1、西安航空职业学院毕业论文虚拟现实技术简介及其在模拟训练中的应用姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 文档标题摘要：虚拟现实技术现已成为当今最热门的技术之一。本文通过对虚拟现实技术的概念、构成、特征、分类及其输入输出设备的全方位介绍，引出虚拟现实技术对军事模拟训练的重大意义。最后以美军为例，介绍了虚拟现实技术在模拟训练中的应用，也为我军未来将虚拟现实技术应用在模拟训练中提出了一些展望。关键词：虚拟现实技术；虚拟环境；模拟训练1 引言在科技创新驱动的新形势下，虚拟现实技术（Virtual Reality）已成为时下最热门的前沿科技之一。2016 作为虚拟现实技术的元年，在
2、这一年里，多个科技界巨头纷纷出手，使得虚拟现实技术得以广泛渗透到人们生活中的各个行业和领域，无论是制造、医疗、教育，还是娱乐、文化产业都已有所应用，尤其是在军事领域方面，由于其带来的特殊的意义和影响，在全球实战化训练的推动下，越来越多的国家都对其都加大了专项的投入。这其中，军事模拟训练中对虚拟现实技术的应用成为了一个新的技术亮点。2 虚拟现实技术简介2.1 基本概念虚拟现实技术（Virtual Reality，简称 VR） ，是一种对人类的视觉、听觉、触觉和力觉等多种感知行为进行高度逼真模拟的人机交互技术。它以人为主体对象置身于虚拟环境中，将数字图像处理、多媒体技术、人机接口技术、计算机图形学
3、、传感器技术、计算机仿真技术等多项信息技术学科相互交叉，使参与者能够身临其境的感受和体验，以达到人机相互作用相互启发。2.2 虚拟现实系统的构成完整的虚拟现实系统的构成模块如下：文档标题工 作 站Workstation输 入 /输 出 设 备I/O Device数 据 库Database应 用 软 件Software用 户User图 1 虚拟现实系统组成工作站是虚拟现实系统的核心，用户通过输入输出设备的交互工作表达出自己想要表达的内容，将信号传输到工作站中，工作站通过应用软件建立模型，结合数据库提供出虚拟环境中各个物体的全方面信息，再将这些信息真实的显示给用户。经过如此的一个交互式过程，用户便
4、可感受到身临其境的真实感受。2.3 虚拟现实技术的特征最早由美国的两位科学家提出虚拟现实技术特征三角形（“3I”特征）：沉浸性（Immersion） 、交互性（Interaction）和想象性（Imagination） 。沉 浸 性Immersion交 互 性Interaction 想 象 性Imagination3 I图 2 虚拟现实技术特征三角形沉浸性：指用户完全沉浸在预先创建的虚拟现实环境中，由被动的观察者变成了主动的参与者，身临其境的感受虚拟环境的真实感。沉浸性目前主要以视觉沉浸和听觉沉浸为主。视觉沉浸对虚拟现实系统十分重要，在视觉沉浸中，像素应该足够小以保证像素得以连续，刷新频率同时
5、应该足够高以保证画面得以连续，同时加上用户自身的双目时差，从而形成立体视觉。在听觉沉浸中，通过三维虚拟声源可以让用户真实感受到来自各个方向的环绕立体声，同时也可以让用户准确的判断出声源的位置所在。例如在军事模拟训练中，视觉上可以看到的战场环境、武器装备等，听觉上可以听到战场上风吹草动的声音、各种装备操作的声音等，这些都是身临其境的体现，也正是通过这些逼真的环境，才给受训的战士们获得最大的训练收益以及最高的训练质量。交互性：交互性改变了以往的被动接收的形式，计算机工作站提供的只仅仅是虚拟的环境，用户可以直接的、实时的通过输入输出设备与工作站进行自然的交互操作。例如在军事模拟训练中，受训者可以直接
6、参与到各种军事装备的使用和操作中，只要受文档标题训者做出相关操作动作，系统也会随之及时的做出反馈。想象性：想象性是指虚拟现实系统中的虚拟环境是设计者根据需要人为的想象构造出来的，用户通过真实体验产生进一步想象，从而达到某种新的目的。例如在军事模拟训练中，经历了虚拟环境中的演练，使得参与者可达到对战场环境、军事装备等均有了相应的认识，从而进一步的提高自身作战素质。2.4 虚拟现实系统分类2.4.1 沉浸式虚拟现实系统在沉浸式虚拟现实系统中，用户通过头盔、眼镜、手套等相关的设备将自己的视觉、听觉、触觉等相关感觉集中起来，通过实时位置追踪器等设备与虚拟现实系统中的虚拟环境交互，最终使用户能够身临其境
7、、全身心投入般的沉浸在虚拟现实的环境中。其具有如下几大特点：高度实时性；高度沉浸感；系统高集成度；支持多种输入输出设备并行工作。图 3 沉浸式虚拟现实系统2.4.2 分布式虚拟现实系统在分布式虚拟现实系统中，网络是系统的基础，伴有虚拟环境为平台，可以将处在不同物理位置的多个用户连接起来，通过虚拟环境这个平台进行实时交互，同时达到信息共享的目的。图 4 分布式虚拟现实系统2.4.3 增强式虚拟现实系统文档标题增强式虚拟现实（Augmented Reality，简称 AR）系统，与 VR 不同之处在于：VR 是一种纯粹的虚拟环境，而 AR 是虚拟与真实环境的结合，在增强式虚拟现实系统中，可以对实际
8、中的物体进行操作，从而实现了真正意义上的“真”与“假”同时存在。其具有如下几大特点：真实世界与虚拟环境的高度融合；可在虚拟对象的基础上实现对现实世界的认知的增强；高度实时交互性。图 5 增强式虚拟现实系统2.5 虚拟现实系统的硬件设备2.5.1 输入设备（1）基础交互设备：数据手套：基于手套的基础上，添加传感器，以此将来自用户手指、手腕、手掌等手上各个部位的姿态转换为数字信号传入到工作站中，进而驱动虚拟世界中的物理对象，达到人机实时交互的目的。以下介绍几种数据手套：a) CyberGlove 数据手套CyberGlove 数据手套采用尼龙材料制成，在手套上的每个关节处都有成对的应变电阻片，每当
9、手指弯曲时，这些成对的电阻片一个会拉伸，一个会受到挤压，使得两电阻片的电阻值一个变小，一个变大，进而产生差分电压来测得弯曲的角度。该角度与手指关节的突出与否无关，同时手指弯曲的程度也不会影响手套的数据分辨率。图 6 CyberGlove 数据手套b) DataGlove 数据手套DataGlove 数据手套在手套上手指关节处安装光纤环，当手指弯曲时，光纤环的光纤壁改变自身折射率，使得在手指弯曲处的光线产生逸出，该光线与弯曲角度成正比，通过这个文档标题光线的强度可测出手指关节的弯曲程度。图 7 DataGlove 数据手套原理数据衣：同数据手套的原理，可识别全身运动，全身各个关节的位置与弯曲角度
10、变化，不过目前数据衣技术还不是特别成熟。3D 鼠标：可以实现在虚拟环境中的六自由度操作，可旋转，可平移。（2）定位跟踪设备：包括光学跟踪设备，惯性位置跟踪设备超声波跟踪系统等等。2.5.2 输出设备（1）视觉感知设备视觉感知设备根据人在视网膜上产生图像的视觉产生原理，做出的可以在屏幕上与人的左右眼相对应产生图像的基于立体显示技术的设备。常见的有以下两种： 洞穴式立体显示设备洞穴式（Computer Automatic Virtual Environment，简称 CAVE）立体显示是一种房间式的立体投影技术。它由专用工作站、多通道垂直立体投影软件系统、房间式立体成像系统、多通道垂直立体投影硬件
11、系统四部分组成。将这样的设备安装在房间里，正如同洞穴一般。图 8 CAVE 立体显示设备可穿戴式立体显示设备可穿戴式立体显示设备是虚拟现实系统中常见的一种显示设备，以头戴式最为常见。以头戴式为例，通常将其戴在用户头部，使之能与用户头部一起运动，再通过上面的实时跟踪设备，检测用户头部的位姿。虚拟现实系统通常有两个显示器，通过显示有差别的图像进而实现立体的效果。文档标题图 9 可穿戴式立体显示设备3 虚拟现实技术在军事模拟训练中的积极影响随着虚拟现实技术突飞猛进的发展，其已广泛应用在各个领域，同时有人也看到了虚拟现实技术若应用在军事模拟训练中可能带来的巨大收益。通过对虚拟现实技术的理解与分析，它对
12、军事模拟训练将会有十分巨大的促进作用：可以显著节省训练经费在传统的军事训练中，往往根据实际需要会动用大量的真枪实弹，这些耗费的财力十分惊人。尤其随着科技的发展，现在的新型装备越来越高端，越来越昂贵，无论是使用还是维护都是一笔巨大的开支。与此同时，在训练中对武器装备的磨损及其寿命的削减也是一笔不可预算的损耗。而引入虚拟现实技术模拟军事训练，无论是战场环境的取景，军事装备的配备，还是受训战士对武器的使用，都在已经搭建完成的虚拟现实的环境中进行。虽然会有虚拟环境开发的经费，但是相比于真枪实弹的巨大费用，这也只是沧海一粟。可以更好的进行联合作战训练未来战争，由于时代和科技的进步，势必是一场高密度的联合
13、作战形式。传统的军事训练，因为装备构成，人员构成，作战模式的局限性，想要进行联合作战的难度可想而知。然而，联合作战对于战场上的意义之重无需多言，美国已经有很成功的案例。而引入虚拟现实技术模拟军事训练后，无论是什么级别的层次，只需在搭建的虚拟现实环境中即可实现对多级部队进行联合作战训练，尤其以分布式虚拟现实系统为主，即便是偏远的小规模部队，也可以经常性进行联合作战，从而也能够显著提高各部队的联合作战能力。 可以更好的降低训练的配套要求一场大型的军事训练或是演习，在战场上进行训练的同时，场下的后勤配套系统的强大与否也很大程度的影响着训练的质量。无论是人员的上身着装还是武器装备的填弹准备都需要后勤相
14、关部门予以支持。但是随着参训部队规模逐年扩大，后勤配套系统的压力也随之加大。而引入虚拟现实技术模拟军事训练后，一切的训练都在虚拟环境中进行，虚拟装备取代了真枪实弹，一切都是数字化的存在，所有后勤配套部门与系统的压力也会大大减轻。可以增强参与者的战场适应能力由于传统的军事训练提供的环境和场地终究只是假想和模拟的，离真实的战场相差甚远，这从某种程度上只能让受训人员的作战思路与方法仅仅局限于经常训练的受训场地，而对实际要作战的战场情况缺乏认识，这也将直接影响作战效能与收益。而引入虚拟现实技术模拟军事训练后，结合预定的战场信息，可以在虚拟环境中创建一个逼真的战场，这其中包含了一切可能会影响战斗的各个因
15、素。在此种环境下受训人员可以对预定战场有充分的认识，而且经过多次训练与熟悉，将来在真实战场上作战的伤亡率也会直线下降。可以改善受训人员的心理适应能力人为什么往往会对黑暗产生恐惧？因为黑暗的未知性。对每个参战战士也是一样，由于文档标题对即将作战战场上环境、敌人的未知性，以及作战过程的残酷性有一些非正常认知，即便是有过硬的技能，这些非正常认知也会很大程度的影响战士的心理状态。但是在虚拟环境中训练之后，设计者根据预定战场信息对虚拟环境赋予强大的真实性，使得受训人员在经过反复的训练后逐渐对其形成正确的认识，这样对受训人员的心理素质也能达到正确的引导和改善。4 虚拟现实技术在军事模拟训练中的应用由于虚拟
16、现实技术最早诞生在美国，故最早在美国广泛应用。20 世纪 90 年代，美国最早将虚拟现实技术应用在军事领域，同时也对模拟训练予以了高度的重视。无论是从指挥到单兵，从战场环境到武器装备美国都实现了对部队的全方位多层次的模拟训练。以阿富汗战争和伊拉克战争为例，都是美国利用虚拟现实技术进行模拟训练成功的体现。在这之中，无一不展现出美军优秀的指挥能力和战士作战能力，低投入，低伤亡，高收益，这一切都得益于美军平时高水平的以虚拟现实技术为技术核心的模拟训练。虚拟现实技术有如下几个方面的应用：针对指挥人员训练军事指挥人员对战场的判断，做出作战决策以及作战决心往往对战争有决定性作用。为适应现代战争的需要，美军
17、开发了多种模拟训练系统针对作战指挥人员的战场判断和决策能力进行训练。通过预定的战场信息与战场全景图，在虚拟环境中搭建出逼真的场景，让参训的指挥人员身临其境的感受战场情况，同时做出作战决策。众所周知，美国海军开发的以虚拟现实技术为核心的一个虚拟舰艇指挥中心，在这里有真实的舰艇环境，真实的指挥中心，超强的沉浸感与震撼性，足以让受训指挥人员真实的融入到战场之中。而通过这样的虚拟现实手段，受训指挥人员往往受益效果比原始的作战模拟训练更加明显同时受训时间大大缩短。针对单兵作战训练单兵作战训练，也是虚拟现实技术最原始，最基础，最成熟的使用领域。诸如伞兵空降模拟训练、战斗机虚拟模拟训练等等，美军在多兵种部队
18、中都应用虚拟现实技术提高训练效率。在单兵作战训练系统中，通过数字化可视系统，高性能的工作站，同时设计逼真的自然环境等条件，创造出一个“真实”的模拟环境。受训人员经过这样的训练，可应对战场上可能遇到的各种情况。根据资料统计，一个没有参加过任何模拟训练的飞行员首次执行任务的生还可能仅有六成，而受训过的飞行员生还可能则高达九成。这也充分说明了模拟训练的重要意义。分布式整合模拟训练随着分布式虚拟现实系统的发展，美军也将其结合现代通信技术，把分散在不同地域的作战单元整合起来联合作战，构建一个虚拟战场，使得多方力量同时融入在战场对抗之中。其中最先进的是美军创建的近战战术训练系统，这个系统利用分布式虚拟现实
19、系统，结合当前最前沿的武器装备，创建一个真实的作战环境，使得受训人员能够模拟作战于其中。这个系统连接着分布在各地的多达 65 个工作站，在工作时这些工作站实时共享信息和训练数据，共同分析促进模拟训练的进行。通过这样的手段，可大大加强分散在各地的部队联合作战的能力。制霸网络信息攻坚战在这个计算机网络发达的时代，任何信息都有其自身固有的价值，无论这条信息是真还是假。有时将假的作战情报送给对手亦能达到事半功倍的效果。美军将虚拟现实技术应用在这样的实验室或是部门中，通过制造一些假情报，假作战对象给对手，使对方陷入混乱，产生未所发觉的错觉，从而对战争对手产生负面的影响。我国将虚拟现实技术应用在模拟训练起
20、步较晚，不过现在业已认识到这其中巨大的价值，这对未来的模拟训练发展有极大的促进作用。未来我军也可在创建虚拟化战场，构建虚拟化装备，对战士进行虚拟化操作训练、战术训练，多军种联合虚拟作战等方面进行大力发展。文档标题5 结论虚拟现实技术应用在军事模拟训练中已经是大势所趋，故其也有良好的军事应用前景，也能带来巨大的军事效益。相信将虚拟现实技术与模拟训练予以结合，相互促进，虚拟现实技术也会有更大的技术突破，进而也会更好的推动军事模拟训练的向前发展。参考文献1 BURDEA G C，COIFFET P虚拟现实技术M魏迎梅，栾悉道，译北京：电子工业出版社,20052 王学松，于文江. 虚拟现实技术的“前生今世”J.中国科技产业，2015.083 帅朝林，陈雪梅，邱世广. 虚拟现实技术在航空智能制造中的应用思考与展望J.航空制造技术，2016（16）致 谢我要衷心地对曾经给予我帮助的老师和所有朋友以及我的家人致以崇高的敬意和深深的感谢。
