虚拟显示头盔的军事应用

虚拟显示头盔的军事应用
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摘要：虚拟现实技术与现代微型显示器技术相结合，在军事领域得到了广泛地应用，各式各样的虚拟现实头盔显示器应运而生。

军用虚拟现实头盔显示器已成为国防高科技重点发展的技术项目，在研发、生产高新尖武器装备和军事训练方面具有举足轻重的作用。

关键词：虚拟现实VR 头盔显示器军事应用
1. 引言
为迎接新军事技术革命的挑战，世界各国充分利用高新技术的最新科技成果，加紧研发新型武器装备，积极探索各种模拟训练方法，加大军事训练的有效性，以达到军事实力的整体提升。

当今世界前沿科学之一的虚拟现实（Virtual Reality ，简称VR）技术和信息时代窗口的现代高清晰度显示器，在军事领域获得了广泛的应用。

VR 系统可对未来高技术战争的战场环境、武器系统的战技性能及战术运用等进行作战模拟，其主要人机接口设备，就是采用VR 技术和高清晰度显示器构成的VR头盔显示器( Head -mounted Display ，简称HMD）。

运用这些VR HMD ，在开发和研制新型武器系统时，能达到省时、省力、省钱、高效的目的；在代替实际武器装备进行军事训练时，近于实战，能够逼真地显示实战中执行相同任务时的过程，激发指战员行为与思维的反应，缩短训练时间，降低训练的费用，避免实装实弹训练的危险性。

部队可在同一地点完成不同环境中的训练，也可使处于不同地理位置的指战员进入到同一个虚拟环境，还可协同海陆空等军兵种共同完成军事演练和演习任务。

军事家们预测，21 世纪必将是VR HMD 在部队广泛应用的时代。

2. 虚拟现实技术简介
2.1 虚拟现实的定义
“虚拟现实”是1989 年美国提出的，也有人译为“灵境”、“幻真”等，所谓“虚拟现实”，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

VR 技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、信息技术、传感与测量技术、仿真技术、多媒体技术、语音与模式识别技术、人机接口技术、软件工程、网络技术和人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。

2.2 虚拟现实的主要特点
VR 是信息科学领域中的新兴技术，是当今系统仿真中的热门技术之一。

它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术，它采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉。

VR 技术有以下三个方面的特点：
(1) 沉浸性( Immersion ) ：通过佩戴立体视觉头盔、立体眼镜以及三维成像显示器，使操作者完全沉浸于一个人工的三维空间中。

这类沉浸是操作者暂时与现实环境相隔离，然后全身心地投入虚拟环境中去，从而对虚拟客体产生了类似于现实客体的存在意识或幻觉；
(2) 交互性（Interaction ) ：通过数据手套、数据服、空间位置测量系统、立体音响系统、踏板等用操作者的自然器官去
感知虚拟环境；
(3) 构想性（Imagination ) : 由于操作者处于一个交互性的虚拟世界中，操作者可以产生丰富的抽象思维川。

2.3 虚拟现实对军事领域的影响
VR技术的发展源于航天和军事部门，VR 之最新技术成果往往被率先用于航天和军事领域。

VR 技术将为武器装备确定需求、设计、制作样机、批量生产，为部队的模拟训练、战备，为制定合成作战条令和应急作战计划，为战后评估及战史分析等几乎全部军事活动提供一种一体化的作战环境。

这将有助于从虚拟武器及战场顺利地过渡到真实武器与战场，VR 技术对各种军事活动的影响将是极为深远的，有着极为广泛的军事应用前景。

3. 军用头盔显示器
在军事领域，HMD 都得到了广泛的应用。

比如在坦克、装甲车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的，都可以采用HMD 。

在VR 技术中，HMD 也是最主要的设备之一。

3.1 HMD 分类
根据使用场合的不同，军用HMD 可分为陆用和机载两大类。

前者主要用于陆军数字化部队，如前沿观通站、坦克及装甲车等；后者主要用于战斗机和直升机等。

按照光学系统的布局，军用HMD 主要有直视型和透视型两种。

使用直视型HMD ，通过光学系统可以看到显示图像，向下或向显示器四周观看时还能看到外景。

而使用透视型HMD ，通过光学系统可以看到相互重叠的显示图像及外景。

军用HMD 还可分为光学显示和电子显示两类。

光学显示借助准直光源及光学系统，将瞄准光环及其它控制信息显示在悬置于观测者眼前的护目镜上。

电子显示有CRT 显示器、发光二极管矩阵显示器（OLED）及液晶显示器（LCD）等。

3.2 HMD 组成
HMD 通常由图像信息显示源、光学成像系统、瞄准镜、头部位置检测装置、定位传感系统、电路控制与连接系统、头盔与配重装置及袖珍式计算机等部分组成
(1) 图像信息显示源
图像信息显示源指图像信息显示器件，通常采用小型高分辨率CRT 或LCD 等平板显示FPD 器件。

由于CRT 具有分辨率高、亮度高、响应速度快及成本低等特点，目前在军事领域中广为使用，通常采用1.5 cm 的高亮度、高分辨率单色投影显示器。

CRT 的不足之处是功耗大、体积大、重量重及需要高电压，这就限制了CRT 在军用HMD 中的应用。

近年来，高分辨率视频平板显示器件有了长足的进步，对减轻头盔的重量和功耗、降低工作电压等起到了促进作用。

目前，已有用1024×768 像素的高分辨率小型LCD 制造的军用HMD 。

用LCD 制造的军用HMD 的缺点是亮度较低、响应速度较慢。

(2) 光学成像系统
在军用HMD 中，光学成像系统直接影响着图像显示的质量。

军用HMD 的光学成像系统可根据需要，设计成全投入式或半投入式。

采用全投入式，观测者看到的是经过放大、像差校正及中继等光学成像系统的虚像；而采用半投入式，观测者看到的是经过校正放大的虚像投射在半反射半透射光学透镜上的图像。

这样，显示图像便叠加在透镜的外界环境图像上，观测者可同时获得显示信息及外部环境信息。

(3) 定位传感系统
头部定位提供头部位置及指向6个自由度的信息，其定位传感系统包括头部定位与眼球定位两部分。

对定位传感系统的要求是灵敏度高和时延短。

灵敏度低，易受外界环境的影响；时延长，会使信息不准和引起观测者头昏、恶心。

(4) 电路控制及连接系统
电路控制系统通常与HMD 分开放置，以减轻头盔重量。

尤其是军用飞机座舱HMD ，设计连接系统时，需考虑在紧急状况下，可使头盔与机载控制系统迅速脱离，以确保驾驶员的安全。

(5) 头盔及配重装置
头盔是军用HMD 的固定部件，安装着光学组件及图像源。

可将头盔作为通信、显示、夜视、助听、观瞄及全球定位系统（GPS ）等装备的载体，与防核生化武器、防激光等装备配套使用，使头盔具有多种功能。

由于显示器装在头的前部，使头部的重心发生变化，易于产生疲劳，故需在头的后部加配重装置，以保持其重心不变。

4. 虚拟现实头盔显示器在军事上的应用
目前，VR 技术在军事上得到了较为广泛的应用，其主要的人机接口设备就是VR HMD ，它包括目镜显示和跟踪系统两个主要部分，把使用者的眼睛和大脑与计算机所创造的虚拟世界连接起来。

目镜显示包括安装在眼睛前方的小电视屏幕，用体视法生成三维图像；跟踪系统测量使用者的目视方向及其所处相对于计算机创造的场景的位置。

使用者戴上VR HMD ，屏蔽来自现实世界的干扰光线，切断视觉与外界的联系，就能产生一种完全沉浸在虚拟世界的感觉，可在虚拟世界中随意穿行。

VR HMD 除有“视觉”外，还具有“听觉”功能。

计算机可复制现实世界中的各种声音，创造出“全语言声响”。

在虚拟世界中，计算机芯片模拟声波通过耳机进入人耳时，使用者能感到声音有大、小、强、弱的变化。

在虚拟世界中加入声音，可以增强视觉图像的真实性，弥补视觉效果的不足，增强环境逼真度。

4.1 武器装备的生产研发
利用VR 系统，可根据现代战争的特点和各种作战需求，设置诸种典型的战场环境、作战背景及敌我态势。

在此种颇为逼真的虚拟合成战场环境中，可论证新型武器系统的可用性，演示虚拟武器装备的技术可行性、作战适用性及经济上可承受性，其结果可用来指导实际的武器装备的开发、研制与生产。

VR 技术可缩短武器系统的研制周期，减少研制所花费的人力、物力和财力，如美军完成M21 改进型主战坦克的作战试验，采用实物模拟，需花费两年时间，耗资4000 万美元，而采用VR 技术，则只需3个月时间，耗资仅640 万美元。

3 . 2 指战人员的军事训练
军事训练是提高部队战斗力的主要途径。

但是，高新技术武器装备造价高，运行维护费用昂贵，组织实施训练难度大，经常操作使用还会严重影响武器装备的使用寿命，为此，各国军方都积极探索模拟训练系统，VR 系统是最为关注的热点之一。

采用VR HMD ，既可大大节省训练费用，又能取得颇佳的训练效果，使部队的作战训练呈现出前所未有的活力。

(1) 用于陆军士兵训练
在美国陆军研究实验室的指导下，凯泽光电公司研制出一种高分辨率、大视场、全彩色的双目军用VR HMD 。

这种显示器由6 块液晶显示屏拼接而成，它能以情报数据为基础，由计算机再现地形和地物的图像，投射到HMD 上。

此HMD 有三维音响和真实的视觉效果，可替代大屏幕投影显示器，帮助士兵进行军事训练，熟悉所攻击的作战区域，如同亲自“步行”穿过该作战地区一样，此HMD 还可作夜视眼镜的训练。

此外，利用爬楼演习机，还可模拟在不同地形上行走闷。

(2) 用于战车驾驶员训练
传统的地面装甲部队的驾驶员训练，给人留下的印象往往是铁甲滚滚、尘土飞扬的壮观场面，但是，动用实际装备进行驾驶训练，会严重影响装甲车辆的使用寿命，训练器材（如燃油）消耗相当大，车辙对训练场地道路的破坏严重。

而采用VR 技术，就可以模拟出起伏不平的地形和各种各样的障碍物，如弯道、坡道、壕沟、弹坑、土岭、上下坡、桥梁、山洞等，
同时还可以加上一些在实际训练中不可能出现的战场场景，驾驶员戴上VR HMD ，就可以进入三维虚拟环境，进行各种复杂地形和战术背景条件下的驾驶训练。

(3) 用于飞行员飞行训练
将VR 技术应用于军事训练，最早的就是美军的飞行模拟训练，采用VR HMD 取代传统的屏幕或半球形屏幕显示系统，戴上这种VR HMD ，飞行员眼前的一切与真实飞行一样，低头可看到模拟器的驾驶舱仪表，抬头可观察驾驶舱窗外的景象。

此显示器可显示全部景象，逼真地再现空中战场的态势，以使飞行员根据逼真的战场势态，做出正确的判断。

飞行员既可进行常规飞行训练，还可进行难度极高、危险极大的飞行训练和飞行表演。

飞行员只有在虚拟战场环境中，较为熟练地撑握飞行操纵技术和作战技能后，才允许进行实机训练。

采用VR 技术的飞行模拟器，可使飞行员极大地提高飞行训练的质量和效能。

据称，利用VR 技术可缩短飞行训练时间60 % ，节省飞行训练费用70％。

目前，美国研制的VR HMD 有多种，如凯泽光电公司研制的“模眼”HMD 。

(4) 用于海军舰员训练
海上作战环境恶劣，气候条件变化无常，海军指战员若没有较高的技能和优良的心理素质，就无法完成作战任务，VR 技术能模拟出多种海上虚拟环境，戴上VR HMD 进行训练，海军舰员即置身于未来可能的战场环境中，感受海上虚拟战场中的风、雨及海浪的动感和音响效果，产生置身其中的真实效果，经受技能和心理的训练。

如美海军海洋系统中心( NOSC）、海军水下系统中心（NUSC）及海军研究与开发中心（NRADC ) ，已研制开发了对舰员训练、实时作战使命更新与控制、增强交战协同能力及海陆空三军与导弹部队协同作战等系统川。

(5) 用于诸军兵种合成训练
未来战争的一个基本特点便是多军兵种作战协同化、指挥一体化，常规集中式模拟或实兵实弹演习难以达到这种高标准的协同训练目的。

而VR 系统最适用于进行诸军兵种合成训练，提高部队的协同作战和联合作战能力，提高部队高、中、低级指挥员的指挥、谋略、决策水平。

它能以较小的代价，在较短的时间内实施大规模的战区、战略级军事演习，并通过多次演习或一次演习多种作战方案，发现并解决实战中可能会出现的问题，有效地克服实兵实弹军事演习周期长、耗费大、多军种联合作战实施难、安全保密无保障等局限性。

诸军兵种合成训练，常常采用的是分布式虚拟战场环境。

从1994 年开始，美国DARPA 与USACOM 联合开展了战争综合演练场STOW 的研究，形成了一个包括海陆空多兵种、3700个仿真实体参与、地域范围覆盖500 km×750 km 的军事演练环境，它建立了一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟战场，处于不同地理位置的指战员戴上VR HMD ，就能够进入到同一个三维虚拟世界，不受物理时空的限制，进行诸军兵种合成军事训练，协同完成演练任务川。

5. 结束语
军用VR HMD 属于高新技术的现代军事装备，世界各国都掀起了研究开发的热潮，虽然存在着许多尚未克服的技术障碍，但其军事效益是富有成效的，发展潜力十分巨大，应用前景也非常广阔。

与发达国家相比，我国VR HMD 的开发还存在较大差距。

根据目前我们的国情与军情，不可能在VR HMD 上投入巨额经费，我们只有借鉴国外的经验及成果，在军事装备部门统筹规划下，依托军事技术院校、装备技术研究所和地方高校科研单位，采用渐进开发，分步实施，由简单至复杂，由专用（陆用、海用及空用）到综合的方式，研发出我们自己的军用VR HMD ，相信在科技人员的不懈努力下，一定会逐步缩短与先进国家之间的差距。

比如，南开大学光电子研究所与国内多家科研机构合作努力，在国家和天津市科研基金的支持下，多年不懈地进行LCoS 微显示器件的研究和应用开发，已经率先
展开了研发具有中国自主知识产权LCoS 显示芯片，填补了国内高画质微显示芯片在设计与加工上的空白，为国内新一代军用VR HMD 的自主研发提供了良好的基础。

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