虚拟现实技术在装备研制和培训中的应用

摘 要

虚拟现实技术的发展和应用越来越广泛，在航空、航天和国防现代领域也具有非常广阔的应用前景。本文在综述国内外研究工作和发展现状基础上，总结了虚拟现实系统的典型实现方式和应用特点，讨论了建立虚拟现实系统所涉及的主要关键技术及其发展趋势。结合军事装备发展的需求，着重分析了虚拟现实技术在装备研发和人员培训阶段的应用方式、前景和社会经济效果。

【关键词】虚拟现实技术 系统产品研制培训

随着国防和军队现代化建设的深入推进，在装备研制和实际使用过程中出现了一系列新的重要的变化。主要表现为：

（1）装备的技术越来越复杂和设备规模越来越大，涉及的技术部门越来越多。

（2）用于设备研发的投入越来越高，设备研制周期越来越紧。

（3）新装备对操作人员个人素质和培训要求越来越高，用于设备操作人员的训练成本急剧增加。

为了适应新形势下装备研制和人员培训的需要，为了缩短研制周期，提高设备研制效率和经济效益，降低人员培训和运行维护费用，计算机技术和自动化技术的推广和创新应用是实现上述目标的重要手段之一。尤其以计算机技术和自动化技术为基础的虚拟现实技术的合理使用可在设备研制各阶段和人员培训过程中发挥突出的作用。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是由VPL Research公司的创始人Jaron Lanier提出的。以沉浸性、交互性、想象性为主要特征。在虚拟现实系统中，用户可以在和实际物理世界完全一致的虚拟世界中自主漫游和灵活交互，用户可以获得与真实物理系统交互时完全一致的视觉、力和空间感受。

虚拟现实技术经过较长时期的发展，已经趋于成熟并得到了较为广泛的应用。从上世纪末，美国就开始将虚拟现实技术引入到军事领域；实现了对哈勃太空望远镜的仿真，完成了虚拟行星的试验计划。美国国家航空航天局建立了航空、卫星发射与维护的虚拟现实仿真训练系统、空间站虚拟仿真系统，在设备维护和操作训练方面发挥了非常重要的作用。美国国防先进研究项目局成功地为坦克编队作战训练开发了一套虚拟战场系统，被用于模拟演习和驾乘人员培训。英国航空公司利用虚拟现实技术建立了高级战斗机座舱的仿真训练系统，实现了对传统模拟器的升级。在德国、日本、澳大利亚及某些欧洲国家，虚拟现实技术也被大量用于军用和民用系统中。

在中国，虚拟现实技术也得到了广泛的关注和应用，在某些民用或国防项目的研制、培训过程中得到了应用，例如电力仿真培训系统、汽车驾驶训练系统等的推广应用较为普遍。由于在核心技术和基础装备发展方面普遍滞后于国际先进发展水平，我国虚拟现实技术的应用还不够广泛，实用化程度有待提高。

本文在对虚拟现实技术进行综合分析的基础上，主要就虚拟现实技术在国防装备和系统研制、操作训练方面的可行性、必要性和发展方向进行研究。

1 虚拟现实系统分类

根据应用目标和人机交互方式的不同，可以把常见的各种类型的虚拟现实技术划分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实或混合虚拟现实、分布式虚拟现实等类别。

桌面虚拟现实利用计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的显示器作为用户观察虚拟世界的主要窗口，通过常见的人机接口设备（键盘、鼠标、操作手柄等）实现与虚拟现实世界的交互。桌面虚拟现实系统缺乏真实的现实体验，实现成本低，功能简单；在CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域较为常见，也可用于一般的教学和演示。

沉浸式虚拟现实系统可提供完全沉浸的用户体验，使用户有一种完全置身于虚拟世界之中的感觉。它通过非常丰富的交互式设备（常见设备包括头盔式显示器、数据手套、姿态捕捉系统、力反馈装置、立体声系统等）使参与者能够自由地和虚拟系统进行完整的交互，在交互过程中用户感觉到完全融入了虚拟的系统，具有身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式的虚拟现实系统可被广泛应用于新产品研制和人员培训过程中。由于需要接入多种多样的人机交互设备，并需要使虚拟现实系统和人机接口设备协同工作，沉浸式虚拟现实系统的实现成本一般较高。此外，复杂的、人性化的人机接口设备的研制费用较高，这是限制沉浸式的虚拟现实系统推广使用的关键因素。所以，一般只在重大装备的研制和操作培训过程中才有可能使用较为高级的沉浸式虚拟现实系统。

增强现实虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，操作人员可以同时感知真实物理世界的信息，也可以观测和操作虚拟的物理系统。达到一种类似亦真亦幻的境界。典型的实例是GOOGLE GLASS基础上开发的设备维护系统，以及战机飞行员的平视显示器；在GOOGLE GLASS基础上开发的设备维护系统可以在操作人员进行设备操作阶段，顺序显示设备构成和操作方法，可在不干扰操作人员作业行为的情况下提供立体直观的指导；战机飞行员的平视显示器使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，可以同时观测分布在多个视觉空间中的物理信息，从而可集中精力观测全部重要的设备状态，处理关键的战斗任务。

分布式虚拟现实系统是建立在分布式网络基础上的虚拟仿真和人机交互系统，通过充分利用物理上分散的软件和硬件资源，协同实现虚拟现实计算、显示和人机交互。分布式虚拟现实系统不是一种独立的系统形式，它一般和沉浸式虚拟现实系统有关，也用于某些复杂的桌面虚拟现实系统。美国大型军用交互仿真系统NPSNET以及因特网上的多人游戏便是这类系统。此外，非常典型的SIMNET坦克仿真系统，就是分布式虚拟现实系统，被用于部队的联合训练。在较为复杂的沉浸式虚拟现实系统中，由于模型计算的复杂性，人机交互方式的多样性，一般需要建立分布式计算系统，以满足必要的实时性和多人协同操作等应用需求。

2 虚拟现实技术的关键技术

2.1 虚拟现实建模技术

虚拟现实系统是实际物理系统的一个逼真映像。为了建立完整的虚拟系统，一般需要将众多的离散模型有机的组合起来，用以构成在外观、结构上高度逼真的虚拟系统。在虚拟世界中最基本的元素是模型。虚拟世界的人物、设备、仪器、周围环境都是模型，三维模型是构成虚拟世界的基础。基础模型和真实物理系统的接近程度，最终会直接影响到虚拟世界的逼真程度，影响虚拟现实系统最终效果。三维建模技术以图形和图像处理技术为基础，目前常用的三维建模方式主要有3种：

（1）基于三维几何绘制的建模技术；

（2）基于图像的建模技术；

（3）基于几何与图像混合的建模技术。

基于三维几何绘制的建模技术以计算机图形学和CAD技术为基础，使用数学上的点、线、面、多边形等各种数学元素建立模型的几何轮廓，通过场景渲染和表面材质赋予模型真实感。基于几何绘制的三维建模方法是建立在对仿真场景进行数字化描述的基础上的。需要使用场景对应的建筑或结构设计图，建立的几何模型参数准确，模型比较细腻，但是要得到非常逼真的现场效果不是十分容易的。现在这种建模技术比较成熟，配套的软件较为丰富，在装备场景复杂时，建模工作量很大。

基于图像绘制的建模技术通过专用的设备采集实际物理系统的图像数据。利用图像处理（变换、融合、映射）方法对采集的数据进行分析、处理；最后组成立体的三维模型。这种建模技术具有快速、简单、效果逼真的优点，得到了比较广泛的应用。这种建模技术要求必须有真实的物理模型存在，得到的虚拟设备在细节参数上可能出现一些细微差异。目前，支持该种建模方法的软硬件系统发展较快，激光扫描仪、全景照相系统、立体成像系统及后处理软件系统都有较为成熟的产品。

基于几何与图像混合的建模技术实现了上述两种方法的综合应用，达到取长补短的目标。主要策略是在具体建模过程中，针对不同的物理场景、不同的环节，采用不同的建模方法。在全景性的模型中，由于无需太注重细节，可以采用基于图像绘制技术的建模方法；在可能和用户进行近距离人机交互的局部空间，利用几何绘制的建模方法建立精确的模型。混合建模技术综合效果较好、代价低，是应用最为广泛的方法。

2.2 模型驱动和物理效果的仿真计算

在虚拟现实系统中，设备一般包含多个可动的机械单元或流体单元；在一定的控制作用和环境条件的影响下，系统应当产生确定的可见的相对运动，如流体流动，机械旋转，相互碰撞，膨胀或爆炸等物理现象。虚拟现实系统的重要任务是真实反映虚拟系统在外部作用下的内部作用或外部运动过程（至少在人可以看到或接触到的虚拟物理系统上有此效果），所以物理系统的模型驱动计算和物理效果的仿真、显示是非常重要的。

目前阶段，大多数虚拟现实平台集成了简单物理单元（简单刚体、弹性体）的相互作用的仿真计算功能，复杂的物理部件的相互作用，必须经过简化后用简单物理单元的作用替代，也可以开发专门的计算程序实现特定复杂部件的物理相互作用计算。对于包含电气、流体等复杂相互作用的物理装置，目前阶段还没有成熟的实时仿真平台可实现上述目标，需要借助专业的流体、电磁场、有限元分析等专用仿真软件的支持才能完成物理效果的仿真计算。

2.3 人机交互设备和人机交互操作

虚拟现实系统的可交互性是其与三维动画、影视录像区别的重要特征。虚拟场景中的工作人员可在建立好的场景中进行设定的各种（一般是比较复杂的）操作；操作人员除了在虚拟场景中对自己的行为（例如：行走、跑动、跳跃、下蹲等）进行有效控制外，还可以对环境中的设备、机构等进行操作，同时接收到逼真的物理信息反馈（视觉、音效、温度、振动、嗅觉等）。一个真正完善的人机互动设计可使操作人员如同操作真实物理系统一般和虚拟系统相互作用，提供逼真的感官体验。

虚拟现实系统的人机交互系统主要分为专用系统和通用系统两种型式。专用系统中所有需要人机交互的物理环节都有真实的物理部件，在虚拟现实系统的协同工作下，物理部件产生真实交互作用和信息反馈。常见的如模拟驾驶舱等，这种方案一般只能用于操作人员位置固定，可交互设备单一的场合；当需要在大范围内移动操作设备时则不具备可行性。目前大部分虚拟现实系统的人机交互接口都是以通用的人机交互装备为基础构建的，具有灵活、多样、直观等优点。

目前常见的人机交互设备包括：

2.3.1 姿态捕捉系统

通过光学或可穿戴传感器系统捕捉人体主要关节的动作，可识别操作人员的运动。常见的姿态捕捉系统有基于光学原理的、惯性测量原理两种。光学姿态捕捉系统，通过多个摄像机获取人体图像，通过机器视觉方法分析人的运动和操作。基于惯性测量原理的姿态捕捉系统，通过多个与关节一起运动的惯性传感器测量人体关节的运动方向和速度，从而可识别人的操作和运动。

2.3.2 浮动鼠标

浮动鼠标内部装设电磁探测器、无线定位单元、超声波收/发器等单元，可测量物体六自由度的运动。操作人员可以通过浮动鼠标实现对虚拟物体的多自由度操作。

2.3.3 三维空间球

三维空间球是安装在一个小型的固定平台上的球状物体，它可被扭转、拉出、下压、摇摆。通过实现上述操作，操作人员可对三维空间的模型进行六自由度的控制。

2.3.4 数据手套

数据手套外观上和普通手套一致，通过内部嵌入的传感器系统，可以捕捉手指关节的运动；在虚拟空间里，操作人员可以通过数据手套操作虚拟模型，如同在真实的世界中操作物体一样。

2.3.5 头盔式显示器

头盔显示器内部布置跟踪器，用于捕捉人头部的位置和方向，当这些数据传送到计算机系统后，虚拟仿真计算机系统利用这些数据调整用户视角，在头盔前部的眼镜上显示符合头部方位和姿态的视觉场景。头盔显示器可使操作人员在虚拟系统中观测到的现象和实际物理系统高度接近，效果逼真。

2.3.6 立体声音处理器

听觉是人接受信息的一个非常重要的渠道，也是人机交互中的一个重要方面。立体声音处理器由声音辨识、合成、定位等部分组成。可使用户获得真实的立体音效反馈。

在虚拟现实系统中，实现人机交互操作所涉及的关键技术主要包括实景漫游和碰撞检测两个方面。为了实现大范围移动和交互式体验，在输出输入设备的支持下，操作者可在虚拟世界进行探索和操作，并得到逼真的反馈。在人机交互过程中，对相互作用过程的仿真不可避免。虚拟现实中所谓的碰撞检测就是检测不同模型是否发生了接触和相互作用。如果没有碰撞检测，不计算设备和人员间的相互作用，在设备和人员运动时可能会产生“穿墙而过"的意外效果，严重破坏虚拟环境的真实感。碰撞检测和相互作用的物理计算是虚拟现实世界中最为复杂的关键技术之一，需要根据设备的物理原理、结构和材料特性进行仿真计算，涉及物理过程复杂且各不相同。

3 虚拟现实技术在装备研制过程中的应用

在重大装备的研制过程中，虚拟制造、虚拟装配和产品的虚拟化运行和操作对于缩短研发周期，降低研发费用，协调研发团队间的协作关系具有非常重要的意义。传统研制流程和基于虚拟现实技术的研制流程对比如图1所示。通过虚拟现实技术的应用可以显著优化设计流程。

3.1 在方案论证阶段

通过建立虚拟样机，建立完整的虚拟系统，对于明确、评价装备的技术路线，形成形象、直观的概念具有重要作用。可在形成正式装备前对装备的结构和性能有深刻的、直观的理解，有助于方案的论证和优化。

3.2 虚拟现实技术对于复杂军事装备的设计具有重要的作用

随着装备自动化程度越来越高，技术性能越来越先进，其内部构成也越来越复杂，通常包括结构、电气和控制系统诸多组成部分。复杂的军事装备都需要多部门高效协作才能完成研制工作，对总体部门的协调能力，各级部门对任务、接口的理解能力要求较高，在装备研发和调试阶段出现结构和接口不兼容等问题风险偏高，对开发周期、性能和成本都可能带来较大的影响。

虚拟样机技术的合理应用对于制定经济、快捷、安全、可行的技术路线、装配工艺、操作流程有显著作用，也可提升研发阶段质量、成本、进度控制以及管理水平。虚拟制造、虚拟装配和装备的虚拟化运行在本质上是实际制造、装配和运行过程在计算机系统上的演练和验证；在虚拟空间中显示装备的结构、功能及操作和运行效果可促进装备整体概念的形成和优化。

4 虚拟现实技术在设备操作训练中的应用

目前阶段，主要军事装备的使用和操作训练仍以课堂教学和实物操作为主。在重大装备如空间站、战斗机等的操作训练过程中已经引入了虚拟现实技术。和现场培训、课堂教学培训相比，虚拟现实培训技术具有非常显著的优势。可以独立完成操作演示、交互式操作体验和技能考核等功能，具有系统、客观、立体、可重复的特点。通过基于虚拟现实技术的培训，操作人员可以提高感性认识和实际的操作动手能力。以最少的可重复利用的物质投入，实现系统化的全面的人员培训。培训人员在虚拟现实环境中通过交互操作完成全部流程的培训，既能获得理论上的指导又能掌握现场知识，还能通过反复的练习来提升自己的技能水平，掌握正确的操作流程。

基于虚拟现实培训系统的典型结构如图2所示，在数据库、知识库的支持下，可以实现培训、演练、考核等多种功能。一般而言，基于虚拟现实技术的培训，可以实现如下的培训目标：

4.1 虚拟现实培训系统通过“身临其境”的演练，使培训参与人员较快地掌握装备的操作流程和操作方法

虚拟现实培训系统将操作人员—计算机—环境三个要素在虚拟世界中融合在一起，协调处理三者之间相对运动和交互操作，实时做出符合实际物理规律的响应；通过反复的操作训练，可以帮助操作人员提高操作的准确性、规范性。

4.2 提高操作人员的环境适应能力

通过逼真的视觉、力觉反馈效果帮助操作人员克服高空作业时的恐高症，逐步适应船舶航行过程中的剧烈颠簸，避免产生眩晕、紧张等心理和生理障碍。

4.3 对人员操作技能进行考核

在虚拟培训操作过程中，虚拟现实系统可以记录和判断操作人员的操作行为的准确性和精度。对违反操作规定的行为和过大的操作误差进行提示和记录。通过系统的演练和评价，可以确定操作人员的能力和水平是否合格，并提出针对性的改进意见和建议。

4.4 模拟应急或异常状况

虚拟现实培训系统可以自动模拟一些典型的事故、故障等异常情况。可以真实模拟系统异常条件下的物理状态，可以考核操作人员对系统异常状态的判断能力，反应能力和处理能力。使培训人员具有置身于真实事故环境一样的感触，对事故发生的起因、经过、结果、处理过程一目了然。通过应急和突发事件的演练与考核，可以提高操作人员分析处理问题的能力，降低操作失误的可能性及随之而来的风险和损失。

4.5 协同操作演练，提高协同工作能力

对于需要多人协同操作的大型装备和分散系统，虚拟现实培训系统的建立和应用具有显著优势。在不增加硬件成本的情况下，可以实现多人的协同操作演练，提高在实际装备操作过程中的协同工作能力。

5 小结

近十年来，虚拟现实技术的发展非常迅速，应用范围逐步推广到各种不同的技术领域。本文在综述虚拟现实技术的发展和应用现状基础上，探讨了在军事装备的研制过程中应用虚拟现实技术改进装备研发、人员培训工作的可行性，探讨了在装备研制和培训过程中应用虚拟现实技术的方式及效果。随着虚拟现实技术和配套的传感器、装备、软件系统的发展，虚拟现实技术将会越来越完善；在工程领域，尤其是在产品研制和培训阶段，其应用将更加深入和广泛，对相关技术活动的组织和管理都将带来重大的影响，并带来显著的技术、经济效益。

参考文献

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作者单位

海军驻杭州地区军事代表室 浙江省杭州市 310026