1.7.4 军事与航空航天

VR技术根源可以追溯到军事领域，军事应用是推动VR技术发展的源动力，直到现在依然是虚拟现实系统的最大应用领域，在军事和航天领域早已理解仿真和训练的重要性。当前趋势是减少经费开支、提高演习效果和改善军用硬件的生命周期等。

1.军事上的应用

军事上的应用中，采用虚拟现实系统不仅提高了作战能力和指挥效能，而且大大减少了军费开支，节省了大量人力、物力，同时保障了人员的生命安全。与VR技术最为相关的应用有军事训练和武器的设计制造等。

1）军事训练方面

现在各个国家都习惯于采用举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，随着VR技术在军事上的应用，使演习与训练在概念和方法上有了一个飞跃，如图1-13 所示。目前，军事训练领域主要用于以下4个方面。

（1）虚拟战场环境。利用虚拟现实系统生成相应的三维战场环境图形图像数据库，包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等，并通过网络等手段为使用者创造一种逼真的立体战场世界，以增强其临场感觉，提高训练的效率。

在20世纪80年代初，美国国防先进研究课题局（ADRPA）开始研究第一个真正的虚拟战场SIMNET，这是为了在联合演习中训练坦克队伍。这个尝试的最初动机是减少训练代价，同时也增加了安全性和减少了环境影响（爆炸和坦克轨迹会大大破坏训练场地）。北大西洋公约组织同盟国将逐步把各国军事力量集成放进一个虚拟战场，这有利于联合军力作战。

北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术教育部重点实验室在国家“863计划”支持下，作为集成单位，与国防科技大学、海军潜艇学院、装甲兵工程学院等单位一起建立了一个用于VR技术研究和应用的分布式虚拟世界基础信息平台DVENET。DVENET由一个专用广域计算机网络以及支持分布式虚拟世界研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据（如3D逼真地形）组成，如图1-14所示。

（2）近战战术训练。近战战术训练系统把在地理上分散的各个单位、战术分队的多个训练模拟器和仿真器连接起来，以目前的武器系统、配置等为基础，把陆军的近战战术训练系统、空军的合成战术训练系统、防空合成战术训练系统、野战炮兵合成战术训练系统、工程兵合成战术训练系统，通过局部网和广域网连接起来。这样的虚拟作战世界，可以使众多军事单位参与到作战模拟之中，而不受地域、空间的限制，具有动态的、分布交互作用；进行战役理论和作战计划的检验，并预测军事行动和作战计划的效果；可以评估武器系统的总体性能，启发新的作战思想。

（3）单兵模拟训练。让士兵穿上数据衣服，戴上头盔显示器和数据手套，通过操作传感装置选择不同的战场场景，练习不同的处置方案，体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高技术、战术水平，快速反应能力和心理承受力。美国空军用VR技术研制的飞行训练模拟器，能进行视觉控制，能处理三维实时交互图形，且有图形以外的声音和触感，不但能以正常方式操纵和控制飞行器，还能处理系统中飞机以外的各种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。

还有一个基于单兵训练的课题是TNO Physics Electronics Laboratory（物理电子实验室）在荷兰开发的“虚拟Stinger训练器”。Stinger是为防御低空飞机设计的紧凑的士兵发射的火箭，它用于全世界很多军队。荷兰军队使用的标准的Stinger训练器包括20m直径的投影拱顶。背景景色由安装在拱顶上的一台有鱼眼镜头的投影机投影。指导者能确定攻击场景，并用工作站跟踪训练过程。

（4）诸军兵种联合战略战术演习。建立一个“虚拟战场”，使陆、海、空多军种现处一个战场，根据虚拟世界中的各种情况及其变化，实施联合演习。利用VR技术，根据侦察的资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感器装置观察各军种兵力部署和战场情况，以便模拟相互配合，共同作战。

2）在武器装备研究与新武器展示中的应用

（1）在武器设计研制过程中，采用VR技术提供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想融入武器装备研制的全过程，从而保证总体质量和效能，实现武器装备投资的最佳选择，对于有些无法进行试验或试验成本太高的武器研制工作，也可由虚拟现实系统来完成，所以尽管不进行武器试验，也能不断改进武器性能。

（2）研制者和用户VR技术，可以很方便地介入系统建模和仿真实验的全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作战效能及其操作的合理性，使之更接近实战的要求。（3）采用VR技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真，有利于于选择重点发展的武器装备体系，改善其整体质量和作战效果。

（4）很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实系统来展示武器的各种性能。

2.航空航天方面的应用

众所周知，航天飞行是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，其安全性、可靠性是航天器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用将VR技术与仿真理论相结合的方法来进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，利用VR技术的经济、安全及可重复性等特点，从而获得提高航天员工作效率、航天器系统可靠性等的设计对策。

美国政府把虚拟现实看成保持美国技术优越的战略努力的一部分，并开始了“高性能计算和计算机通信”计划（HPCC）。在这个计划中，资助开发先进的计算机硬件、软件和应用，给虚拟现实的研究与开发产生了很大的推动。

在航空航天方面，美国国家航空航天局于20世纪80年代初就开始研究VR技术。在1984年，美国艾姆斯航天研究中心利用流行的液晶显示电视和其他设备开始研究低成本的虚拟现实系统，这对于VR技术的软、硬件研制发展推动很大。90年代以来，虚拟现实的研究与应用范围不断扩大。例如，美国马歇尔空间飞行中心研制载人航天器的虚拟现实座舱，指导座舱布局设计并训练航天员熟悉航天器的舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序。目前，美国各大航天中心已广泛地应用VR技术开展相关领域内的研究工作，宇航员利用虚拟现实系统进行了失重心理等各种训练。美国航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。

1）NASA的虚拟现实训练

1993年12月，人类在太空成功地更换了哈勃太空望远镜上有缺陷的仪器板。在这之前的工作中，美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员熟悉太空环境，为修复哈勃望远镜作准备。航天员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平，使修复工作取得了圆满成功。

2）EVA的虚拟现实训练

EVA（欧洲航天局）近些年来在探索把VR技术用于提高宇航员训练、空间机器人遥控和航天器设计水平等方面的可能性，而近期内的计划重点是开发用于宇航员舱外活动训练、月球与火星探测模拟，以及把地球遥感卫星的探测数据转化为三维可视图像用的虚拟现实系统。

3）英国空军的虚拟座舱

虚拟座舱方向早期的工作于1991 年在巴黎国际航空展览上发布。演示的是英国空军“虚拟环境布局训练辅助（VECTA）”课题的研究结果。在这个早期研究阶段，系统包括一对SGI210显示生成器，具有Polhemus跟踪器的低分辨率VPL EyePhone等，但存在着HMD图形分辨率低、缺乏纹理映射等问题。

在“神舟”七号飞船发射任务的准备和实施过程中，航天发射一体化仿真训练系统起到了重要作用。航天发射一体化仿真训练系统是采用半实物仿真技术、虚拟仪器技术、VR技术，形成一套融虚拟装备、测试发射、测量控制、指挥通信、地勤支持于一体的大型系统，可以实现发射场全系统、全流程、全人员的综合训练，从而有效提高参加航天发射人员的技术水平。具体地说，在没有火箭、飞船目标的情况下，系统可以把火箭、飞船的信息虚拟出来，组织模拟发射场全系统参加的火箭测试发射，从而大大缩短产品研制开发的周期，节省研发成本。