常海昕，劉永亮，徐清宇，陳寬亮，王 杰

(北方自動控制技術研究所 仿真裝備研發(fā)部， 太原 030006)

便攜式反坦克導彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中最為有效的單兵反坦克武器。對便攜式反坦克導彈實施作戰(zhàn)訓練，可以提高其戰(zhàn)時作戰(zhàn)效能。但便攜式反坦克導彈實裝訓練難度大，受時空、天侯、人力、成本、安全保障等因素制約，存在難以組織實戰(zhàn)化對抗、難以實施聯(lián)合訓練組訓、難以構設演習戰(zhàn)場環(huán)境、難以采集反坦克導彈效能評估數(shù)據(jù)、實戰(zhàn)演習耗費巨大等問題。設計基于虛擬現(xiàn)實技術與設備的便攜式反坦克導彈模擬訓練系統(tǒng)[1-4]，以取代實彈訓練中部分戰(zhàn)術科目，擁有切合實裝、實戰(zhàn)的訓練效果。

1 虛擬現(xiàn)實技術

在1989年，美國VPL Research公司創(chuàng)始人Jaron Lanier最早提出Virtual Reality一詞，即虛擬現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實技術[5]，又稱靈境技術，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。這里的虛擬世是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維虛擬環(huán)境。它綜合運用了計算機圖形技術、多傳感器技術、計算機仿真技術、立體顯示技術和人機交互技術等多種信息技術，向用戶提供在視覺、聽覺、觸覺等感官高度逼真的計算機仿真模擬環(huán)境，并可與之交互。虛擬現(xiàn)實技術具有三大突出特征，即3I特性：交互(Interaction)、沉浸(Immersion)和想象(Imagination)。其中，沉浸是虛擬現(xiàn)實技術的核心特點，交互則體現(xiàn)用戶對虛擬環(huán)境進行交互以及相互作用的能力，而想象是指，虛擬現(xiàn)實技術可以擴展用戶認知與思考范圍。

虛擬現(xiàn)實技術最早運用于軍事模擬訓練。軍事模擬訓練[6-8]與常規(guī)軍事訓練相比，具有節(jié)約成本，不受訓練場地、氣象條件制約、安全、訓練針對性強等特點，并提供了新的軍事演練方法，便于多次組訓。虛擬現(xiàn)實技術通過構建逼真的地理環(huán)境、氣象環(huán)境以及虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，提供與實裝保持一致的操作設備和人機交互手段，并利用仿真引擎對背景環(huán)境、武器裝備、作戰(zhàn)人員、目標進行渲染與呈現(xiàn)，顯著增強訓練人員的沉浸感，使其獲得對作戰(zhàn)裝備，戰(zhàn)法戰(zhàn)術的清楚認知，并提高訓練水平，實現(xiàn)軍事模擬訓練趨向?qū)崙?zhàn)化。

2 便攜式反坦克導彈模擬訓練系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，該便攜式反坦克導彈模擬訓練系統(tǒng)[9]主要由硬件交互模塊、信號傳輸模塊、軟件管控模塊三部分組成。其中硬件設備[10]主要包括頭盔顯示器、模擬導彈發(fā)射筒、三維虛擬聲音輸出設備、加裝在導彈發(fā)射筒上的力感反饋裝置以及安裝在頭盔和導彈發(fā)射筒上的位置跟蹤傳感器。

圖1 模擬訓練系統(tǒng)組成框圖

當系統(tǒng)工作時，總控臺計算機對訓練參數(shù)和虛擬訓練場景進行初始化；訓練人員按照訓練章程使用模擬便攜式導彈發(fā)射筒進行射擊訓練、系統(tǒng)實時檢測肩扛導彈和訓練人員頭部的位置、姿態(tài)信息，和訓練過程中產(chǎn)生的操作數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)娇偪嘏_計算機；在總控臺計算機，由彈道仿真、視景、聲音、力感仿真軟件進行信息整合處理，再反饋給頭盔顯示器、空間揚聲器陣列、發(fā)射筒上的力反饋震動裝置。最后對訓練過程中產(chǎn)生的操作數(shù)據(jù)進行分析，并由成績評定軟件進行成績判定。

2.2 系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實設備

2.2.1頭盔顯示器

在人感知到的信息中，大約有80%是來自視覺。人的左、右眼的視場只有部分重合，其中共同的視場角度約為50°～60°。人眼在視場中的分辨率從中心到邊緣迅速下降。雙眼看同一景物時，由于左、右眼在空間所處位置不同，每只眼晴的視角會有所不同，雙眼的視覺差異使得大腦感受到深度信息[11]。因此，為了增強視覺沉浸感以及方便訓練人員操作，我們選擇了頭盔顯示器，而放棄了固定式和手持式立體顯示設備。頭盔顯示器隨著頭部的運動而運動，并裝有位置跟蹤器，能夠?qū)崟r測出頭部的位置和朝向，當輸入到計算機中，計算機會處理這些數(shù)據(jù)，從而控制顯示器內(nèi)兩個顯示單元，分別向左、右眼傳送虛擬視景圖像。

在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，系統(tǒng)應提供具有深度信息與交互作用的三維立體圖形以增強真實感，同時對立體顯示設備提出較高的要求。頭盔顯示器需要考慮雙眼影像的同步，光學器件中視場角、出瞳距離、出瞳直徑、光能利用率等光學性能因素以及顯示器的分辨率等問題。人眼的最高分辨率為1弧分左右。目前的顯示技術和計算技術都還無法在VR系統(tǒng)中提供如此高的分辨率。目前世界上較高水平的LCD點陣分辨率為480×360，中央分辨率為每像素16弧分。這時只能采用犧牲視場邊緣分辨率的方法來進一步提高視場中心的清晰度。人眼與頭盔顯示器的視場也有較大差距，如圖2。頭盔顯示器一般只能提供90°的水平視場，最新的技術雖然已經(jīng)能達到120°的人眼視場，但顯示效果仍然和人眼有一定差距。

圖2 人眼與頭盔顯示器視場示意圖

目前性能出色的主流頭盔顯示設備主要有HTC Vive和Oculus Rift兩款系統(tǒng)，如圖3所示。HTC Vive最大的特色是應用激光室內(nèi)定位系統(tǒng)，因而允許用戶在一定范圍內(nèi)活動。目前最新的HTC Vive Pro已經(jīng)達到了110°的視場角，且擁有兩個3.5英寸的3K顯示屏。支持單眼1 440×1 600的分辨率，刷新率達到了90 Hz。美國OculusVR 公司推出的Oculus Rift頭盔則是基于軍事訓練領域而來。設備采用三軸陀螺儀進行定位，從而協(xié)調(diào)使用者頭部轉(zhuǎn)動和虛擬視角的同步，顯示器雙眼分辨率為2 160×1 200，戴上后幾乎沒有“屏幕”這個概念，大大增強了使用者的沉浸感。此外，在頭盔式顯示器領域還有索尼的PSVR、IDEALENS、大朋的DPVR等眾多產(chǎn)品參與競爭。

圖3 主流頭盔顯示設備

2.2.2三維虛擬聲音輸出設備

聽覺感知到的信息量約占人感知到的總信息量的15%，人的聽覺是僅次于視覺的感知機能，并且對視覺有明顯的提示作用。甚至在受干擾的視覺顯示中，用聽覺引導肉眼對目標進行搜索，要優(yōu)于無輔助手段的肉眼搜索。在虛擬場景中，能使用戶準確地判斷出聲源精確位置、符合人們在真實環(huán)境中聽覺方式的聲音系統(tǒng)稱為三維虛擬聲音[12]。三維虛擬聲音范圍類似一個半球體，如圖4所示。當聽到三維虛擬聲音時，聲音可能是來自訓練人員周圍的任何位置。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中加入三維虛擬聲音，既可以增強使用者在虛擬環(huán)境中的沉浸感和交互性，又可以減弱大腦對于視覺的依賴性，降低沉浸感對視覺信息的要求，使訓練人員獲得更多的信息。

圖4 三維虛擬聲音范圍示意圖

本系統(tǒng)對聲音素材采用直接采樣，動態(tài)調(diào)度的生成方法。把虛擬環(huán)境需要的聲音素材直接錄制成聲音文件并保存在聲音文件數(shù)據(jù)庫中，在運行時，根據(jù)虛擬環(huán)境對聲源的需求，動態(tài)調(diào)度聲音文件。這樣合成聲音的方法比一般虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用的建模合成方法獲得的聲音音質(zhì)高，且計算量小。該系統(tǒng)配備了高性能專用聲卡和空間揚聲器陣列，可根據(jù)地形、氣象、戰(zhàn)場環(huán)境對虛擬聲音進行模擬。例如，當戰(zhàn)場環(huán)境的氣象條件為雨天時，訓練人員能夠聽到與當前雨量所匹配的雨聲。當戰(zhàn)場環(huán)境中發(fā)生開火、爆炸等事件時，訓練人員能夠分別在開火、爆炸時候根據(jù)距離的遠近聽到對應的聲音。在多種聲音同時出現(xiàn)時，可以聽到混合而成的聲音。系統(tǒng)還可根據(jù)訓練人員操作產(chǎn)生對應的音效。例如，當訓練人員操縱觀瞄裝置，會產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)動的聲音。當訓練人員裝填導彈，能夠聽到武器裝填的聲音。當訓練人員發(fā)射導彈，能夠聽到導彈從鎖定到命中不同階段的不同聲效。

2.2.3三維位置跟蹤器

無獨有偶。上周末，“中國游客在瑞典遭警察粗暴對待”的新聞，在“目擊者”們相繼出場后，劇情走向出現(xiàn)了戲劇性的轉(zhuǎn)折。而為了維護中國公民正當權益，在第一時間向瑞方提出嚴正交涉的中國駐瑞典大使館，也被推上了輿論的風口浪尖。

在以往的計算機圖形技術中，視角的改變是通過鼠標或鍵盤來實現(xiàn)的，因此用戶的視覺系統(tǒng)與其運動感知系統(tǒng)之間的聯(lián)系被分割了。本系統(tǒng)利用頭部跟蹤來相應地改變圖像的視角，使圖像視角變化與人的運動感知系統(tǒng)之間聯(lián)系起來，增加沉浸感。訓練人員可以通過頭部的運動去觀察認識環(huán)境，這往往可以提供更多關于距離的信息。

如圖5所示，本系統(tǒng)采用非攝像機的激光定位光學跟蹤器。不需要借助攝像頭，而是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。將兩個以上的激光發(fā)射器安裝在訓練人員上方，形成一個長方形區(qū)域。每個激光發(fā)射器里有一個紅外LED陣列，該陣列包括兩個轉(zhuǎn)軸互相垂直、能夠旋轉(zhuǎn)的紅外激光發(fā)射單元。激光發(fā)射器工作時，以20 ms為一個循環(huán)。循環(huán)開始的時候紅外LED陣列閃光，10 ms內(nèi)X軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個區(qū)域，Y軸不發(fā)光；接下來的10 ms內(nèi)Y軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個區(qū)域，X軸不發(fā)光。在紅外LED陣列開始閃光時，信號開始同步，安裝在頭盔顯示器以及導彈發(fā)射筒上的光敏傳感器可以測量出X軸激光和Y軸激光分別到達傳感器的時間。進而獲得傳感器相對于激光發(fā)射器的X軸和Y軸角度。而光敏傳感器的位置已知，于是通過各個傳感器的位置差，就可以計算出頭盔顯示器和導彈發(fā)射筒的位置和運動軌跡。

與其他跟蹤技術相比，光學跟蹤器具有較高的更新率和較低的延遲，且具有較大的工作范圍，這對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是非常重要的。

2.2.4模擬發(fā)射筒及力反饋裝置

模擬發(fā)射筒能夠模擬與實裝一致的物理外形、重量、并符合實裝訓練操作流程與規(guī)范。發(fā)射筒安裝有位置跟蹤接收器和力反饋震動裝置。位置跟蹤接收器用來返回空間姿態(tài)及位置信息。而力反饋震動裝置使得訓練人員對虛擬場景中的觸感和力(如導彈發(fā)射筒后座力)有所理解與感知。

人體的運動機能和力感的敏銳感覺之間的聯(lián)系極為重要。人類大腦皮層的軀體感覺中樞處理所有的感覺信息，而感覺中樞與控制運動機能的腦神經(jīng)區(qū)域相鄰近。在創(chuàng)造“身臨其境”的過程中最大的困難是缺少觸覺與力覺的感受。在眾多虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，尚無一套系統(tǒng)能夠?qū)αΩ?觸感擁有完善的理論和裝置以滿足系統(tǒng)的應用需要。根據(jù)目前的國際研究情況，力感反饋系統(tǒng)大都是針對特定應用而開發(fā)的一些具有相當局限性的系統(tǒng)或裝置。例如，在2013年，微軟公司開發(fā)了一款3D觸控顯示屏，當手指通過屏幕觸摸到虛擬3D物體對象時，可獲得觸摸對象時的反饋感覺，但應用范圍有限。對虛擬現(xiàn)實技術中的力反饋裝置還有待進一步研究。

2.3 系統(tǒng)關鍵技術

2.3.1虛擬戰(zhàn)場環(huán)境生成技術

虛擬戰(zhàn)場環(huán)境[13-14]，主要包括對地形、天空、光照、氣象、植被、地物、戰(zhàn)場特效的模擬。根據(jù)系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)主要對虛擬地理環(huán)境、虛擬氣象環(huán)境進行仿真。

地形模型的功能實現(xiàn)流程如圖6。

圖6 地形模型的功能實現(xiàn)流程示意圖

開發(fā)人員使用第三方開發(fā)工具Visitor4對地形的高程數(shù)據(jù)進行處理，生成對應的地形模型文件。將不同地形的模型文件存入仿真資源庫，為戰(zhàn)場環(huán)境構建提供地形支撐。

此外，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，自然氣象條件對作戰(zhàn)活動有很大的影響，因此對氣象背景的模擬建模是必不可少的。為了表現(xiàn)特殊氣候下的戰(zhàn)場環(huán)境，采用粒子系統(tǒng)對雨、雪等自然氣象條件進行模擬。雨、雪的粒子系統(tǒng)包括雨、雪落到地面的粒子效果和雨、雪在下落過程中的粒子效果。對兩種粒子進行3D建模后，將雨、雪粒子的質(zhì)量、體積、生成位置、生命周期、矢量運動速度、矢量旋轉(zhuǎn)速度、隨機運動方向變化周期、隨機方向密度、粒子溫度等因素作為粒子生成、運動模型的輸入?yún)?shù)，對雨、雪的下落過程以及落地效果進行建模。

虛擬視景引擎具有地理環(huán)境構建功能，能夠結合不同的地形、植被、地物生成訓練所需場景，為訓練提供草地、雪地、丘陵、戈壁、沙漠等自然背景支撐；具有氣象仿真功能，能夠模擬晴天、陰天、雨天、雪天、霧天等不同的氣象條件。其效果圖如圖7。

圖7 生成的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境效果

2.3.2目標生成技術

目標生成技術的內(nèi)涵是構建目標的實體模型，和目標的行為模型。

根據(jù)假想目標武器裝備的實際數(shù)據(jù)，應用3DMAX軟件制作目標的3D實體模型，在此基礎上，采用LOD細節(jié)層次技術制作模型的各個屬性圖層，形成目標模型的配置文件，實現(xiàn)實體模型的建模[15]。根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要程度，決定三維模型的網(wǎng)格劃分，從而獲得高效率的渲染運算。其細節(jié)層次劃分原則為：第一，只有在攝像機視野范圍內(nèi)的網(wǎng)格部分才會被渲染；第二，距離攝像機視點較遠的網(wǎng)格以低分辨率來繪制，距離較近的網(wǎng)格則以高分辨率來繪制。我們設D為目標模型網(wǎng)格邊長，L為攝像機視點到網(wǎng)格中心的距離，當滿足條件：

(1)

則網(wǎng)格繼續(xù)劃分，否則不予繼續(xù)。A1為可調(diào)節(jié)因子，可根據(jù)實際情況進行渲染；第三，粗糙的表面以高分辨率繪制，平滑的表面以較低的分辨率來繪制。網(wǎng)格的粗糙程度是由每個網(wǎng)格四條邊的起伏程度和中心點的起伏程度的最大值CMAX來定義的。當滿足條件：

(2)

則網(wǎng)格繼續(xù)劃分，否則不予繼續(xù)。其中A2為可調(diào)節(jié)因子。

目標行為模型包括機動模型、火力打擊模型、防護模型、隊形模型和目標分配模型。其中機動模型能夠仿真目標個體按不同航路角的直線運動、與地形匹配的上下坡運動、曲線運動、加速及減速運動、規(guī)避地形地物運動，支持相關的行駛揚塵、車轍印跡等三維圖形特效顯示；火力打擊模型能夠仿真目標的武器性能、彈藥實體外觀、彈藥殺傷力，支持相關的彈藥發(fā)射、爆炸等三維圖形特效顯示；防護模型能夠仿真目標個體的防護能力，支持相關的毀傷特效顯示；隊形模型能夠仿真目標分隊在運動過程中的隊形編成方式，包括縱隊隊形、交錯隊形、楔形隊形等；目標分配模型通過配置目標分配方式，對目標分隊進行目標分配的行為進行建模。目標分配可按照按距離遠近或威脅大小進行組織。

2.3.3彈道仿真技術

彈道仿真技術在便攜式反坦克導彈模擬訓練系統(tǒng)中扮演了重要角色。便攜式反坦克導彈[16-17]一般為近距離打擊，目視瞄準、跟蹤導引，其模擬訓練對視感要求較高。導彈彈道及導彈姿態(tài)在虛擬視景中的真實再現(xiàn)將會是系統(tǒng)效能評估的一大考量因素。

該模擬訓練系統(tǒng)彈道模擬功能主要由彈道仿真軟件和視景仿真軟件配合實現(xiàn)。其功能實現(xiàn)原理見圖8。

圖8 虛擬視景中彈道仿真功能原理框圖

訓練人員通過便攜發(fā)控裝置進行發(fā)射裝置控制和導彈發(fā)射控制(包括導彈供電、攻擊方式選擇、導彈擊發(fā)等)，視景仿真軟件接收發(fā)射裝置控制命令通過裝備模型實現(xiàn)發(fā)射裝置的仿真，通過背景模型實現(xiàn)發(fā)射場景的仿真，接收到擊發(fā)命令后，將發(fā)射裝置位置數(shù)據(jù)、初始擾動數(shù)據(jù)、氣象信息、導彈發(fā)射命令發(fā)送給彈道仿真軟件，彈道仿真軟件通過數(shù)值積分算法，解算不同攻擊方式下，不同氣象條件下，不同擾動下彈丸運動方程和姿態(tài)方程，實時計算彈丸的位置、姿態(tài)和速度。最后，通過視景仿真軟件，對導彈實體的位置、姿態(tài)和速度進行實時渲染。彈道仿真軟件運行在彈道解算盒上，以保證解算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。其中，彈道仿真軟件由彈體運動模塊、彈目解算模塊、數(shù)值算法模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、和數(shù)據(jù)輸出模塊組成，以嵌入式軟件方式實現(xiàn)曲射攻擊和平射攻擊兩種方式的彈丸軌跡計算。

3 結論

本文提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術的便攜式反坦克導彈模擬訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用頭盔顯示器、空間跟蹤定位技術、虛擬環(huán)境建模技術等虛擬現(xiàn)實設備與手段，可以極大提高便攜式反坦克導彈的組訓次數(shù)與質(zhì)量，有效縮短戰(zhàn)斗力生成周期，降低演習訓練成本，成為部隊提升戰(zhàn)力的重要手段。