摘要:戰場環境是壹切軍事行動的空間基礎，戰場環境仿真是當前軍事作戰仿真領域的壹個熱點。本文論述了戰場環境的構成和戰場環境仿真的主要內容，重點討論了虛擬現實技術在戰場環境感知仿真中的應用和關鍵技術。
關鍵詞:戰場環境，戰場環境模擬，虛擬現實
戰爭具有很強的實戰特點，指揮員的指揮藝術和作戰能力需要在壹定的戰爭環境中得到錘煉和提高。在戰時，這種能力可以通過真實的戰爭實踐來積累，但這種實踐是不可重復、不可檢驗的，其成本非常高。因此，即使在戰時，非戰時訓練也成了制勝的關鍵，指導訓練的標準就是戰爭實踐本身。和平時期，軍事演習是常見的訓練方式，通過各種作戰樣式的實驗，積累和提高駕馭戰爭實踐的能力。由於缺乏實戰檢驗，每種訓練樣式也規定了未來作戰的樣式。
自從人類歷史上出現戰爭以來，人們對軍事訓練的研究就以學習和探討戰爭規律為目的，並逐漸在訓練領域形成了“作戰模擬”這壹特殊的研究主題。作戰模擬是對戰爭本質規律的模擬，包括戰爭規律和戰爭指導規律[1]，其首要點是創造壹個貼近實戰的訓練環境，使各類受訓者在這個環境中得到應有的訓練[2]。
戰場環境是敵對雙方作戰的空間。在現代作戰模擬中，要創造壹個接近實戰的訓練環境，首先要根據模擬原理建立壹個符合特定作戰訓練科目需要的數字化戰場環境，這就是戰場環境模擬。戰場環境仿真，包括戰場感知虛擬現實，是90年代後期非常有效的仿真技術。本文將重點研究如何利用虛擬現實技術實現戰場環境仿真。
1.戰場環境仿真綜述
1.1戰場環境的組成
戰場環境是指作戰空間中除人員和武器裝備以外的客觀環境。從戰爭涉及的客觀因素來看，戰場環境應該包括戰場地理環境、氣象環境、電磁環境和核環境。或許，隨著網絡信息戰的形成，戰場網絡環境也將成為戰場環境的重要組成部分。
戰場環境是多維互動的。多維意義是:①戰場環境由多個客觀環境組成，各有其變化規律，上述四個環境分屬不同的學科；(2)這些客觀環境的空間形態隨著戰鬥進程而演變。交互性的含義是上述環境相互影響，其中地形環境是其他環境的物理支撐，是空間定位和加載各種作戰信息的基礎。如圖1所示，在戰場環境中，氣象環境和地理環境相互影響，氣象環境具有地理特征，如不同地理位置的熱帶、亞熱帶氣象特征，氣象環境會影響地理環境，如形成流水侵蝕地貌和冰川地貌，陰雨和晴天會影響地面土質，從而影響行軍速度；地理環境和氣象環境對電磁環境的形成都有很大的影響，不僅規定了電子設施的分布，還決定了電磁波的傳播範圍和氣象幹擾的程度。戰場核化環境的形成與核設施的地理位置及其周圍環境有關，核汙染區的形成和發展與地理環境和氣象環境密切相關。
1.2戰場環境仿真及其描述
戰場環境仿真是指利用仿真技術來描述戰場環境。仿真是通過系統模型的實驗來研究壹個已有的或設計好的系統。計算機模擬(也稱數學模擬)是指借助計算機對真實系統或正在設計的系統進行實驗，以達到分析、研究和設計系統的目的[3]。在這裏，系統是指為了達到某種目的而具有特定功能的幾個相互聯系的要素的有機整體。壹個系統的仿真涉及系統、系統模型、計算機三個要素，與這三個要素相關的基本活動有:模型建立、仿真模型建立、仿真實驗[4](如圖2)。
如果把戰場環境看作壹個戰場空間系統，其具體功能就是構成戰場的空間載體和物理條件，戰場環境中各種環境之間的關系構成了這個空間載體的有機整體。用計算機實現戰場環境仿真，首先需要將戰場環境數字化，即建立戰場環境模型，而數字地圖就是典型的戰場環境模型。這種模型是通用的，但往往不能滿足壹些特殊的要求。比如，由於現代作戰仿真仍然沿用兵棋推演的方法，需要將地形和環境數據按照壹定的分辨率處理成數據存儲在網格中，並且這些數據也隨著作戰進程的發展而動態變化。這個將戰場環境模型處理成適合作戰仿真的模型的過程，就是戰場環境的二次建模(仿真建模)。二次建模後的戰場環境模型可用於計算機作戰仿真。為了保證作戰仿真結果的準確性和可靠性，要求戰場環境模型具有壹定的準確性，這就需要通過仿真實驗對模型進行檢驗(驗證)。
根據戰場環境仿真在作戰仿真中的用途，可分為數據仿真和感知仿真兩種描述方法。數據仿真主要用於模擬對抗和作戰評估。這時候就提供戰場環境數據給計算機“認識”戰場。將基本戰場環境數據轉化為計算機能夠識別的戰場環境模型的過程稱為“戰場建模”。感知模擬主要針對指揮操作和訓練模擬，即通過戰場場景、音效等因素展現戰場環境，指揮員通過壹定的操作界面感知戰場環境，從而達到輔助實地調查、掌握情況、輔助決策的目的。這種“戰場感知”的結果就是讓人腦去理解戰場。戰場環境的數據模擬和感知模擬都是基於數字化戰場環境。在實際應用中，這兩種模擬描述是相互影響的。根據模型變化的數據模擬通過感知呈現給學員，學員可以通過人機交互改變數據模擬的結果。圖3示出了戰場環境模擬的兩種描述之間的關系。由於篇幅所限，本文只討論戰場環境感知仿真的內容和關鍵技術。
1.3戰場環境感知仿真的主要內容
感知模擬的目的是通過直觀地展示戰場環境，充分訓練參與者的指揮決策能力。其內容包括戰場環境中視覺、聽覺、觸覺等感覺通道的模擬。視景仿真又稱“戰場可視化”，是感知仿真的壹種主要形式，即將戰場環境中可見的(如地形、物體)和不可見的(如電磁場、潮流場)要素用三維、三維或二維圖形圖像表示。聽覺模擬是指模擬戰場中各作戰單元的聲音(音效、音量、音位)，以營造戰場氛圍。觸覺仿真是指通過人機交互設備的操作，實現人與環境的交流，是使受訓者產生臨場感的重要手段。這種通過模擬多感覺通道來實現臨場感的技術，就是虛擬現實技術。與傳統的通過地圖、實物沙盤或視頻資料了解戰場的認知方式相比，在這樣的系統中，參與者由旁觀者轉變為參與者，可以在逼真的環境中主動探索，大大提高了戰場認知的效率。
2.虛擬現實與戰場環境感知仿真
2.1虛擬戰場環境在感知仿真中的應用
虛擬現實(virtual reality，VR)壹詞誕生於20世紀80年代末，指的是具有臨場感的計算機生成環境[5][6]，實現這種環境的技術稱為虛擬現實技術。軍事部門是這項技術的出資者和第壹使用者，主要用於軍事訓練。1988年，美國國家航空航天局和美國國防部共同開發了虛擬界面環境工作站View(Virtual Interface Environment Workstation)，它由壹臺HP-9000計算機、壹副數據手套、壹個LCD頭盔顯示器和壹個語音識別系統組成。用戶可以看到立體圖像，聽到三維聲音，發出口頭命令，伸出手抓住計算機生成的虛擬物體。此後，虛擬現實技術及其產品迅速發展，並形成了壹個產業。根據簡氏信息集團的壹份專題報告[8]，到2000年，從事與訓練模擬相關的虛擬現實產品生產的公司超過800家，其市場將從2000年的400億美元增長到2010年的650億美元。
虛擬現實產品廣泛應用於作戰仿真領域，大多涉及戰場環境仿真。利用虛擬現實技術實現戰場環境仿真，其目的是形成多維的、可感知的、可測量的、逼真的虛擬戰場環境，從而提高參與者對戰場環境的認知效率。主要用於模擬對抗、引導監控、裝備操作、人員培訓等。虛擬戰場環境可以為計算機作戰推演、半真實軍事演習和真實軍事演習提供模擬環境，也可以為特定的訓練科目構建典型的訓練環境(現實中並不存在)。借助虛擬戰場環境，可以訓練指揮員的指揮決策能力、參謀人員的專業能力和裝備操作人員的操作能力。比如美軍從1984開始研發的基於網絡的分布式坦克訓練仿真系統SIMNET，將美國和歐洲的10區域作戰環境放入系統中。到1990年，200輛裝甲車已經可以在異地統壹指揮下參加交互式模擬演練。每個模擬器以美國M1主戰坦克為單位，提供作戰區域內地形起伏、植被、道路、建築物、橋梁等精確信息。加油機可以在模擬器中實時看到戰場環境和計算機生成的其他戰車圖像。1991年，美國為實施海灣戰役“東經73”計劃，為M1A1主戰坦克提供了壹套戰場環境模擬系統，用三個大屏幕向作戰人員展示了伊拉克的沙漠環境，並進行了沈浸式戰場研究，為最終勝利奠定了關鍵基礎。荷蘭1992年完成的“毒刺”導彈訓練器(VST)是虛擬現實技術應用於單兵武器模擬設備的代表作，在頭盔中形成空間動態三維場景。用操作者的頭部動作來改變場景，從而訓練操作者對敵機的機動性和瞄準能力。事先準備好的VCD碟片，在各種戰鬥環境下提供相應的音效[9]。1997，洛克希德？馬丁·沃特公司為美國海軍航空兵訓練系統項目辦公室開發了壹套實戰演習系統TOPSCENE(戰術操作現實)。該設備是軍事測繪成果和虛擬現實技術的綜合應用，廣泛應用於海軍、海軍陸戰隊、陸軍和空軍，已裝備超過100套。系統使用SGI圖形工作站(最高配置ONYX2和四個R1000CPU)處理圖像數據。在高配置下，每秒可產生30幅細節逼真的高分辨率戰場圖像。該系統可以模擬各種地形要素和不同氣象條件，還可以用夜視裝置、紅外顯示或合成孔徑雷達顯示效果模擬夜戰過程。
2.2虛擬戰場環境系統的基本組成
虛擬戰場環境系統由軟件系統、數據庫系統和硬件系統組成。其軟件系統主要包括戰場環境建模軟件、場景紋理生成與處理軟件、立體圖像生成軟件、觀察與操作控制軟件、分析與應用GIS軟件等。數據庫系統主要包括戰場地圖數據庫、三維環境模型數據庫、武器裝備數據庫、環境紋理圖像數據庫、應用專題數據庫等。硬件系統主要包括計算機、視聽處理系統、感知系統(顯示裝置、立體觀察裝置、人機控制裝置)等。根據虛擬戰場環境的應用需求，以上三部分有不同的組合，進而形成不同的應用系統。
就軍事應用而言，虛擬戰場環境主要有多人共享和單兵沈浸兩種應用模式。相應的，虛擬戰場環境系統由多人共享和單兵沈浸兩種類型組成。主要區別在於立體圖像的顯示和觀察方式以及場景的控制方式。
(1)多人* * *享受。在作戰指揮和大多數作戰模擬訓練中，指揮員和參謀人員經常需要圍繞同壹個戰場環境討論作戰計劃，評估作戰效果。為了滿足多人的需求，目前大多數虛擬戰場環境系統通過大屏幕投影顯示和立體眼鏡(液晶或偏振光)實現視覺享受，通過操縱桿、鼠標、鍵盤等輸入設備控制視點。它的優點是同壹空間的用戶(幾個到幾十個)可以同時觀察同壹場景，系統硬件便宜。它的缺點是對場景的操作只能由壹個人完成，當大屏幕投影圖像無法占據觀察者的視野時，會削弱臨場感。
(2)單兵沈浸。在單兵技戰術武器裝備操作訓練的應用中，需要強調受訓者與武器裝備及其環境的關系。因此，HMD經常被用作立體顯示、立體觀察和頭部定位跟蹤的設備，並使用數據手套或姿態跟蹤器來完成定位和選擇操作。使用這些設備可以讓受訓者產生強烈的臨場感，進而達到良好的訓練效果。但其設備非常昂貴，難以推廣使用。而且由於傳感設備不是很精確，計算機對大數據量場景的計算能力有限，往往會對感官造成病理反應。
3.構建虛擬戰場環境的若幹關鍵技術。
作為壹個虛擬現實系統，壹般認為需要具備三個基本特征——交互、沈浸和想象[10]，但根據實際使用情況，也強調了這“3I”特征的體現。就* * *虛擬戰場環境系統而言，是體現交互性的關鍵；對於沈浸式虛擬戰場環境系統，重點在於其沈浸特性(可達性)；無論哪種應用，想象力都是不可或缺的。
3.1實現“互動”的關鍵技術
交互特性是指系統具有響應人機交互的能力，衡量這種能力的標準是系統處理和顯示環境圖像的刷新率(幀/秒)。刷新率越高，系統對交互的響應越快。當交互響應達到實時時，直觀地顯示場景隨交互過程連續平滑變化。當交互響應有明顯延遲時，在視覺上表現為場景的停滯和抖動變化。顯然，影響交互能力的因素不僅是系統硬件處理和顯示場景數據的性能，還與場景的數據量和交互控制軟件有關。因此，在構建虛擬戰場環境系統時，要充分考慮裝備的性能和用戶的實際裝備能力，而軟件系統開發的關鍵在於場景數據的組織和管理。
在戰場環境仿真應用中，可視化處理涉及的場景數據包括三維地形模型、三維特征模型和地形特征的表面紋理(如果考慮綜合戰場環境的構成，還應包括武器裝備模型及其紋理、焰火特效、音效等數據)，其數據量非常巨大。為了實現大數據量的實時交互顯示，需要解決場景數據的組織和管理問題。其思路是在保證場景顯示細節的前提下，盡量減少實時處理中涉及的場景數據，從而保證交互響應的效率。實踐表明，根據人類視覺認知規律組織和調度場景數據是壹種有效的方法。規律是:從固定的角度看客觀物體時，越靠近視覺中心，視網膜上的圖像越清晰，越遠越模糊；從不同的視距觀察壹個客觀物體時，離物體越近，看到的物體細節越豐富。遵循上述規則，場景數據的組織和調度實際上歸結為場景細節的組織和視點相關的各級數據的調度[11]。
(1)場景細節的組織:場景細節包括場景模型細節和場景紋理細節。場景模型的細節是指場景的形體形狀所表達的細節，場景紋理的細節是指場景的表面圖像所表達的細節。場景模型的最高細節取決於模型的數據源。對於以矢量地圖數據為主要數據源的戰場環境仿真應用，數字地圖的原始比例尺決定了場景模型所描述的最高細節，即比例尺越大細節越豐富。場景紋理的最高細節取決於紋理圖像的數據源。以數據地圖為數據源模擬地面紋理時，紋理的最高細節也與數字地圖的比例尺有關，即比例尺越大，地面特征的分類越詳細，模擬圖像所能描述的地面細節也越豐富。當遙感圖像被用作表面紋理時，圖像的分辨率決定了表面元素可以顯示的細節。
以達到視點越近細節越豐富的場景表現效果。需要將場景模型和紋理數據劃分為多個層次的細節，並按照細節順序進行組織。
(2)視點相關的層次數據的調度:在同壹場景中，根據視覺中心外圍輪廓詳細的原理，調度不同細節的模型和紋理數據，也是減少參與計算的景觀數據量，以保持交互和視覺效果的有效方法。
需要註意的是，紋理細節可以在視覺上彌補模型細節的不足，即在粗糙的模型骨架上疊加更多細節紋理，這是在不降低顯示效果的情況下提高交互效率的有效策略。
3.2實現“沈浸”的關鍵技術
沈浸式特征是指系統的視聽效果能使受訓者感覺處於虛擬環境中。對於大多數應用來說，創造立體視覺效果是實現“沈浸感”的關鍵，即根據人類雙目立體視覺的原理，在壹定設備的幫助下，觀察者會在生理層面上對所觀察的場景產生強烈的立體感。因為在虛擬現實系統中，場景是由計算機生成的(非實地拍攝)，為了達到立體效果，需要對圖像生成、顯示、觀察等各個環節進行處理，所以這種技術也被稱為“人工立體視覺技術”[5][12]。
(1)立體圖像的生成。根據生理立體視覺的水平視差，為同壹場景生成以左右眼為視點的場景圖像，即形成圖像對。像對的視差是造成生理立體感的唯壹因素，決定了場景的深度效果。視差的種類及其對應的視覺效果請參考參考文獻【12】。
(2)立體圖像的顯示和觀察。顯示模式與觀察模式密切相關，選擇哪種模式取決於實際應用的要求。在上述內容中，描述了戰場環境仿真應用中的兩種顯示和觀察模式。這兩種方式也是目前市場上的主流，但是這兩種方式都需要在觀察者的頭上放置壹些觀察裝置，觀察效果都不理想(比如液晶眼鏡會增加閃爍，降低場景亮度，液晶頭盔顯示分辨率低，CRT頭盔有偏差等。)，所以很多用戶更傾向於選擇立體觀察的方式，即直接在顯示器或投影屏幕上觀看計算機生成的單目場景視頻，跟著場景的光影、形狀作為線索。近日，德國德累斯頓3D有限公司推出了壹款立體液晶顯示器，觀察者無需佩戴任何觀察設備就能看到立體圖像。監視器配有眼球跟蹤攝像頭，可以捕捉到觀察者眼睛的位置，從而控制安裝在液晶屏前的壹個光學掩膜，分別移動左右眼圖像。顯然，這款顯示器並不適合很多人欣賞。
在戰場環境仿真的應用中，環境聲音主要是武器裝備在作戰過程中發出的聲音，如發動機轟鳴聲、火炮開火聲、彈藥爆炸聲等。這些聲音的特點是它們精確的空間位置和聲音效果，聲音的定位信息可以通過可以描述空間聲音的軟件(如Direct 3D)通過聲音系統傳遞給用戶。嘈雜的戰場聲音可以營造出逼真的戰場氛圍。
3.3“想象”的幾個方面
將“想象”作為虛擬現實系統的壹個基本特征，說明了形象的創造性思維能力對於構建虛擬現實系統的重要性。高超的創意不僅能震撼觀眾的心靈，還能引導他們達到探索的目的。對於虛擬戰場環境的創建，這種想象體現在人機界面的構思、場景表達的構思以及是否提供再造戰場環境的手段。
(1)人機界面的概念。“VR最難的是讓用戶的感覺對信息深信不疑”，這是比爾？蓋茨對虛擬環境最高境界的理解[13]。為了讓用戶“進入”系統生成的場景並確信它，需要壹個良好的人機界面。傳統的人機界面是讓用戶通過壹個“窗口”來觀察和操作應用軟件。在虛擬環境中，這樣的窗口會將用戶阻擋在旁觀者的位置，不能以參與者的身份“進入”環境。因此，如何設計壹個符合虛擬環境特點的人機交互界面成為想象的焦點。
(2)場景描寫的構思。其實是指虛擬場景的設計。虛擬戰場環境的外觀是否逼真，主要取決於場景的外觀設計。在使用矢量地圖數據生成場景表面紋理時，場景描述的思路涉及到各元素的表示方法設計(使用幾何符號或模擬圖像)、地面和各元素表面的噪聲效果設計、不同地貌類型的顏色表設計、戰場環境中武器裝備等作戰單元的表示方法設計、作戰意圖和態勢的表示方法設計。
(3)提供實現想法的工具。在不同的軍事應用中，用戶對虛擬戰場環境的表現有不同的要求。比如飛行模擬訓練，學員希望用航拍圖像作為表面紋理，這樣可以使場景在視覺上更接近實際的地形環境。而對於作戰指揮訓練，學員更喜歡將場景中地圖上的涉密信息表達出來(符號表示法)進行分析決策，這就需要在系統中為用戶提供多種表達手段。此外，對於戰術的學習，用戶有時需要構建壹個典型的戰場環境，這也需要為用戶提供實現其想法的工具。
4.應用示例
自1995以來，解放軍信息工程大學測繪學院戰場環境仿真工程實驗室以虛擬戰場環境為主題，做了大量的研究工作，取得了以“地形環境仿真系統”為代表的成果。該系統是在軍事測繪數據庫支持下，利用虛擬現實技術實現戰場環境仿真的實用系統。主要模擬作戰區域的地形環境，可為作戰模擬的各個層次(戰術、戰役、戰略)和階段(計劃制定、對抗模擬、結果評估)提供2D電子地圖、三維景觀和各種地形的地理信息。
該系統已初步具備了虛擬現實的基本特征(“可訪問性”和“交互性”)，並解決了開發過程中的以下關鍵技術問題:
1.解決了微機環境下地形環境的快速三維建模、模型簡化和實時交互問題。
2.開發了與LCD立體眼鏡的接口硬件，使其在微機和工作站的環境下，用低價位的立體眼鏡實現具有“入門感”的立體效果。
3.解決地形模型與其他商業3D軟件的接口問題，以及3D地形環境中技戰術武器的擺放問題(如圖5)。
目前，該系統已在全軍和國民經濟建設中得到廣泛應用。例如，該系統已用於為三峽移民局模擬三峽庫區洪水過程(圖6)。
5.結論
戰場環境仿真是為適應數字化戰場建設的需要而產生的高新技術，其應用領域非常廣泛。本文僅從作戰仿真的應用領域出發，探討虛擬現實技術在戰場環境感知仿真中的應用。事實上，這項技術在軍事上也已經應用於作戰指揮、武器測試、外交談判、災難預測等諸多方面。隨著虛擬現實技術的成熟和實用化，我們相信在不久的將來，它將成為提高軍隊戰鬥力的重要技術手段。