战场仿真研究的意义、现状和应用前景是什么？
摘要:战场环境是一切军事行动的空间基础，战场环境仿真是当前军事作战仿真领域的一个热点。本文论述了战场环境的构成和战场环境仿真的主要内容，重点讨论了虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用和关键技术。
关键词:战场环境，战场环境模拟，虚拟现实
战争具有很强的实战特点，指挥员的指挥艺术和作战能力需要在一定的战争环境中得到锤炼和提高。在战时，这种能力可以通过真实的战争实践来积累，但这种实践是不可重复、不可检验的，其成本非常高。因此，即使在战时，非战时训练也成了制胜的关键，指导训练的标准就是战争实践本身。和平时期，军事演习是常见的训练方式，通过各种作战样式的实验，积累和提高驾驭战争实践的能力。由于缺乏实战检验，每种训练样式也规定了未来作战的样式。
自从人类历史上出现战争以来，人们对军事训练的研究就以学习和探讨战争规律为目的，并逐渐在训练领域形成了“作战模拟”这一特殊的研究主题。作战模拟是对战争本质规律的模拟，包括战争规律和战争指导规律[1]，其首要点是创造一个贴近实战的训练环境，使各类受训者在这个环境中得到应有的训练[2]。
战场环境是敌对双方作战的空间。在现代作战模拟中，要创造一个接近实战的训练环境，首先要根据模拟原理建立一个符合特定作战训练科目需要的数字化战场环境，这就是战场环境模拟。战场环境仿真，包括战场感知虚拟现实，是90年代后期非常有效的仿真技术。本文将重点研究如何利用虚拟现实技术实现战场环境仿真。
1.战场环境仿真综述
1.1战场环境的组成
战场环境是指作战空间中除人员和武器装备以外的客观环境。从战争涉及的客观因素来看，战场环境应该包括战场地理环境、气象环境、电磁环境和核环境。或许，随着网络信息战的形成，战场网络环境也将成为战场环境的重要组成部分。
战场环境是多维互动的。多维意义是:①战场环境由多个客观环境组成，各有其变化规律，上述四个环境分属不同的学科；(2)这些客观环境的空间形态随着战斗进程而演变。交互性的含义是上述环境相互影响，其中地形环境是其他环境的物理支撑，是空间定位和加载各种作战信息的基础。如图1所示，在战场环境中，气象环境和地理环境相互影响，气象环境具有地理特征，如不同地理位置的热带、亚热带气象特征，气象环境会影响地理环境，如形成流水侵蚀地貌和冰川地貌，阴雨和晴天会影响地面土质，从而影响行军速度；地理环境和气象环境对电磁环境的形成都有很大的影响，不仅规定了电子设施的分布，还决定了电磁波的传播范围和气象干扰的程度。战场核化环境的形成与核设施的地理位置及其周围环境有关，核污染区的形成和发展与地理环境和气象环境密切相关。
1.2战场环境仿真及其描述
战场环境仿真是指利用仿真技术来描述战场环境。仿真是通过系统模型的实验来研究一个已有的或设计好的系统。计算机模拟(也称数学模拟)是指借助计算机对真实系统或正在设计的系统进行实验，以达到分析、研究和设计系统的目的[3]。在这里，系统是指为了达到某种目的而具有特定功能的几个相互联系的要素的有机整体。一个系统的仿真涉及系统、系统模型、计算机三个要素，与这三个要素相关的基本活动有:模型建立、仿真模型建立、仿真实验[4](如图2)。
如果把战场环境看作一个战场空间系统，其具体功能就是构成战场的空间载体和物理条件，战场环境中各种环境之间的关系构成了这个空间载体的有机整体。用计算机实现战场环境仿真，首先需要将战场环境数字化，即建立战场环境模型，而数字地图就是典型的战场环境模型。这种模型是通用的，但往往不能满足一些特殊的要求。比如，由于现代作战仿真仍然沿用兵棋推演的方法，需要将地形和环境数据按照一定的分辨率处理成数据存储在网格中，并且这些数据也随着作战进程的发展而动态变化。这个将战场环境模型处理成适合作战仿真的模型的过程，就是战场环境的二次建模(仿真建模)。二次建模后的战场环境模型可用于计算机作战仿真。为了保证作战仿真结果的准确性和可靠性，要求战场环境模型具有一定的准确性，这就需要通过仿真实验对模型进行检验(验证)。
根据战场环境仿真在作战仿真中的用途，可分为数据仿真和感知仿真两种描述方法。数据仿真主要用于模拟对抗和作战评估。这时候就提供战场环境数据给计算机“认识”战场。将基本战场环境数据转化为计算机能够识别的战场环境模型的过程称为“战场建模”。感知模拟主要针对指挥操作和训练模拟，即通过战场场景、音效等因素展现战场环境，指挥员通过一定的操作界面感知战场环境，从而达到辅助实地调查、掌握情况、辅助决策的目的。这种“战场感知”的结果就是让人脑去理解战场。战场环境的数据模拟和感知模拟都是基于数字化战场环境。在实际应用中，这两种模拟描述是相互影响的。根据模型变化的数据模拟通过感知呈现给学员，学员可以通过人机交互改变数据模拟的结果。图3示出了战场环境模拟的两种描述之间的关系。由于篇幅所限，本文只讨论战场环境感知仿真的内容和关键技术。
1.3战场环境感知仿真的主要内容
感知模拟的目的是通过直观地展示战场环境，充分训练参与者的指挥决策能力。其内容包括战场环境中视觉、听觉、触觉等感觉通道的模拟。视景仿真又称“战场可视化”，是感知仿真的一种主要形式，即将战场环境中可见的(如地形、物体)和不可见的(如电磁场、潮流场)要素用三维、三维或二维图形图像表示。听觉模拟是指模拟战场中各作战单元的声音(音效、音量、音位)，以营造战场氛围。触觉仿真是指通过人机交互设备的操作，实现人与环境的交流，是使受训者产生临场感的重要手段。这种通过模拟多感觉通道来实现临场感的技术，就是虚拟现实技术。与传统的通过地图、实物沙盘或视频资料了解战场的认知方式相比，在这样的系统中，参与者由旁观者转变为参与者，可以在逼真的环境中主动探索，大大提高了战场认知的效率。
2.虚拟现实与战场环境感知仿真
2.1虚拟战场环境在感知仿真中的应用
虚拟现实(virtual reality，VR)一词诞生于20世纪80年代末，指的是具有临场感的计算机生成环境[5][6]，实现这种环境的技术称为虚拟现实技术。军事部门是这项技术的出资者和第一使用者，主要用于军事训练。从65438到0988，美国国家航空航天局和美国国防部共同支持开发了虚拟接口环境工作站View(Virtual Interface Environment Workstation)，它由一台HP-9000计算机、一副数据手套、一个液晶头盔显示器和一个语音识别系统组成。用户可以看到立体图像，听到三维声音，发出口头命令，并伸手触摸计算机生成的虚拟物体，这是世界上第一个。此后，虚拟现实技术及其产品迅速发展，并形成了一个产业。根据简氏信息集团的一份专题报告[8]，到2000年，从事与训练模拟相关的虚拟现实产品生产的公司超过800家，其市场将从2000年的400亿美元增长到2010年的650亿美元。
虚拟现实产品广泛应用于作战仿真领域，大多涉及战场环境仿真。利用虚拟现实技术实现战场环境仿真，其目的是形成多维的、可感知的、可测量的、逼真的虚拟战场环境，从而提高参与者对战场环境的认知效率。主要用于模拟对抗、引导监控、装备操作、人员培训等。虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半真实军事演习和真实军事演习提供模拟环境，也可以为特定的训练科目构建典型的训练环境(现实中并不存在)。借助虚拟战场环境，可以训练指挥员的指挥决策能力、参谋人员的专业能力和装备操作人员的操作能力。比如美军从1984开始研发的基于网络的分布式坦克训练仿真系统SIMNET，将美国和欧洲的10区域作战环境放入系统中。到1990年，200辆装甲车已经可以在异地统一指挥下参加交互式模拟演练。每个模拟器以美国M1主战坦克为单位，提供作战区域内地形起伏、植被、道路、建筑物、桥梁等精确信息。加油机可以在模拟器中实时看到战场环境和计算机生成的其他战车图像。1991年，美国为实施海湾战役“东经73”计划，为M1A1主战坦克提供了一套战场环境模拟系统，用三个大屏幕向作战人员展示了伊拉克的沙漠环境，并进行了沉浸式战场研究，为最终胜利奠定了关键基础。荷兰1992年完成的“毒刺”导弹训练器(VST)是虚拟现实技术应用于单兵武器模拟设备的代表作，在头盔中形成空间动态三维场景。用操作者的头部动作来改变场景，从而训练操作者对敌机的机动性和瞄准能力。事先准备好的VCD碟片，在各种战斗环境下提供相应的音效[9]。1997，洛克希德？马丁·沃特公司为美国海军航空兵训练系统项目办公室开发了一套实战演习系统TOPSCENE(战术操作现实)。该设备是军事测绘成果和虚拟现实技术的综合应用，广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军，已装备超过100套。系统使用SGI图形工作站(最高配置ONYX2和四个R1000CPU)处理图像数据。在高配置下，每秒可产生30幅细节逼真的高分辨率战场图像。该系统可以模拟各种地形要素和不同气象条件，还可以用夜视装置、红外显示或合成孔径雷达显示效果模拟夜战过程。
2.2虚拟战场环境系统的基本组成
虚拟战场环境系统由软件系统、数据库系统和硬件系统组成。其软件系统主要包括战场环境建模软件、场景纹理生成与处理软件、立体图像生成软件、观察与操作控制软件、分析与应用GIS软件等。数据库系统主要包括战场地图数据库、三维环境模型数据库、武器装备数据库、环境纹理图像数据库、应用专题数据库等。硬件系统主要包括计算机、视听处理系统、感知系统(显示装置、立体观察装置、人机控制装置)等。根据虚拟战场环境的应用需求，以上三部分有不同的组合，进而形成不同的应用系统。
就军事应用而言，虚拟战场环境主要有多人共享和单兵沉浸两种应用模式。相应的，虚拟战场环境系统由多人共享和单兵沉浸两种类型组成。主要区别在于立体图像的显示和观察方式以及场景的控制方式。
(1)多用户共享。在作战指挥和大多数作战模拟训练中，指挥员和参谋人员经常需要围绕同一个战场环境讨论作战计划，评估作战效果。为了满足多人共享的需求，目前大多数虚拟战场环境系统通过大屏幕投影显示、立体眼镜(液晶或偏振光)观察，以及通过操纵杆、鼠标、键盘等输入设备控制视点来实现视觉共享。它的优点是同一空间的用户(几个到几十个)可以同时观察同一场景，系统硬件便宜。它的缺点是对场景的操作只能由一个人完成，当大屏幕投影图像无法占据观察者的视野时，会削弱临场感。
(2)单兵沉浸。在单兵技战术武器装备操作训练的应用中，需要强调受训者与武器装备及其环境的关系。因此，HMD经常被用作立体显示、立体观察和头部定位跟踪的设备，并使用数据手套或姿态跟踪器来完成定位和选择操作。使用这些设备可以让受训者产生强烈的存在感，进而达到良好的训练效果。但其设备非常昂贵，难以推广使用。而且由于传感设备不是很精确，计算机对大数据量场景的计算能力有限，往往会对感官造成病理反应。
3.构建虚拟战场环境的若干关键技术。
作为一个虚拟现实系统，一般认为需要具备三个基本特征——交互、沉浸和想象[10]，但根据实际使用情况，也强调了这“3I”特征的体现。就共享虚拟战场环境系统而言，体现交互性是关键；对于沉浸式虚拟战场环境系统，重点在于其沉浸特性(可达性)；无论哪种应用，想象力都是不可或缺的。
3.1实现“互动”的关键技术
交互特性是指系统具有响应人机交互的能力，衡量这种能力的标准是系统处理和显示环境图像的刷新率(帧/秒)。刷新率越高，系统对交互的响应越快。当交互响应达到实时时，直观地显示场景随交互过程连续平滑变化。当交互响应有明显延迟时，在视觉上表现为场景的停滞和抖动变化。显然，影响交互能力的因素不仅是系统硬件处理和显示场景数据的性能，还与场景的数据量和交互控制软件有关。因此，在构建虚拟战场环境系统时，要充分考虑装备的性能和用户的实际装备能力，而软件系统开发的关键在于场景数据的组织和管理。
在战场环境仿真应用中，可视化处理涉及的场景数据包括三维地形模型、三维特征模型和地形特征的表面纹理(如果考虑综合战场环境的构成，还应包括武器装备模型及其纹理、焰火特效、音效等数据)，其数据量非常巨大。为了实现大数据量的实时交互显示，需要解决场景数据的组织和管理问题。其思路是在保证场景显示细节的前提下，尽量减少实时处理中涉及的场景数据，从而保证交互响应的效率。实践表明，根据人类视觉认知规律组织和调度场景数据是一种有效的方法。规律是:从固定的角度看客观物体时，越靠近视觉中心，视网膜上的图像越清晰，越远越模糊；从不同的视距观察一个客观物体时，离物体越近，看到的物体细节越丰富。遵循上述规则，场景数据的组织和调度实际上归结为场景细节的组织和视点相关的各级数据的调度[11]。
(1)场景细节的组织:场景细节包括场景模型细节和场景纹理细节。场景模型的细节是指场景的形体形状所表达的细节，场景纹理的细节是指场景的表面图像所表达的细节。场景模型的最高细节取决于模型的数据源。对于以矢量地图数据为主要数据源的战场环境仿真应用，数字地图的原始比例尺决定了场景模型所描述的最高细节，即比例尺越大细节越丰富。场景纹理的最高细节取决于纹理图像的数据源。以数据地图为数据源模拟地面纹理时，纹理的最高细节也与数字地图的比例尺有关，即比例尺越大，地面特征的分类越详细，模拟图像所能描述的地面细节也越丰富。当遥感图像被用作表面纹理时，图像的分辨率决定了表面元素可以显示的细节。
以达到视点越近细节越丰富的场景表现效果。需要将场景模型和纹理数据划分为多个层次的细节，并按照细节顺序进行组织。
(2)视点相关的层次数据的调度:在同一场景中，根据视觉中心外围轮廓详细的原理，调度不同细节的模型和纹理数据，也是减少参与计算的景观数据量，以保持交互和视觉效果的有效方法。
需要注意的是，纹理细节可以在视觉上弥补模型细节的不足，即在粗糙的模型骨架上叠加更多细节纹理，这是在不降低显示效果的情况下提高交互效率的有效策略。
3.2实现“沉浸”的关键技术
沉浸式特征是指系统的视听效果能使受训者感觉处于虚拟环境中。对于大多数应用来说，创造立体视觉效果是实现“沉浸感”的关键，即根据人类双目立体视觉的原理，在一定设备的帮助下，观察者会在生理层面上对所观察的场景产生强烈的立体感。因为在虚拟现实系统中，场景是由计算机生成的(非实地拍摄)，为了达到立体效果，需要对图像生成、显示、观察等各个环节进行处理，所以这种技术也被称为“人工立体视觉技术”[5][12]。
(1)立体图像的生成。根据生理立体视觉的水平视差，为同一场景生成以左右眼为视点的场景图像，即形成图像对。像对的视差是造成生理立体感的唯一因素，决定了场景的深度效果。视差的种类及其对应的视觉效果请参考参考文献【12】。
(2)立体图像的显示和观察。显示模式与观察模式密切相关，选择哪种模式取决于实际应用的要求。在上述内容中，描述了战场环境仿真应用中的两种显示和观察模式。这两种方式也是目前市场上的主流，但是这两种方式都需要在观察者的头上放置一些观察装置，观察效果都不理想(比如液晶眼镜会增加闪烁，降低场景亮度，液晶头盔显示分辨率低，CRT头盔有偏差等。)，所以很多用户更倾向于选择立体观察的方式，即直接在显示器或投影屏幕上观看计算机生成的单目场景视频，跟着场景的光影、形状作为线索。近日，德国德累斯顿3D有限公司推出了一款立体液晶显示器，观察者无需佩戴任何观察设备就能看到立体图像。监视器配有眼球跟踪摄像头，可以捕捉到观察者眼睛的位置，从而控制安装在液晶屏前的一个光学掩膜，分别移动左右眼图像。显然，这款显示器不适合多人共享。
在战场环境仿真的应用中，环境声音主要是武器装备在作战过程中发出的声音，如发动机轰鸣声、火炮开火声、弹药爆炸声等。这些声音的特点是它们精确的空间位置和声音效果，声音的定位信息可以通过可以描述空间声音的软件(如Direct 3D)通过声音系统传递给用户。嘈杂的战场声音可以营造出逼真的战场氛围。
3.3“想象”的几个方面
将“想象”作为虚拟现实系统的一个基本特征，说明了形象的创造性思维能力对于构建虚拟现实系统的重要性。高超的创意不仅能震撼观众的心灵，还能引导他们达到探索的目的。对于虚拟战场环境的创建，这种想象体现在人机界面的构思、场景表达的构思以及是否提供再造战场环境的手段。
(1)人机界面的概念。“VR最难的是让用户的感觉对信息深信不疑”，这是比尔？盖茨对虚拟环境最高境界的理解[13]。为了让用户“进入”系统生成的场景并确信它，需要一个良好的人机界面。传统的人机界面是让用户通过一个“窗口”来观察和操作应用软件。在虚拟环境中，这样的窗口会将用户阻挡在旁观者的位置，不能以参与者的身份“进入”环境。因此，如何设计一个符合虚拟环境特点的人机交互界面成为想象的焦点。
(2)场景描写的构思。其实是指虚拟场景的设计。虚拟战场环境的外观是否逼真，主要取决于场景的外观设计。在使用矢量地图数据生成场景表面纹理时，场景描述的思路涉及到各元素的表示方法设计(使用几何符号或模拟图像)、地面和各元素表面的噪声效果设计、不同地貌类型的颜色表设计、战场环境中武器装备等作战单元的表示方法设计、作战意图和态势的表示方法设计。
(3)提供实现想法的工具。在不同的军事应用中，用户对虚拟战场环境的表现有不同的要求。比如飞行模拟训练，学员希望用航拍图像作为表面纹理，这样可以使场景在视觉上更接近实际的地形环境。而对于作战指挥训练，学员更喜欢将场景中地图上的涉密信息表达出来(符号表示法)进行分析决策，这就需要在系统中为用户提供多种表达手段。此外，对于战术的学习，用户有时需要构建一个典型的战场环境，这也需要为用户提供实现其想法的工具。
4.应用示例
自1995以来，解放军信息工程大学测绘学院战场环境仿真工程实验室以虚拟战场环境为主题，做了大量的研究工作，取得了以“地形环境仿真系统”为代表的成果。该系统是在军事测绘数据库支持下，利用虚拟现实技术实现战场环境仿真的实用系统。主要模拟作战区域的地形环境，可为作战模拟的各个层次(战术、战役、战略)和阶段(计划制定、对抗模拟、结果评估)提供2D电子地图、三维景观和各种地形的地理信息。
该系统已初步具备了虚拟现实的基本特征(“可访问性”和“交互性”)，并解决了开发过程中的以下关键技术问题:
1.解决了微机环境下地形环境的快速三维建模、模型简化和实时交互问题。
2.开发了与LCD立体眼镜的接口硬件，使其在微机和工作站的环境下，用低价位的立体眼镜实现具有“入门感”的立体效果。
3.解决地形模型与其他商业3D软件的接口问题，以及3D地形环境中技战术武器的摆放问题(如图5)。
目前，该系统已在全军和国民经济建设中得到广泛应用。例如，该系统已用于为三峡移民局模拟三峡库区洪水过程(图6)。
5.结论
战场环境仿真是为适应数字化战场建设的需要而产生的高新技术，其应用领域非常广泛。本文仅从作战仿真的应用领域出发，探讨虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用。事实上，这项技术在军事上也已经应用于作战指挥、武器测试、外交谈判、灾难预测等诸多方面。随着虚拟现实技术的成熟和实用化，我们相信在不久的将来，它将成为提高军队战斗力的重要技术手段。