在感知仿真中的應用
虛擬現實（VR）這一術語誕生于上世紀80年代末，是指由計算機生成的具有臨場感覺的環境[5][6]，實現這種環境的技術稱為虛擬現實技術。軍事部門是這項技術的資助者和的最先用戶，而且主要用于軍事訓練。1988年，NASA與美國國防部共同支持研制了一個虛擬界面環境工作站VIEW(Virtual Interface Environment Workstation)，該工作站由一臺HP-9000計算機、一副數據手套、一個液晶頭盔顯示器和一套語音識別系統構成，用戶可以從中看到立體圖像、聽到三維聲、可發出口頭命令、可伸手捉取由計算機生成的虛擬物體，這是世界上第一套虛擬現實系統[7]。此后虛擬現實技術及其產品得到飛速發展，并形成了產業，據簡氏信息集團（Jane's Information Group）的一份特別報告統計[8]，到了2000年，從事與訓練模擬相關的虛擬現實產品制作的公司已多達800多家，其市場將由2000年的400億美元發展到2010年的650億美元。
虛擬現實產品在作戰模擬領域得到廣泛的應用，且多數涉及戰場環境仿真。運用虛擬現實技術實現戰場環境仿真，其目的就是構成多維的、可感知的、可度量的、逼真的虛擬戰場環境，借此提高參訓人員對戰場環境的認知效率。主要用于仿真對抗、導調監控、裝備操作、參謀作業訓練等。虛擬戰場環境可以為計算機作戰推演、半實兵演習、實兵演習提供與實際演習區域的仿真環境，也可以為特定的訓練科目擬構出典型的訓練環境（在現實中并不存在）。借助于虛擬戰場環境，可以訓練指揮員的指揮決策能力、參謀人員的業務能力、裝備操作人員的操作能力。例如，美軍從1984年開始研制的基于網絡的分布式坦克訓練模擬系統SIMNET，就將美國本土及歐洲的10個地區作戰環境置于系統之內。到了90年，已使200輛裝甲車輛可異地參加統一指揮的可交互的模擬演練。每個模擬器以美國的M1主戰坦克為單位，提供作戰區域內精確的地形起伏、植被、道路、建筑物、橋梁等信息。坦克手可以在模擬器中看到由計算機實時生成的戰場環境以及其他戰車圖像。1991年，美國為海灣戰役“東經73”計劃的實施提供了一套供M1A1主戰坦克使用的戰場環境仿真系統，將伊拉克的沙漠環境用三幅大屏幕展現在參戰者面前，進行身臨其境的戰場研究，為最終取勝打下了關鍵的基礎。荷蘭1992年完成的毒刺導彈訓練器（VST）是虛擬現實技術用于單兵武器模擬設備的代表作，它在頭盔內形成一個空間動態立體場景；隨操作者的頭部動作而相應改變場景，以訓練操作者對付敵方飛行器的機動能力和瞄準能力，預先制備的VCD盤提供各種作戰環境相應的音響效果[9]。1997年，洛克希德?馬丁Vought公司為美國海軍航空兵訓練系統項目辦公室開發了一套實戰演習系統TOPSCENE（戰術操作實況）。這是一個綜合運用軍事測繪成果和虛擬現實技術的裝備，被廣泛應用于海軍、海軍陸戰隊、陸軍和空軍，已配備100多套。該系統運用SGI圖形工作站（最高配置為OMUC2、4個R1000CPU）來處理圖像數據，在高配置下，每秒能產生30幀詳細、逼真的高分辨率戰場圖像。系統可以模擬各種地形要素、不同的氣象條件，還可仿真帶有夜視儀、紅外顯示器或合成孔徑雷達顯示效果的夜間戰斗過程。
2.2虛擬戰場環境系統的基本構成
虛擬戰場環境系統由軟件系統、數據庫系統和硬件系統三部分構成。其軟件系統主要包括戰場環境建模軟件、場景紋理生成與處理軟件、立體圖像生成軟件、觀察與操作控制軟件、分析應用GIS軟件等；數據庫系統主要包括戰場地圖數據庫、三維環境模型數據庫、武器裝備數據庫、環境紋理影像數據庫、應用專題數據庫等；硬件系統主要包括計算機、聲像處理系統、感知系統（顯示設備、立體觀察裝置、人機操縱裝置）等。根據虛擬戰場環境的應用需求，以上三個部分就有不同的組合方式，進而構成不同的應用系統。
就軍事應用而言，虛擬戰場環境主要有多人共享式和單兵沉浸式兩種應用模式，相應地，虛擬戰場環境系統就有多人共享式和單兵沉浸式兩種構成，其主要區別在于立體圖像的顯示與觀察方式以及對場景的控制方式上。
● 多人共享式
在作戰指揮以及大多數作戰模擬與訓練中，指揮和參謀人員往往需要圍繞同一個戰場環境來研討作戰方案、評估作戰效果。為了滿足多人共享的需求，目前大多數的虛擬戰場環境系統都是以大屏幕投影顯示、通過立體眼鏡（液晶式或偏振光式）觀察來實現視覺共享，通過操縱桿或鼠標和鍵盤等輸入設備來控制視點。其優點是處于同一空間中的用戶（幾人到幾十人）可以同時觀察到同一場景，且系統硬件價格低廉。其不足是對場景的操作只能由一人完成，且當大屏投影的圖像無法占滿觀察者的視野時，會削弱臨境感。
● 單兵沉浸式
在單兵對技術、戰術武器裝備的操作訓練的應用中，需要強調的是受訓者個人與武器裝備及其所處環境的關系。為此，多采用頭盔顯示器（HMD）來作為立體顯示、立體觀察和頭部定位跟蹤裝置，運用數據手套或體位跟蹤器來完成定位、選擇等操作。運用這些裝置可以使受訓者產生強烈的臨境感，進而達到良好的訓練效果。但其設備十分昂貴，難以推廣使用，并且由于傳感裝置還不十分精確、計算機對大數據量的場景計算能力有限，常常會造成感覺的病態反應。
3. 建構虛擬戰場環境的若干關鍵技術
作為虛擬現實系統，一般認為需要具備三個基本特征—交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和想象（Imagination）[10]，但根據實際用途，對這“3I”特征的體現也有所側重。就共享式虛擬戰場環境系統而言，體現可交互性是重點；而對于沉浸式虛擬戰場環境系統，所強調的是其沉浸特征（可進入性）；無論哪種應用，想象力都是不可缺少的。
3.1 實現“交互”的關鍵技術
交互特征是指系統具有對人機交互作出響應的能力，衡量這種能力的標準是系統處理和顯示環境圖像的刷新率（幀/秒），刷新率越高，說明系統可以對交互作出越快的響應，當交互響應達到實時，在視覺上就表現為場景隨交互過程而連續平滑地變化。當交互響應有明顯延時，在視覺上就表現為場景的停滯和抖動變化。顯然，影響交互能力的因素除了系統硬件對于場景數據處理和顯示的性能外，還與場景的數據量以及交互控制的軟件有關。因此，在建構虛擬戰場環境系統時，要充分考慮設備的性能以及用戶的實際裝備能力，軟件系統開發的關鍵則在于場景數據的組織和管理。
在戰場環境仿真應用中，參與可視化處理的場景數據包括三維地形模型、三維地物模型和地形地物的表面紋理（如果考慮到綜合戰場環境的構成，還應該包括武器裝備模型及其紋理以及煙火特效、聲效等數據），其數據量十分龐大。為了實現大數據量地景的實時交互顯示，就必須解決場景數據的組織與管理問題，其思路就是在保證場景顯示細節的前提下，使參與實時處理的場景數據降低到最少，以保證交互響應的效率。我們的實踐表明，按人類視覺認知的規律來組織和調度場景數據是一種行之有效的方法。該規律是：從固定視點注視客觀物體時，離視覺中心越近的部分在視網膜上的成像越清晰，越遠其成像越模糊；從不同視距觀察客觀物體時，離物體越近，看到的物體的細節就越豐富。遵循上述規律，場景數據的組織和調度實際上就歸結為場景細節層次的組織以及與視點相關的各層次數據的調度[11]。
● 場景細節層次的組織
場景的細節包括場景模型的細節和場景紋理的細節。場景模型的細節是指場景體形態所表達的細節，場景紋理的細節是指場景表面影像所表達的細節。場景模型的最高細節取決于模型建立的數據源，對于以矢量地圖數據為主要數據源的戰場環境仿真應用來說，數字地圖的原始比例尺決定著場景模型所描述的最高細節，即比例尺越大，細節越豐富。場景紋理的最高細節取決于紋理影像的數據源，當以數據地圖作為仿真地面紋理的數據源時，其紋理的最高細節同樣與數字地圖的比例尺有關，即比例尺越大，地物要素的分類分級越詳細，則仿真影像所能描述的地表的細節越豐富；當以遙感影像作為地表紋理時，影像分辨率則決定著地表要素所能展現的細節。
為了達到視點越近細節越豐富的場景表達效果，需要把場景模型和紋理數據區分為多種細節層次，并按細節序列加以組織。
● 與視點相關的層次數據的調度
在同一個視景中，按視覺中心詳細周邊概略的原則來調度不同細節的模型和紋理數據，也是為保持交互與視覺效果而降低參與計算的地景數據量的有效方法。
需要說明的是，紋理細節可以在視覺上彌補模型細節的不足，即在較為概略的模型骨架上疊加細節較多的紋理，這是提高交互效率而不降低顯示效果的一個有效策略。
3.2 實現“沉浸”的關鍵技術
沉浸特征是指系統的聲像效果能夠使受訓者產生置身于虛擬環境中的感覺。對于大多數應用而言，營造立體視覺效果是實現“沉浸”的關鍵，即根據人類的雙目立體視覺原理，借助于一定的設備，使觀察者在生理水平上對被觀察的場景產生強烈的立體感。由于在虛擬現實系統中，場景是由計算機生成的（非實地拍攝），為了達到立體效果，就需要對圖像的生成、顯示與觀察各環節進行適人化的處理，因此該技術也被成為“人造立體視覺技術”[5][12]。
● 立體圖像的生成
就是根據生理立體視覺的水平視差，對同一場景生成以左右眼為視點的場景圖像，即構成一個像對。像對的視差是引起生理立體感的唯一因素，決定著場景的縱深效果。關于視差的類型及其相應的視覺效果，可參閱參考文獻[12]。
● 立體圖像的顯示與觀察
顯示方式與觀察方式密切相關，選擇何種方式取決于實際應用的需求，在上述內容中描述了戰場環境仿真應用中的兩種顯示與觀察方式。這兩種方式也是目前市場上的主流，但由于這兩種方式都要把部分觀察裝置加戴在觀察者的頭上，而且觀察效果也不夠理想（如液晶眼鏡會增加閃爍、降低場景亮度，LCD頭盔顯示分辨率偏低，CRT頭盔偏重等），因此使許多用戶寧可選擇三維觀察方式，即直接在顯示器或投影幕上觀看由計算機生成的單目場景視像，以場景中的光影和形態為線索，通過觀察者的心理加工，產生三維感覺（實際上是一種錯覺）。最近，德國Dresden 3D有限公司推出了一種立體液晶顯示器，觀察者無須佩帶任何觀察裝置就可以看出立體圖像。在該顯示器中裝配有眼動跟蹤攝像機，可捕獲觀察者雙眼的位置，由此來控制安裝在液晶屏前的一個光學蒙片分別向左右眼方向偏移左右眼圖像。顯然，該顯示器不適合于多人共享。
在戰場環境仿真應用中，環境聲音主要是武器裝備在作戰過程中所發出的諸如發動機轟鳴、槍炮開火、彈藥爆炸等聲響。這些聲響的特點是都具有確切的空間位置和聲音效果，通過可描述空間聲響的軟件（如Direct 3D）就可以把聲音的定位信息通過音響系統傳遞給用戶。喧囂的戰場音響可以營造出生動逼真的戰場氛圍。
3.3 體現“想象”的幾個方面
把“想象”作為虛擬現實系統的一個基本特征，表明了創造性形象思維能力對于構建虛擬現實系統的重要性。高超的創意不僅可以引發觀看者心靈上的震撼，還可以引導他們達到探索的目的。對于虛擬戰場環境的創建，這種想象力體現在人機界面的構想、場景表達的構想以及是否提供對戰場環境的再創建手段等方面。
● 人機界面的構想
“VR最困難的地方就是讓用戶的感覺對信息確信無疑”，這是比爾?蓋茨對虛擬環境應該達到的最高境界的理解[13]。要使用戶“進入到”系統所產生的場景中并對其確信無疑，就需要有良好的人機界面。傳統的人機界面是讓用戶隔著“窗口”來觀察和操作應用軟件，在虛擬環境中，這樣的窗口會把用戶阻隔在旁觀者的位置上，無法作為參與者“進入到”環境中。因此，如何設計符合虛擬環境特點的人機交互界面就成為想象的焦點。
● 場景描述的構想
實際上就是指虛擬場景的設計。虛擬戰場環境的外觀是否逼真，主要取決于場景的外觀設計。當運用矢量地圖數據來生成場景的表面紋理時，場景描述的構想就涉及到每一個要素的表示方法的設計（運用幾何符號還是仿真圖像）、地表及各要素表面噪音效果的設計、不同地貌類型的色層表的設計、武器裝備等作戰單元在戰場環境中的表示方法的設計、作戰意圖與態勢的表示方法設計等方面。
● 提供實現構想的工具
在不同的軍事應用中，用戶對虛擬戰場環境的表示方法有不同的要求，比如，對于飛行模擬訓練，受訓者希望能夠以航空影像作為表面紋理，以便使場景在視覺上更接近于實際的地形環境。但對于作戰指揮訓練而言，受訓者更希望場景中能夠表達出地圖上的分類分級信息（符號化的表示方法），以便分析和決策，這就需要在系統中為用戶提供多種表達手段。此外，對于戰法研究而言，用戶有時需要擬構一個典型的戰場環境，這也需要給用戶提供實現構想的工具。
4 應用舉例
從1995年以來，解放軍信息工程大學測繪學院戰場環境仿真工程實驗室以虛擬戰場環境為主題，做了大量的研究工作，取得了以“地形環境仿真系統”為代表的成果。該系統是運用虛擬現實技術，在軍事測繪數據庫的支持下，實現戰場環境仿真的一個實用系統。主要模擬作戰區域的地形環境，可以為作戰模擬的各層次（戰術、戰役、戰略）、各階段（預案擬訂、對抗模擬、結果評估）提供各種地幅的二維電子地圖、三維地景和地理信息（如圖4）。
本系統已經初步具備了虛擬現實的基本特征（“可進入”、“可交互”），在研制過程中解決了以下幾個關鍵技術問題：
第一，解決了在微機環境下，對地形環境的快速三維建模、模型簡化以及實時交互等問題。
第二，研制出與液晶立體眼鏡的接口硬件，使得在微機和工作站環境下，可以用較底價位的立體眼鏡實現具有“進入感”的立體效果。
第三，解決了地形模型與其它商業化三維軟件的接口問題，以及技術、戰術武器在三維地形環境中的置入問題。
目前，本系統已在全軍得到廣泛的應用，也在國民經濟建設中得到應用，如運用本系統，為三峽移民局進行了三峽庫區水淹沒過程的模擬。
5 結語
戰場環境仿真是應數字化戰場建設的需要而產生的高新技術，其應用領域十分廣泛。本文僅從作戰模擬這一應用領域來論述虛擬現實技術在戰場環境感知仿真中的應用，實際上，該技術在軍事上還被應用于作戰指揮、武器試驗、外交談判、災害預測等多方面。隨著虛擬現實技術日趨成熟、實用，我們相信在不遠的將來，它將成為提高軍隊戰斗力的重要的技術手段。
