智麗娜 劉玉存 袁俊明

摘要： 介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合使用的發(fā)展趨勢。為了更好地履行反恐使命，適應(yīng)形勢的發(fā)展，有必要提高反恐教學訓練質(zhì)量，創(chuàng)新反恐行動教學訓練手段。將仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于路邊炸彈的虛擬及仿真，能使反恐受訓者不受時間、空間、經(jīng)費和器材的限制，利用各種3D虛擬模型任意組裝不同起爆方式下的路邊炸彈，拓展其想象空間和創(chuàng)新思維，使之對路邊炸彈的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及爆炸效應(yīng)等有深刻理解。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)； 模擬仿真技術(shù)； 3D虛擬模型； 路邊炸彈

中圖分類號：TJ55；O381文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228(2012)07-01-03

0 引言

近年來，恐怖主義活動猖獗，爆炸恐怖襲擊活動肆虐，反恐行動面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。目前恐怖分子愿意選擇成本低、殺傷力大的路邊炸彈作為首選武器。路邊炸彈又稱簡易爆炸裝置，通常由爆炸物和點火裝置構(gòu)成，取材廣泛， 制作簡單， 殺傷力大[2]。伊拉克戰(zhàn)爭后，簡易爆炸裝置是伊拉克反美武裝的首選武器。美軍因路邊炸彈而傷亡的人數(shù)不斷增加，路邊炸彈已成為美軍在伊拉克的頭號“殺手”。據(jù)美軍中央司令部新近公布的數(shù)據(jù)顯示[3]，自2003年3月伊拉克戰(zhàn)爭開始以來，簡易爆炸裝置對聯(lián)軍造成的傷亡人數(shù)占總傷亡人數(shù)的67％。2004-2005年，美軍遭遇路邊炸彈襲擊達到1.6萬多次，僅2005年就發(fā)生了1萬多次路邊炸彈襲擊。到目前為止，駐伊美軍遭路邊爆炸裝置襲擊死亡人數(shù)已達到2500人。據(jù)伊拉克聯(lián)軍記載，每個月大約有2000起簡易爆炸裝置攻擊事件，有時候甚至一天就有100多起這種攻擊事件發(fā)生。在所有這些簡易爆炸裝置中，40％是通過無線電控制引爆的，25％是人工操作的，20％是有線引爆的，剩下的15％是通過自殺性炸彈或其他方式引爆的。據(jù)英國國防部官員稱，自殺性炸彈襲擊事件的數(shù)量正在下降，而通過無線電控制引爆的簡易爆炸裝置襲擊事件的數(shù)量正在增長[1]。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和模擬仿真技術(shù)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

像大多數(shù)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實也不是突然出現(xiàn)的，它是經(jīng)過企業(yè)界、軍事界及眾多學術(shù)實驗室相當長時間的研制開發(fā)后才進入公眾領(lǐng)域的。虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)與其他技術(shù)的成熟密切相關(guān)，如實時計算機系統(tǒng)、計算機圖形、顯示器、光纖及三維跟蹤技術(shù)等。當各個技術(shù)都能提供自身的輸入性能之后，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)便出現(xiàn)了。從誕生至今，伴隨著計算機技術(shù)的飛躍，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在不斷地發(fā)展及完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大[4]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將有著非常廣闊的發(fā)展前途。

在軍事領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實在武器系統(tǒng)的性能評價和設(shè)計、操縱訓練和大規(guī)模軍事演習及戰(zhàn)役指揮方面發(fā)揮了重要作用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益[5]。美國已初步建成一些洲際范圍的分布式虛擬環(huán)境，并將有人操縱和半自主兵力引入虛擬的戰(zhàn)役空間，在世界上處于領(lǐng)先地位。除去美軍的SIMNET系統(tǒng)及M1A1主戰(zhàn)坦克使用的戰(zhàn)場環(huán)境仿真系統(tǒng)外，荷蘭1992年完成的毒刺導彈訓練器(VST)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于單兵武器模擬設(shè)備的代表作。它在頭盔內(nèi)呈現(xiàn)一個空間動態(tài)立體場景，伴隨操作者的頭部動作而相應(yīng)改變場景，以訓練操作者對付敵方飛行器的機動能力和瞄準能力；預(yù)先制備的YCD光盤則提供各種作戰(zhàn)環(huán)境相應(yīng)的音響效果[6]。1997年，洛克希德.馬丁公司為美國海軍航空兵訓練系統(tǒng)項目辦公室開發(fā)了一套實戰(zhàn)演習系統(tǒng)TOPSCENE(戰(zhàn)術(shù)操作實況)[7,8]。這是一個綜合運用軍事測繪成果和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝備，被廣泛應(yīng)用于海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、陸軍和空軍，已配備100多套。該系統(tǒng)運用SGI圖形工作站(最高配置為ONYX2、4個R1000CPU)來處理圖像數(shù)據(jù)，在高配置下，每秒能產(chǎn)生30幀詳細、逼真的高分辨率戰(zhàn)場圖像。系統(tǒng)可以模擬各種地形要素、不同的氣象條件，還可仿真帶有夜視儀、紅外顯示器或合成孔徑雷達顯示效果的夜間戰(zhàn)斗過程[9-11]。

北京航空航天大學計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究、最有權(quán)威的單位之一[12]，其虛擬現(xiàn)實與可視化新技術(shù)研究室集成的分布式虛擬環(huán)境，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。該研究室著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示和處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法等。

清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”采用了Quck Time技術(shù)，實現(xiàn)大全景VR系統(tǒng)。

浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法。

武漢理工大學智能制造與控制研究所主要研究使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行機械的虛擬制造，包括虛擬布局、虛擬裝配、產(chǎn)品原型快速生成等。

北方工業(yè)大學CAD研究中心是最早開展計算機動畫研究的單位之一[13]，中國第一部完全用計算機動畫技術(shù)制作的科教片《相似》就出自該中心。關(guān)于虛擬現(xiàn)實的研究已經(jīng)完成了兩個“863”項目，完成了體視動畫的自動生成部分算法與合成軟件處理，完成了VR圖像處理與演示系統(tǒng)的多媒體平臺及相關(guān)的音頻資料庫，制作了一些相關(guān)的體視動畫光盤。

另外，北京郵電大學自動化學院、西北工業(yè)大學CAD/CAM研究中心、上海交通大學圖像處理模式識別研究所、長沙國防科技大學計算機研究所、華東船舶工業(yè)學院計算機系、安徽大學電子工程與科學系等單位也進行了一些相關(guān)的研究工作和嘗試。

1.2 模擬仿真技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

仿真（Simulation）技術(shù)，或者稱模擬技術(shù)，在人們不斷深化認識自然界客觀規(guī)律的歷程中一直扮演著非常重要的角色[14]，特別是計算機技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，促使仿真技術(shù)手段獲得突破，使之在軍事與民用領(lǐng)域的裝備研制、系統(tǒng)論證、訓練與維護等方面成為不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，并成為信息科技發(fā)展的強大推動力之一。今天，仿真技術(shù)已不僅僅局限于單個設(shè)備或系統(tǒng)的模擬，體系與體系對抗的仿真已成為仿真技術(shù)研究的熱點之一，并由此催生了一批新的仿真技術(shù)，其中虛擬仿真便是現(xiàn)代仿真技術(shù)的典型代表[15,16]。

系統(tǒng)仿真是建立系統(tǒng)的模型(數(shù)學模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學-物理效應(yīng)模型)，并在模型上進行實驗和研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)[17]。仿真技術(shù)的實質(zhì)是進行建模、實驗?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的[18]?？刂乒こ毯拖到y(tǒng)工程的發(fā)展促進了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計算機出現(xiàn)及計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為[19-23]：對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進行設(shè)計時采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策；在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后可能產(chǎn)生的現(xiàn)象，以便用戶修訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓練器，訓練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。在軍事訓練等領(lǐng)域仿真技術(shù)可以提高系統(tǒng)實驗、調(diào)試和訓練過程的安全性、降低系統(tǒng)的研制成本，提高部隊作戰(zhàn)的快速化、準確化程度。一般認為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序以實現(xiàn)仿真[24]。仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術(shù)。通過仿真實驗可了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程。此外，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次系統(tǒng)運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作。因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與模擬仿真技術(shù)相結(jié)合及其應(yīng)用研究

虛擬仿真技術(shù)是仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實體。實體可以用一些簡單的數(shù)學模型或模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)。實體在虛擬環(huán)境中相互作用，或與虛擬環(huán)境作用，以表現(xiàn)客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展要求[25]。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)生成的虛擬環(huán)境特別強調(diào)對用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官的支持，使得虛擬環(huán)境在用戶面前達到“以假弄真”的效果，甚至“比真還真”[26]。而虛擬仿真環(huán)境更加強調(diào)對客觀環(huán)境真實特征的支持，要求虛擬環(huán)境不僅僅是在外觀、聲音等方面與客觀環(huán)境一致，而且在物理特征、行為特征等方面與客觀環(huán)境一致[27]。

通常認為，人類認識自然世界的客觀規(guī)律有三種方法：理論推演、實物試驗與仿真。對于一些復(fù)雜系統(tǒng)，如戰(zhàn)略戰(zhàn)役指揮控制系統(tǒng)，無法得到其數(shù)學模型的解析解，也就是說無法進行理論推演，而由于設(shè)備、環(huán)境、經(jīng)費等方面的限制，很多情況下無法進行實物試驗，這時，仿真變成為認識與研制一個系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。Shannon R.E.認為，有以下情況之一時，應(yīng)考慮采用仿真的方法[28]。

⑴ 不存在完整的數(shù)學公式，或者還沒有一套解答數(shù)學模型的方法。離散事件系統(tǒng)中的許多排隊模型就屬于這種情況。

⑵ 雖然可以有解析方法，但數(shù)學過程太復(fù)雜，仿真可以提供比較簡單的求解方法。

⑶ 解析解存在而且是可能求解的，但超出了個人的數(shù)學能力。因而應(yīng)該估計一下，建立模型、檢查并且運行仿真模型的費用比起向外求助以獲得解析解，哪個劃算。

⑷ 希望在一個較短的時間內(nèi)能觀測到過程的全部歷史，以及估計某些參數(shù)對系統(tǒng)行為的影響。

⑸ 難以在實際的環(huán)境中進行實驗觀測，僅可能采用仿真技術(shù)。

⑹ 需要對系統(tǒng)或過程進行長期運行的比較，而仿真可以隨意控制，使它加快或減慢。

在實際應(yīng)用時，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合起來使用已成為目前較為廣泛的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環(huán)境的感知(聽覺、視覺、觸覺)。隨著多媒體技術(shù)、計算機動畫、傳感技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬外界環(huán)境對人的感官刺激開始成為可能[29]。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于對數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行仿真模型的建立和實驗的模擬，使仿真的過程和結(jié)果可以實現(xiàn)圖象化、可視化，使仿真的系統(tǒng)具有了三維、實時交互、屬性提取等特征，極大地促進了仿真技術(shù)的發(fā)展，同時也使虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加具有生命力[30]。

3 結(jié)束語

為更好地履行反恐使命，適應(yīng)形勢發(fā)展，提高反恐教學訓練質(zhì)量，創(chuàng)新反恐行動教學訓練手段十分必要。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于3D模型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及模擬仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，它同樣可以被我們應(yīng)用于反恐教學訓練之中。結(jié)合這兩種技術(shù)對路邊炸彈的虛擬現(xiàn)實及仿真，能使反恐受訓者不受時間、空間、經(jīng)費和器材限制，利用各種3D虛擬模型任意組裝不同起爆方式下的路邊炸彈，拓展其想象空間和創(chuàng)新思維，使之對路邊炸彈的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及爆炸效應(yīng)等有深刻理解。此外，利用虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，根據(jù)不同現(xiàn)場情況，反恐受訓者在作戰(zhàn)模擬的準備階段可以從不同視角、不同高度、不同細節(jié)觀察和審視戰(zhàn)場，選擇相應(yīng)的處置方案，體驗不同的現(xiàn)場效果，進而熟悉作戰(zhàn)環(huán)境，適應(yīng)實戰(zhàn)氛圍，訓練排爆技能，提高反恐戰(zhàn)術(shù)水平、臨場反應(yīng)能力和心理承受能力，達到“訓戰(zhàn)一致”的目的。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和模擬仿真技術(shù)的路邊炸彈演示也可以減少反恐實戰(zhàn)訓練器材的消耗及危險性，減少路邊炸彈組訓難度。

參考文獻：

[1] 王雄高.反美武裝的首選武器——簡易爆炸裝置[J].國外坦克,

2007.6(7):26-31

[2] 魏慶,劉金廣.美軍如何應(yīng)對路邊炸彈[J].當代軍事文摘,2007.37(4):

69-70

[3] 林夏菲,席義勛.基于3D模型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在反爆炸教學訓練中

的應(yīng)用[J].科技信息,2010.22(13):36

[4] 王廣政,周朝霞.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在戰(zhàn)場道路網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)

用研究[C].中國電子學會電子系統(tǒng)分會第五屆軍事信息軟件與仿真學術(shù)研討會論文集,2006:244-246

[5] 徐大敏,于兆勤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用與展望[J].機床與液壓,

2006.7:35-79

[6] 馬彥軍.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的戰(zhàn)場仿真系統(tǒng)研究[D].國防科學技術(shù)大

學碩士研究生學位論文,2006.

[7] 趙黎.虛擬現(xiàn)實技術(shù)是21世紀的關(guān)鍵技術(shù)[J].艦船指揮控制系統(tǒng),

1996.5:31-37

[8] 游雄.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的戰(zhàn)場環(huán)境仿真[J].測繪學報,2002.31(1):

7-11

[9] 蔣一,魏駿.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[J].國外電子測量

技術(shù),2007.26(1):43-52

[10] STRACHAN 1 W. Virtual reality and simulation technology

trends and markets[R]. Jane''s special report,2000.

[11] 蔣慶全.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軍事應(yīng)用[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2001.29(2):

44-49

[12] 姜學智,李忠華.國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術(shù)

大學學報(自然科學版),2004.23(2):238-240

[13] 蔣慶全.國外VR技術(shù)發(fā)展綜述[J].飛航導彈,2002.1:27-34

[14] 胡小強.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京郵電大學出版社,2005.

[15] 張茂軍.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M].科學出版社,2001.

[16] 吳啟迪.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實[M].化工工業(yè)出版社,2002.

[17]王國慶.虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空計算技術(shù),1994.24(2):

78-81

[18] 申蔚,曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].清華大學出版社,2009.

[19] 莊春華,王普.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2010.

[20] 劉光然.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].清華大學出版社,2011.

[21] Burdea,Grigore Coiffet,Philippe,jt Auth.Virtual reality technology

[M].New York:J Wiley&Sons,1994.

[22] David Kahaner. Japanese activities in virtual reality[J]. IEEE

Computer Graphics and Application,1994.14(1):75-78

[23] 張菁,張?zhí)祚Y,陳懷友.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用[M].清華大學出版社,

2011.

[24] Myron W Krueger. Automating virtual reality[J]. IEEE Computer

Graphics and Application,1995.15(1):9-11

[25] Iovine,John. Step into Virtual reality[M].New York:Windcreat/

MeGraw-Hill,1995.

[26] R Bowen Logtin. Aerospace application of virtual environment

technology[J].Computer Graphics,1996.16(5):33-35

[27] Martin Gobel. Industrial applications of VEs[J]. IEEE Computer

Graphics and Application,1996.16(5):10-13

[28] Lawrence J Rosenblum. Driving simulation:challenges for VR

technology[J]. IEEE Computer Graphics and Application,1996.16(5):16-20

[29] Lloyd treinish,Deborah Silver. Visualizing a real forest[J].IEEE

Computer Graphics and Application,1998.18(1):12-15

[30] Grigore C.Burdea,Philippe Coiffet著,魏迎海,欒息道等譯.虛擬現(xiàn)

實技術(shù)(第二版)[M].電子工業(yè)出版社,2005.