張志勇，王 涵，朱虹旭，周雙喜

(國防科技大學(xué)， 長沙 410072)

殘酷的戰(zhàn)斗、惡劣的環(huán)境、死亡的威脅等戰(zhàn)場高強度刺激會引起軍人的高度緊張和恐慌，導(dǎo)致身體器官紊亂與思維混亂，對技能與智能的發(fā)揮帶來嚴(yán)重障礙，即產(chǎn)生戰(zhàn)場不適應(yīng)[1]。在海灣戰(zhàn)爭中，多國部隊因戰(zhàn)場不適應(yīng)導(dǎo)致的自殺或誤殺傷亡占總傷亡的85%[2]。實踐證明，提高軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性最有效的方法，就是構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，使其“身臨其境”地體驗戰(zhàn)斗條件下各種刺激因素，積累經(jīng)驗并逐漸適應(yīng)戰(zhàn)場。

隨著計算機技術(shù)和模擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，在特定范圍內(nèi)生成融逼真視覺、聽覺和觸覺于一體的虛擬環(huán)境的技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)[3]對軍事訓(xùn)練領(lǐng)域產(chǎn)生了的重大而深刻的影響。因此，深入研究基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)，對于開展軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練，培養(yǎng)軍人在殘酷戰(zhàn)場環(huán)境中的心理穩(wěn)定能力和承受能力，增強軍人對戰(zhàn)場的適應(yīng)能力具有重要意義。

1 沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析

不同的戰(zhàn)場環(huán)境將產(chǎn)生不同的適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)。沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞具體作戰(zhàn)樣式過程中的任務(wù)、所處的戰(zhàn)場環(huán)境和面臨的戰(zhàn)場威脅因素確定。例如，以聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過程為基本依據(jù)，在航渡階段最大的威脅就是各種艦艇容易遭受敵方精確打擊；在登陸階段最大的威脅是搶灘上岸的有生力量和登陸艦、兩棲坦克等裝備將暴露在敵方火力之下；在鞏固和擴大登陸場階段所面臨的最大威脅是敵方瘋狂的反撲等等[4]。

在陸軍、海軍、空軍和火箭軍中選取具有代表性的軍人所面臨的任務(wù)、所處的戰(zhàn)場環(huán)境和面臨的戰(zhàn)場威脅因素來確定沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練內(nèi)容體系，進一步明確訓(xùn)練內(nèi)容，從而為設(shè)計與開發(fā)沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)提供訓(xùn)練依據(jù)。

根據(jù)沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練任務(wù)的需求分析結(jié)果，分析陸軍、海軍、空軍和火箭軍等軍人在聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過程中、在戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的沉浸式體驗，主要包括沉浸式的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和前庭覺。

2 沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足開放性與擴展性原則，并使系統(tǒng)運行性能優(yōu)化，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用資源分布、動態(tài)加載的模式，主要包括人機交互界面、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境場景系統(tǒng)、多通道沉浸系統(tǒng)、訓(xùn)練反饋系統(tǒng)與訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用多人同時訓(xùn)練，設(shè)計安排四類人員，即單兵、車輛駕駛員、艦船駕駛員和飛機駕駛員，每一類訓(xùn)練對象都擁有獨立的模擬訓(xùn)練艙，可以體會不同位置的環(huán)境變化，且相對于整個訓(xùn)練環(huán)境可以更加精準(zhǔn)、快速和獨立地控制溫濕度、氣流、氣味，同時也方便增減和維護。采用單兵模擬訓(xùn)練艙、車輛、艦船、飛機模擬訓(xùn)練艙各一組(每組根據(jù)訓(xùn)練場地具體再明確數(shù)量)，共四組模擬訓(xùn)練艙。模擬訓(xùn)練艙為透明玻璃艙，包含溫濕度硬件、氣流硬件、氣味硬件、心率血壓硬件、監(jiān)控攝像頭、電腦硬件系統(tǒng)等設(shè)備，模塊化設(shè)計，可獨立使用。

3 沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Unity開發(fā)工具，Unity作為一個完全集成的專業(yè)級虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，其包含了整合的編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性[5]。

3.1 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境場景系統(tǒng)

虛擬戰(zhàn)場環(huán)境場景系統(tǒng)以聯(lián)合登陸作戰(zhàn)過程中依次出現(xiàn)的場景為原型，主要包括航渡階段場景、登陸階段場景、鞏固和擴大登陸場場景等，場景模型元素包括：地形、植物、建筑、軍事設(shè)施、各種武器裝備等。場景模型元素采用3D MAX三維制作軟件在Unity的模型制作規(guī)范下進行制作。

3.2 多通道沉浸系統(tǒng)

多通道沉浸系統(tǒng)主要包括視覺沉浸子系統(tǒng)、聽覺沉浸子系統(tǒng)、觸覺沉浸子系統(tǒng)、嗅覺沉浸子系統(tǒng)和前庭覺沉浸子系統(tǒng)五個部分[6]。

視覺沉浸子系統(tǒng)。通過3D MAX等三維圖像制作軟件，制作VR場景的現(xiàn)場模型，運用燈光、場景烘焙、后期鏡頭效果等技術(shù)制作出逼真的現(xiàn)場環(huán)境，同時通過場景優(yōu)化技術(shù)在性能和效果上達(dá)到平衡，最終通過VR頭戴顯示器進行立體呈現(xiàn)，為訓(xùn)練對象提供沉浸式逼真的視覺體驗[7]。畫面效果的表現(xiàn)主要通過燈光和后期鏡頭效果烘托，然后運用Unity中的全局光照技術(shù)為場景提供真實的光照。

聽覺沉浸子系統(tǒng)。采用環(huán)繞立體聲技術(shù)，集成通過錄制和數(shù)字合作等手段搜集的聲音，如槍聲、爆炸聲、飛機聲、車輛聲、叫喊聲、環(huán)境背景聲、指揮單兵電臺聲等素材，然后利用Unity中對音場區(qū)過濾器和文件追蹤的支持，以及可編輯衰減曲線的推出，利用頭部傳送函數(shù)計算并模擬出聲音從某一方向傳來以及移動變化時的效果，類似于一個濾波器，對原始聲音進行頻段上的調(diào)整，使其接近人耳接收到的聽感效果，并通過耳機來回放，從而為訓(xùn)練對象提供更加真實、震撼、逼真的聽覺體驗。

觸覺沉浸子系統(tǒng)。通過開發(fā)的軟件控制制冷系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)等硬件設(shè)備，可模擬真實的寒冷、炎熱等環(huán)境條件，溫度控范圍在-10～50 ℃(可根據(jù)項目需求和實際成本調(diào)整范圍)，在模擬訓(xùn)練艙布置風(fēng)扇陣列，共12渦輪風(fēng)扇，通過VR系統(tǒng)控制，可模擬產(chǎn)生全方位的氣流，實現(xiàn)訓(xùn)練對象的觸覺沉浸。

嗅覺沉浸子系統(tǒng)。通過鼓風(fēng)機將對于氣味從氣味存儲器中吹出，配合VR系統(tǒng)控制各種氣味的投放，包括但不限于硝煙味、腐臭味、血腥味、各類香味、硫化氫等臭味、膻味、焦糊味等，經(jīng)過模擬訓(xùn)練艙底部出口進入艙內(nèi)，再進控制艙底部和頂部的排氣口迅速排出，如此循環(huán)可模擬VR場景中各個位置的氣味，模擬真實的嗅覺體驗[8]。

前庭覺沉浸子系統(tǒng)。六自由度運動平臺通過模擬物體在三個方向的平動和轉(zhuǎn)動，即前后平移、左右平移、上下垂直運動、俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航及復(fù)合運動，進而可模擬出各種空間運動姿態(tài)。六自由度運動平臺主要應(yīng)用于戰(zhàn)車、飛機、艦船訓(xùn)練模擬艙。虛擬現(xiàn)實全向行動平臺，亦稱虛擬現(xiàn)實跑步機[9]。它打破了虛擬和現(xiàn)實的空間限制，可以讓使用者在現(xiàn)實極小的空間即可實現(xiàn)在虛擬世界中無限的行動，并將使用者在固定空間中真實的行走運動映射入虛擬場景中，通過捕捉其腳部動作達(dá)到在游戲中的前進/后退等動作，可讓訓(xùn)練對象在訓(xùn)練室，享受馳騁戰(zhàn)場的刺激體驗。虛擬現(xiàn)實跑步機主要用于單兵訓(xùn)練模擬艙。

3.3 訓(xùn)練反饋系統(tǒng)

訓(xùn)練反饋系統(tǒng)主要由YKB1712脈搏波血壓傳感器芯片搭配HRB6708心率脈搏芯片和算法芯片SFB9710實現(xiàn)?？蓪崿F(xiàn)功能：心率采集計算、心電信息采集、人體體表溫度監(jiān)測、血壓跟蹤監(jiān)測等[10]。脈搏波血壓傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記(PPG)的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過心率脈搏芯片HRB6708和算法芯片SFB9710輸出心率和血壓等串口信號。設(shè)備佩戴于訓(xùn)練對象手腕等位置，通過串口或 I2C 與 SFB9710通信，傳送心率、血壓、脈搏波等人體健康指標(biāo)數(shù)據(jù)到訓(xùn)練對象頭戴顯示器的HUD界面上和監(jiān)控顯示器上。

3.4 訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)可以控制整個系統(tǒng)的運作，包括兵種、場景的選擇，學(xué)員數(shù)據(jù)顯示和切換等功能。所有訓(xùn)練對象以列表的形式顯示在監(jiān)控窗口上面，組訓(xùn)者可以直觀地看到所有訓(xùn)練對象的戰(zhàn)場適應(yīng)性數(shù)值，包括心率、血壓、控制艙溫度、濕度等數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

圍繞提高部隊備戰(zhàn)打仗能力，全軍將大抓軍事訓(xùn)練，按照國防部“加快推進先進技術(shù)轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練手段”[11]的要求，結(jié)合近幾年沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計并開發(fā)了沉浸式軍人戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練原型系統(tǒng)，為全軍軍官、士官、士兵開展戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練提供逼真的情境刺激和感知體驗，軍事應(yīng)用前景廣闊。后續(xù)還將持續(xù)關(guān)注VR技術(shù)的發(fā)展，深入分析戰(zhàn)場適應(yīng)性訓(xùn)練的實際需求，不斷完善系統(tǒng)功能，進一步提高系統(tǒng)的針對性與有效性。

[1] 祁志強.軍人心里防護的理論與方法[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2016.

[2] LAURENCE J H.牛津軍事心理學(xué)[M].楊征主，譯.北京：科學(xué)出版社，2014:19-20.

[3] 安維華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：1-5.

[4] 蔣啟澤，劉柱.聯(lián)合登陸作戰(zhàn)條件下機關(guān)誘餌系統(tǒng)的使用問題研究[J].艦船電子工程,2013(4):146-148.

[5] 張泊平.虛擬現(xiàn)實理論與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017:69-71.

[6] 王培俊，羅大兵，毛茂林.虛擬設(shè)計系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2012:23-27.

[7] 喻曉和.虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015:58-59.

[8] 蘇麗.沉浸式虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)的是怎么樣的“沉浸”[J].哲學(xué)動態(tài)，2016(3)：85-89.

[9] 錢克寵，胡維華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在跑步機中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機仿真，2009(5)：259-270.

[10] 袁曉嬌.壓力情境下考試焦慮的生物反饋干預(yù)成效研究[J].中國健康心理學(xué)雜志，2008，16(2)：160-163.

[11] 馮升.就2018年軍事訓(xùn)練、軍隊反腐等問題——國防部新聞發(fā)言人答記者問[N].解放軍報，2017-12-01.