小碎片
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程[2]。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。 1．系统仿真及其分类 系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。从广义而言，系统仿真的方法适用于任何的领域，无论是工程系统（机械、化工、电力、电子等）或是非工程系统（交通、管理、经济、政治等）。 系统仿真根据模型不同，可以分为物理仿真、数学仿真和物理—数学仿真（半实物仿真）；根据计算机的类别，可以分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；根据系统的特性；可以分为连续系统仿真、离散时间系统（采样系统）仿真和离散事件系统仿真；根据仿真时钟与实际时钟的关系，可以分为实时仿真、欠实时仿真和超实时仿真等。 2．系统仿真的一般步骤 对于每一个成功的仿真研究项目，其应用都包含着特定的步骤，见图9-2。不论仿真项目的类型和研究目的又何不同，仿真的基本过程是保持不变的，要进行如下9步： 问题定义 制定目标 描述系统并对所有假设列表 罗列出所有可能替代方案 收集数据和信息 建立计算机模型 校验和确认模型 运行模型 分析输出 下面对这九步作简单的定义和说明。它不是为了引出详细的讨论，仅仅起到抛砖引玉的作用。注意仿真研究不能简单遵循这九步的排序，有些项目在获得系统的内在细节之后，可能要返回到先前的步骤中去。同时，验证和确认需要贯穿于仿真工程的每一个步骤当中。 （1）问题的定义 一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太昂贵。另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的模型，因为它将过于复杂和难于理解。因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，再构建一个能够完全解决问题的模型。在问题定义阶段，对于假设要小心谨慎，不要做出错误的假设。例如，假设叉车等待时间较长，比假设没有足够的接收码头要好。作为仿真纲领，定义问题的陈述越通用越好，详细考虑引起问题的可能原因。 （2）制定目标和定义系统效能测度 没有目标的仿真研究是毫无用途的。目标是仿真项目所有步骤的导向。系统的定义也是基于系统目标的。目标决定了应该做出怎样的假设、应该收集那些信息和数据；模型的建立和确认考虑到能否达到研究的目标。目标需要清楚、明确和切实可行。目标经常被描述成像这样的问题“通过添加机器或延长工时，能够获得更多的利润吗？”等。在定义目标时，详细说明那些将要被用来决定目标是否实现的性能测度是非常必要的。每小时的产出率、工人利用率、平均排队时间、以及最大队列长度是最常见的系统性能测度。 最后，列出仿真结果的先决条件。如：必须通过利用现有设备来实现目标，或最高投资额要在限度内，或产品订货提前期不能延长等。 （3）描述系统和列出假设 简单点说，仿真模型降低完成工作的时间。系统中的时间被划分成处理时间、运输时间和排队时间。不论模型是一个物流系统、制造工厂、或服务机构，清楚明了的定义如下建模要素都是非常必要的：资源、流动项目（产品、顾客或信息）、路径、项目运输、流程控制、加工时间，资源故障时间。 仿真将现实系统资源分成四类：处理器，队列，运输，和共享资源如操作员。流动项目的到达和预载的必要条件必须定义，如：到达时间、到达模式和该项目的类型等属性。在定义流动路径时，合并和转移需要详细的描述。项目的转变包括属性变化、装配操作（项目和并）、拆卸操作（项目分离）。在系统中，常常有必要控制项目的流动。如：一个项目只有在某种条件或某一时刻到来时才能移动，以及一些特定的规则。所有的处理时间都要被定义，并且要清楚表明那些操作是机器自动完成，哪些操作是人工独立完成，哪些操作需要人机协同完成。资源可能有计划故障时间和意外故障时间。计划故障时间通常指午餐时间，中场休息，和预防性维护等。意外故障时间是随机发生的故障所需的时间，包括失效平均间隔时间和维修平均间隔时间。 在这些工作完成之后，需要将现实系统作模型描述，它远比模型描述向计算机模型转化困难。现实向模型的转化意味着你已经对现实有了非常彻底的理解，并且能将其完美的描述出来。这一阶段，将此转换过程中所作的所有假设作详细说明非常有必要。事实上，在整个仿真研究过程中，所有假设列表保持在可获得状态是个很好的主意，因为这个假设列表随着仿真的递进还要逐步增长。假如描述系统这一步做得非常好，建立计算机模型这一阶段将非常简便。 注意，获得足够的，能够体现特定仿真目的的系统本质的材料是必要的，但是不需要获得与真实系统一一对应的模型的描述。正如爱因斯坦所说“做到不能再简单为止”。 （4）列举可能的替代方案 在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换方案是很重要的。它将影响着模型的建立。在初期阶段考虑替代方案，模型可能被设计成可以非常容易的转换到替换系统。 （5）收集数据和信息 收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在验证模型阶段，还可以提供实际数据与模型的性能测度数据进行比较。数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。这些粗糙的数据将为模型输入参数提供基础，同时将有助于一些需要较精确输入参数数据的收集。 有些数据可能没有现成的记录，而通过测量来收集数据可能要费时、费钱。除了在模型分析中，模型参数需要极为精确的输入数据外，同对系统的每个参数的数据进行调查、测量的收集方式相比，采用估计方法来产生输入数据更为高效。估计值可以通过少数快速测量或者通过咨询熟悉系统的系统专家来得到。即使是使用较为粗糙的数据，根据最小值、最大值和最可能取值定义一个三角分布，要比仅仅采用平均值仿真效果都要好得多。有时候采用估计值也能够很好的满足仿真研究的目的。例如，仿真可能被简单的用来指导人员了解系统中特定的因果关系。在这种情况下，估计值就可以满足要求。 当需要可靠数据时，花费较多时间收集和统计大量数据，以定义出能够准确反映现实的概率分布函数就是非常必要的。需要的数据量的大小取决于变量的变异程度，但是也有通用的规则，大拇指法指出至少需要三十甚至上百的数据。假如要获得随机停机时间的输入参数，必须要在一个较长时间段内捕获足够多的数据。 （6）建立计算机模型 构建计算机模型的过程中，首先构建小的测试模型来证明复杂部件的建模是合适的。一般建模过程是呈阶段性的，在进行下一阶段建模之前，验证本阶段的模型工作正常，在建模过程中运行和调试每一阶段的模型。不会直接将整个系统模型构建起来，然后点击“运行”按钮来进行系统的仿真。抽象模型有助于定义系统的重要部分，并可以引导为后续模型的详细化而进行的数据收集活动。我们可能想对同一现实系统构建多个计算机模型，每个模型的抽象程度都不相同。 （7）验证和确认模型 验证是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。模型是否同我们想构建的模型相吻合，产品的处理时间、流向是否正确等。确认范围更广泛。它包括：确认模型是否能够正确反映现实系统，评估模型仿真结果的可信度有多大等。 （8）验证 现在有很多技术可以用来验证模型。最最重要的、首要的是在仿真低速运行时，观看动画和仿真钟是否同步运行，它可以发现物料流程及其处理时间方面的差异。 另一种验证技术是在模型运行过程中，通过交互命令窗口，显示动态图表来询问资源和流动项目的属性和状态。 通过“步进”方式运行模型和动态查看轨迹文件可以帮助人们调试模型。运行仿真时，通过输入多组仿真输入参数值，来验证仿真结果是否合理也是一种很好的方法。在某些情况下，对系统性能的一些简单测量可以通过手工或使用对比而来获得。对模型中特定区域要素的使用率和产出率通常是非常容易计算出来的。 在调试模型中是否存在着某种特定问题时，推荐使用同一随机数流，这样可以保证仿真结果的变化是由对模型所做的修改引起的，同时对随机数流不做改动，有时对于模型运行在一些简单化假设下，非常有帮助，这些假设是为了更加简便的计算或预测系统性能。 （9）确认 模型确认建立模型的可信度。但是，现在还没有哪一种确认技术可以对模型的结果作出100%的确定。我们永远不可能证明模型的行为就是现实的真实行为。如果我们能够做到这一步，可能就不需要进行仿真研究的第一步（问题的定义）了。我们尽力去做的，最多只能是保证模型的行为同现实不会相互抵触罢了。 通过确认，试着判断模型的有效程度。假如一个模型在得到我们提供的相关正确数据之后，其输出满足我们的目标，那么它就是好的。模型只要在必要范围内有效就可以了，而不需要尽可能的有效。在模型结果的正确性同获得这些结果所需要的费用之间总存在着权衡。 判断模型的有效性需要从如下几方面着手： ①模型性能测度是否同真实系统性能测度匹配？ ②如果没有现实系统来对比，可以将仿真结果同相近现实系统的仿真模型的相关运行结果作对比。 ③利用系统专家的经验和直觉来假设复杂系统特定部分模型的运行状况。 对每一主要任务，在确认模型的输入和假设都是正确的，模型的性能测度都是可以测量的之前，需要对模型各部分进行随机测试。 ④模型的行为是否同理论相一致？确定结果的理论最大值和最小值，然后验证模型结果是否落入两值之间。 为了了解模型在改变输入值后，其输出性能测度的变化方向，可以通过逐渐增大或减小其输入参数，来验证模型的一致性。 ⑤模型是否能够准确的预测结果？这项技术用来对正在运行中的模型进行连续的有效性验证。 ⑥是否有其他仿真模拟器模拟了这个模型？要是有的话那就再好不过了，可以将已有模型的模拟结果同现在设计的模型的运行结果进行对比。 （10）运行可替代实验 当系统具有随机性时，就需要对实验做多次运行。因为，随机输入导致随机输出。如果可能，在第二步中应当计算出已经定义的每一性能测度的置信区间。可替代环境能够单独构建，并可以通过使用WITNESS软件中的“Optimizer”模块来设置并自动运行仿真优化。 WITNESS软件的“Optimizer”模块为了执行优化操作，通过选择目标函数的最大化或最小化，定义需要实验的许多决策变量，需要达到的条件变量，需要满足的约束等，然后让优化模块负责搜索变量的可替换数字，来运行模型。最终得出决策变量集的优化解决方案，和最大化或最小化的模型目标函数。“Optimizer”模块设置了一套优化方法，包括遗传算法、仿真处理、禁忌搜索、分散搜索和其他的混合法来得出模型的优化配置方案。 在选择仿真运行长度时，考虑启动时间，资源失效可能间隔时间，处理时间或到达时间的时间或季节性差异，或其他需要系统运行足够长时间才能出现效果的系统特征变量，是非常重要的。 （11）输出分析 报表、图形和表格常常被用于进行输出结果分析。同时需要于今年用统计技术来分析不同方案的模拟结果。一旦通过分析结果并得出结论，要能够根据模拟的目标来解释这些结果，并提出实施或优化方案。使用结果和方案的矩阵图进行比较分析也是非常有帮助的。 
虚拟现实通过计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感，是20世纪一项全新的实用经济。目前主要应用于影视行业、游戏行业等，因为它能给人逼真体验而广受欢迎，相信随着科学技术的提升，虚拟技术也会有飞跃发展，该行业可能成为未来主流行业之一。
如下：第一、论文选题意义怎么写，重点在于表示明白论文选题的对理论研究有哪些贡献，或者对实践具有哪些帮助和指导。第二、在相关的选题相关领域进行搜索，明确当下该选题有哪些研究成果，还有哪些部分是需要去修改和补充的。对选题有一个综合性的判断。第三、进入实战的部分，简单讲述一下该课题的起源和发展情况，接着阐明选题需要重点去解决哪些问题，也就是讨论的范围。第四、最后对你的选题进行价值性评估，说明这篇论文对理论产生哪些实质的推动作用，有什么指导的意义。课题研究意义写作技巧可以从下面几方面着手：首先，要说明问题是如何发现的，即该研究的研究背景是什么，是根据什么、受什么启发而搞这项研究，一般可以从有关国家政策及国内外关注的问题出发来提出研究问题。其次，要说明该选题在理论上的创新性，主要通过分析国内外研究的现状，来指出自己选题与各个主流观点的研究前提的差异性，从而突出自己选题在理论上的创新性。最后，研究此项课题的现实意义，这需要对所研究问题的实际用处有所了解。
基于虚拟现实技术的战场环境仿真摘要：战场环境是一切军事行动的空间基础，战场环境仿真是目前军事作战模拟领域研究的热点。本文讨论了战场环境的构成、战场环境仿真的主要内容，重点讨论了虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用和关键技术。关键词：战场环境，战场环境仿真，虚拟现实战争具有很强的实践性特点，指战员的指挥艺术和作战能力，都需要在一定的战争环境中得到锻炼和提高。战争年代，这种能力可以通过真正的战争实践得以积累，但这种实践是不可重演、不可试验的，其代价也十分高昂。因此，即使在战争年代，非战时的训练也成为决胜的关键，指导训练的标准就是战争实践本身。和平时期，军事演习是一种普遍的训练方法，驾驭战争实践的能力是通过各种作战样式的试验来积累和提高。由于缺少实际战争的检验，各训练样式也就规定着未来作战的样式。自人类历史上出现战争以来，人们对军事训练的研究都是以对战争规律的学习和探讨为目的，并在训练领域逐渐形成了“作战模拟”这一特殊的研究主题。作战模拟是对包括战争规律和战争指导规律两个方面在内的战争本质规律的模拟[1]，其首要的一点就是要创造一个贴近实战的训练环境，使得各类受训人员能够在此环境中得到恰如其分的训练[2]。战场环境是敌对双方作战活动的空间，在现代作战模拟中，要营造一个贴近实战的训练环境，首先就要根据仿真原理来建立一个符合特定的作战训练科目需要的数字化的战场环境，这就是战场环境仿真（Battlefield Environment Simulation）。战场环境仿真在内容上包括战场感知 虚拟现实是二十世纪90年代末出现的一种十分有效的仿真技术，本文将重点讨论如何运用虚拟现实技术来实现战场环境仿真。1．战场环境仿真概述1． 1 战场环境的构成战场环境是指作战空间中除人员与武器装备以外的客观环境。从战争所涉及的客观因素来分析，战场环境应该包含战场地理环境、气象环境、电磁环境和核化环境。也许，随着网络信息战的形成，战场网络环境也将成为战场环境的一个重要的组成部分。战场环境具有多维性、互动性的特点。多维性的含义是：①战场环境是由多个具有自身变化规律的客观环境构成的，上述的四个环境分属于不同的学科领域；②这些客观环境的空间形态是随作战过程而演变的。互动性的含义是：上述环境之间互有影响，其中，地形环境是其他环境的物理依托，是可以进行空间定位和加载各种作战信息的基础。如图1所示，战场环境中，气象环境与地理环境互有影响，气象环境具有地缘特点，如不同的地理位置具有热带、亚热带等气象特征，而气象环境会影响地理环境，如流水侵蚀地貌、冰川地貌的形成，雨天和晴天对地面土质有影响，进而影响行军速度；地理环境和气象环境都对电磁环境的形成有重大影响，不仅规定了电子设施的分布，还决定着电磁波的传递范围和受气象干扰的程度；战场核化环境的形成，与核设施的地理位置及其周围的环境有关，核污染的区域的形成和发展与地理环境和气象环境密切相关。1．2 战场环境仿真及其描述方式战场环境仿真是指运用仿真技术来描述战场环境。仿真（Simulation）是通过系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统。计算机仿真（也称数学仿真）是指借助计算机，用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究与设计该系统的目的[3]。在这里，系统是指为了达到某种目的的一组具有特定功能、彼此相互联系的若干要素的有机整体。对一个系统的仿真涉及三个要素：系统、系统模型、计算机，而联系这三个要素的基本活动是：模型建立、仿真模型建立和仿真实验[4]（如图2所示）。如果把战场环境作为一个战场空间系统来看待，其特定功能就是构成战场的空间载体和物理条件，战场环境中各类环境的相互关系则构成这个空间载体的有机整体。运用计算机实现战场环境仿真，首先需要把战场环境数字化，即建立战场环境模型，数字地图就是一种典型的战场环境模型。这种模型具备通用性，但往往不能满足一些特殊的需求，例如现代作战模拟由于仍沿袭兵棋的推演方式，需要把地形环境数据按一定分辨率处理成按格网存储的数据，而且这些数据还随着作战过程的展开而动态变化。这种把战场环境模型处理成符合作战模拟使用的模型的过程，就是战场环境的二次建模（仿真建模）。经过二次建模处理的战场环境模型，就可以用于计算机作战模拟。为了保证作战模拟结果的准确、可靠，要求战场环境模型具有一定的精确性，这就需要通过仿真实验对模型进行检验（验模）。根据战场环境仿真在作战模拟中的用途，可以将其区分为数据仿真和感知仿真两种描述方式。数据仿真主要用于仿真对抗和作战评估，此时，战场环境数据是提供给电脑“认识”战场使用，不妨把由基本的战场环境数据转化成计算机能够识别的战场环境模型的过程称为“战场模型化”。感知仿真主要是针对指挥作业和训练模拟，即通过战场视景、声效等要素来展现战场环境，指挥员通过一定的操作界面来感知战场环境，达到辅助现地勘察、掌握态势和辅助决策等目的，这种“战场感知化”的结果，是供人脑认识战场使用的。战场环境的数据仿真和感知仿真都是以数字化战场环境为基础，在实际应用中，这两种仿真描述方式互为作用，根据模型驱动而改变的数据仿真通过感知化展现给参训人员，而参训人员通过人机交互可以改变数据仿真的结果。图3表述了战场环境仿真两种描述方式之间的关系。由于篇幅所限，本文只对战场环境的感知仿真的内容与关键技术加以讨论。1．3 战场环境感知仿真的主要内容感知仿真的目的是通过直观地展现战场环境来充分训练参训人员的指挥决策能力。其内容包括对战场环境的视觉、听觉、触觉等多种感觉通道的仿真。视觉仿真通常也称“战场可视化”，是感知仿真中的一种主要形式，就是将战场环境中可见的（如地形、地物）和不可见的（如电磁场、潮汐流场）要素以立体的、三维的或二维的图形图像表达出来。听觉仿真是指通过对战场中各作战单元的声音（音效、音量和音位）的模拟来营造战场气氛。触觉仿真是指通过对人机交互设备的操作来实现人与环境的交流，这是使参训人员产生临场感的重要手段。这种通过多感觉通道的模拟来实现临场感觉的技术就是虚拟现实技术。与传统的通过地图、实物沙盘或影像资料等来了解战场的认知方式相比，在这样的系统中，参训人员就由旁观者转变为参与者，可以主动地在逼真的环境中进行探索，从而大大地提高战场认知的效率。虚拟现实与战场环境感知仿真2．1 虚拟战场环境在感知仿真中的应用虚拟现实（VR）这一术语诞生于上世纪80年代末，是指由计算机生成的具有临场感觉的环境[5][6]，实现这种环境的技术称为虚拟现实技术。军事部门是这项技术的资助者和的最先用户，而且主要用于军事训练。1988年，NASA与美国国防部共同支持研制了一个虚拟界面环境工作站VIEW(Virtual Interface Environment Workstation)，该工作站由一台HP-9000计算机、一副数据手套、一个液晶头盔显示器和一套语音识别系统构成，用户可以从中看到立体图像、听到三维声、可发出口头命令、可伸手捉取由计算机生成的虚拟物体，这是世界上第一套虚拟现实系统[7]。此后虚拟现实技术及其产品得到飞速发展，并形成了产业，据简氏信息集团（Jane’s Information Group）的一份特别报告统计[8]，到了2000年，从事与训练模拟相关的虚拟现实产品制作的公司已多达800多家，其市场将由2000年的400亿美元发展到2010年的650亿美元。虚拟现实产品在作战模拟领域得到广泛的应用，且多数涉及战场环境仿真。运用虚拟现实技术实现战场环境仿真，其目的就是构成多维的、可感知的、可度量的、逼真的虚拟战场环境，借此提高参训人员对战场环境的认知效率。主要用于仿真对抗、导调监控、装备操作、参谋作业训练等。虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半实兵演习、实兵演习提供与实际演习区域的仿真环境，也可以为特定的训练科目拟构出典型的训练环境（在现实中并不存在）。借助于虚拟战场环境，可以训练指挥员的指挥决策能力、参谋人员的业务能力、装备操作人员的操作能力。例如，美军从1984年开始研制的基于网络的分布式坦克训练模拟系统SIMNET，就将美国本土及欧州的10个地区作战环境置于系统之内。到了90年，已使200辆装甲车辆可异地参加统一指挥的可交互的模拟演练。每个模拟器以美国的M1主战坦克为单位，提供作战区域内精确的地形起伏、植被、道路、建筑物、桥梁等信息。坦克手可以在模拟器中看到由计算机实时生成的战场环境以及其他战车图像。1991年，美国为海湾战役“东经73”计划的实施提供了一套供M1A1主战坦克使用的战场环境仿真系统，将伊拉克的沙漠环境用三幅大屏幕展现在参战者面前，进行身临其境的战场研究，为最终取胜打下了关键的基础。荷兰1992年完成的毒刺导弹训练器（VST）是虚拟现实技术用于单兵武器模拟设备的代表作，它在头盔内形成一个空间动态立体场景；随操作者的头部动作而相应改变场景，以训练操作者对付敌方飞行器的机动能力和瞄准能力，予先制备的VCD盘提供各种作战环境相应的音响效果[9]。1997年，洛克希德•马丁Vought公司为美国海军航空兵训练系统项目办公室开发了一套实战演习系统TOPSCENE（战术操作实况）。这是一个综合运用军事测绘成果和虚拟现实技术的装备，被广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军，已配备100多套。该系统运用SGI图形工作站（最高配置为ONYX2、4个R1000CPU）来处理图像数据，在高配置下，每秒能产生30帧详细、逼真的高分辨率战场图像。系统可以模拟各种地形要素、不同的气象条件，还可仿真带有夜视仪、红外显示器或合成孔径雷达显示效果的夜间战斗过程。2．2虚拟战场环境系统的基本构成虚拟战场环境系统由软件系统、数据库系统和硬件系统三部分构成。其软件系统主要包括战场环境建模软件、场景纹理生成与处理软件、立体图像生成软件、观察与操作控制软件、分析应用GIS软件等；数据库系统主要包括战场地图数据库、三维环境模型数据库、武器装备数据库、环境纹理影像数据库、应用专题数据库等；硬件系统主要包括计算机、声像处理系统、感知系统（显示设备、立体观察装置、人机操纵装置）等。根据虚拟战场环境的应用需求，以上三个部分就有不同的组合方式，进而构成不同的应用系统。就军事应用而言，虚拟战场环境主要有多人共享式和单兵沉浸式两种应用模式，相应地，虚拟战场环境系统就有多人共享式和单兵沉浸式两种构成，其主要区别在于立体图像的显示与观察方式以及对场景的控制方式上。（1） 多人共享式。在作战指挥以及大多数作战模拟与训练中，指挥和参谋人员往往需要围绕同一个战场环境来研讨作战方案、评估作战效果。为了满足多人共享的需求，目前大多数的虚拟战场环境系统都是以大屏幕投影显示、通过立体眼镜（液晶式或偏振光式）观察来实现视觉共享，通过操纵杆或鼠标和键盘等输入设备来控制视点。其优点是处于同一空间中的用户（几人到几十人）可以同时观察到同一场景，且系统硬件价格低廉。其不足是对场景的操作只能由一人完成，且当大屏投影的图像无法占满观察者的视野时，会削弱临境感。（2） 单兵沉浸式。在单兵对技术、战术武器装备的操作训练的应用中，需要强调的是受训者个人与武器装备及其所处环境的关系。为此，多采用头盔显示器（HMD）来作为立体显示、立体观察和头部定位跟踪装置，运用数据手套或体位跟踪器来完成定位、选择等操作。运用这些装置可以使受训者产生强烈的临境感，进而达到良好的训练效果。但其设备十分昂贵，难以推广使用，并且由于传感装置还不十分精确、计算机对大数据量的场景计算能力有限，常常会造成感觉的病态反应。 建构虚拟战场环境的若干关键技术作为虚拟现实系统，一般认为需要具备三个基本特征—交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和想象（Imagination）[10]，但根据实际用途，对这“3I”特征的体现也有所侧重。就共享式虚拟战场环境系统而言，体现可交互性是重点；而对于沉浸式虚拟战场环境系统，所强调的是其沉浸特征（可进入性）；无论哪种应用，想象力都是不可缺少的。3．1 实现“交互”的关键技术交互特征是指系统具有对人机交互作出响应的能力，衡量这种能力的标准是系统处理和显示环境图像的刷新率（帧/秒），刷新率越高，说明系统可以对交互作出越快的响应，当交互响应达到实时，在视觉上就表现为场景随交互过程而连续平滑地变化。当交互响应有明显延时，在视觉上就表现为场景的停滞和抖动变化。显然，影响交互能力的因素除了系统硬件对于场景数据处理和显示的性能外，还与场景的数据量以及交互控制的软件有关。因此，在建构虚拟战场环境系统时，要充分考虑设备的性能以及用户的实际装备能力，软件系统开发的关键则在于场景数据的组织和管理。在战场环境仿真应用中，参与可视化处理的场景数据包括三维地形模型、三维地物模型和地形地物的表面纹理（如果考虑到综合战场环境的构成，还应该包括武器装备模型及其纹理以及烟火特效、声效等数据），其数据量十分庞大。为了实现大数据量地景的实时交互显示，就必须解决场景数据的组织与管理问题，其思路就是在保证场景显示细节的前提下，使参与实时处理的场景数据降低到最少，以保证交互响应的效率。我们的实践表明，按人类视觉认知的规律来组织和调度场景数据是一种行之有效的方法。该规律是：从固定视点注视客观物体时，离视觉中心越近的部分在视网膜上的呈像越清晰，越远其呈像越模糊；从不同视距观察客观物体时，离物体越近，看到的物体的细节就越丰富。遵循上述规律，场景数据的组织和调度实际上就归结为场景细节层次的组织以及与视点相关的各层次数据的调度[11]。（1） 场景细节层次的组织：场景的细节包括场景模型的细节和场景纹理的细节。场景模型的细节是指场景体形态所表达的细节，场景纹理的细节是指场景表面影像所表达的细节。场景模型的最高细节取决于模型建立的数据源，对于以矢量地图数据为主要数据源的战场环境仿真应用来说，数字地图的原始比例尺决定着场景模型所描述的最高细节，即比例尺越大，细节越丰富。场景纹理的最高细节取决于纹理影像的数据源，当以数据地图作为仿真地面纹理的数据源时，其纹理的最高细节同样与数字地图的比例尺有关，即比例尺越大，地物要素的分类分级越详细，则仿真影像所能描述的地表的细节越丰富；当以遥感影像作为地表纹理时，影像分辨率则决定着地表要素所能展现的细节。为了达到视点越近细节越丰富的场景表达效果，需要把场景模型和纹理数据区分为多种细节层次，并按细节序列加以组织。（2） 与视点相关的层次数据的调度：在同一个视景中，按视觉中心详细周边概略的原则来调度不同细节的模型和纹理数据，也是为保持交互与视觉效果而降低参与计算的地景数据量的有效方法。需要说明的是，纹理细节可以在视觉上弥补模型细节的不足，即在较为概略的模型骨架上叠加细节较多的纹理，这是提高交互效率而不降低显示效果的一个有效策略。3．2 实现“沉浸”的关键技术沉浸特征是指系统的声像效果能够使受训者产生置身于虚拟环境中的感觉。对于大多数应用而言，营造立体视觉效果是实现“沉浸”的关键，即根据人类的双目立体视觉原理，借助于一定的设备，使观察者在生理水平上对被观察的场景产生强烈的立体感。由于在虚拟现实系统中，场景是由计算机生成的（非实地拍摄），为了达到立体效果，就需要对图像的生成、显示与观察各环节进行适人化的处理，因此该技术也被成为“人造立体视觉技术”[5][12]。（1） 立体图像的生成。就是根据生理立体视觉的水平视差，对同一场景生成以左右眼为视点的场景图像，即构成一个像对。像对的视差是引起生理立体感的唯一因素，决定着场景的纵深效果。关于视差的类型及其相应的视觉效果，可参阅参考文献[12]。（2） 立体图像的显示与观察。显示方式与观察方式密切相关，选择何种方式取决于实际应用的需求，在上述内容中描述了战场环境仿真应用中的两种显示与观察方式。这两种方式也是目前市场上的主流，但由于这两种方式都要把部分观察装置加戴在观察者的头上，而且观察效果也不够理想（如液晶眼镜会增加闪烁、降低场景亮度，LCD头盔显示分辨率偏低，CRT头盔偏重等），因此使许多用户宁可选择三维观察方式，即直接在显示器或投影幕上观看由计算机生成的单目场景视像，以场景中的光影和形态为线索，通过观察者的心理加工，产生三维感觉（实际上是一种错觉）。最近，德国Dresden 3D有限公司推出了一种立体液晶显示器，观察者无须佩带任何观察装置就可以看出立体图像。在该显示器中装配有眼动跟踪摄像机，可捕获观察者双眼的位置，由此来控制安装在液晶屏前的一个光学蒙片分别向左右眼方向偏移左右眼图像。显然，该显示器不适合于多人共享。在战场环境仿真应用中，环境声音主要是武器装备在作战过程中所发出的诸如发动机轰鸣、枪炮开火、弹药爆炸等声响。这些声响的特点是都具有确切的空间位置和声音效果，通过可描述空间声响的软件（如Direct 3D）就可以把声音的定位信息通过音响系统传递给用户。喧嚣的战场音响可以营造出生动逼真的战场氛围。3．3 体现“想象”的几个方面把“想象”作为虚拟现实系统的一个基本特征，表明了创造性形象思维能力对于构建虚拟现实系统的重要性。高超的创意不仅可以引发观看者心灵上的震撼，还可以引导他们达到探索的目的。对于虚拟战场环境的创建，这种想象力体现在人机界面的构想、场景表达的构想以及是否提供对战场环境的再创建手段等方面。（1）人机界面的构想。“VR最困难的地方就是让用户的感觉对信息确信无疑”，这是比尔•盖茨对虚拟环境应该达到的最高境界的理解[13]。要使用户“进入到”系统所产生的场景中并对其确信无疑，就需要有良好的人机界面。传统的人机界面是让用户隔着“窗口”来观察和操作应用软件，在虚拟环境中，这样的窗口会把用户阻隔在旁观者的位置上，无法作为参与者“进入到”环境中。因此，如何设计符合虚拟环境特点的人机交互界面就成为想象的焦点。（2）场景描述的构想。实际上就是指虚拟场景的设计。虚拟战场环境的外观是否逼真，主要取决于场景的外观设计。当运用矢量地图数据来生成场景的表面纹理时，场景描述的构想就涉及到每一个要素的表示方法的设计（运用几何符号还是仿真图像）、地表及各要素表面噪音效果的设计、不同地貌类型的色层表的设计、武器装备等作战单元在战场环境中的表示方法的设计、作战意图与态势的表示方法设计等方面。（3）提供实现构想的工具。在不同的军事应用中，用户对虚拟战场环境的表示方法有不同的要求，比如，对于飞行模拟训练，受训者希望能够以航空影像作为表面纹理，以便使场景在视觉上更接近于实际的地形环境。但对于作战指挥训练而言，受训者更希望场景中能够表达出地图上的分类分级信息（符号化的表示方法），以便分析和决策，这就需要在系统中为用户提供多种表达手段。此外，对于战法研究而言，用户有时需要拟构一个典型的战场环境，这也需要给用户提供实现构想的工具。4．应用举例从1995年以来，解放军信息工程大学测绘学院战场环境仿真工程实验室以虚拟战场环境为主题，做了大量的研究工作，取得了以“地形环境仿真系统”为代表的成果。该系统是运用虚拟现实技术，在军事测绘数据库的支持下，实现战场环境仿真的一个实用系统。主要模拟作战区域的地形环境，可以为作战模拟的各层次（战术、战役、战略）、各阶段（预案拟订、对抗模拟、结果评估）提供各种地幅的二维电子地图、三维地景和地理信息。本系统已经初步具备了虚拟现实的基本特征（“可进入”、“可交互”），在研制过程中解决了以下几个关键技术问题：1． 解决了在微机环境下，对地形环境的快速三维建模、模型简化以及实时交互等问题。2． 研制出与液晶立体眼镜的接口硬件，使得在微机和工作站环境下，可以用较底价位的立体眼镜实现具有“进入感”的立体效果。3． 解决了地形模型与其它商业化三维软件的接口问题，以及技术、战术武器在三维地形环境中的置入问题（如图5）。目前，本系统已在全军得到广泛的应用，也在国民经济建设中得到应用，如运用本系统，为三峡移民局进行了三峡库区水淹没过程的模拟（如图6）。5．结语战场环境仿真是应数字化战场建设的需要而产生的高新技术，其应用领域十分广泛。本文仅从作战模拟这一应用领域来论述虚拟现实技术在战场环境感知仿真中的应用，实际上，该技术在军事上还被应用于作战指挥、武器试验、外交谈判、灾害预测等多方面。随着虚拟现实技术日趋成熟、实用，我们相信在不远的将来，它将成为提高军队战斗力的重要的技术手段。
