中国指挥与控制学会会刊 
随着现代化大城市、超大城市的发展,城市的战略地位与军事价值日益突出,逐渐成为各类军事活动的重要场所。1997年,美国海军陆战队作战发展司令部概念司(Concepts Division of the Marine Corps Combat Development Command)提出,未来许多军事行动将在城市环境中发生[1,2],例如城市反恐与维稳、人道主义援助、非战斗撤离,以及大规模高强度城市作战行动等。城市作战作为一种新的军事行动样式使得城市可能成为21世纪的主要战场之一[3]。
军事行动的环境通常是复杂多变的,而日益复杂城市环境更增加了其复杂性和挑战性。首先,城市本身是极其复杂的三维立体环境,城市地面之上人工设施众多,高低层建筑参差不齐;地面之下,下水道和隧道网络纵横交错,联通四方。其次,城市环境随作战行动展开易发生变化,而变化的环境又将反过来影响作战行动,例如损坏的建筑可能导致碎石填满狭窄的街道而致使曾经的安全路线无法通行。再次,城市非战斗人口和平民目标众多,而敌方可以机动和隐藏,致使军民混杂,为减少平民的伤亡和损毁,需要更复杂的识别和判断。
这种复杂、混乱、密集的城市环境对处于战斗一线、危险边缘的单兵和分队提出了更高的要求:一方面,在危机四伏、瞬息变化、生死攸关的城市近战当中,单兵在承受巨大心理压力同时,仍需快速准确地判别周围态势,以求先发制敌;另一方面,在狭窄而拥挤的街道上,分队成员的视线易受遮挡难以实现所有成员的直接通视,在超视距条件下,传统的喊叫、手势、无线电等方式难以实现高效的分队协同与指控[4]。复杂的城市作战环境充满着战争迷雾,分队作战人员对态势感知有迫切的需求,在城市作战行动中需要为作战人员提供特殊的能力和灵活性,以应对高度动态的近距离作战。
增强现实作为辅助人在真实环境中进行认知和交互的工具,其本身的技术特点与城市作战中态势感知又快又准的需求高度契合。增强现实系统应用于城市作战当中能够极大地提高作战人员的态势感知能力[2],成为提升分队城市作战能力的有效途径。从20世纪末开始[5],以美国为代表的多个国家开始有针对性地将增强现实技术用于军事活动中,期望尽可能地减少作战人员在理解作战信息方面所用的时间,大幅提高部队在复杂战场环境下的生存能力和协同作战能力。未来面向城市作战的增强现实技术具有广阔的发展前景。
相比于国外的研究,国内对该领域的关注相对较晚且较少,2018年初,游雄[6]等首次提出了城市作战增强现实(UWAR)的基本概念,并梳理了其关键技术体系框架。本文进一步对增强现实具体应用于城市分队作战行动中的相关问题进行系统梳理与综述,分析国内与国外在该领域的发展差距,从而为后续研究与投入提供参考。具体而言,首先分析概括了增强现实本身的技术与认知特点;然后对其在分队行动中的应用和研究现状进行了系统的梳理与分析;在此基础上,探究了增强现实在分队作战行动中的应用模式与突出价值;最后,对增强现实在分队作战行动中应用存在的重难点技术问题进行了总结。
1 增强现实及其特点
增强现实这一术语最早是1992年波音公司的Thomas P Caudell和David Mizell在研究辅助工程师布线时提出的[7],通过使用头戴式显示器将计算机生成的图形信息叠加在真实工作环境中,并结合语音控制图形信息显示,达到“不需要将手和眼睛离开工作场景的条件下”辅助布线工程师进行布线操作。这种在主体(用户)当前的周围环境中,提供与主体当前任务密切相关的计算机图形信息,并且直观地叠加到当前环境中正确位置的方式,为主体完成当前任务带来了巨大的便利。
综合从技术与认知的视角对AR的相关理解,本文进一步总结增强现实应用的作用,如下:
1)AR可以增强用户对现实世界感知的精确度。一方面,增强现实可以将各类传感器感知到的信息转化为人能感受的信息,从而拓展人的感知范围,提升对现实更为全面的理解;另一方面,AR可以对人所能感知的信息做进一步的精确化和确认,这是因为人通常对现实世界的感知与认知是定性化、模糊化的,计算机通过传感器获得对现实世界更为精确、量化的信息后,可以用于增强主体对现实世界的精确认知。
2)AR可以提高用户对周围现实世界感知的效率。因为AR技术实现时需要实现 “虚实直接关联与融合”,使得可以以最为直观的方式在用户当前的感知范围内展示所需的“增强”信息,如在用户平视视野内叠加信息,从而提升用户感知信息的效率。与当前移动地图呈现信息[15]的方式相比,使用头戴式显示器进行平视观察的AR系统一方面不需要用户在低头/抬头之间来回切换、反复比对,来理解真实世界和屏幕上内容的关联关系;另一方面,通过在用户当前的视野中高亮、突出的展示“增强”信息,可以快速将用户注意力(如视觉注意力)引导到当前迫切需要关注的目标上。
正是因为增强现实在技术上和认知上具备这些特点,使得AR可以广泛地应用到各领域中,辅助人们更好地完成各项任务。下面具体对增强现实在城市单兵/分队作战行动中的相关应用研究和进展进行梳理和分析。
2 相关研究与进展
当前,面向城市单兵/分队作战应用的增强现实系统,以美军为代表的军事强国在技术研究和装备发展方面都处于领先水平,起步早加上多年持续的投入,目前已具备相当的积累,逐步向实用化发展。下面对目前相关的研究进行梳理与分析。
2.1 BARS原型系统及其相关研究
2.2 ULTRA-Vis项目及ARC4系统
在BARS原型系统研究的基础上,2008年美国国防高级研究项目局(DARPAR)启动了一项名为“Urban Leader Tactical Response,Awareness & Visualization (ULTRA-Vis)”的项目[4],其主要目的是研究和开发出可以在实战环境中使用的士兵可穿戴式系统和装备,以适应分队在快速、动态的城市作战中的使用要求,为分散的士兵提供超视距的协同与指挥控制能力。
该项目旨在推动AR在实战中的实际应用,因此注重对AR软硬件的同时研发,而不仅仅是简单地对当前已有商业产品进行集成。项目计划重点研发出高亮度、多色彩显示的头戴式透视显示器设备,轻便、低功耗、高精度、低延迟的户外位姿跟踪软硬件,以及可同时识别语音、手势和触觉输入的多模式交互接口等。该项目规定的各项具体指标如表1 所示,值得一提的是项目还要求开发出15套原型装备,以供班组进行协同作战测试,以检验分队实际使用效果。
表1 ULTRA-Vis项目的各项指标[4] |
| 需求门类 | 作战要求 | 参数标准 |
|---|---|---|
| 手势识别 | 识别领导者的标准手势和手臂信号 | 10个手势和手臂信号的识别正确率>99% 错误警告<1% |
| 地理配准 的图标 | 根据分队成员的指示创建/显示地理配准的图标 | 配准精确度: <10 mrad,角度精度(1m @100m) <0.1 m,100 m处,距离精度 <0.5 mrad,抖动@60 Hz刷新 |
| 透视显示器 | 在户外强光环境中清晰看到显示的图标(单色) | >=2000 Ft-L 亮度(单色) 40° FOV |
| 多模态集 成测试 | 使用两个网络互联的士兵穿戴式测试平台及下述组件创建/分发命令信息: -头盔显示设备 -音频接口(麦克风/耳机) -语音/数据广播 -手/手臂手势界面 -触觉提示装置 | 正确识别(发送者)和表达(接收者)多模式命令(手/手势+语音)的概率高于99% 错误警告低于1% |
| 原型 | 配备15套原型系统用于分队协同测试 | 系统重量(包括电池)<3磅 系统功率<6 W |
如图3 所示是该项目设想的分队作战AR应用场景图,分队指挥员通过AR可以实时掌握各个分组成员的位置(图中左上角),而不用将视线离开当前关注区域,或者低头查看屏幕显示器;指挥员也可以便捷地为分组成员直接指示目标位置,并使分组士兵分别在自己的视角通过显示器看到指挥员传递的目标(图中右上角红色虚线圈部分),并可以保持手不离开武器装备。
DARPA对该项目进行了6年的支持,经过2008年到2014年持续的研发,2014年5月,该项目的主要承包公司ARA发布了一款名为“ARC4”(Augmented Reality Command Control Communicate Coordinate)的军用增强现实软件系统[21]。顾名思义,ARC4即增强现实用于指挥、控制、通讯和协同,是一款增强现实软件引擎,主要负责完成士兵户外位姿跟踪、地理配准信息的表达与可视化以及网络通信管理等工作,作为“大脑”可以搭载在BAE公司的Q-Warrior透视式头戴式显示器上,也可以集成到其他的头显中,如Lumus、Vuzix、Six15等。
如图4 、5所示,ARC4可以分别搭载于白天头显和夜视仪中,实现在白天和夜间的战术信息增强,而且头显的视场角为40°⊆30°,亮度峰值可以达到3 000 ft-L,符合项目规定的要求,即在户外10 000 ft-L环境光亮度背景中,达到至少2 000 ft-L(背景亮度的20%)的显示亮度以保证符号的清晰可见[22]。
在信息呈现和用户交互方面,通过与士兵用户群体进行交流和讨论,经过迭代优化,ARC4系统设计了一套相对简单、易学、易于理解的用户界面[25],并探索通过语音、手势和触控等多种方式进行人机交互。其用户界面上呈现的信息内容如图8 所示。
其中,静态叠加层上的内容将始终显示在当前FOV中相同的位置,与现实世界物体位置无关,其内容随系统状态和作战进程变化。为了最小化显示干扰,静态叠加层沿视野顶部显示,针对不同的警报信息提供不同的标志和闪烁频率。
动态叠加层能够将相关的战术图标信息准确放置在真实环境中对应的位置处,使得作战分队人员可以分别从自己的视角看到精确地理配准的图标。为了减少士兵认知图标的负担,采用军标符号规范设计图标样式(如美军的MIL-STD-2525C符号规范)。所有显示的内容都基于用户位置和视线方向,在以用户自我为中心的径向坐标系中进行显示,并随着用户头部转动而移动,以保持他们的位置精确配准到对应的真实世界对象上,其中,ARC4要求配准的角度精度为10 mrad(100 m距离处的侧向误差大小为1 m),深度精度为0.1 m(100 m距离处)。这种精度允许在建筑物或车辆上标记特定的窗户。
上述动态叠加层为士兵提供了精确的周边态势感知,但仅限于从用户当前的视野观察。相比之下,态势叠加层(situational overlay)为用户提供其周围所有情况的实时动态360°顶视图,可以观察当前视野内部和外部的所有对象。如图10 所示,底部中心的椭圆是360°的态势显示圆环(Command and Control 360°Display),中心点是当前士兵的位置(采用军事网格坐标参考格式),正上方是当前士兵的头部方向(如图中的地磁偏角189°)和40°的视野范围,环上其他的位置标示了友军、敌军、地物等(使用不同符号及不同颜色,符合MIL-STD-2525C军标规范)的相对方位与相对距离(如图中的数字注记)。这个简单直观的用户界面为战士提供了持续的态势感知,可以回答理解战场空间至关重要的三个关键问题:我在哪里?我的朋友在哪里?敌人在哪里?
事实上,上述三层叠加信息涵盖了分队上下级通讯与指控、单兵个人作战以及分队成员间协同行动所需要的信息内容,并提供了第一人称视角显示视图,和以自我位置为中心、方向实时随动、表达相对位置和距离的简易顶视图(近似第三人称视图),使得士兵既能直观观察当前环境,又能便捷掌握全局态势。
2.3 TAR概念系统
在ARC4开发的基础上,2017年5月美国陆军通信电子研究发展工程中心(Communications-Electronics Research Development and Engineering Centre,CERDEC)发布了名为“Tactical Augmented Reality”(TAR)的战术增强现实概念系统,该系统侧重于将AR应用范围进一步拓展到室内作战当中,为分队提供室内外一体的战场态势信息感知保障。如图11 所示是该系统设想的效果图,通过该系统能够将室内外的目标、友军和环境信息与真实场景进行叠加显示,使得战斗员在城市室内外作战过程中能够快速、准确获取战场态势信息。但这一系统目前仍处于研发当中。
2.4 现状总体分析
从整体上来看,对比早期的BARS(2000年)原型系统与近期研发的ARC4(2014年)系统,以及设想的TAR(2017年)系统,可以很明显地发现通过近20年的努力,美军在面向城市分队作战行动的增强现实系统研发方面已经取得了较大进步,并且逐步向实战实用化发展:1)其显示设备可以支持高亮度显示(峰值亮度可达3000 foot-Lamberts),满足在户外强光条件下的使用要求;2)相关位姿跟踪硬件设备在小型化、轻便化、低功耗化方面有了实际进步,并且实现了较高的精度和效率;3)图形用户界面信息呈现和交互方式逐步向实战所需趋近;4)系统核心组件重量低于3磅(含电池在内低于1 360 g),位姿传感器功耗低于1W,为系统方便徒步士兵长时间、大范围持续使用提供了可能。5)而且,在分队作战行动中应用增强现实的作战概念与真实作战场景正处于不断发展和挖掘当中。
通过上述梳理与分析,可以看到相比于国外的发展,国内在技术与装备上的发展还存在一定的差距。由于目前增强现实技术与装备的不成熟以及“并不惊艳”的体验,关于增强现实的“有用性”、“可用性”,尤其是在强调技术可靠性的军事行动当中“到底有多大的可用性”、“是否是干扰”等问题仍然存在不同意见与质疑。下面,本文在文献分析的基础上,结合实践经验与思考,对增强现实在分队作战中的应用模式与价值进行探讨。
3 增强现实在分队作战中的应用模式
增强现实在分队作战行动中的应用价值,一方面受限于技术与装备的进展,另一方面也取决于增强现实系统被使用的方式,即应用模式。2015年,ARC4的项目负责人David Roberts提出以ARC4为代表的增强现实系统在城市作战中可以发挥平视感知与导航(Heads-up SA and Navigation)、友军跟踪、目标传递(Target Handoff)、图像共享和环境标记(Environment Tagging)等功能[21],简要概括了增强现实系统可能的应用方式。本文旨在更进一步探究和挖掘增强现实系统在分队作战行动中的突出应用价值。
一般而言,作战行动是有组织、按计划进行的活动,分队作战行动通常涉及单兵个人行动,以及单兵与分队其他成员的协同行动和指控等方面。增强现实系统作为辅助人们更好获取信息的工具,可以在上述各方面发挥作用。本文从增强单兵个人作战能力、增强分队成员间协同与指控能力,以及增强分队与远程力量联合能力等角度分析AR系统在城市分队作战当中的应用模式及其相应的应用价值。
1)对于单兵而言(单个AR用户),AR系统可以增强其在战场实地的态势感知能力。
增强现实系统可以直接在士兵当前的视野(或其他感知通道中)中叠加地理配准的各类战术信息,提高单兵态势感知的能力和效率,从而增强单兵的作战能力:
一方面,士兵可以保持抬头平视观察和手持武器,在交战过程中迅速判定敌我情况,从而提高士兵自我安全保护并增强对敌的杀伤力和效率;
另一方面,士兵可以在更为安全的条件下,提高机动和导航的速度,因为持续在士兵视野中显示目标的相对方位与距离,士兵可以快速定位定向并启动行动,而不需要停止以研究地图或查看指南针,从而更为容易地绕过障碍物而不失去运动方向。
2)对于分队而言(多个AR用户),在战术互联网的支持下,增强现实系统突出的作用是为分队内信息传播与共享提供了新的便捷方式,增强分队成员的协同行动和指控能力。
如图12 所示,除了传达指挥员命令、分享队友位置以进行友军跟踪之外,增强现实还可以为分队成员信息传播与分享提供新的便捷方式。这是因为增强现实具有的环境标记和目标传递功能,即AR系统首先已经获取到当前士兵头部精确的位姿(即位置和视线方向已知),在环境本身的精确三维模型预先已知时[26],通过在当前视野中叠加指示标识,士兵通过直观交互的方式(如图13 中的枪口指示或手指指示等方式),便捷地将标识对准到相应环境目标上,实现在3D空间中对目标进行拾取和标记,并可以配置相应的战术图标描述其属性信息;再通过战术网络传播和分享目标后,可以使分队成员分别从自己的视角平视观察到该目标。
实现这种“目标信息视觉平视传递与分享”后,将大大增强分队的协同行动能力,因为,这将使得通过前端无人机、无人车观察到的战场实时信息,或者处于高处、优势观察位置的分队指挥员、狙击手、侦查人员等观察的信息(如图12 所示),以及多个分队成员在分散视点观察到的信息,能够被直观、便捷地拾取和标记(如通过图13 中的交互方式),并传递给处于战场实地尤其是最接近危险区域的作战人员,使他们分别能从自己的视角快速地平视观察和判断,实现从传感器/侦查人员的探测、发现到处于实地的作战人员高效、快速平视感知的无缝衔接,这是传统的语音、手势、无线电等协同方式难以实现的。本文认为支持分队多人使用的AR系统实现了“将他人平视所见转化为自己或其他分队成员的平视所见”,从而可以大大提高分队成员间的信息共享与协同作战的能力。
因此,增强现实作为一项辅助分队成员信息获取与分享的先进技术,其在分队多人间使用的整体效果将大于多个单兵个人使用效果的简单叠加之和。
3)AR可以在分队与远程力量联合方面发挥作用。
与上述分享飞机位置相反,通过AR系统具备的环境标记功能,本文认为分队作战人员可以通过AR方便地拾取目标在3D环境中的位置,为空域、甚至远程海上力量提供目标指引,从而为其远程精确打击提供位置参考,其基本原理与前文所述类似。
综合上述分析:AR系统应用于城市作战当中将带来重大影响和变化,AR可以在单兵作战、多人协同、甚至与远程力量联合作战方面产生重大效应,其对未来城市分队作战样式带来的变化需要进一步深入研究与实践验证。尽管AR设备在一定程度上确实增加了士兵的负重,但就其可以发挥的作用与价值而言,未来单兵/分队作战迫切需要增强现实进行辅助与支持,以应对复杂、动态、高压的近距离城市作战。
4 AR城市作战应用存在的主要挑战
城市分队作战是在极其复杂、混乱的城市环境中展开的,为了让作战人员获得良好的“增强”体验,增强现实应用于城市分队作战将需要克服诸多挑战与难题。本节对增强现实应用需要的外部支撑条件,以及增强现实自身组件技术面临的重点问题进行分析,作为后续工作与研究的参考。
4.1 增强现实应用需要的外部支撑条件
其次,增强现实应用于分队作战通常需要战术网络的支持,然而在城市复杂结构以及信号干扰源多的情况下,如何维护稳定、高速的战术链接网络,是影响增强现实应用的重要因素。
事实上,正是因为上述因素的影响,美军目前的研究也是将增强现实作战应用定位在具有信息优势或不对称的城市作战行动当中。
4.2 增强现实关键技术难点
除了增强现实头显、位姿跟踪设备等硬件小型化、廉价化、轻便化、低功耗化发展的需求[31]之外,增强现实实际应用面临的技术挑战主要来源高精度的虚实信息配准、可直观认知的信息表达,以及鲁棒便捷的交互方式等三个方面。具体而言:
1)高精度的虚实信息配准:高精度的虚实配准是作战人员高效平视感知和高效目标标识与传递的技术支撑。在城市分队作战行动中,同一栋建筑上相邻的窗户或者相邻近的两辆车的实际距离通常在米级左右,为了实现对各个目标准确的区分,虚实配准的精度需要控制在10 mrad以内,这也正是表1 中所示,美军专家[32]提出为了满足作战人员的基本应用要求,需要在100 m距离处实现1 m左右的侧向配准精度和0.1 m的深度配准精度的原因。但是,在定位信号易受干扰、环境结构复杂的城市环境中,实现上述配准精度是相当具有挑战性的。
除此之外,在保证配准精度的前提下,如何在城市室外、室内以及地下环境中,长时间、大范围、白天和夜间[21]提供实时、稳定的虚实配准,更是增强现实实际应用面临的突出难题。
2)可直观认知的信息表达:呈现在作战人员视野中的“增强”信息,事实上也很有可能成为令作战人员分心[15]的“干扰”,尤其是当呈现的信息与当前任务无关,或者难以理解时。因此,AR显示器上呈现信息的内容和方式,对作战人员准确理解极为重要。
另一方面,作战环境不同于普通环境,作战人员也比非战时承受更大的压力和负担,如何根据当前的作战环境与作战人员的状态、任务、角色等因素,为其“量身定制”信息及其表达方法,也是亟须克服的难题。
因此,根据特定的作战场景和应用模式,综合运用多种交互方式,为作战人员提供稳定、便捷的交互能力以完成多种人机交互任务,仍是需要深入研究的问题。面向作战应用的AR系统,必须要实现符合作战人员行为习惯和战斗状态需要的交互方式,才能最大限度地发挥增强现实系统的作战效能。
5 结束语
总体而言,增强现实技术在城市分队作战行动中具有广阔应用前景,能够为分队作战带来重大的效应。目前,美军在相关技术与装备领域已取得了长足的进步,逐渐向实用化发展;相比较而言,国内在该领域的发展需要加速。
尽管目前增强现实技术与装备不成熟,在强调技术可靠性的军事行动当中其“有用性”、“可用性”、“干扰性”仍存在一定质疑,但随着众多技术的不断发展与集成,未来成熟、实用的AR系统令人期待。