虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在武器裝備研制中的應(yīng)用研究*

李 強(qiáng)，趙文彬，莫新民，張 昂

（西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種借助運(yùn)用計(jì)算機(jī)生成、以模仿真實(shí)立體三維環(huán)境而創(chuàng)建仿真虛擬環(huán)境的人機(jī)交互接口，綜合了智能穿戴、圖形圖像、仿真模擬等多種新興技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)空間中的實(shí)物信息映射到計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中生成相應(yīng)的數(shù)字模型，并通過(guò)視、聽(tīng)、觸等感知行為使用戶(hù)沉浸其中，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與之直接實(shí)時(shí)的自然交互，產(chǎn)生一種全新的認(rèn)識(shí)世界和探索世界的方法。在該技術(shù)條件下，用戶(hù)通過(guò)借助專(zhuān)用的交互設(shè)備，即可以按照自己的主觀意愿驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境，并與環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，達(dá)到一種虛物實(shí)化、身臨其境的效果體驗(yàn)，可用于進(jìn)行一些現(xiàn)實(shí)世界中難以完成或根本無(wú)法完成的科學(xué)技術(shù)活動(dòng)[1-2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性3個(gè)顯著特征。

（1）沉浸性。沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，用于評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境仿真還原真實(shí)世界的逼真程度，可以通過(guò)視覺(jué)沉浸、聽(tīng)覺(jué)沉浸、嗅覺(jué)沉浸、觸覺(jué)沉浸及身體知覺(jué)沉浸等多方面感受到模擬環(huán)境中的真實(shí)感受。

（2）交互性。交互性是用戶(hù)通過(guò)借助各種專(zhuān)用的三維交互設(shè)備（如可穿戴設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等），對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作并得到與之對(duì)應(yīng)的操作反饋的擬真程度。

（3）構(gòu)想性。構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目的，通過(guò)借助人工搭建的虛擬世界中產(chǎn)生的各種刺激，使用戶(hù)能快速獲取到感性或理性的認(rèn)識(shí)，發(fā)散思維，獲得意想不到的新思路。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在武器裝備上的應(yīng)用

1.1 虛擬樣機(jī)

在武器裝備研制開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的三維模型，設(shè)計(jì)師可以輕松地介入到系統(tǒng)建模和仿真實(shí)驗(yàn)的每個(gè)過(guò)程，在物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，即可借助各種虛擬環(huán)境對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行模擬研究，檢驗(yàn)武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和各項(xiàng)戰(zhàn)技性能指標(biāo)，由此可以利用最少的資源進(jìn)行大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，大大縮短了武器裝備的研制周期，提高工作效率，降低實(shí)驗(yàn)成本[3]，同時(shí)，還可減少在物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的意外風(fēng)險(xiǎn)，并能對(duì)武器系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行合理評(píng)估，極大地方便了研制工作的推進(jìn)。

1.2 模擬訓(xùn)練

1.2.1 操作訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打破實(shí)踐操作中對(duì)時(shí)間和空間的限制，克服實(shí)際操作中武器裝備數(shù)量少、性能不穩(wěn)定、高風(fēng)險(xiǎn)性等短板，使參與者通過(guò)人在回路或操作傳感裝置等方式做出或選擇相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，達(dá)到在虛擬環(huán)境中沉浸式地實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)裝備實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的目的，不僅便于論證武器裝備的操作性、人機(jī)工效、可靠性等性能指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計(jì)的不足之處，而且在增強(qiáng)士兵戰(zhàn)斗力、提升實(shí)戰(zhàn)化條件下的心理素質(zhì)、緊急情況下作出快速反應(yīng)等方面起到了關(guān)鍵作用。例如，某國(guó)在某戰(zhàn)斗機(jī)的單兵模擬訓(xùn)練中引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬傘降（圖1）。

圖1 飛行員模擬傘降

1.2.2 診斷維修

診斷維修充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的全景式立體訓(xùn)練環(huán)境，在計(jì)算機(jī)生成的包含有維修仿真對(duì)象的虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)人機(jī)交互來(lái)仿真整個(gè)維修過(guò)程，大到各類(lèi)艦艇的發(fā)動(dòng)機(jī)，小到納米級(jí)武器芯片，都能實(shí)時(shí)展示維修中的各種操作，如飛機(jī)零部件的拆裝和檢修等動(dòng)作（圖2），從而向參與者提供全面直觀的診斷維修過(guò)程，極大方便了相關(guān)人員的培訓(xùn)，尤其適用于各類(lèi)復(fù)雜裝備系統(tǒng)和價(jià)格昂貴的設(shè)備維修中，可以迅速提高人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和工作能力，減少事故發(fā)生[4-5]。

圖2 飛機(jī)零部件的拆裝和檢修

1.3 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將重要的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如戰(zhàn)場(chǎng)地形、戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景、戰(zhàn)場(chǎng)武器裝備等進(jìn)行處理，還原真實(shí)的立體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境[6-7]，如圖3所示。在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)所論證的武器裝備的各項(xiàng)性能進(jìn)行反復(fù)模擬，將無(wú)形的作戰(zhàn)能力可視化，仿真武器裝備在作戰(zhàn)環(huán)境下的各項(xiàng)功能和性能數(shù)據(jù)，重復(fù)、安全、便捷，可以佐證樣機(jī)的研制開(kāi)發(fā)，用于增強(qiáng)各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)的可靠性和可信性，提高裝備論證的科學(xué)性，同時(shí)也可以為未來(lái)列裝部隊(duì)后的使用提供輔助決策和參考數(shù)據(jù)。

1.4 遠(yuǎn)程技術(shù)保障

現(xiàn)代武器裝備發(fā)展的日趨復(fù)雜使得對(duì)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)展技術(shù)保障的迫切需求進(jìn)一步加大，部隊(duì)對(duì)裝備技術(shù)的依賴(lài)性日益增加。能否對(duì)裝備故障進(jìn)行及時(shí)快速的診斷并排除，對(duì)于保障武器裝備的戰(zhàn)斗力來(lái)說(shuō)是非常重要的，因此，組織及時(shí)可靠的裝備技術(shù)保障勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的技術(shù)保障工作往往是裝備發(fā)生故障后，由工程技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)處理，這種保障形式的信息化程度低，而且受時(shí)空限制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難做到高效及時(shí)，降低了裝備的保障能力和戰(zhàn)備完好性[8]。

通過(guò)在遠(yuǎn)程技術(shù)保障中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使前方維修人員和后方技術(shù)專(zhuān)家建立聯(lián)系，在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)和仿真武器裝備存在的故障問(wèn)題，幫助后方技術(shù)人員進(jìn)行輔助定位并制定相應(yīng)的維修方案，同時(shí)將零件拆裝等維修信息的虛擬演示場(chǎng)景傳送給前方，便于前方準(zhǔn)確及時(shí)地獲得技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)行診斷維修。

圖3 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

2 實(shí)例分析

本文以遠(yuǎn)程技術(shù)保障為例，說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在武器裝備上的應(yīng)用。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)保障，通過(guò)異地和同步的交流活動(dòng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)維修方式的不足，使技術(shù)專(zhuān)家實(shí)現(xiàn)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)同診斷，提高武器裝備維修的效率。

2.1 遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)的框架

武器裝備的技術(shù)保障涉及的技術(shù)領(lǐng)域眾多，在平臺(tái)搭建過(guò)程中需要將這些技術(shù)層次進(jìn)行梳理調(diào)整，進(jìn)而便于實(shí)施統(tǒng)一有效的遠(yuǎn)程信息支持。遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)的框架劃分為用戶(hù)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)支持層、專(zhuān)家層等4個(gè)層面，其功能原理如圖4所示。從圖中可以看出，應(yīng)用層是整個(gè)遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)的核心，遠(yuǎn)程保障并發(fā)控制部分主要提供了虛擬現(xiàn)實(shí)所需的仿真環(huán)境，保證了場(chǎng)景環(huán)境的真實(shí)感和沉浸感；遠(yuǎn)程保障信息支持部分包含了維修對(duì)象的基本信息、拆裝序列和故障排除方法；數(shù)據(jù)共享緩存區(qū)是后方技術(shù)專(zhuān)家和前方維修人員進(jìn)行信息溝通交流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)[9]。

圖4 遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)框架圖

數(shù)據(jù)支持層是技術(shù)專(zhuān)家調(diào)用各種故障數(shù)據(jù)、部件模型和診斷信息，并對(duì)用戶(hù)層的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行診斷排除的區(qū)域，它包含了武器裝備最完整的技術(shù)數(shù)據(jù)信息。

在用戶(hù)層中，專(zhuān)家的反饋方案已經(jīng)借助虛擬環(huán)境中的3D模型和特效完整直觀的展示出來(lái)，如零件的拆裝運(yùn)動(dòng)、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效果等，方便前方維修人員進(jìn)行參照維修[10]。

2.2 遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)的功能模塊劃分

如圖5所示，為了直觀地展現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)，便于前方維修人員和后方技術(shù)專(zhuān)家的操作控制，將平臺(tái)劃分為以下幾個(gè)模塊：虛擬視景顯示模塊，圖形用戶(hù)界面模塊，用戶(hù)操作事件驅(qū)動(dòng)模塊及維修操作控制模塊。

圖5 遠(yuǎn)程技術(shù)保障平臺(tái)的功能模塊

（1）虛擬視景顯示模塊：虛擬視景能形象地描述出仿真環(huán)境下的動(dòng)態(tài)維修過(guò)程，并在3D場(chǎng)景和聲音特效下提供某些具體的場(chǎng)景特效或?qū)收犀F(xiàn)象進(jìn)行提示，如滴水、漏油的聲響等。

（2）用戶(hù)圖形界面模塊：用戶(hù)和計(jì)算機(jī)交互的接口，是計(jì)算機(jī)對(duì)用戶(hù)操作最直觀的信息反饋。

（3）用戶(hù)事件驅(qū)動(dòng)模塊：對(duì)用戶(hù)的輸入動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)，如視角切換、鼠標(biāo)控制等。

（4）維修操作控制模塊：在專(zhuān)家給出技術(shù)保障路線(xiàn)后，平臺(tái)可以根據(jù)給出的部件工藝數(shù)據(jù)、拆裝序列及維修數(shù)據(jù)等及時(shí)進(jìn)行識(shí)別、判定和引導(dǎo)，以協(xié)助用戶(hù)在任何一步操作完成后，系統(tǒng)能給出該維修過(guò)程進(jìn)行到哪一步、當(dāng)前操作是否正確、下一步該如何操作[11]。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在武器裝備研制等軍事化領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，其應(yīng)用價(jià)值和潛力不可估量[12]。未來(lái)裝備系統(tǒng)的科技含量和綜合性越來(lái)越強(qiáng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于虛擬樣機(jī)、模擬訓(xùn)練、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和遠(yuǎn)程技術(shù)保障等方面，不僅可以減少武器裝備的研制周期，節(jié)約成本，還可以對(duì)裝備的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重復(fù)的模擬仿真。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于武器裝備的研制過(guò)程中，可以在一定程度上提高武器裝備的現(xiàn)代化水平，錘煉信息化高技術(shù)的戰(zhàn)爭(zhēng)能力。