虚拟现实系统(VR)在军事装备教学中的运用研究

亢昭 冯星

摘要：虚拟现实系统（Virtual Reality System，简称VR）是近年来出现的图形图像领域的高新技术，军事装备教学在目前军队院校教学中存在很多不足。总结了虚拟现实系统的系统构成，从军事装备教学的角度出发，提出将虚拟现实系统应用到军事装备教学中，并分别从基本理论教学、装备操作教学、装备维修教学三个面分析了虚拟维修系统与军事装备教学的运用结合，二者的结合将突破时间空间的限制，解决军事装备教学中装备少、维修保障难以跟上的困境，降低训练风险，保障人员和装备的安全。

关键词：虚拟现实系统;VR;军事装备教学

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0221-00

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Virtual Reality System （VR） is a new technology in the field of graphics and image in recent years， there are many shortcomings in the teaching of military equipment in military academies. To summarizes the system structure of VR， and from the perspective of military equipment teaching， the application of VR to military equipment teaching is proposed. The application of VR to military equipment teaching from three aspects are analysed： basic theory teaching， equipment operation teaching and equipment maintenance teaching. The combination of military equipment teaching and VR will break through the limitation of time and space， solve the dilemma of less equipment and difficult maintenance support in military equipment teaching， reduce the training risk and guarantee the safety of personnel and equipment.

Key words：virtual reality system; VR; military equipment teaching

军事装备教学主要是面向部队作战人员开展的装备操作技能课程，是我军各军兵种指挥院校学员和士官学校学员必修的课程，而且此类课程的教学学时也占有很大比例[1]。装备教学目的是使学员了解装备的工作 原理和操作使用方法，引导学员熟练掌握型号装备的典型故障及其排除方法，帮助学员快速生成多型装备保障能力[2]。教学效果的好坏直接影响装备能力发挥的大小。目前我军承担装备教学任务的主要是訓练基地和军兵种院校，培养规模和速度不能完全满足部队人才岗位的需求。另外由于教学条件的限制，很多教学内容无法展开，造成教学目的难以达到。

在 20 世纪末，逐步兴起了一门崭新的综合性信息技术——VR（虚拟现实，Virtual Reality）技术[3]。VR（含增强现实AR、混合现实MR）融合应用新型显示、传感器、眼动仪、人工智能和大数据等多领域技术，能够拓展人类的感知边界，改变商业形态和服务模式。VR 技术作为这样一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，正越来越多地应用在我们生活中，已经被人们公认为是21世纪重要发展学科以及影响人们生活的重要技术之一[4]。从军事装备教学的角度出发，虚拟现实技术可成为优化甚至取代以往实装教学的手段。

1 我军军事装备教学存在的主要问题

军事装备的教学包括装备的设计、使用、维修、管理、辅助决策等多个方面，装备作战能力的高低完全依靠使用人员对装备的熟悉程度。我军近几十年在军事技术上取得了巨大进步，但是相应的教学方法没有同步跟上，暴露出了一些问题。

1） 教学装备数量不够用，维修保障能力制约装备教学效果。教学装备与一般部队基层装备在功能使用上存在较大差距。作为基层装备，平时以装备训练为主，注重日常维护保养，力求克服装备训练中不规范、不合理的地方。而教学装备的主要目的在于教学，是“试验品”，面临的使用环境更加恶劣，甚至有时为了演示，不得不进行错误示范，故意伤害教学装备。这使得教学单位在装备的维修保障上承担了巨大压力。加上很多装备配备不及时，数量不够用。造成教学装备越教越少，知识量也随之剧减。

2） 理论与实践联系困难，难以找到快速实用的教学模式。一般的装备教学按照机构、使用、维修的步骤进行，而在进行装备结构教学时，为了让学员更好地了解装备的内部结构和工作原理，就必须要分解装备。但是目前装备的装配技术与制造工艺的不断改革，使得诸多结构不易拆、不可拆、不能拆，使得学员只能从外部空想，通过教员的理论讲解来展现内部结构。一旦这种自我认识出现错误时，在后期的使用或维修方面肯定会带来很大阻力。目前这一问题还没有较好的模式解决。

3） 装备复杂性增加，对人员能力需求更加全面。装备信息化能力的不断提高，使得装备复杂性呈指数增加。装备教学的目标不能仅瞄准在一个点上，例如装备维修中，某个故障产生的原因可能是多个系统交叉形成的。这时需要维修人员具有综合知识，能从多个角度查找问题。而这种综合处理能力的培养需要大量实装的联系以及对装备的细致了解，但是现在的军事装备教学很难达到这一目标。

4） 装备教学风险加大，空间时间受限。装备教学是一直与实装接触的，部分装备操作存在很大风险，一旦失败可能造成重大的人员伤亡和财产损失。基于此，很大程度上限制了教学单位开展多样化的教学活动，较少或者停止危险科目的教学，这将大大降低人员在实战情况下的装备运用能力。另外，由于时间和空间上的限制，教学资源分配不均等问题造成教学效果存在各地不一，一旦进行各战区间的联合将很难做到完美协同。

2 虚拟现实系统

虚拟现实系统（Virtual Reality System，简称VR;又译作灵境、幻真）是近年来出现的图形图像领域的高新技术，也被称为灵境技术[5]或人工环境。虚拟现实是以计算机技术为核心，生成与现实环境在视、 听、触感等方面高度近似的数字化环境。用户借助相关设备与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生真实环境的感受和体验[6]。2016 年被称为VR元年，随着技术的发展与进步，VR技术得到进一步成熟。目前，全球范围内VR较为知名的公司有Facebook-Oculus、Sony、HTC、Google、ANTVRKIT，无论是哪家公司的产品，其以VR头显[7]为呈现终端的系统结构类似，主要包括以下部分（如图1所示）。

主機：主要负责对虚拟场景模型调用和用户命令的处理，是整个系统的中央处理模块。

VR头显：即虚拟现实头戴式显示设备。它是系统的显示端，主要将建立的模型按照用户的需求和命令显示在两个镜片上。

空间定位设备：也称位置追踪器。部分虚拟现实系统根据功能要求并没有配置该设备，无法在空间进行行走和动作，所以相比缺乏沉浸感。

控制手柄：为了降低开发和使用成本，用手柄代替了数据手套，其中也包含了多类型多量的传感器，目前也开发了类似数据衣的控制设备，拥有成千上万的传感器，以增强用户的多感官感受，脱离了通过键盘来实施虚拟场景或动作的改变。

拍摄设备：主要负责拍摄全景视频，将其导入到模型库，用户调用时讲可以看到全方位立体的现场情况。现阶段生产的主要配设设备有全景相机。

数据库：主要是用于存储模型，一般可以储存在主机内部。

附属配件：包括各类数据连接线，充电线，音响，转换接头等。

软件系统：运行平台选择一定的操作系统，利用各种3D模型构建和仿真计算软件来实施模型建立。

3 VR在军事装备教学中的运用

为了让装备教学虚拟化达到一个完整的过程，VR软件模型至少应当划分为三个部分，一是装备教学的本体，例如需要进行挖掘机操作训练时，为了加强沉浸感，应当从第一人称角度构建挖掘机模型，必要时为了纠偏和自我查看，可以构建其他视角的挖掘机模型;二是教学环境的建立。环境是随着用户视觉关注中心的改变不断做出调整的，加上VR头显不像桌面级显示那样，它的眼球与显示屏距离非常近，同样的分辨率在如此近的距离上造成模型颗粒感很强，所以环境建立工作量极大，必须配合高分辨率的显示屏;三是评估与监督。训练的目的在于查找训练不足，提高训练成绩，所以必须对模拟训练成绩做出评估，要求系统中必须加入评估者的身份，用以对施训者和受训者的教学效果做出及时评价。

3.1 在装备基本理论教学中的运用

基于虚拟现实系统进行装备基本理论教学，对于施训者来说，可以精准传达教学信息，较快达到教学目标。以往的装备理论知识学习局限于教室，及时结合实装进行理论学习也存在限制，比如装备数量不足、教学空间狭小等，但是VR头显呈现的图像是事先用全景相机拍摄的或者计算机模拟构建的全景三维图像，佩戴者可以在任何角度任何位置进行学习，特别是一些隐蔽零部件的识别和功能的理解。而对于受训者来说，使理论教学变得形象化、直观易懂。现代诸多理论采用抽象办法，例如对液压油路讲解时，往往将液压零部件抽象成符号，使其变得复杂难以记忆，受训者如果直接采用VR头显进行学习，则所有零部件均可以模拟实际，无须抽象，通过还原实装液压油路走向，受训者能较快地与实际对接，缩短理论转换为实际能力的时间。

下面以内燃机结构讲解为例，说明虚拟现实系统在基本理论教学中的使用流程（如图2所示）。

3.2 在装备操作教学中的运用

装备操作教学引入虚拟现实系统将带来以下几点好处。第一，突破时间和空间的限制，为充分利用教学时间提供基础。以往的实装教学在组织训练时，必须考虑场地限制，训练时间，环境天气，有的还得考虑民情社情等，只有所有条件满足的情况下才能进行训练。这使得教学计划经常由于变动而不得不做出改变，有时不得不取消。采用虚拟现实系统后，以上受限制的条件都可以在虚拟环境中进行设置，随时随地都能进行训练，提高教学效率;第二，解决了装备少，维修保障难以跟上的困境。由于训练人员基数大，装备保障存在很大压力，一旦出现训练装备损坏，必然影响装备教学进度。而虚拟现实系统可以独自承担所有实装教学任务，也可以与实装配合，弥补装备维修期间的保障任务，缓解保障压力;第三，降低训练风险，保障人员和装备的安全[8]。虚拟现实系统不存在发生人员伤亡的情况，也不需要对装备维护保养，大大降低了训练成本，同时保障了训练安全。

另外，根据虚拟现实技术的类型分类，虚拟现实技术可以分为桌面级、沉浸式、增强现实型和分布式[9-11]。基于VR头显的虚拟现实系统是属于沉浸式的虚拟现实技术，将它运用到教学装备操作训练中具有其他类型没有的优点。比如排除了桌面级的外部干扰，不需要像增强现实技术那样必须要有实装作为一定的投影载体。它是完全营造虚拟环境，通过眼镜将外部干扰阻挡，模拟效果也得到不断改善。VR头显的分辨率已经可以达到4K，场景颗粒感基本不影响沉浸感，眼镜观测角度纵向能达到90度，横向110度，与人眼可见范围接近，并且能适应1000度以内的近视人员使用。图像刷新率能达到60Hz以上，部分可超过90Hz，使佩戴人员感受不到由于图像延迟而带来的眩晕。

装备教学中虚拟现实系统使用流程如图3 所示。

首先定位系统根据头盔位置确定人员的初始位置，人员通过眼镜看到事先已经录制和处理的虚拟场景，将操纵手柄的功能按钮与装备操作按钮一一对应，通过按钮控制装备动作，一般认为人员与装备是相对固定的，所以在用全景相机录入时，已经是从驾驶员第一角度出发，所以装备相对操作手是不动的。由于采用的是360度全景拍摄，通过传感器作用，人员在实际中可以通过侧身或转头来查看不同的景象。只有在需要查看或评价时才跳出第一视角。

3.3 在装备维修教学中的运用

装备维修教学的一个老大难问题是如何设置故障。仅通过理论讲解对故障理解深度不够，全部实施实装操作也没有那么多装备保障问题，所以很多故障被假设，并不实际操作，或者避开一些难、精、尖故障的教学。而采取虚拟现实系统后，维修教学成本大大降低。学员既能通过接近实装的维修内容学习，教学保障单位也不需为维修内容设置伤脑筋，理论上在虚拟环境中，可以设置一切发生的故障，并且可以实时了解教学进程和效果，以便施教者安排学习计划。

教学对比性增强。在故障查找中，通过零部件外形或功能的对比来查找故障点是一种很常用的方法。但往往只能查看原理或示意图来对照，这样需要故障排除人员首先将外部信息转换为可用信息，再进行实物对照来排除故障。过程中可能造成人员对外部信息的错误理解，对维修形成错误引导。采用虚拟现实系统可将实体故障与虚拟场景进行对比，存在的差异一目了然，查找故障点迅速准确。

随时调用专家库，修改意见可视化。远程维修教学是突破维修空间的有效方法之一，它将专家搬到具体各个维修点。但是专家在提出维修建议时，可能会由于维修人员存在理解困难，或者维修信息传递不全难以给出维修建议。虚拟现实系统可以将维修点的故障全方位的显示给专家，专家可以就故障给出意见，并直接将其复写在环境中，维修人员接收后对修改信息了解迅速。

装备的现场维修教学是基础理论和操作教学的综合，操作流程与前面类似，这里主要介绍远程维修教学的流程，如图4所示（由于在前文已经给出，这里不再给出定位系统、传感器工作流程）。

先由专家端通过录入系统设置故障模型，形成数据库以便远程客户使用。远程维修教学中一旦发生某种故障类型，受训者在定位系统引导下，找到故障大致位置，当无法确定最终的故障点时。维修点将现场获取的可能故障面以全景图的方式发送至专家端，专家端针对获取的图像分析故障原因，发现后，连同解决办法将内容以图像或文字的形式嵌入到全景图中发送给维修点，同时更新数据库。当维修点重新获取图像后将得到立体显示的解决方案，通过与实装故障对比，进行维修教学。

4 结束语

虚拟现实系统在军事装备教学中的运用，突破了时间和空间的限制，解决了装备少，维修保障难以跟上的困境，降低了训练风险，保障了人员和装备的安全。但是，目前虚拟现实技术研究较多的是单机操作，使用非在线式教学，这种方式只能进行操作级的教学，无法达到多人同时进行的效果，涉及教学内容较少;VR头显体积与重量还偏大，人机工程等方面还不和合理;与其他先进技术的结合还不够，功能不够强大。所以，针对虚拟现实技术存在的一些不足，虚拟现实系统在下一步应当重点突破的方向在于，系统由单机布置向复杂综合系统、分布式系统发展，实体设备轻量化且具备优化的人机工程，加强与其他先进技术的结合。

参考文献：

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[10] 胡小强. 虚拟现实技术与应用[M]. 北京：高等教育出版社， 2004：1-27.

[11] 刘浩， 戴居丰， 杨磊， 等. 虚拟现实技术及其应用研究[J]. 微计算机信息：测控自动化， 2005，  21（1）：200-201+151.

【通联编辑：王力】