亢昭 馮星

摘要：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Virtual Reality System，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的圖形圖像領(lǐng)域的高新技術(shù)，軍事裝備教學(xué)在目前軍隊院校教學(xué)中存在很多不足?？偨Y(jié)了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，從軍事裝備教學(xué)的角度出發(fā)，提出將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用到軍事裝備教學(xué)中，并分別從基本理論教學(xué)、裝備操作教學(xué)、裝備維修教學(xué)三個面分析了虛擬維修系統(tǒng)與軍事裝備教學(xué)的運用結(jié)合，二者的結(jié)合將突破時間空間的限制，解決軍事裝備教學(xué)中裝備少、維修保障難以跟上的困境，降低訓(xùn)練風險，保障人員和裝備的安全。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng);VR;軍事裝備教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0221-00

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： Virtual Reality System （VR） is a new technology in the field of graphics and image in recent years， there are many shortcomings in the teaching of military equipment in military academies. To summarizes the system structure of VR， and from the perspective of military equipment teaching， the application of VR to military equipment teaching is proposed. The application of VR to military equipment teaching from three aspects are analysed： basic theory teaching， equipment operation teaching and equipment maintenance teaching. The combination of military equipment teaching and VR will break through the limitation of time and space， solve the dilemma of less equipment and difficult maintenance support in military equipment teaching， reduce the training risk and guarantee the safety of personnel and equipment.

Key words：virtual reality system; VR; military equipment teaching

軍事裝備教學(xué)主要是面向部隊作戰(zhàn)人員開展的裝備操作技能課程，是我軍各軍兵種指揮院校學(xué)員和士官學(xué)校學(xué)員必修的課程，而且此類課程的教學(xué)學(xué)時也占有很大比例[1]。裝備教學(xué)目的是使學(xué)員了解裝備的工作 原理和操作使用方法，引導(dǎo)學(xué)員熟練掌握型號裝備的典型故障及其排除方法，幫助學(xué)員快速生成多型裝備保障能力[2]。教學(xué)效果的好壞直接影響裝備能力發(fā)揮的大小。目前我軍承擔裝備教學(xué)任務(wù)的主要是訓(xùn)練基地和軍兵種院校，培養(yǎng)規(guī)模和速度不能完全滿足部隊人才崗位的需求。另外由于教學(xué)條件的限制，很多教學(xué)內(nèi)容無法展開，造成教學(xué)目的難以達到。

在 20 世紀末，逐步興起了一門嶄新的綜合性信息技術(shù)——VR（虛擬現(xiàn)實，Virtual Reality）技術(shù)[3]。VR（含增強現(xiàn)實AR、混合現(xiàn)實MR）融合應(yīng)用新型顯示、傳感器、眼動儀、人工智能和大數(shù)據(jù)等多領(lǐng)域技術(shù)，能夠拓展人類的感知邊界，改變商業(yè)形態(tài)和服務(wù)模式。VR 技術(shù)作為這樣一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)，正越來越多地應(yīng)用在我們生活中，已經(jīng)被人們公認為是21世紀重要發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一[4]。從軍事裝備教學(xué)的角度出發(fā)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可成為優(yōu)化甚至取代以往實裝教學(xué)的手段。

1 我軍軍事裝備教學(xué)存在的主要問題

軍事裝備的教學(xué)包括裝備的設(shè)計、使用、維修、管理、輔助決策等多個方面，裝備作戰(zhàn)能力的高低完全依靠使用人員對裝備的熟悉程度。我軍近幾十年在軍事技術(shù)上取得了巨大進步，但是相應(yīng)的教學(xué)方法沒有同步跟上，暴露出了一些問題。

1） 教學(xué)裝備數(shù)量不夠用，維修保障能力制約裝備教學(xué)效果。教學(xué)裝備與一般部隊基層裝備在功能使用上存在較大差距。作為基層裝備，平時以裝備訓(xùn)練為主，注重日常維護保養(yǎng)，力求克服裝備訓(xùn)練中不規(guī)范、不合理的地方。而教學(xué)裝備的主要目的在于教學(xué)，是“試驗品”，面臨的使用環(huán)境更加惡劣，甚至有時為了演示，不得不進行錯誤示范，故意傷害教學(xué)裝備。這使得教學(xué)單位在裝備的維修保障上承擔了巨大壓力。加上很多裝備配備不及時，數(shù)量不夠用。造成教學(xué)裝備越教越少，知識量也隨之劇減。

2） 理論與實踐聯(lián)系困難，難以找到快速實用的教學(xué)模式。一般的裝備教學(xué)按照機構(gòu)、使用、維修的步驟進行，而在進行裝備結(jié)構(gòu)教學(xué)時，為了讓學(xué)員更好地了解裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，就必須要分解裝備。但是目前裝備的裝配技術(shù)與制造工藝的不斷改革，使得諸多結(jié)構(gòu)不易拆、不可拆、不能拆，使得學(xué)員只能從外部空想，通過教員的理論講解來展現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一旦這種自我認識出現(xiàn)錯誤時，在后期的使用或維修方面肯定會帶來很大阻力。目前這一問題還沒有較好的模式解決。

3） 裝備復(fù)雜性增加，對人員能力需求更加全面。裝備信息化能力的不斷提高，使得裝備復(fù)雜性呈指數(shù)增加。裝備教學(xué)的目標不能僅瞄準在一個點上，例如裝備維修中，某個故障產(chǎn)生的原因可能是多個系統(tǒng)交叉形成的。這時需要維修人員具有綜合知識，能從多個角度查找問題。而這種綜合處理能力的培養(yǎng)需要大量實裝的聯(lián)系以及對裝備的細致了解，但是現(xiàn)在的軍事裝備教學(xué)很難達到這一目標。

4） 裝備教學(xué)風險加大，空間時間受限。裝備教學(xué)是一直與實裝接觸的，部分裝備操作存在很大風險，一旦失敗可能造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失?；诖?，很大程度上限制了教學(xué)單位開展多樣化的教學(xué)活動，較少或者停止危險科目的教學(xué)，這將大大降低人員在實戰(zhàn)情況下的裝備運用能力。另外，由于時間和空間上的限制，教學(xué)資源分配不均等問題造成教學(xué)效果存在各地不一，一旦進行各戰(zhàn)區(qū)間的聯(lián)合將很難做到完美協(xié)同。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Virtual Reality System，簡稱VR;又譯作靈境、幻真）是近年來出現(xiàn)的圖形圖像領(lǐng)域的高新技術(shù)，也被稱為靈境技術(shù)[5]或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是以計算機技術(shù)為核心，生成與現(xiàn)實環(huán)境在視、 聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境。用戶借助相關(guān)設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而產(chǎn)生真實環(huán)境的感受和體驗[6]。2016 年被稱為VR元年，隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，VR技術(shù)得到進一步成熟。目前，全球范圍內(nèi)VR較為知名的公司有Facebook-Oculus、Sony、HTC、Google、ANTVRKIT，無論是哪家公司的產(chǎn)品，其以VR頭顯[7]為呈現(xiàn)終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，主要包括以下部分（如圖1所示）。

主機：主要負責對虛擬場景模型調(diào)用和用戶命令的處理，是整個系統(tǒng)的中央處理模塊。

VR頭顯：即虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示設(shè)備。它是系統(tǒng)的顯示端，主要將建立的模型按照用戶的需求和命令顯示在兩個鏡片上。

空間定位設(shè)備：也稱位置追蹤器。部分虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)功能要求并沒有配置該設(shè)備，無法在空間進行行走和動作，所以相比缺乏沉浸感。

控制手柄：為了降低開發(fā)和使用成本，用手柄代替了數(shù)據(jù)手套，其中也包含了多類型多量的傳感器，目前也開發(fā)了類似數(shù)據(jù)衣的控制設(shè)備，擁有成千上萬的傳感器，以增強用戶的多感官感受，脫離了通過鍵盤來實施虛擬場景或動作的改變。

拍攝設(shè)備：主要負責拍攝全景視頻，將其導(dǎo)入到模型庫，用戶調(diào)用時講可以看到全方位立體的現(xiàn)場情況?，F(xiàn)階段生產(chǎn)的主要配設(shè)設(shè)備有全景相機。

數(shù)據(jù)庫：主要是用于存儲模型，一般可以儲存在主機內(nèi)部。

附屬配件：包括各類數(shù)據(jù)連接線，充電線，音響，轉(zhuǎn)換接頭等。

軟件系統(tǒng)：運行平臺選擇一定的操作系統(tǒng)，利用各種3D模型構(gòu)建和仿真計算軟件來實施模型建立。

3 VR在軍事裝備教學(xué)中的運用

為了讓裝備教學(xué)虛擬化達到一個完整的過程，VR軟件模型至少應(yīng)當劃分為三個部分，一是裝備教學(xué)的本體，例如需要進行挖掘機操作訓(xùn)練時，為了加強沉浸感，應(yīng)當從第一人稱角度構(gòu)建挖掘機模型，必要時為了糾偏和自我查看，可以構(gòu)建其他視角的挖掘機模型;二是教學(xué)環(huán)境的建立。環(huán)境是隨著用戶視覺關(guān)注中心的改變不斷做出調(diào)整的，加上VR頭顯不像桌面級顯示那樣，它的眼球與顯示屏距離非常近，同樣的分辨率在如此近的距離上造成模型顆粒感很強，所以環(huán)境建立工作量極大，必須配合高分辨率的顯示屏;三是評估與監(jiān)督。訓(xùn)練的目的在于查找訓(xùn)練不足，提高訓(xùn)練成績，所以必須對模擬訓(xùn)練成績做出評估，要求系統(tǒng)中必須加入評估者的身份，用以對施訓(xùn)者和受訓(xùn)者的教學(xué)效果做出及時評價。

3.1 在裝備基本理論教學(xué)中的運用

基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行裝備基本理論教學(xué)，對于施訓(xùn)者來說，可以精準傳達教學(xué)信息，較快達到教學(xué)目標。以往的裝備理論知識學(xué)習(xí)局限于教室，及時結(jié)合實裝進行理論學(xué)習(xí)也存在限制，比如裝備數(shù)量不足、教學(xué)空間狹小等，但是VR頭顯呈現(xiàn)的圖像是事先用全景相機拍攝的或者計算機模擬構(gòu)建的全景三維圖像，佩戴者可以在任何角度任何位置進行學(xué)習(xí)，特別是一些隱蔽零部件的識別和功能的理解。而對于受訓(xùn)者來說，使理論教學(xué)變得形象化、直觀易懂?，F(xiàn)代諸多理論采用抽象辦法，例如對液壓油路講解時，往往將液壓零部件抽象成符號，使其變得復(fù)雜難以記憶，受訓(xùn)者如果直接采用VR頭顯進行學(xué)習(xí)，則所有零部件均可以模擬實際，無須抽象，通過還原實裝液壓油路走向，受訓(xùn)者能較快地與實際對接，縮短理論轉(zhuǎn)換為實際能力的時間。

下面以內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)講解為例，說明虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在基本理論教學(xué)中的使用流程（如圖2所示）。

3.2 在裝備操作教學(xué)中的運用

裝備操作教學(xué)引入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將帶來以下幾點好處。第一，突破時間和空間的限制，為充分利用教學(xué)時間提供基礎(chǔ)。以往的實裝教學(xué)在組織訓(xùn)練時，必須考慮場地限制，訓(xùn)練時間，環(huán)境天氣，有的還得考慮民情社情等，只有所有條件滿足的情況下才能進行訓(xùn)練。這使得教學(xué)計劃經(jīng)常由于變動而不得不做出改變，有時不得不取消。采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)后，以上受限制的條件都可以在虛擬環(huán)境中進行設(shè)置，隨時隨地都能進行訓(xùn)練，提高教學(xué)效率;第二，解決了裝備少，維修保障難以跟上的困境。由于訓(xùn)練人員基數(shù)大，裝備保障存在很大壓力，一旦出現(xiàn)訓(xùn)練裝備損壞，必然影響裝備教學(xué)進度。而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以獨自承擔所有實裝教學(xué)任務(wù)，也可以與實裝配合，彌補裝備維修期間的保障任務(wù)，緩解保障壓力;第三，降低訓(xùn)練風險，保障人員和裝備的安全[8]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不存在發(fā)生人員傷亡的情況，也不需要對裝備維護保養(yǎng)，大大降低了訓(xùn)練成本，同時保障了訓(xùn)練安全。

另外，根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的類型分類，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以分為桌面級、沉浸式、增強現(xiàn)實型和分布式[9-11]?；赩R頭顯的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是屬于沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將它運用到教學(xué)裝備操作訓(xùn)練中具有其他類型沒有的優(yōu)點。比如排除了桌面級的外部干擾，不需要像增強現(xiàn)實技術(shù)那樣必須要有實裝作為一定的投影載體。它是完全營造虛擬環(huán)境，通過眼鏡將外部干擾阻擋，模擬效果也得到不斷改善。VR頭顯的分辨率已經(jīng)可以達到4K，場景顆粒感基本不影響沉浸感，眼鏡觀測角度縱向能達到90度，橫向110度，與人眼可見范圍接近，并且能適應(yīng)1000度以內(nèi)的近視人員使用。圖像刷新率能達到60Hz以上，部分可超過90Hz，使佩戴人員感受不到由于圖像延遲而帶來的眩暈。

裝備教學(xué)中虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)使用流程如圖3 所示。

首先定位系統(tǒng)根據(jù)頭盔位置確定人員的初始位置，人員通過眼鏡看到事先已經(jīng)錄制和處理的虛擬場景，將操縱手柄的功能按鈕與裝備操作按鈕一一對應(yīng)，通過按鈕控制裝備動作，一般認為人員與裝備是相對固定的，所以在用全景相機錄入時，已經(jīng)是從駕駛員第一角度出發(fā)，所以裝備相對操作手是不動的。由于采用的是360度全景拍攝，通過傳感器作用，人員在實際中可以通過側(cè)身或轉(zhuǎn)頭來查看不同的景象。只有在需要查看或評價時才跳出第一視角。

3.3 在裝備維修教學(xué)中的運用

裝備維修教學(xué)的一個老大難問題是如何設(shè)置故障。僅通過理論講解對故障理解深度不夠，全部實施實裝操作也沒有那么多裝備保障問題，所以很多故障被假設(shè)，并不實際操作，或者避開一些難、精、尖故障的教學(xué)。而采取虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)后，維修教學(xué)成本大大降低。學(xué)員既能通過接近實裝的維修內(nèi)容學(xué)習(xí)，教學(xué)保障單位也不需為維修內(nèi)容設(shè)置傷腦筋，理論上在虛擬環(huán)境中，可以設(shè)置一切發(fā)生的故障，并且可以實時了解教學(xué)進程和效果，以便施教者安排學(xué)習(xí)計劃。

教學(xué)對比性增強。在故障查找中，通過零部件外形或功能的對比來查找故障點是一種很常用的方法。但往往只能查看原理或示意圖來對照，這樣需要故障排除人員首先將外部信息轉(zhuǎn)換為可用信息，再進行實物對照來排除故障。過程中可能造成人員對外部信息的錯誤理解，對維修形成錯誤引導(dǎo)。采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可將實體故障與虛擬場景進行對比，存在的差異一目了然，查找故障點迅速準確。

隨時調(diào)用專家?guī)?，修改意見可視化。遠程維修教學(xué)是突破維修空間的有效方法之一，它將專家搬到具體各個維修點。但是專家在提出維修建議時，可能會由于維修人員存在理解困難，或者維修信息傳遞不全難以給出維修建議。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以將維修點的故障全方位的顯示給專家，專家可以就故障給出意見，并直接將其復(fù)寫在環(huán)境中，維修人員接收后對修改信息了解迅速。

裝備的現(xiàn)場維修教學(xué)是基礎(chǔ)理論和操作教學(xué)的綜合，操作流程與前面類似，這里主要介紹遠程維修教學(xué)的流程，如圖4所示（由于在前文已經(jīng)給出，這里不再給出定位系統(tǒng)、傳感器工作流程）。

先由專家端通過錄入系統(tǒng)設(shè)置故障模型，形成數(shù)據(jù)庫以便遠程客戶使用。遠程維修教學(xué)中一旦發(fā)生某種故障類型，受訓(xùn)者在定位系統(tǒng)引導(dǎo)下，找到故障大致位置，當無法確定最終的故障點時。維修點將現(xiàn)場獲取的可能故障面以全景圖的方式發(fā)送至專家端，專家端針對獲取的圖像分析故障原因，發(fā)現(xiàn)后，連同解決辦法將內(nèi)容以圖像或文字的形式嵌入到全景圖中發(fā)送給維修點，同時更新數(shù)據(jù)庫。當維修點重新獲取圖像后將得到立體顯示的解決方案，通過與實裝故障對比，進行維修教學(xué)。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在軍事裝備教學(xué)中的運用，突破了時間和空間的限制，解決了裝備少，維修保障難以跟上的困境，降低了訓(xùn)練風險，保障了人員和裝備的安全。但是，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究較多的是單機操作，使用非在線式教學(xué)，這種方式只能進行操作級的教學(xué)，無法達到多人同時進行的效果，涉及教學(xué)內(nèi)容較少;VR頭顯體積與重量還偏大，人機工程等方面還不和合理;與其他先進技術(shù)的結(jié)合還不夠，功能不夠強大。所以，針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在的一些不足，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在下一步應(yīng)當重點突破的方向在于，系統(tǒng)由單機布置向復(fù)雜綜合系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)發(fā)展，實體設(shè)備輕量化且具備優(yōu)化的人機工程，加強與其他先進技術(shù)的結(jié)合。

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【通聯(lián)編輯：王力】