美軍加速研發(fā)應用VRAR顯成效

文 / VRAR星球 維克多

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今年6月，美國眾議院軍事委員會通過《2023財年國防授權法案》，明確指出利用XR前沿技術，對實現(xiàn)軍事教育培訓的數(shù)字化、現(xiàn)代化，對進行軍事準備、保持國防主導地位至關重要。

XR即擴展現(xiàn)實，是VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強現(xiàn)實）和MR（混合現(xiàn)實）技術的統(tǒng)稱。近幾年來，為使軍事行動更安全更高效、以最小代價打贏未來戰(zhàn)爭，美軍將大量資金、資源、時間投入到陸?？崭鞅NVRAR設備與訓練之中，取得了顯著成效。

虛擬世界里的軍事演習

今年8月中旬，得克薩斯州胡德堡軍事基地。下午，驕陽似火，酷暑難耐。一望無際的訓練場上，天干氣躁，塵土飛揚。150多名身著作戰(zhàn)服的陸軍士兵，正準備進行一場逼真的作戰(zhàn)演練。

胡德堡軍事基地建于二戰(zhàn)時期，專為訓練裝甲部隊而建，是美國陸軍第3軍所屬第1裝甲騎兵師和第2裝甲師的駐地。這兩個師參加過二戰(zhàn)、韓戰(zhàn)、越戰(zhàn)、伊戰(zhàn)……其第2裝甲師首任師長就是大名鼎鼎的巴頓。然而今天，這些士兵并沒有駕駛坦克或裝甲車，馳騁訓練場，演練廝殺，而是走進一座高大寬敞的訓練館。

館內(nèi)開著空調(diào)，十分涼爽，空氣中彌散著機器的嗡嗡聲。聲音來自一排排桌子上放置著的眾多電腦設備，這里是美軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練中心。今天，這些來自得克薩斯州布利斯堡和科羅拉多州卡森堡的士兵，將在這里進行一場最先進的虛擬集體作戰(zhàn)訓練。這項訓練是美國陸軍測試和評估指揮部領導的作戰(zhàn)評估項目的一部分，評估目的是要了解士兵與陸軍合成訓練平臺——STE最新軟硬件的互動情況。

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今年6月，美國眾議院軍事委員會通過《2023財年國防授權法案》，明確指出利用XR前沿技術，對實現(xiàn)軍事教育培訓的數(shù)字化、現(xiàn)代化、對進行軍事準備、保持國防主導地位至關重要。近幾年來，為使軍事行動更安全更高效、以最小代價打贏未來戰(zhàn)爭，美軍將大量資金、資源、時間投入到陸海空各兵種VR AR設備與訓練之中，取得了顯著成效。

陸軍

全球虛擬戰(zhàn)場訓練平臺：STE

2019年4 月， 美國陸軍發(fā)布的一份白皮書，描述了正在研發(fā)中的陸軍合成訓練平臺——STE（Synthetic Training Environment）。

STE是一個龐大的VR虛擬作戰(zhàn)訓練平臺，士兵們能夠在數(shù)百萬個人工智能實體構(gòu)成的逼真戰(zhàn)場中接受訓練。平臺融合了虛擬、現(xiàn)場和集體等訓練元素，士兵只要戴上頭顯，就進入了由戰(zhàn)車、無人機、戰(zhàn)友以及敵方士兵、炮火等構(gòu)成的特定作戰(zhàn)場景，產(chǎn)生身臨其境的沉浸式作戰(zhàn)體驗。它便于攜帶，逼真高效，可以最大限度地減少使用真實火力以及其他通常非常昂貴的一次性訓練資源，實現(xiàn)了一種最經(jīng)濟安全高效的作戰(zhàn)訓練。

虛擬平臺的最終目標是，當美軍某一天在地球上任何一個地方參戰(zhàn)時，參戰(zhàn)部隊在出發(fā)之前，能夠完全熟悉該地區(qū)地形地貌，充分做好作戰(zhàn)準備。

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今年8月胡德堡訓練活動的目的，是要測試STE的兩個要素：信息系統(tǒng)——STE-IS和可重構(gòu)虛擬集體訓練器——RVCT。

STE-IS是一套智能培訓模擬及管理軟件，支持多地快捷訪問和同步培訓。STE-IS包括一個名為One World Terrain的3D地圖數(shù)據(jù)集，可以將衛(wèi)星圖像、街景數(shù)據(jù)和其他有關全球的現(xiàn)成信息迅速生成綜合訓練的虛擬環(huán)境。培訓調(diào)度員只需按一下按鈕，即可整合全球各地的實際地形圖像，讓訓練士兵在特定的、具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中作戰(zhàn)。

目前陸軍已經(jīng)建立了朝鮮、韓國、舊金山、紐約和拉斯維加斯等國家及城市的虛擬版本。人工智能還能根據(jù)數(shù)據(jù)渲染虛擬世界，分析士兵表現(xiàn)，使訓練更有效；還在模擬中引入可變性，使士兵保持高度警惕。

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RVCT是一個適應性很強的硬件系統(tǒng)，它連接到STE-IS，以激活集體的混合現(xiàn)實訓練場景。RVCT由高科技互動設備組成，包括平視顯示器、高分辨率監(jiān)視器和代表性控制器，使士兵、班、排和連能夠使用計算機生成的信息導航演習。

胡德堡評估的重點是復制艾布拉姆斯坦克、布拉德利步兵戰(zhàn)車、史崔克裝甲車以及步行步兵的RVCT 地面系統(tǒng)。

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STE 把虛擬世界訓練與真實現(xiàn)場訓練緊密結(jié)合互動，由此增強現(xiàn)場訓練的效果。它可利用云技術向任何需要的地方提供培訓，確保為多種不同的模擬系統(tǒng)提供通用且高保真的全球地形展示。

據(jù)參訓士兵反饋，這個虛擬作戰(zhàn)平臺非常精細準確，令人驚訝。它可以提供眾多訓練選項，有利于評估和提高士兵的軍事知識、軍事技能和作戰(zhàn)準備。

集成視覺增強系統(tǒng)：IVAS

美軍方認為，在未來戰(zhàn)場上，AR技術最有前途的應用會是偵察、指揮、特種作戰(zhàn)。當然AR 尚有更多軍事用途有待開發(fā)。目前，美國陸軍正在研發(fā)基于AR 技術的集成視覺增強系統(tǒng)——IVAS（Integrated Visual Augmentation System）。

據(jù)美國國防部報告稱，該計劃十分龐大，耗資超過 200 億美元，將為步兵帶來夜視、熱視覺、戰(zhàn)術邊緣計算和增強態(tài)勢感知能力。

IVAS頭顯裝備基于微軟 HoloLens AR 眼鏡。微軟對原產(chǎn)品進行了改造升級，加入軍用定制——攝像頭、軍用級傳感器、無線電和夜視儀等，同時增加了防水防震功能，所有數(shù)據(jù)由微軟Azure云服務器提供支持。該裝備在透明鏡頭頂部提供圖形覆蓋，可以向士兵顯示所需信息，旨在快速提供導航、目標獲取、目標標記等多種功能，幾乎是當前系統(tǒng)提供視野的兩倍，能達到戰(zhàn)斗機飛行員頭盔水平。

IVAS整合了戰(zhàn)場上的各種感知功能。該系統(tǒng)的核心——沉浸式虛擬訓練器SIVT（Squad Immersive Virtual Trainer），可以用于戰(zhàn)術班組的訓練、排練和戰(zhàn)斗。通過計算機輸入和人工智能的演算，還能為AR頭顯提供1000㎡的可擴展地形訓練和戰(zhàn)斗。微軟表示IVAS設備提供的平臺，可以提高步兵的情景感知力，使其在各種場景下實現(xiàn)信息共享和決策制定，最終讓士兵作戰(zhàn)更安全、更高效。

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今年9月，美國陸軍收到了第一批微軟為其專門設計的 Hololens AR頭顯設備。美國陸軍計劃執(zhí)行辦公室稱，微軟將在 2023 年交付 5,000 個 IVAS 1.0 版本和另外 5,000 個更新版本。陸軍一共向微軟訂購了 40,000 個頭顯。

美軍目前正在極端環(huán)境中測試IVAS。在波多黎各的圣地亞哥營地，美王牌部隊第75游騎兵團下轄第3營正聯(lián)合戰(zhàn)備訓練中心，進行熱帶環(huán)境下的測試。這足以見出美軍對于該系統(tǒng)所寄予的期望。以該系統(tǒng)為代表的數(shù)字智能化裝備，將會成為未來戰(zhàn)場上不可或缺的制勝利器。

海軍

AR作戰(zhàn)訓練系統(tǒng)：TRACER

美國海軍與Magic Leap Horizons和Haptech Inc公司，自2019年以來聯(lián)手成功開發(fā)了AR訓練系統(tǒng)：TRACER。該系統(tǒng)包括定制的Magic Leap One頭顯、手持具有后坐力模擬功能的Haptech體感武器系統(tǒng)、以及背包式PC。

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TRACER讓海軍士兵可以在一個足夠大的虛擬空間中進行AR模擬訓練。訓練內(nèi)容包括應對槍手、捕捉罪犯等場景。指揮官可以通過AR頭顯發(fā)號施令。當AR中的虛擬罪犯投降后，士兵的訓練任務才算完成。

該訓練系統(tǒng)主要基于市面有售的產(chǎn)品，利用準確的武器和動作追蹤，以及沉浸式的視覺模擬環(huán)境、空間音頻和體感反饋，為士兵提供低成本、省時間的動態(tài)訓練。該系統(tǒng)提供了動態(tài)的、吸引人的、不可預測的訓練場景，如果要在現(xiàn)實世界中創(chuàng)建這些場景將是非常昂貴且耗時很長的。

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目前海軍已將該系統(tǒng)整合到現(xiàn)有訓練課程之中。一般在艦船上進行訓練作業(yè)所需空間十分有限，在不妨礙正常作業(yè)的情況下進行訓練的機會也很少。TRACER將有助于緩解這些問題，并有助于在更廣泛的培訓場景中提高熟練度和通用性。該技術具有巨大的優(yōu)勢，可以快速適應不同的場景、地理位置和敵方實力，而且可以隨時隨地進行培訓。

AR傳輸檢測系統(tǒng)：Spectrum Hunter

在戰(zhàn)場上，為防止無線電波被敵方檢測到，作戰(zhàn)人員常會切斷自己的信號，進入無線電靜默狀態(tài)。為了確保傳輸設備的安全性，目前作戰(zhàn)人員使用一個10磅重的手持平板電腦，上面裝有手持無線電設備，用來掃描和識別自己的頻率。該系統(tǒng)雖是便攜式的，但增加了士兵的額外重量，還迫使他們將目光從戰(zhàn)場移開進行掃描，這個動作在戰(zhàn)場上是極其危險的。

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為此，美國海軍信息戰(zhàn)中心大西洋團隊研發(fā)了一種精確識別自己的射頻波的免提工具：Spectrum Hunter。

該系統(tǒng)使用AR平視顯示器，在用戶的真實環(huán)境之上投射AR視覺效果，引導用戶識別射頻源。用戶可以使用語音識別技術和物理手勢瀏覽與檢測，以得到射頻波的各種信息，能夠定位和停用傳輸，并注意自身安全。用戶只需在背包里裝上一個不大的地理定位接收器，戴上有顯示器的頭盔，就可以在一個疊加在太陽鏡上的增強現(xiàn)實屏幕里看到射頻波圖像。頭盔安裝了遮陽板，方便戶外使用。

未來，美國海軍將擴大使用AR射頻波探測工具，期待這項技術最終能夠用于探測敵方射頻波。

空軍

AR飛行訓練系統(tǒng)

自2019年以來，美國空軍加快了研發(fā)應用虛擬現(xiàn)實技術的腳步，從VR飛行模擬器到AR頭顯，極大推動了數(shù)字化發(fā)展，尤其在近兩年明顯加大了AR裝備的研發(fā)和應用。

AR空戰(zhàn)培訓系統(tǒng)開發(fā)商RED 6一直致力虛擬飛行培訓系統(tǒng)的研發(fā)，擁有機載戰(zhàn)術AR系統(tǒng)（ATARS）與AR指揮和數(shù)據(jù)分析平臺（ARCADE）兩項技術。ATARS能夠通過AR提供多種戰(zhàn)術訓練場景，包括空戰(zhàn)演習、加油、戰(zhàn)術編隊和地對空武器交戰(zhàn)。ARCADE則通過實時3D可視化來構(gòu)建和重建架次，提高了任務規(guī)劃和任務匯報的效率。

今年6月，Red 6在一次模擬多機任務的飛行中首次展示了自己的AR飛行培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次將多架實體飛機連接到一個共同的AR環(huán)境中進行互動。兩名Red 6測試飛行員駕駛Berkut 540飛機從加州圣莫尼卡機場起飛。進入文圖拉縣上空Red 6聯(lián)合AR作戰(zhàn)空間操作網(wǎng)后，兩個飛行員可以從自己的飛機上看到相同的由AR生成的KC-46飛馬加油機，并與之互動。一名飛行員的訓練任務是用AR加油機給自己的飛機加油，而另一名飛行員可以實時看到對方如何執(zhí)行任務。

這項創(chuàng)新是AR行業(yè)的里程碑，將有利于培養(yǎng)出世界上最精銳的戰(zhàn)斗機隊伍，并節(jié)省大量訓練資金?？哲娒看斡柧毧罩屑佑停w行費用約為8萬美元，每個飛行員通常需要六次飛行才能顯示出能力。采用AR培訓可以大大降低飛行員實際完成空中加油的平均飛行次數(shù)，節(jié)省訓練費用。

今年10月，Red 6發(fā)布與波音公司合作消息，雙方將共同研發(fā)AR飛行員訓練系統(tǒng)。T-7和F-15EX將是首批采用AR飛行員訓練系統(tǒng)的戰(zhàn)斗機。將來該系統(tǒng)會集成到波音飛機上，這將在飛機制造業(yè)掀起一股科技革新的潮流。

AR飛機布線維護工具

隨著各種先進技術在飛機上的部署，美國空軍飛機布線的復雜性持續(xù)增加，尤其是CV-22機艙接線約占據(jù)了整個維護工作的60%。2021年9月，美國空軍簽約了XR公司Grid Raster，希望應用AR改進CV-22魚鷹戰(zhàn)機布線維護工作。

Grid Raster聯(lián)手Avatar Partners公司共同研發(fā)這款AR布線維護工具。Grid Raster提供基于云端的底層核心軟件基礎設施，以幫助實現(xiàn)高保真度低延遲的遠程渲染。Avatar Partners設計和開發(fā)用于CV-22布線維護的AR應用程序。

Grid Raster創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Rishi Ranjan表示：“我們非常高興能與美國空軍合作，我們同時期待提供一個價格合理的AR工具集。對于所提出的解決方案，我們的目標是：通過減少維修工時、消除錯誤和提高飛機線束的安裝精度來解決CV-22布線維護任務的需要，提供一種能夠無縫擴展支持其他航空電子系統(tǒng)和飛機變體的解決方案。”

美軍VRAR研發(fā)應用特點

根據(jù)上文所述，我們不難發(fā)現(xiàn)美軍在VRAR研發(fā)應用上，具有以下幾個方面的特點：

1.開發(fā)全面

目前VRAR研發(fā)應用已在美軍陸?？崭鬈姺N全面展開，各個兵種根據(jù)自己的作戰(zhàn)特點和需求，研發(fā)應用獨具特色的VRAR軍事裝備。VR/AR/MR等各種技術的應用都有所涉及，可謂全面開花，處處結(jié)果。

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2.重點突出

美軍VRAR研發(fā)應用重點突出。目前，應用場景以各類軍事訓練為主，如陸軍合成訓練平臺STE、海軍作戰(zhàn)訓練系統(tǒng)TRACER、空軍飛行訓練系統(tǒng)等。應用技術以AR為主，如陸軍基于AR 技術的集成視覺增強系統(tǒng)IVAS、海軍AR傳輸檢測系統(tǒng)Spectrum Hunter、空軍AR飛機布線維護工具等。

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3.立足實戰(zhàn)

美軍虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)的研發(fā)應用，不僅是為訓練安全高效、減少開支，更立足于實戰(zhàn)，其開發(fā)成果實用便捷，精細準確，能極大提高作戰(zhàn)能力。如陸軍的全球虛擬戰(zhàn)場訓練平臺STE，高度逼真模擬了各種特定作戰(zhàn)環(huán)境和動態(tài)實況，使作戰(zhàn)訓練具有極強的針對性，可取得最接近軍事任務目標的訓練效果。再如集成視覺增強系統(tǒng)IVAS，更是利用AR等高新技術、專門為實戰(zhàn)打造的一款利器。

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4.注重體系

在研發(fā)應用VRAR時，注重打造多功能、可共享、成系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實裝備，尤其注重建構(gòu)成體系的大型項目，如上面列舉過的陸軍合成訓練平臺STE等幾個不同軍種的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

5.軍民融合

初創(chuàng)企業(yè)最具創(chuàng)新精神與創(chuàng)造活力，美軍方善于與其建立良好的緊密互動關系，能及時將最新初創(chuàng)成果及時升級轉(zhuǎn)化為軍用VRAR產(chǎn)品，并用可觀的資金支持初創(chuàng)企業(yè)進一步發(fā)展壯大，創(chuàng)造出更多高新科技成果。這種軍民融合的研發(fā)方式，將美國國防科技與VRAR研發(fā)創(chuàng)新帶入了跨越式的發(fā)展。

余論

我軍近些年注重發(fā)展VRAR技術研發(fā)應用，特別是將其融合進了各軍兵種軍事訓練之中，取得不少成果（參見VRAR星球-維克多專欄《從虛擬戰(zhàn)場走向勝利：我軍訓練深度融入VR技術》）。但與美軍對照，目前仍存在較大差距。例如：

VRAR的研發(fā)應用范圍不夠廣泛全面。目前已為某些兵種如特種兵、火箭兵、空降兵、汽車兵、醫(yī)護兵等嘗試開發(fā)了VR訓練系統(tǒng)，并在個別部隊初步開展虛擬現(xiàn)實練兵，不過仍有一些重要兵種如海軍等的VRAR研發(fā)應用消息尚未見諸媒體。VRAR的技術研發(fā)應用較為單一，多采用VR訓練應用場景，缺少對AR等其他技術的多元應用探索，然而AR技術一般已被視為軍事領域最具前景的應用。

虛擬訓練應用場景較簡單粗疏。某些陸軍部隊已開始嘗試用VR頭顯進行軍事技能訓練，但未有類似STE那種基于真實作戰(zhàn)需求的精細準確的虛擬戰(zhàn)場訓練平臺研發(fā)成果問世。個別空軍部隊開始嘗試采用VR頭盔進行飛行訓練，但使用AR頭盔并進行多機互動虛擬空戰(zhàn)訓練尚未見到報道。

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民營初創(chuàng)企業(yè)是軍事科技創(chuàng)新的生力軍。然而目前，軍方與民營初創(chuàng)企業(yè)在VRAR創(chuàng)新研發(fā)上尚缺乏密切合作。軍方習慣與大企業(yè)、尤其是軍工企業(yè)合作開發(fā)項目。有企業(yè)界人士指出，我國有8萬多家高新技術民企，產(chǎn)值超億元的有1500多家，一部分企業(yè)技術水平與研發(fā)能力已達到或超過軍工標準，但真正能夠參與裝備科研生產(chǎn)的不足1%。

VRAR研發(fā)情況受到大環(huán)境影響，同樣存在類似問題。軍方對初創(chuàng)企業(yè)的創(chuàng)新產(chǎn)品關注不夠，對有潛力的初創(chuàng)企業(yè)及有潛力的處于萌芽狀態(tài)的創(chuàng)新技術研發(fā)扶持不多，這種現(xiàn)狀極其不利于虛擬現(xiàn)實技術在軍事領域研發(fā)應用上的創(chuàng)新發(fā)展。

希望以上問題能夠引起黨和政府尤其是軍方高層關注。

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