朱虹旭，周双喜，张志勇

(国防科技大学， 长沙 410072)

旗语，作为我军工程兵比较传统且古老的指挥方式，即使在信息化程度较高的今天，依然在某些特殊场合发挥着不可替代的作用。例如在环境复杂，噪音较大，对讲机、电台等需要话音通信设备此时发挥的作用相对较小时，就需要使用旗语进行指挥。当前，旗语的训练模式主要是由组训者下达口令，受训者根据口令做出相应旗语动作。这种训练模式比较单一，与实际使用有较大的区别，受训者没有机会自己去辨别该进行何种动作，只是很机械的根据口令进行动作。实践证明，旗语训练的最好环境就是在实战背景下，使指挥员切身体验战场条件下的各种刺激因素，积累经验并提高指挥能力。

随着计算机技术和模拟仿真技术的不断发展，在特定范围内生成融逼真视觉、听觉和触觉等感觉于一体的虚拟环境的技术即虚拟现实技术[1](以下简称VR)对军事训练产生了的重大而深刻的影响。因此，深入研究基于VR的沉浸式工程兵指挥训练系统，有助于增强指挥员对战场的适应性，调动训练积极性，使受训者主动参与到训练系统之中，对于提高指挥训练效果具有重要实践意义。

1 基于VR的沉浸式工程兵指挥训练系统的需求分析

从训练任务的角度分析，本系统以联合登陆作战为背景，具体到舟桥分队指挥员使用旗语对架设浮桥的行动进行指挥，因此训练任务必须紧紧围绕联合登陆作战过程中舟桥分队架设浮桥过程中可能遭受的战场威胁来确定。例如，在浮桥架设初始阶段，主要威胁就是水中的暗礁与水雷等障碍；中间阶段，主要威胁就是敌人的各种侦察；最后阶段，主要威胁就是被敌发现后遭受的空中和地面火力打击。因此，训练系统必须包括两个基本训练内容：一是指挥浮桥单元在机动过程中避开各种障碍和敌人侦察；二是在炮火袭击背景下进行指挥。

从技术需求的角度分析，如今的VR技术正在步入飞速发展阶段，无论国内还是国外，众多业界巨头都开始进军VR领域，VR必将迎来产业爆发。正是由于VR技术的飞速发展，视觉和听觉反馈设备的不断完善[2]，才能利用VR技术将具体的、3D的、沉浸的场景展示出来，使受训者身临其境，完全沉浸到训练场景中。

2 基于VR的旗语训练系统的结构设计

在系统的结构设计上采用资源分布、动态加载的模式，主要包括虚拟战场环境系统、沉浸系统、动作捕捉系统和结果反馈系统[3]。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构

1) 虚拟战场环境系统。以联合登陆作战过程中架设浮桥阶段的场景为原型，场景模型包括地形、植被、水流、军事设施、各种武器装备等，重点突出浮桥单元和浮桥本身，同时配合耀眼的爆炸火光、炮弹的爆炸声、子弹的呼啸声、飞机和坦克的轰鸣声。

2) 沉浸系统。目前可以完全实现并且效果较好的就是视觉沉浸系统和听觉沉浸系统，视觉感知设备和听觉感知设备发展应用较快，相对比较完善，而触觉感知设备和嗅觉感知设备发展相对缓慢，因此本系统中不涉及触觉和嗅觉沉浸系统。

3) 动作捕捉系统。受训者位于Kinect捕捉范围内，对受训者的指挥动作进行捕捉、识别、传输，将传输的数据与计算机预设的内容进行比对，选择与之相匹配的指令，对虚拟战场中的装备和人员进行控制然后生成新的战场场景。

4) 结果反馈系统。将重新生成的虚拟战场环境再次传输至VR头戴显示器中，给予受训者最直观的印象反馈。

3 基于VR的旗语训练系统的功能实现

系统采用了Unity 3D作为一个完全集成的专业级游戏引擎，整合了图像、音频、物理引擎、人机交互以及网络等技术[4]，将虚拟战场环境系统、沉浸系统、动作捕捉系统和结果反馈系统有效串联，确保系统的功能实现。系统的整个运行流程如图2所示。

图2 系统的运行流程

计算机将生成的虚拟战场环境通过沉浸系统传递给受训者，受训者根据战场情况进行指挥，Kinect将捕捉到的动作传输至计算机，根据传输数据生成新虚拟战场环境，最后结果通过头戴显示器反馈给受训者，训练完毕。

3.1 虚拟战场环境系统

首先使用3D max建立模型数据库。模型的制作流程主要包括素材采集、原型设计、模型制作等。然后根据模型在场景内的布局设置，使用Unity 3D游戏引擎对模型的照明阴影、纹理映射、环境映射等细节部分进行处理，最后进行全面整合渲染，将虚拟战场环境呈现出来[5]。

3.2 沉浸系统

1) 视觉沉浸系统。VR场景主要分为前景、中景和背景，使用全景摄像机拍出全景图片制作天空盒子，使用3Dmax软件制作场景中的各种三维模型，前景和中景采用三维模型，背景使用天空盒子[6]，然后导入Unity 3D引擎里打光烘焙制作，优化场景中的物件比例，将镜头高度设置在1.7～1.8 m，最后通过VR头戴显示器进行立体呈现，确保受训者有较好的沉浸式视觉体验。

2) 听觉沉浸系统。人类定位声音的两个关键因素就是方向和距离，在声波进入人的耳道之前，它会与外耳部、头部甚至是颈部相互作用，声音或被过滤削弱，或被反射加强。从前方传来的声音会与耳廓的内部产生共振，而从后侧传来的声音会被耳廓削弱，从上方传来的声音会在肩膀处反射，而来自下方的声音会被躯干和肩膀阻挡[7]。以上这些反射和阻挡结合起来，创造了一个方向选择滤波器，这种效果可由头部相关转换函数表示。根据这个函数计算模拟出声音从某个方向传来及位置变化时的效果，利用Unity3D对炮弹的爆炸声、子弹的呼啸声、飞机和坦克的轰鸣声进行渲染加工，使其接近人耳接收到的听感效果，通过耳机重放的方式，使受训者的体验沉浸感加强。

3.3 动作捕捉系统

系统使用微软开发的Kinect，它综合了计算机视觉、机器自主学习、语音识别、面部表情识别、数字信号处理等技术。该设备的光学部分包括红外线发射器和红外线/VGA摄像头两个主要部件。红外线发射器发出一道“红外激光”覆盖整个可视范围；摄像头组接收反射光线识别用户姿态，其中红外摄像头识别图像的“深度场”，VGA摄像头识别图像的“颜色场”，然后系统使用图像识别技术从两幅图像中分析出人体的运动姿态[8]。受训者无需穿戴其他控制设备，就能实现精确的骨架跟踪，对关节和肢体活动进行映射，把从臀部到背部、再到手指的一系列动作识别出来[9]，形成数据传输至计算机，与计算机预先设置的参数指令进行匹配，生成新的虚拟战场环境。

3.4 结果反馈系统

以联合登陆作战为背景，结合舟桥分队架设浮桥时较大可能发生的战场情况，本系统构建了四种战场结果反馈。

结果一，受训者的指挥准确及时，且没有出现错误指挥，此时浮桥顺利架通，部队按时开进，训练成功；

结果二，由于受训者指挥不够熟练，超过预定时间，导致浮桥暴露，从而被敌空袭摧毁；

结果三，由于受训者指挥不当导致浮桥单元机动过程中被敌陆地侦察发现，在敌强大火力压制下，被迫停止浮桥架设行动；

结果四，由于受训者对江河情况不够熟悉，导致浮桥单元在机动过程中，触碰到暗礁、水雷等障碍物，导致浮桥单元受损，延误浮桥架设行动。

以上四种战场结果反馈共同组成结果反馈系统，根据动作捕捉系统捕捉到的数据，生成匹配的战场结果，再将对应的结果传输至头戴式显示器，给予受训者最直观的反馈，加深受训者的印象，切实提高指挥能力。组训者根据受训者的结果反馈判定受训者是否合格，只有反馈结果为结果一时，才达到训练要求。

4 结论

与常规训练方式相比较，基于VR的沉浸式工程兵指挥训练系统具有环境逼真、沉浸感强、场景多变、针对性强、安全经济、可控性强等特点。此外，随着计算机及现代通信技术的飞速发展及在训练上的广泛应用，训练系统将不仅仅适用舟桥分队指挥员，还可以拓展到更高层次、更加贴近实战条件下的作战指挥，输出设备也不仅仅是头戴式显示器中的视觉和听觉反馈，还有嗅觉、味觉、触觉以及身体反馈。