一、虛擬現實概念及演進

“預先戰爭演練”是軍事領域專家們一直尋求的方法，以便能夠以較少的投資、最低的風險而又能逼真再現戰爭的方式，達到訓練士兵、論證軍事理論、演示戰斗策略、評估武器裝備的效果。虛擬現實（Virtual Reality， VR）技術應此需求而產生，根據電氣和電子工程師協會（IEEE）的定義，VR是指在視、聽、觸、嗅、味覺等方面高度逼真的計算機模擬環境，用戶可與此環境進行互動，產生身臨其境的體驗。VR集成了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術以及仿真技術等多種技術，在軍事領域的應用以低廉的成本、逼真的效果最大程度地代替實戰訓練，在提升軍隊戰斗實力，節省經費開支，縮短武器裝備研制周期等方面都發揮了重要的作用。

VR概念首次出現在1965年的IFIP會議上，Ivan Sutherland在此次會議上提交的一篇名為The UltimateDisplay(《終極的顯示》)的學術論文中提出模擬環境下浸入、完全傳感輸入與輸出的關鍵概念，這些概念是當今虛擬現實研究的基礎。

20 世紀80年代美國VPL 公司的創建人之一Jaron Lanier 正式提出了“Virtual Reality”一詞。VR 技術于20世紀90 年代得到了蓬勃發展，2000 年以后，VR 技術整合發展中的XML、JAVA 等先進技術，應用強大的3D 計算能力和交互式技術，提高渲染質量和傳輸速度，進入了嶄新的發展時代。

為了把握VR技術優勢，美、英、日等國政府及大公司不惜巨資在該領域進行研發，并顯示出良好的應用前景，隨著硬件性能的提升和成本的大幅度降低，近年來VR產品獲得了廣泛發展，特別是2016年美國消費電子展上，VR產品成為展會的絕對主角。

二、美軍VR技術應用現狀、研究項目及應用實例

現有VR技術應用可分為三大類：模擬作戰訓練、幫助指揮官進行任務規劃、預演與決策以及武器系統構建、評估與測試。本文將著重描述美軍在三大應用領域的發展現狀及典型系統。

（一）模擬作戰訓練

1. 應用現狀

模擬作戰訓練是VR技術在軍事領域最廣為人知的應用，通過VR技術使受訓者在視覺和聽覺上真實體驗戰場環境、熟悉作戰區域的環境特征。用戶通過顯示設備、立體觀察裝置、人機操縱裝置等與虛擬環境中的對象進行交互且相互影響，產生沉浸于真實作戰環境中的感受和體驗。目前，軍事領域的VR技術應用跨度很大，從商業產品演化而來的桌面飛行訓練儀、沉浸式虛擬現實訓練環境到多場所復雜戰術組隊訓練儀都運用了VR技術。

美軍在虛擬作戰訓練領域的典型應用有單兵武器裝備模擬訓練系統如美軍F-16戰斗機訓練模擬器和美陸軍使用的EST 2000、聯合訓練模擬器如美空軍航空聯合戰術訓練系統（Aviation Combined Arms Tactical Trainer-Aviation，AVCATT-A)系統、虛擬戰場環境模擬訓練如美軍在阿富汗和伊拉克戰爭中使用的作戰區域三維地形模擬環境和“激光沙盤”的虛擬現實系統，以及異地網絡環境模擬訓練如美陸軍的近戰戰術訓練系統（Close Combat Tactical Trainer, CCTT）。

2. 典型應用實例

1 ）航空聯合戰術訓練系統（AVCATT-A）

美空軍AVCATT-A系統是典型的聯合飛行訓練模擬器。整個AVCATT-A物理布局由兩部長53英尺(約15.2米)的拖車組成，共包括8個小房間，其中6個房間模擬顯示直升機座艙、一個房間是控制中心，另一個房間是一個可容納20人的行動回顧(AAR)室。

AVCATT-A的獨特之處在于它的6個模擬直升機座艙的房間，只要45分鐘就可以完成重構以模擬AH-64“阿帕奇”攻擊直升機、UH-60“黑鷹”通用直升機、OH-58 “基洛瓦勇士”偵察直升機和CH-47“支奴干”運輸直升機中的任何一種。模擬轉換由操作AVCATT-A的人員負責，通過與6個模擬直升機座艙房間連接的儀表盤面板就可以完成模擬四種直升機座艙的轉換。

2 ）近戰戰術訓練系統（CCTT）

美陸軍研制的CCTT是一個網絡化模擬訓練系統，該系統投資近10億美元，是美陸軍第一個也是迄今為止最大的分布式交互模擬系統。它利用許多先進的主干光纖系統網絡并結合分布式交互仿真，建立起虛擬作戰環境，供作戰人員在人工合成環境中完成作戰訓練任務。該系統通過局域網和廣域網連接從韓國到歐洲大約65個工作站，各站之間可迅速傳遞模型和數據。它包括“艾布拉姆斯”坦克、“布雷得利”戰車和HUMVESS1武器系統等，使士兵能在虛擬環境的動態地形上進行近戰戰術訓練。

（二）幫助指揮官進行任務規劃、預演與決策

1. 應用現狀

在作戰指揮決策領域，VR技術的應用主要包括兩個方面: 一是通過對獲取到的情報數據在三維戰場環境上合成逼真的三維戰場態勢場景，使指揮人員更加形象直觀地把握整個戰場態勢以便更好地進行決策; 二是采用基于VR技術的作戰方案分析系統對指揮決策人員提出的決策方案進行仿真分析，以便更好地為決策人員提供參考。

目前被廣泛應用的三維戰場可視化系統如電子沙盤就是根據偵察到的戰場情報資料和戰場自然環境，采用三維圖形可視化系統合成出形象直觀的三維戰場全景圖，讓指揮員能夠全面直觀地觀察和分析雙方兵力部署和戰場情況，以便判斷敵情，做出正確決議，如美國海軍實驗室（Naval Research Laboratory）資助開發的“龍”（Dragon）系統就是此種應用的典型代表。

在作戰階段，采用基于VR技術研制的分析類仿真系統可以為指揮員制定的決策方案進行反復的模擬仿真分析，以提供最佳的作戰方案選擇。分析類仿真系統不僅能夠提供逼真的三維戰場環境，而且還能夠對指揮員制定的決策方案的執行結果進行直觀的可視化展現，使指揮員能夠一目了然地了解決策方案可能出現的一系列后果，從而為指揮員選擇和制定高質量的決策方案提供參考。 近些年來，美軍著眼于其所面臨的現實威脅和信息化戰爭的時代特征，先后研制了一系列大規模諸軍兵種聯合作戰分析類模擬系統，如JWARS(Joint Warfare System) (該系統已于2006年8月更名為Joint Analysis, System，JAS)、JMASS（JointModeling and Simulation System）、NETWARS、WARSIM2000等，并在這些系統的支持下進行了一系列的大規模聯合軍事演習，為美軍的21世紀軍事轉型研究和軍事理論創新提供了強有力的支持。

近年來，美軍還將全息投影技術與虛擬技術相結合，不僅有作戰力量空間分布、最新情報等信息的屏幕顯示，也有利用全息投影系統生成的在半空中懸浮的三維場景畫面，具有科幻片中亦幻亦真的驚人效果。美海軍正在研制的全息虛擬指揮中心是此類技術的典型應用。

2. 典型應用實例

1 ）“龍”系統

由美國海軍實驗室資助開發的“龍”系統已在演習與實戰中得到檢驗與應用。該系統可以在72小時內，提供90×90km范圍的數字地形數據（Digital Terrain Elevation Data，DTED）5級（1m）特征數據和圖像特征。在作戰之前，能夠快速將復雜戰場態勢可視化，使指揮員及其參謀人員能靈活使用兩維或者動態三維顯示系統更有效地制定任務計劃和演練，評估行動路線，保持態勢的認知。同時還能夠使士兵“看清”道路、樹木、山地和水路等。該系統可以在工作臺或頭盔顯示器等平臺上運行，提供以地圖為中心或以用戶為中心的導航方式，以操縱桿提供人-機交互，操作和攜帶都非常方便。該系統曾經參與“獵人勇士”（Hunter WarriorAWE3）和“聯合反雷”（Joint Counter Mine）等先進概念戰術演習。

2 ）美海軍全息虛擬指揮中心

目前，美國海軍使用的全玻璃化艦隊指揮系統的指揮室內充滿了各種各樣的熒光屏，可以顯示出己方作戰力量的空間分布，以及最新的情報信息，但這還不算最先進的指揮系統，研究人員正在開發一種全息虛擬指揮控制系統，將在2025年參與作戰。在這種全息虛擬指揮中心內，作戰人員可以最大限度地利用戰場信息，與周圍的作戰單元進行快速信息共享。通過觸覺和視覺傳感器完成對艦艇的控制，甚至可進行類似全息化的指揮操作。同時，通過配備耳機進行互動聊天和超視頻的信息傳遞，讓作戰人員產生更加真實的感覺。圖4中顯示的是一位士兵正在虛擬的指揮中心操縱艦艇，通過佩戴視覺和觸覺傳感器對艦船進行控制。全息虛擬指揮系統的研究人員表示類似圖中的控制技術將應用于未來的海軍艦艇。

（三）武器系統構建、評估與測試

1. 應用現狀

在武器裝備研制與采辦領域逐步得到各國國防部武器裝備采購部門和國防工業部門認可的一種新的采辦理念是基于仿真的采辦（Simulation based acquisition, SBA）。SBA本質上是關于武器裝備采辦的全壽命的管理過程，但是其核心支撐技術是VR技術。實際上，將VR技術應用于武器系統研制的各個階段，已經成為世界各國武器裝備研制策略的重要組成部分。

在相關技術的選型與研制方案[探索階段，可以采用基于VR技術的武器裝備先期技術演示（Advanced Technology Demonstration，ATD）來對相關技術支撐下的武器裝備進行建模并在各種虛擬的作戰環境下進行虛擬仿真實驗，檢驗相關技術的可行性，以確保系統設計性能。在系統的研制設計階段，采用基于VR的虛擬樣機技術（Virtual Prototyping）進行虛擬設計，不僅可以保證系統設計的首次制造的正確性，而且可以大大降低研制費用，縮短研制周期。在系統的制造階段，可以采用基于VR的虛擬制造技術精確模擬計劃的生產設施和過程，保證可生產性，降低制造成本，減少生產時間。在最后的實驗定型階段，采用基于VR的虛擬試驗可以模擬可能出現的各種情況和環境因素，縮短試驗時間和降低試驗費用。

美國空軍第四代戰斗機F-22和JSF在研制的全過程中由于采用了VR技術，實現了三維數字化設計和制造一體化，使研制周期縮短50%，節省的研制費用超過93％。由于采用VR技術，在系統設計的初期，就能夠向飛行員提供直接體驗新設計優點的“虛擬”系統，并能隨時按照定貨方要求現場修改設計，美軍用這一技術成功地設計了“阿帕奇” 和“科曼奇”武裝直升機的電子座艙等。

美國陸軍正在使用類似于 “星際旅行” 樣式的虛擬現實技術， 輔助設計未來作戰車輛。坦克機動車輛與武器局武器研究發展與工程中心負責虛擬樣機的官員在評價這種技術時說：“我們把士兵置于這種虛擬環境中并使他們感覺是在一輛真實的車輛里，我們不必去制造任何硬件樣機,這種技術一旦研制成功，我們不但能在計算機上設計戰車，而且還能設計武器系統和其它裝備。這樣，我們不僅能使發展武器的時間縮短數年，還能為我們節約數百萬美元的研究發展費用”。

美國諾格公司正在利用虛擬現實技術為美國海軍設計下一代航母CVN 21，它是第一艘完全在虛擬環境中設計的航母．虛擬模型使人們能夠思考如何最好地 裝配這艘航母，特別是系統區域，例如，在哪里放置管道，如何在上層甲板安裝之前建造下層甲板等等。

在太空領域，洛克希德·馬丁公司開發的協同真人臨境實驗室(Collaborative Human Immersive Laboratory, CHIL) 使用VR技術來提高太空系統開發的經濟性和效率。該公司計劃把CHIL用于各種項目中，其中包括美國空軍的下一代全球定位系統GPS III 和NASA 的獵戶座乘員探索飛行器。

2. 典型應用實例

洛克希德·馬丁公司開發的使用VR技術的協同真人臨境實驗室（CHIL）已廣泛應用于各種空間系統，包括衛星、空間探測器、發射飛船和導彈防御系統。在CHIL實驗室中，工程師與技術人員可以探索衛星的設計與測試功能，并能在虛擬世界中調整空間位置并排除故障。在開始加工制造之前，利用CHIL可以虛擬地優化和核查各種工藝過程；在問題發生前，利用CHIL可以識別各種瓶頸、沖突和工作流程問題、改善資源利用率、材料流程和生產性以及減少返工并降低項目風險。

洛克希德·馬丁公司將在包括美國空軍的下一代全球定位系統——GPS III和NASA的Orian載人探測船等各個項目中利用CHIL。目前，洛克希德·馬丁公司已經在CHIL實驗室對下一代全球定位系統及其他空間計劃開始進行測試與驗證。