特种车辆作战训练模拟器虚拟现实解决方案

背景介绍：

虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的，现在广泛用于各兵种部队的战术研究、演习、模拟训练和培训等，战斗实验室已成为数控战士的战场。“司令部军事演习”也已成为一种军事演习的重要形式，这类演习可用于为未来战争组织装备、主导原则和综合训练等决策提供参考数据。

随着军事科学技术的飞速发展，利用计算机网络进行“网上论兵”，己经成为许多国家军队训练的主要方式之一。在计算机模拟技术的支持下，虚拟现实模拟训练成为现阶段军事作战模拟训练的一种主要方式。从上世纪90 年代初起，美国率先大量将虚拟现实技术用于军事领域，世界很多国家也在将虚拟现实技术向军事领域开拓，以减少实战中的人员、物资损失和节约训练经费。近年来，利用这种训练方式组织作战训练，不仅极大地提高了训练效益，而且使军队在“酷似”实战的环境中得到了锻炼。

系统介绍：

针对军队对虚拟作战训练的需求，上海科梁提出了一套基于商业货架产品结合特殊需求定制化的虚拟现实解决方案。整个系统包含：监控管理主机、中控系统、仿真计算单元、虚拟驾驶视景系统、无线定位系统、模拟驾驶舱系统及运动模拟控制系统。

仿真计算单元实时完成车辆的动力学模型解算、虚拟场景交互演算，同时完成与虚拟驾驶视景系统、模拟驾驶舱系统、无线定位系统及运动模拟控制系统的数据交互。虚拟驾驶视景系统主要完成三维动画场景的显示及音效空间的还原，其中视景包含车外的动态场景及驾驶室的驾驶盘、仪表等的虚拟显示，通过显示器或数字头盔实现，增加视觉及听觉的沉浸感。模拟驾驶舱系统用于模拟真实驾驶舱环境，一方面可布置真实表盘，另一方面可通过数据手套结合数字头盔的成像与虚拟表盘实现交互，增加系统的柔性化配置。无线定位系统用于识别人体的肢体动作，生成肢体的三维数据，用于为虚拟仪表操控提供图形干涉数据，是实现虚拟驾驶的基础。运动模拟控制系统主要实现虚拟体感，通过运动平台展现真实驾驶过程中的身体受力情况，增加身体的沉浸感。

 

车辆外形包含主战坦克、装甲车、运输车等；
路面包括：泥地、雪地、沙地、公路、草地等；
天气包括：全时段光照模拟、夜景、沙尘等；
作战场景包括：城市、平原、丘陵、海湾等；
作战声效包括：炮弹射击声、击毁爆炸声、装甲跳弹声、建筑物倒塌声、行驶过程中各种声音；
作战目标包括：坦克群、目标基地、建筑物等；
作战效果包括：车辆击毁、穿甲显示、跳弹显示、震动视觉效果等。

关键技术：

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，立体声，以及触觉/力觉反馈等。

Ø 实时三维计算机图形

实时三维计算机图形是利用计算机模型产生图形图像。通过构建足够准确的三维模型，利用实时仿真环境，可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像。例如在坦克模拟系统中，利用实时仿真环境保证图像的刷新速率及图像质量，模拟非常复杂的虚拟环境。

Ø 立体显示技术

人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

在虚拟现实系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

Ø 用户（头、眼）的跟踪

在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。

跟踪头部运动的虚拟现实头盔：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

Ø 声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。通过环绕立体音响系统协同头部动作识别系统建立真实的立体声效果。

Ø 感觉反馈

在一个虚拟现实系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是通过带振动的触点的数据手套来模拟触觉。通过无线定位系统确定人体以及手的位置（空间坐标），通过与虚拟现实中的场景进行干涉判断是否与场景物体接触，接触的触感通过振动的触点控制，实现与虚拟场景的真实融合。

作战视觉效果：

应用领域：

该系统可应用于飞机、汽车、舰船等领域，通过模拟多类环境，逼真的呈现驾驶过程中的各类环境工况，帮助用户实现乘员的适应性模拟训练，减少训练成本。