虚拟现实技术VR在军需训练中的应用可行性

第1頁虚拟现实技术VR在军需训练中的应用可行性提要的资源，在节省人力、物力等训练成本的条件下，有效提升部队训练成效便是一门值得研究的课题。训练及技术水平，但受限于武器系统造价昂贵、师资培训不易、武器系统分散部属及场地与设备不足等限制因素下，影响某军各项教育训练之成效。处，但虚拟现实技术毕竟只是辅助，并无法完全取代实车训练；故在人员训练方面，仍是以实际操作装备为主，虚拟现实技术为辅，作为训练之依据。关键词：几何式虚拟现实、影像式实境、混合式实境壹、前言整合信息科技数字化与信息情报传递的方式编成，故可大幅提升部队整体战斗力、存活率、兵种联合作战的多样化」1，可见未来部队已不在是过去简单的武器系统时代，必须仰赖更高科技的技术来训练优质人材。地狭人稠土地资源格外珍贵，且近年来为建构新一代兵力，不断研改新式武器装备，须精进人员训练及技术水平，但受限于武器系影响某军教育训练成效，所以如何运用有限的资源，在节省人力、物力等训练成本的条件下，有效提升部队训练成效便是一门值得研究的课题。虚拟现实技术就是其中之一，故本文探讨虚拟现实技术应用于我装甲部队射击训练之可行性，藉搜集之论文、刊物、电子媒体、网络信息及相关企业运用实例，并参照世界各国计算机模拟训练为例，将所有资料阅读过后加以整理与归纳及分析搜集文献，采系统性的论述、探讨作为某军科技建军之参考依据。第2頁贰、虚拟现实技术概述大多数人对于虚拟现实的印象可能基于电影高科技的情节上，对此深感兴趣而想一探究竟，其实「虚拟技术」一词早在1989年就出现了，是由杰瑞尼尔提出的构想2，由于时代的演进，而开始有不同的变化，所谓的「虚拟技术」即是藉由计算机信息模拟现实中环境，刺激人的感官世界，进而欺骗大脑的概念表现，就整体概念来说「虚拟技术」是沉浸性、互动性及想象性等三个特性所整合。图1虚拟技术示意图资料来源：作者自行绘制故「虚拟技术」装置可大致区分为三维立体模型建立，视觉输入装置、听就是透过计算机软件、头盔显示器、荧幕显示器、触觉反馈手套、立体音响，感知意念追踪器、动态平台等图（2让使用者能身历其境融入计算机世界中，经由一系列计划发展程序含事件架构与主体表现之整体构思、状况发展的脚本、使用者可利用辅助的周边设备与虚拟场景进行功能互动，进而达到学习、控制与模拟等特定目的。图2虚拟装置组成资料来源：作者自行拍摄第3頁图3虚拟技术架构示意图资料来源：作者自行绘制初期主张「几何式虚拟现实」场景，虽可让使用者置身于其中以达到互动效果，却无法提供较真实之场景，使虚拟效果大打折扣。因此演化至强调以真实影像呈现而衍生的「影像式虚拟现实」也就是以全景影像的方式来呈现虚拟环境，此种方式虽然解决了真实度的问题，但也衍生出互动性不足等困扰，有鉴于前述两种相同应用技术，进而推展出另一种整合之应用技术「混合式虚拟现实」因而产生，该技术兼具互动性高与高度真实度之特性，可说是未来「虚拟技术」的主流，以下就分别说明三种技术之不同此种形式的虚拟现实是架构在所有场景与物件皆由3D模型模拟建置而成，可赋予每个模型型为参数，具有高度的互动性，可让使用者沉浸于其中，这是其中之优点，但背后却隐藏其最大缺点，因每个物件均由3D模型建构，所以场景中每个物件必须经由许多复杂的计算机计算，才能够得到相关位置的变化量3。3D模型上贴上材质（即所谓贴图使其看起来比较美观且更像真实物件，若远距离看确实跟真实物件相差无异，但近距离时却产生需多马赛克的现象，反而使其真实性大打折扣图（4）。第4頁图4、虚拟现实（VR）影像示意图扩增虚拟技术其制作方法说起来较为简单，在想要制作的场景地方规度的角度拍摄一张照片，每张照片需有重叠的部分，然后将这些照片经由特殊软件加以缝合，那么就可得到一个全景影像，每个场景皆可由真实环境拍摄，就不会有真实性不足的问题产生4再将物件放置于全景影像中图（5就彷彿有真实物体于影像中出现，但也因这样造成场景的景深不足，导致整个场景的立体感不够，再加上场景中的物件经由拍摄而得，所以就没有互动性可言，对整体而言是很严重的致命伤。图5扩增实境（AR）影像示意图第5頁上述的几何式虚拟现实、影像式虚拟现实，虽各有特色，但却无法提供完整的解决方案，而「混合式虚拟现实」就具备了二者的优点成功整合互动性与真实性，成为虚拟应用技术之主流。同样的混合式虚拟现实不需要繁杂的美工技术，仅需同影像式虚拟实境拍下所需要的场景内容，在运用计算机技术加入其他不存在于场景中的物件图（6并设定物件互动的行为模式，如此一来便可节省建构3D模型的时间，并具有高度场景的真实度5。图6、混合式虚拟现实（MR）影像示意图虚拟现实技术应用于教学上可以克服昂贵的训练装备及天候、地形、后勤支援等诸多不利的因素，且可以减少人为疏失肇生的意外事件，并具有与实际环境状况下操练的特性，目前美军也大量的运用「虚拟现实」技术运用于军事领域方面。美某军方是率先将VR应用于军事领域上，美军首先开发了一个新的VR穹顶图（7这是由纳提克士兵研究、发展工程中心开发，VR穹顶采用投影技术，投射出一个180度的水平视界场地，运用计算机软件模拟出与真实地点的世界，让人员可完全沉浸于其中。人员可以使用控制动作和武器瞄准的手持设备与虚拟环境进行互动，来提升训练成效，纳提克士兵研究、发展工程中心的VR穹顶最大的特点是可以消除以往过于单调的缺点，并藉由多种输入模式和多感官输出反馈的结合，更加增强了真实感、沉浸感与参与感，同时还能减轻因长时间、与高负荷活动的负担6。第6頁图7、美陆军VR穹顶训练系统美陆军研制的CCTT是一个网络化模拟训练系统，也是至今为止最大的分布式交互模拟系统，他结合许多先进的光纤系统网络，运用交互网络信息来实施访真式模拟训练，建立虚拟作战环境，供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务。该系统通过区域网与广域网连接从韩国到欧洲等各国工作站，各站可迅速交互传递模拟数据，此系统也包括「艾布拉姆斯」战车、「布雷德利」战车和HUMVESS1武器系统等模拟操作，使士兵能在虚拟环境的动态地形上进行近站的战术训练与装备的操作7。图8、近战虚拟现实模拟系统（CCTT）第7頁美军空降兵利用虚拟现实训练器进行任务规划，美军将原有的降落伞在规划空降行动任务中，能有更多的选择，在以往要能重复训练这些专业人员，必须耗损大量资源，现在将不在侷限于环境设施的影响，既可进行反复练习。该装置是一个配有悬挂系统的将落伞系统，他可将跳伞人员拉升至水平位置，然后再进行跳伞模拟，而跳伞人员配戴虚拟现实显示器，能由系统转化出360度真实场景，人员可藉由系统发布任务，来规划空降行动，另外系统能提供数种不同地形雨场景，用以来模拟不同状况8。图9、虚拟现实降落伞飞行模拟器（ParaSim）次口径射击是装甲部队于基地测考的重要项目，近年透过部队及演训辅访发现，部份单位于执行次口径射击时成效不彰，而探究其原因不外乎射击整备不确实或干部未能掌握训练要领，使装备及人员训练的因素影响了射击的成效，而每当这些问题产生时，不禁令人纳闷，为何相关的问题总到了实弹射击的阶段，耗费了庞大的人力及物资之后，干部才意识到自己单位上执行射击训练可能面临的状况。而诸如车辆整备及人员训练方面的问题，若能先期了解及谋求解决途径，相信对次口径射击的成效提升是有绝对帮助的。第8頁次口径射击系以步枪模拟战车炮射击，其现行做法是藉精是枪架安装于主炮探照灯座上，来实施射击训练，主要目的是各部队于实弹射击前，能以小口径武器配合战车的操纵与瞄准系统作为先期训练，并配合次口径靶场设置以缩小25之倍率建置于各单位驻地内，部队可于每月执行驻地保持射击时，预先发掘战车乘员操作与潜在危安问题，经由多次射击训练导正乘员于战车炮射击时之正确操作要领，且可降低风险危安发生事件，提升战车炮射击训练效益，以奠定实弹射击之基础。次口径射击时能训练成员对于装备上的操作的熟练度及训练全车乘员协同一致的训练目标，但往往于射击训练时，才发现事与愿违，使次口径射击无法达到训练的成效。部队的次口径射击训练场地均设置在营区内部，且部分单位于移至友军单位实施训练，且现在训练模式的改变，例如提升乘员于行进间对活动目标射击技巧，每次于射击时都必须事前经过详细之规划与准备，虽能达到射击训练要求，但仍不免受天候不佳、装备维保不易及人员基础训练不足等问题图（10使次口径射击训练未能达到预期训练目标，以下就部队辅访、基地演训、教学成效上提出常见部队于次口径射击时常见的窒碍问题。图10、部队辅访统计图资料来源：作者自行绘制定标准，虽然我装甲兵仍秉持勤俭建军、持续训练的理念，但于训练时仍避免不了因新手操作装备造成耗损，因此装备维保的效率远远跟不上在全妥善状态下才能执行相关习会射击，而这些装备损坏均攸关到我装甲兵次口径射击训练的成效，因此除装备上性能的提升外，必须寻求科技练兵的方式以弥补训练不足的部分。第9頁图11、常见故障问题资料来源：作者自行拍摄现行我装甲兵次口径射击再训练在训练时数上以昼间28小时夜间4小时为课程基准，在次口径射击的课程中包括了第1习会、第2-1习会、第2-2习会、第2-3、第3-1习会、第3-2习会等射击训练。对新手学员生来说射击课程为高强度、高风险之训练，最好能在实车实施模拟练习再进行实弹射击训练，但现实往往无法如此执行，事实上学员生大多是在对装备操作陌生的状况下上实车进行射击，不但无法达到所需的训练成效，更容易肇生射击训练危安，间接造成基于维安顾虑而以简化方式带过射击训练，也就出现了「体验射击」这个名词。所以在既定的课程基准下，除必须实施实弹射击，余人员就可以采用虚拟现实于现地实施，藉由多次操作训练来强化职能不足部分。（三）受天候状况影响，致使射击训练无法完备雨量部分则受东岸黑潮主流北上，并配合不同季节风，如冬季东北风、夏季西南风使得我省雨量丰沛，以新竹湖口地区106年全年度统计雨势分布统计图（12雨量较丰均为3~6月份9，而在过去104~106年次口径射击训练，因雨势太大严重影响射击多达13次，因课程无法实施实弹射击，均采用模拟训练器实施替代训练，但射击模拟器毕竟与实际有所差异，且互动性及沉浸性不足，所以当学生实施完训练后，仍然没办法获得应有的训练成效，故应思考如何在天候不佳影响下实施训练，又能获得应有的教学成效。第10頁图12、新竹（湖口）地区雨量分布统计图资料来源：作者自行绘制在过去近10年内，装甲部队发生训练危安事件共计有24件，其中肇生主因属机动装载计有17件，射击安全共有7件10，在这些危安事件中分析，其中肇生危安主因的均为人为疏失造成，部分为机件原因如表1所示，虽然大部分不属于次口径射击肇生危安事件，但部队的训练应先确保安全在讲求效益，像次口径射击这类高风险的射击课程，若能以虚拟实境实施辅助训练，预先发掘潜在问题，制定对策，必能减少战车乘员实弹射击危安事件的肇生。肇生类别件数百分比肇因区分射击安全7肇因分析3伤亡统计7第11頁在过去次口径射击，因受许多限制因素影响导致战车乘员训练成效不彰，故应思考运用虚拟现实技术导入于射击训练上，均可将上述之缺点全部改善外，为主，再辅助一些听觉与体感上的感知，让射击训练的环境与学员达成一定程度互动的教学目标且具备双向交流之目的，使得战车乘员能更具有真实感，且可将大脑思绪投入于次口径射击中。在整体训练构想上，主要仍以实弹射击考量为主，当战车乘员在进入舱体内部时，并穿戴好虚拟现实套件后，可透过体感手套按压虚拟画面内之任何物件，并得到反馈，例如按压弹种选择器，画面内的弹种灯号会因乘员选择而亮起，且反馈受力至体感手套上，彷如实际在战车上真实操故在射击上也采同样方式，当成员操作H行握把时，向左转动，在头盔显影方面就能感受到主炮正向左产生运动现象，藉此高拟真度方式就可以运用于次口径射击上。次口径射击第一习会着重于枪枝的规正与射击，在虚拟现实里，我们可运用战车射击模拟器的软件导入，使得战车乘员在操作时，更能沉浸于其中，不在像过去简易型射击模拟器一样，仅能再瞄准镜内看到十字线，再虚拟现实里，我们可透过虚拟现实的虚拟手势点选画面内的任何物件，在显示画面内之任何课程，都可经由虚拟手势点选后，进入课程内，当进入画面时便可结合现行我次口径射击训练课程所需训练之项目，战车乘员便可与虚拟画面内的所有物件进行情境互动，例如第一习图13、次口径射击第一习会虚拟画面示意图资料来源：作者自行拍摄第12頁所以在虚拟现实中，我们必须能完美模拟战车实际射击状况，其中必须包括车长可由炮塔外部观看靶区位置协助观看弹着，则射手可透过瞄准具看到瞄准十字线和目标，当透过射手控制握把时，炮塔内的360度场景会随者射手控制握把所转动图（14用以来营造真实的操作感，所以不在像传统简易型模拟器一样，仅画面内在改变视界而已。资料来源：作者自行拍摄次口径射击第3-1、3-2习会着重于在所以在虚拟现实里，除能模拟车长位置及射击位置外，更要能让战车乘员能明显感受画面向前运动，藉由虚拟软件来模拟实际战车运动的感觉，并藉体感装置，反馈于战车乘员的感官世界与身体感知，如同虚拟图15、虚拟动态画面示意图第13頁以半篓空的架构组成，以减轻车体重量，下半部需能搭载电动控制平台（动感平台）及不断电系统，可参考简易型驾驶模拟器将其改良或道路駕駛模擬器图道路駕駛模擬器简易型驾驶模拟器资料来源：作者自行整理若以简易型驾驶模拟器进行改良，可将所需搭载之设施安装于其中，在乘员舱需具有战车内装之设备（射手控制握把、弹道计算机系统）等，且各机构需能具有受力反馈图（17藉由虚拟现实软件所营造的感官世界，将战车乘员的视觉、听觉甚至透过体感手套所带来的触觉感，使得战车乘员能更投入这个虚拟世界，用以来提升我装甲部队次口径射击之成效。图17、改良型虚拟现实模拟器示意图资料来源：作者自行拍摄第14頁比较目前传统式的教学方式与「虚拟现实」技术应用上比较，在相较（一）训练成效：可满足战车次口径射击各训练课目及乘员操作要领需与实弹射击相同，且虚拟现实的运用可使学员更投入射击课程内，并且获得更多次的操作，以提升训练成效。增设虚拟现实设备可节约射击弹药、降低装备的损耗，弥补训练器材及装备不足，并可不受天候环境影响，以提供学员一个良好的射击训练环境，以装训部106年训练总人次计算（875人若要实施完整次口径训练下，训练用弹需消耗新台币总计需735962.5元如表2所示。习会弹药习会弹药照明弹标靶第一习会E靶x2规正靶x1第二习会之一E靶x2第二习会之二9活动靶x1第二习会之三活动靶x1第三习会之一活动靶x1第三习会之二活动靶x1射击总发数合计金额总额个/人106年实际受训员额合计总金额备考一、弹药数量依据射击教范第四章次口径射击训练所需二、车型依M60A3车型为基准三、实际训额人数875人，由计考处提供四、步枪弹单发金额为6.4元、机枪弹单发金额10.3元资料来源：作者自行绘制（三）训练安全：某军近年来多起训练失慎的意外，均为人为疏失所造成，因此我们应不断精进风险管控机制与建立标准作业程序外，在次口径射击部分，若可结合虚拟现实来辅助射击训练，乘员将获得更多次的操作，以降低射击危安。第15頁次口径射击是装甲部队于基地测考的重要项目，惟部份单位于执行次口径射击时成效不彰，而探究其原因不外乎装备妥善率不佳、天候状况影响、场地侷限、战车乘员对射击不熟悉，而造成训练成效不彰，且次口径射击为高风险、高危安的训练项目，过去也常因这些训练项目造成部队伤亡，且每次射击均需投注大量的人力与费用，用以来支撑射击训练项目。就分析结果，若能以虚拟现实结合次口径射击训练可不受上述所列之项目影响如表3所示，并可藉由多次操作，来提升乘员对射击的熟练度，但虚拟现实毕竟不是真实的射击，在学习意愿上，恐有不足部分，倘若实弹射击跟虚拟现实射击能同步执行，相信对我装甲兵次口径射击将有很大的助益。 项目现行次口径射击训练虚拟技术次口径射击训练训练伤亡因实弹射击具高度危安，若乘员操作不当，易发生训练伤亡可在虚拟环境中完成训练，无训练费用仅电力系统耗损击科目实施训练无论任何天候影响，均可在室内实施操作场地限制仅能于次口径靶场实施射击训练幅缩短系统模拟装备，故不影响现行自我学习受弹药、时间之影响，仅能实施可针对不熟悉部分，反覆实施操作练习实弹射击具有高度