數(shù)字化迷彩偽裝虛擬仿真實驗系統(tǒng)課的設計與開發(fā)

祖梅 程海峰 尹昌平 劉東青 李銘洋

［摘 要］ 結合國防科技大學空天科學學院偽裝技術實驗教學的實際情況，根據(jù)教學大綱的要求，設計開發(fā)了數(shù)字化迷彩偽裝設計虛擬實驗仿真系統(tǒng)，學生可通過操作虛擬仿真軟件進行迷彩偽裝設計并展現(xiàn)偽裝效果。系統(tǒng)采用模塊化設置，可以根據(jù)用戶的需求進行組合，全方位適應不同用戶的測試要求。采用虛擬仿真便于教學，不僅能使課前預習、課堂操作、課后練習與作業(yè)及課下答疑等教學環(huán)節(jié)在數(shù)字化課堂上靈活呈現(xiàn)，還有利于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和探索新知識的能力。

［關鍵詞］ 數(shù)字化；迷彩偽裝；虛擬實驗仿真系統(tǒng)

［基金項目］ 2020年度教育部“復合材料制備與損傷修復虛擬仿真實驗項目建設”（201902044076）

［作者簡介］ 祖 梅（1983—），女，四川宜賓人，博士，國防科技大學空天科學學院陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室副研究員，主要從事光電信息功能材料研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）12-0069-04［收稿日期］ 2022-04-05

引言

開展實驗教學的目的在于通過學生的具體操作深入理解和掌握所學知識。偽裝隱身技術與裝備不僅是現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)保障的重要組成部分，還是有效防御或進攻作戰(zhàn)的一種直接有效的手段，甚至影響戰(zhàn)局的成?。?］。高效的偽裝隱身技術和裝備將有利于提高我軍的生存能力和作戰(zhàn)能力，通過虛擬仿真實驗激發(fā)學員為國防科技事業(yè)奮斗的積極性。學員經(jīng)過系統(tǒng)的理論學習和技術學習，針對我軍面臨的軍事偽裝隱身實際難題，模擬作戰(zhàn)要求與戰(zhàn)場環(huán)境，學員進行綜合偽裝隱身設計實驗，做到學以致用，培養(yǎng)研究生運用所學知識為國防現(xiàn)代化建設服務的實踐能力和綜合素質［2-3］。采用以工程化應用為導向的虛擬實驗教學方法。教學逐步從學員觀摩向動手參與轉變，實驗設計從學員的實踐經(jīng)驗出發(fā)，在充分考慮學員理解、動手等能力和專業(yè)特點的基礎上，設計簡單的、對理解課程內容有利的、學員付出一定的努力能夠實現(xiàn)的實驗，幫助學員理解課程內容，提高動手動腦能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力［4］。虛擬仿真實驗教學的設置有助于跳出傳統(tǒng)的課堂框架，將課堂和書本中的理論落到實處，更好地與實踐聯(lián)系，在學生親身體驗或者親自動手參與的過程中，抽象的知識變得具體化。學生不斷探索和發(fā)現(xiàn)，深入課堂，活躍其思維，充分調動其積極性，更容易發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，提高工程實踐能力［5］。

一、實驗概述

偽裝技術是指能消除、減小、改變或模擬目標與背景之間光電信號的差別。迷彩偽裝技術則是用涂料、染料及其他材料改變目標、遮障、地表背景顏色及斑點圖案而實施的偽裝，主要用于縮小目標與背景之間的顏色及斑點圖案差別，達到降低目標顯著性和改變目標外形的目的。偽裝技術應用的作戰(zhàn)場景主要有林地、荒漠、雪地三種。作戰(zhàn)目標以坦克為例，與無人偵察機巡游探測形成對抗關系，對比目標偽裝與非偽裝狀態(tài)下與作戰(zhàn)背景的融合效果，從而引出迷彩偽裝設計的重要性，并還原迷彩偽裝設計流程，包括采集背景樣本圖像、背景特性分析、量化顏色、生成迷彩偽裝圖像等重要步驟，最后通過主觀判讀法對偽裝效果進行評價［6］。

（一）技術路線

虛擬軟件系統(tǒng)應涵蓋偽裝技術教學實驗大綱的要求內容，并結合學校的需求擴展定制實驗，以有助于實際教學為目標，力求簡潔、實用和高效。虛擬模擬和數(shù)值計算結合，以及細致的虛擬演示功能，使得虛擬實驗過程與實際操作系統(tǒng)結合，真正實現(xiàn)實驗操作的三維化演示。前提：虛擬數(shù)據(jù)應以實際的真實數(shù)據(jù)為依據(jù)（每個用戶虛擬數(shù)據(jù)均不同），要求虛擬實驗逼真、合理。必須注重專業(yè)，實用性要強，對機房的要求低，運行效率高且交互性強，又不失嚴肅性。圖1為模塊一中查找圖片中隱藏的動物，點擊開始后，開始計時，通過觀測發(fā)現(xiàn)時間反映圖片中動物的偽裝效果［7］。

（二）實驗教學過程及方法

教學過程可分為三個部分：（1）教師在實驗開始前發(fā)布線上課程資源，學生完成預習和自測；課堂開始后，教師對自測錯誤率較高的知識點進行約20分鐘的重點講解。（2）學生上機進行實驗，約90分鐘。（3）教師就學生實驗情況進行簡單講評，約10分鐘。

為了提升學生的學習效果，充分利用虛擬仿真的特點，發(fā)揮學生在實驗過程中的主觀能動性，虛擬仿真實驗以游戲的形式引入主題，并以工程化實際應用為導向進行實驗教學。下面主要對虛擬仿真實驗中的“以工程化應用為導向”的實驗教學方法進行詳細介紹。實驗由“自然界的偽裝”“迷彩偽裝設計”和“偽裝效果判讀”三個模塊組成。其中“自然界的偽裝”和“偽裝效果判讀”模塊均以游戲形式對已有模型進行偽裝效果人眼判讀，通過發(fā)現(xiàn)目標的時間反映偽裝效果?！懊圆蕚窝b設計”模塊則通過控制面板對不同變量進行切換，學生可多角度體驗作戰(zhàn)場景，并通過鼠標點擊進入和返回，體驗對多個背景進行偽裝設計的效果。

數(shù)字化迷彩偽裝設計虛擬仿真實驗共分三個模塊：模塊一：動物偽裝效果判讀；模塊二：迷彩偽裝設計（包括作戰(zhàn)場景認知和迷彩偽裝設計兩個場景［8］）；模塊三：迷彩偽裝效果判讀。

1.模塊一：動物偽裝效果判讀。（1）進入界面。以自然界偽裝圖庫中的1張圖片為背景，并配字“實驗說明：請快速找出圖片中隱藏的動物，共計15張圖片，每張限時12 s。點擊開始后進入倒計時?！保?）從圖庫中隨機生成15張圖片，依次記錄發(fā)現(xiàn)動物的時間。（3）完成查找后，以直方圖的形式對比每張圖片的發(fā)現(xiàn)時間。交互點：查找圖片中隱藏的動物，點擊開始后，開始計時，通過發(fā)現(xiàn)的時間反映圖片中動物的偽裝效果。

2.模塊二：迷彩偽裝設計。場景1：作戰(zhàn)場景認知。場景的構建：作戰(zhàn)場景主要包括林地、荒漠、雪地三種場景，根據(jù)GJB4004-2000陸軍裝備變形迷彩圖冊的色度學數(shù)據(jù)構建相應的場景。其中林地場景由植被、土壤、丘石等元素構成，綠色斑塊顏色種類為EG1456，面積占比為40%；荒漠場景由灌木叢、礫石等元素構成，土色斑塊顏色種類為YG3948，面積占比為50%；雪地場景由積雪、植被等元素構成，白色斑塊顏色種類為WN8384，面積占比為75%。每種場景中均預設有作戰(zhàn)裝備車及裝備車在地面行進的路線，高空中有一架無人偵察機按一定軌跡在巡游探測。（1）進入作戰(zhàn)場景界面。通過單擊進入按鈕可分別進入林地、荒漠、雪地三種場景，如圖2所示。下面以進入林地背景為例，其他兩種背景參照林地背景。（2）林地場景界面。進入林地場景后，可以看到一輛地面裝備車（以坦克為例）在行進，無人偵察機在巡游探測。裝備車行進速度暫定120 km/h，具體數(shù)值看畫面效果，有機動與待機兩種狀態(tài)選項可供切換，進入時默認為機動狀態(tài)，當切換到待機狀態(tài)時，裝備車停止運動，通過切換兩種狀態(tài)感受真實作戰(zhàn)時需偽裝的狀態(tài)。偵察機探測高度有200 m、500 m、1 500 m，角度有45°、90°、-45°選項，默認偵察高度為垂直上空500 m，角度為90°。通過不同的選項組合切換出通過無人偵察機拍攝到的背景畫面，即林地場景中共有18種預設背景圖片。（3）拍照保存。選擇一種探測的背景畫面拍照保存，用于后續(xù)背景分析。

場景2：迷彩偽裝設計。（1）讀取背景。調用場景1中第三步保存的背景圖片，見圖3，其觀察視角為90°，高度為500 m。（2）提取背景主色。分析圖3中3種主色及其占比，通過直方圖展示。其背景主色分別為Color 1（顏色值為R53、G51、B33）、Color 2（顏色值為R98、G88、B64）、Color 3（顏色值為R74、G68、B47），其占比分別為35.3%、25.1%、39.6%（方法參考K-means聚類算法）。（3）生成數(shù)碼迷彩。圖3背景馬賽克化后如圖4所示。傳統(tǒng)迷彩設計最小單元尺寸經(jīng)驗取值為：當觀察距離為200 m時，斑點最小尺寸為18 cm；當觀察距離為500 m時，斑點最小尺寸為44 cm；當觀察距離為1 500 m時，斑點最小尺寸為132 cm。（4）迷彩偽裝。將圖4中的迷彩圖案以涂層和遮障兩種形式應用于裝備車進行偽裝，涂層形式即裝備車表面顏色美化為圖4所示的迷彩效果；遮障形式即將圖4中迷彩圖案制作成柔性偽裝網(wǎng)，遮蓋于裝備車表面?？呻S意切換涂層和遮障兩種偽裝。偽裝后，從高度500 m，角度90°的方位觀察并對比偽裝前后的視覺效果，有偽裝（即涂層和遮障兩種形式）和非偽裝選項切換，如圖5所示。高度和角度切換面板如同場景1中的步驟（2），通過變換角度和高度從視覺上感受偽裝效果。（5）保存結果。

3.模塊三：數(shù)字化迷彩偽裝效果判讀。隨機調用5種迷彩設計方案，即5張預設好的圖片。依據(jù)模塊一中的方法進行判讀。記錄判讀時間，生成實驗報告。

二、實驗功能說明

為了提升學生的學習效果，充分利用虛擬仿真的特點，發(fā)揮學生在實驗過程中的主觀能動性，虛擬仿真實驗以游戲的形式引入主題，并以工程化實際應用為導向進行實驗教學。采用這樣的虛擬仿真實驗，教師在整個施教過程中主要完成基本知識講解和答疑解惑。教師參與教學活動，可在保證教學質量的前提下，降低教師組織課堂的難度；對于無教師參與的自學行為，同樣可以保證良好的學習效果。

三、實驗框架說明

數(shù)字化迷彩偽裝設計虛擬仿真實驗項目的開放運行依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，盡可能地幫助用戶實現(xiàn)自主實驗，加強實驗項目的開放服務能力，提升開放服務效果。開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺。

結語

本文介紹了迷彩偽裝設計虛擬實驗系統(tǒng)在教學實驗中的應用。將虛擬仿真技術運用于偽裝技術實驗，是實驗教學模式的探索和改革。學生通過對該虛擬教學系統(tǒng)的學習，更好地掌握基礎力學理論知識，進一步加強傳統(tǒng)教學實驗。該虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，不僅能使課前預習、課堂操作、課后練習與作業(yè)，以及課下答疑等教學環(huán)節(jié)在數(shù)字化課堂上靈活呈現(xiàn)，還可極大地培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻

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［5］姜寧，遲忠先，鐘萬勰.艦艇煙幕使用與布放的仿真研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2000（8）：75-77.

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［8］李園園.基于曲線融合特性的數(shù)碼迷彩生成技術研究［D］.鄭州：河南大學，2020.

Design and Development of Virtual Simulation Experimental System for Digital Camouflage Design

ZU Mei， CHENG Hai-feng， YIN Chang-ping， LIU Dong-qing， LI Ming-yang

（College of Aerospace Science， National University of Defense Technology， Changsha，

Hunan 410073， China）

Abstract： Combined with the actual situation of camouflage technology experiment teaching in the School of Aerospace Science， National University of Defense Technology， and according to the requirements of the teaching syllabus， a digital camouflage design virtual experiment simulation system was designed and developed. In this system， students can design camouflage and characterize the camouflage effect by operating virtual simulation software. The system adopts modular setting， which can be combined according to the needs of users and fully adapt to the testing requirements of different users. Virtual simulation is convenient for teaching， which can not only make the teaching links such as pre-class preview， classroom operation， after-class exercises and homework， as well as after-class question-answering flexibly present in the digital classroom， but also greatly cultivate students practical ability， innovation ability and the ability to explore new knowledge.

Key words： digitization; camouflage design; virtual simulation experimental system