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公司新闻:虚拟现实技术在警卫专业教学及训练中的应用 日期：2008-7-15 查看：6
摘 要 虚拟现实技术，随着计算机的飞速发展正逐渐广泛地应用到各个领域。文章对虚拟现实技术进行了详细的介绍，并根据目前警卫专业教学及训练中存在的问题，对虚拟现实技术在警卫专业教学及训练中的应用提出了展望。
关键词 虚拟现实 警卫专业教学 力反馈 动作构建
1 虚拟现实技术
1.1 概述
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）这个概念最早是在1989年由美国的VPL公司的创始人正式提出的，用来描述运用计算机和传感装置创造的人机交互境界。它是以图像处理技术、仿真技术、传感测量技术、多媒体技术、网络技术、微电子技术以及人机对话技术等为依托发展起来的。
VR利用计算机外设和软件，创建另外一种能够实时反映实体对象变化与相互作用的三维环境，通过视觉、听觉、触觉等作用于用户。用户利用系统提供的人机对话工具（头盔、数据手套等设备）进入虚拟空间和虚拟环境进行交互。用户可直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，获取系统提供的各种信息，使用户仿佛置身于现实环境之中。
VR技术比仿真技术有极大的提高。VR可以虚拟实现任何可以想象得到的环境，用户可以在该环境中以最自然的动作与其中的各种对象进行交流，且用户的现实感更加逼真。
1.2 特征
VR技术有以下四个特征：
沉浸感 用户由传统的观察者成为参与者，也成为VR系统的一部分。用户能够“沉浸”到计算机系统所创建的环境中，而非过去只是单一地从计算机系统外部观测处理结果。
交互性 VR技术实现了真正的人与环境之间的交互。通过各种传感器与计算机三维虚拟环境直接进行语言、行为的交互，正像在真实的环境中一样，使人机交互达到了一个新的层次。用户不但可以对虚拟环境中的物体进行操作，而且可以感受到其结果。
多感知 VR技术全面实现人体接触的感觉。除了传统的视、听、触觉外，还可以实现舌头的味觉和鼻子的嗅觉。正是VR系统产生的这些丰富的感觉，才使用户能真正地沉浸于虚拟环境中，使人的现实感更加逼真。
自主性 用户的行为是自主的，不但可以从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，更可以深化概念，产生新意和构想，主动寻求、探索、接收信息，而非被动地接收，更有创意。
1.3 软硬件支持
构建一个VR系统的基本手段和目标就是利用高性能、高度集成的计算机硬、软件以及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个具有身临其境的沉浸感、具有完善的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟世界的参与者的构思的信息环境。为了构建一个VR系统，在硬件方面需要有以下几类设备的支持：
图像生成与显示系统 用以产生视觉图像和立体显示。它可根据各种传感器的信号来分析用户在虚拟环境中的位置及观察角度，并根据在计算机内部建立的虚拟环境的模型快速产生图形。这部分可将训练者的姿态与计算机图形的显示内容融合在一起，使用户知道自己的状态，并利用计算机显示的图形进行调节。
位置跟踪系统 与VR世界交互的关键之一是跟踪真实物体的位置确定用户的头、手以及躯体的位置和状态。以机械、超声波、磁学、光学为基础的捕捉传感器都可以在VR系统中使用。如机械盔甲，可以提供快速准确的跟踪。高级一些的是一种非常复杂、昂贵的骨架装置，可以获取非常详细的身体各部位的方位信息，同时还能提供力的反馈。
信号输入、输出系统 信号输入系统是VR系统的感知部分，利用传感器可以感知用户移动的距离和速度、运动的方向、力的大小以及用户的声音。这样可以帮助计算机确定用户的位置及方向，从而计算出用户观察到的景物。同时也可以测定用户用力的强度和力度、关节的活动度、脉搏、呼吸等。信号输出系统可以使用户产生多种感觉，从而引导训练者进行被动或主动的动作训练。如：①音频系统。音频输入的主要硬件设备就是麦克风。音频输出,就传统的音频输出设备而言，其最大优点就是提供3D声音，可以用不同的声音表现不同的位置，使用户有更加贴近真实的虚拟体验。②视觉系统。在VR系统中，重要的是可视信号的输出要有3D效果，使用户产生立体视觉。立体视觉产生的一种方法是为两只眼睛各产生一幅图像（左右二幅图像是通过把视点左右各偏移两眼距离的一半而得到的），如利用头盔显示器，在训练者眼睛的前方各装有一个小型视频显示器，利用特殊的光学系统聚集和铺展训练者的视野，为每一只眼睛都提供一幅独立的图像。这两个图像在监视器中以非常高的速度交替显现，从而产生一个立体感的形象。③触觉系统。触觉系统的反馈设备使用户能感到虚拟环境中的力，并能感觉到与物体接触时受物体的阻碍。用户戴上特殊的手套后，就可将自己手的一举一动传送给VR系统。当用户进行操作时，可借助一些机械设备将VR环境下的物体为用户提供力的反馈。
在VR系统中，除了一般所需的软件外，还需要一些特殊的软件，这些特殊的软件可以提供产生虚拟环境的工具。如：①生成虚拟环境的软件。首先要有立体的显示环境，一般用具有空间结构的面向对象的数据库来实现三维图像模型。同时还要构造虚拟环境中的单个对象物体，采用建模软件来实现。②能将各种传感器的信息与计算机信号相互转换的软件。在对真实物体进行位置跟踪时，软件要将其位置用三个位置参量（X，Y，Z）以及三个方向参量（倾斜角、俯仰角、方位角）来表示，以此告之计算机其位置。③能把多种数据库、CAD软件以及其他图形软件进行调用和互连的软件集成系统。
2 虚拟现实技术在警卫专业教学训练中的应用
VR技术最早应用于美国的军事部门，主要进行一些模拟试验和模拟训练。发展到今天，VR技术被广泛应用到各个领域，如进行培训和教育，学生像在真实环境中一样操纵虚拟环境中的对象，可以在汽车模拟训练器中学习驾驶技术，医生用虚拟现实技术进行手术训练；体验由于危险、代价高昂或费时等原因或微观中不易到达的地方的感觉，如在分子中进行探索，对核反应堆的操作、到外星系中旅游；用于虚拟空间辅助决策系统，如美国在地面虚拟在航天飞机里，没有地球引力的情况下，测试男女性别生理变化的区别……目前，VR技术也开始更广泛、深入地进入教育领域。
2．1 可行性分析
警卫专业教学及训练涉及到警卫勤务、警卫战术、警卫指挥、运动生理学、运动生物力学、运动生物化学、运动心理学、运动训练学等各门学科，警卫专业教学及训练的目的是使学员掌握警卫战术、警卫勤务、警卫指挥等警卫专业理论知识及警卫专业技能，并将这些理论知识及技能灵活、正确、有创造性地运用到实际警卫工作中去，来保卫警卫对象的安全。目前警卫专业教学及训练主要是让学员掌握理论知识，在掌握理论知识的基础上模拟警卫工作实际进行演练和追求专业技能训练技术进步。由于一些客观条件（如训练环境，在模拟警卫工作实际演练中，犯罪分子还会有许多种对警卫对象不利的手段，因训练器材等原因，不可能都一一做到，而且在模拟制服罪犯时力量往往不能掌握的恰倒好处，轻则拿不住对方，重则会损伤）和主观条件（如学生的理解能力、学生的临危应变能力等）的限制，现在的警卫专业教学及训练还存在一些有待完善的地方。一旦有疏忽，会对训练者的身体造成一定的伤害，训练者不仅要在生理上承受巨大的痛苦，还会产生心理上的障碍。虽然现在警卫专业教学及训练也采用了较科学的方法，注意理论、训练、心理等各个方面的因素，但由于前面所述的局限性，还不能将理论知识、运动训练、结果反馈、心理水平这四个方面有机地结合在一起。另外，自建国以来，我国警卫人员还未曾经历过同谋杀恐怖分子进行面对面的战斗考验，因此，也无法更深入全面地掌握训练者真正处置突发事件、临危应变等实际综合运用能力的具体水平和心理状况。在传统的专业教学及训练中，学员处于被动的地位，学习理论知识单调，技能训练过程中动作反复，学员很容易产生厌烦情绪，在一定程度上阻碍学习训练的进行，不利于训练的进一步深入。更重要的是，在阶段性学习训练后，不可能对每一位训练者以及其每一项专业理论及技能动作的效果作一个客观科学的评定，以便有的放矢地制订下阶段学习训练计划。
我们迫切需要这样一种训练系统，在进行警卫专业教学训练时，先对每一位学员的水平进行一个客观的评测，以确定其应该加强学习的方向及训练时选用的方法，如具体训练的部位、动作，训练时间，训练强度，训练进度等。在学习训练过程中，随着学习训练的进行，训练者所掌握的程度、所能承受的强度随时变化，这时又要求该训练系统能及时准确地做出结果测评，可实时调整学习训练计划。而且每次训练结束后，还应将有关的训练指标(如此次完成任务的程度及心跳、呼吸、肌力、力度和关节度等)记录下来，及时反映学习训练效果，并便于下次训练时使用。此外，该训练系统还可以提供各种动作、反应的真实感觉，不但可以让训练者从不同的角度、看到并感觉到各个动作是如何实施的，而且当训练者自己具体进行某种动作的训练时，还可以感受到该动作产生的效果，如在和虚拟的对手进行实战时，当训练者做一个动作时，系统会及时准确地计算出训练者动作的力度、速度，并使“对手”做出相应的反应（倒地、后退、进攻受阻、被制服等）。在训练过程中，加上相应的语言提示，对训练者取得的每一点进步都及时鼓励，同时及时纠正他们的缺点。VR 系统还可以同时播放一些音乐，并可以根据训练者的情绪播放不同的音乐。快节奏的音乐帮助训练者释放压抑的情绪，使训练者抛弃掉那种对艰苦枯燥的训练的厌烦情绪；而舒缓的音乐则可以使训练者放松，舒缓一下紧张的情绪。
总之，在进行警卫专业教学及训练时，应以科学的训练方法和指标测定为基础，使学员既不会因理论知识单调、技能训练艰苦而产生烦躁情绪，也不会因动作难做产生畏难情绪，更不会因运动量、训练强度过大而产生训练的副作用。这样的训练方法正确，具有实时性，一定会使警卫专业教学及训练的进程加快，起到事半功倍的效果。
研究制造一种集动作训练、功能测试和心理训练为一体的警卫专业教学及训练系统是目前警卫专业教学及训练一种趋势和需要。该系统的问世，会为警卫专业教学训练工作做出巨大的贡献，对教员和训练者而言，都是一个非常高效的训练工具。正是虚拟现实技术能够圆满地解决这个问题。
2.2 应用前景
新的运动教育理论认为，一门技能的掌握并不是单一地由教员经过理论和动作的教授得到的，而是训练者在一定的运动环境（如场地）下，借助他人（如教员、同训练者），利用必要的训练支持（如器材），通过理论——动作——再理论——再动作的循环过程有机获得的。由于一门知识或技能是在一定环境下，借助他人的帮助即通过人与人之间的合作活动而实现的过程，所以在警卫专业教学中需要的是“训练环境”、“交流协作”、“领会掌握”这三个过程。虚拟现实技术的特性最有利于这三个过程的体现，从而有效地创造训练条件，使训练者可以在其中进行自由探索和自主训练，激发训练者的训练积极性，帮助训练者掌握领会当前所学的知识、动作。
2．2．1创建真实的训练环境
训练环境中必须有利于训练者对所学知识、技能动作的领会和掌握，而且一定要创建真实、科学的环境。训练环境是动作领会和掌握的必要前提，是训练中的最重要的内容之一。VR技术是创建真实、科学环境的最有效工具，通过构造事件发展变化的虚拟环境，不仅为训练者提供视觉、听觉、触觉、嗅觉等各方面的感观刺激，使训练者融入到具有逼真效果的环境中去，如在进行实战训练时，VR系统可以提供不同水平的虚拟“对手”与训练者进行实战，也可以虚拟一个警卫工作的环境，让训练者来处置各种突发事件，以此来训练警卫人员的实际综合运用能力。教员可以根据反馈的信息，及时调整训练者的训练进程。而且，在虚拟训练环境中的教员能随时通过多种媒体收集各种反馈信息，对这些信息进行实时处理加工，使教员能够及时改善训练策略，创建一个更有利于训练者进行训练、可以激发训练者的兴趣和积极性、引导训练者主动训练的环境，提高训练效果。
2．2．2加快训练者的领会掌握进程
一门知识或技能动作的掌握是整个训练过程的最终目标。对于这个“知识、动作掌握”的过程，我们称之为“动作构建”。在学习训练过程中帮助训练者进行动作构建，就是要帮助训练者对当前所学知识、动作的用法、规律及该动作与其它动作之间的内在联系达到较深刻的理解。动作构建只能靠训练者自觉主动去完成，教员和外界环境的作用都是为了帮助和促进学员的动作构建。VR技术提供的虚拟训练环境呈现出多维度信息，使训练者能直接地、自然地与VR环境中的各种对象进行交互，接受VR系统提供的各种感观信息，使训练者能获得最大的控制和操作整个环境的自由度，使训练者对动作要领有更直观的理解，从而充分调动训练者的积极性和兴趣，使他们能够主动地去探索和发现新的东西；VR技术使训练者能够以各种形式参与到训练的发展变化过程中去，其行为将影响训练的发展方向，其反馈信息通过头、眼及身体各部分的跟踪器、摄像机、数据手套输入计算机，计算机再根据这些信息调整环境，改变呈现内容，从而导致环境与内容的实时变化，使训练者能获得更深刻的体验，更好地理解各种知识、动作和各种难点，达到有效的训练。如在做侧踹腿动作时，VR系统可以提供一个具有方向和不同大小的力的引导，训练者在进行踹腿动作训练时，有两个“角度”是训练中的重点和难点，即大腿和躯干之间的夹角约为900，小腿与大腿之间的夹角约为600，训练者往往难以把握这两个角度。VR系统可以根据反馈的信息，计算出训练者所做动作的角度，然后提供适当的力来纠正其错误。若训练者的踹腿动作过慢，该力又可以提供快速的牵引力，促使训练者加快速度。这样，训练者对于动作的要领就有了更切身的感受。
2．2．3 有助于训练的交流与协作
交流与协作始终贯穿于训练的过程中，二者是相辅相承的关系。交流是协作中必不可少的环节，训练者与教员、与同训练者甚至与环境之间都必须通过一定的交流才可以完成动作的领会、实现过程，如训练者通过与教员进行教与学的交流，才可以掌握领会动作；训练者之间进行心得体会的交流，才会互相取长补短；训练者借助一些训练器材进行训练，根据器材的反应也可知道自己训练的掌握程度如何。而协作的过程也是交流的过程，如教员看到训练者的动作后，对训练者进行指导；训练者之间进行实战训练后，相互知道自己的长处与不足。在目前的警卫专业教学训练中，交流与协作主要是通过语言、视觉作为传播的媒介，有经验的教练也可以通过听觉作为依据（如教员听训练者打拳靶、脚靶的声音而知其动作掌握程度），但往往不能很好地掌握训练者的真实水平。VR系统恰恰可以解决这个问题。借助VR系统的多种媒体传播方式，训练者可以非常好地与周围的环境进行交流与协作。如在虚拟的警卫工作中警卫指挥、战术、勤务是否合理、科学都能直观地反映出来；训练者在制服VR系统提供的“犯罪分子时”时，当他做完动作后，即与外界环境进行交流后，VR系统根据所反映的各种数据，计算出训练者动作的力度、方向，甚至可以计算出击打对手产生的效果。再将结果与教员、训练者进行交流，使训练者进行改进。可见，虚拟学习环境创设了一个寓人、物为一体的训练氛围，使训练者之间、训练者与教员之间能共同协作训练，在合作化的训练中创造性地解决所面临的困难和问题。
虚拟现实技术的构想性，使训练者能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，而虚拟化、形象化的训练内容和虚拟环境，又可以充分发挥训练者的想象力，使训练者能进行创造性的训练，有利于训练者发展联想思维和建立新旧动作之间的联系，产生新的创意。可见，VR训练系统对训练者动作的形成、发展及对其在当前所学动作中的掌握优势，是其它训练环境无法比拟的。
3 结束语
将VR技术引入到警卫专业教学及训练中去，使训练者可以接受逼真的三维训练，既科学又生动，既灵活又安全。在这样的系统中，通过对训练者进行简单易行的水平测试，就可以制定出适合该训练者的训练计划，并根据训练者的训练情况，随时进行调整。这样，既实现了更具有针对性的训练效果，又解决了器材少、测试不科学等问题，使训练变得有的放矢，更具有科学性和趣味性，从而能大大提高学习训练效果。
参考文献：
[1] 曾芬芳. 虚拟现实技术. 上海：上海交通大学出版社，1997. 54~72
[2] 汪成为, 高 文, 王行仁. 虚拟现实技术的理论、实现及应用. 北京：清华大学出版社，1996. 1~380
[3] Olof Hagsand. Interactive multiuser ves in the DIVE system. IEEE Multimedia Magazine, 1996, Vol 3(1)
[4] 韩庆，高庆利. 虚拟现实技术在教育领域的应用前景. 铁路计算机应用，1999，8
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