徐文靜，王鐵虎

（解放軍63963 部隊，北京 100072）

0 引言

21 世紀(jì)以來，戰(zhàn)場的廣域性和多維化特征愈發(fā)明顯，威脅對象多樣化、火力打擊多元化特征顯著，只有不斷提高武器裝備的態(tài)勢感知與目標(biāo)探測能力，先敵發(fā)現(xiàn)、先敵瞄準(zhǔn)、先敵打擊，才能取得陸戰(zhàn)場非對稱作戰(zhàn)優(yōu)勢。頭盔顯示系統(tǒng)作為一種智能敏捷態(tài)勢感知設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空戰(zhàn)斗機、直升機的觀察瞄準(zhǔn)與顯示操控，通過實戰(zhàn)運用證實能夠大幅增強戰(zhàn)斗員對外界戰(zhàn)場的態(tài)勢感知能力，提高裝備作戰(zhàn)能力［1］。

通過借鑒航空領(lǐng)域頭盔顯示技術(shù)的應(yīng)用成果，以美國為首的各軍事強國正在針對地面裝甲裝備開展裝甲“透視”技術(shù)研究，已取得初步研究成果，該項技術(shù)旨在提升裝甲裝備的多維戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力、多目標(biāo)快速智能探測識別與威脅判定，進而提高裝甲裝備的戰(zhàn)場生存力及智能化水平。隨著技術(shù)演進，未來有望實現(xiàn)裝甲車輛的閉艙駕駛，變革裝甲裝備設(shè)計與駕駛操控方式，創(chuàng)新裝甲裝備作戰(zhàn)樣式，提升裝甲裝備信息化、智能化作戰(zhàn)能力。

1 頭盔顯示系統(tǒng)概述

1.1 頭盔顯示系統(tǒng)概念與分類

頭盔顯示系統(tǒng)利用光學(xué)鏡頭將顯示器輸出的圖形圖像顯示在人眼觀察舒適的視野范圍內(nèi)，是一種能在不占用使用者雙手的同時，為使用者提供可視化圖形圖像的可穿戴近眼顯示設(shè)備［2］。頭盔顯示系統(tǒng)具有模塊化、自定義顯示、靈巧輕便和無需手持的特點，既可作為獨立的顯示設(shè)備，也可與雷達(dá)、陀螺儀、夜視儀等外圍設(shè)備配合使用，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［3］。目前，航空飛行員的頭盔顯示系統(tǒng)能夠?qū)⒚闇?zhǔn)標(biāo)記、航電數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場態(tài)勢等信息直接投影到頭盔顯示器上，使飛行員可隨時掌握各種態(tài)勢信息［4］。

綜合分析目前各類頭盔顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，其主要由圖像信息顯示源、光學(xué)成像系統(tǒng)、頭部位置檢測裝置、傳感定位系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)、頭盔與配重輔助裝置等幾部分組成［5-7］。各部分之間緊密耦合，每一部分的性能直接關(guān)系到頭盔顯示系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

頭盔顯示系統(tǒng)按照技術(shù)路線、工作原理、顯示方式及使用環(huán)境不同，有多種分類方法［8］：1）按照技術(shù)路線分為虛擬現(xiàn)實型（直視型）、增強現(xiàn)實型（透視型）和混合現(xiàn)實型；2）按工作原理分為光電式、電磁式、機電式、超聲波式及其他形式［9-10］；3）按顯示方式分為單色顯示、彩色顯示、平板顯示和其他顯示；4）按使用環(huán)境分為晝視型和晝夜可視型；5）按使用場合分為陸用和機載頭盔顯示系統(tǒng)。

1.2 頭盔顯示系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展沿革

從第1 代頭盔顯示器踏上歷史舞臺到今天美國四代戰(zhàn)機F-35 的頭盔顯示系統(tǒng)步入實戰(zhàn)運用，歷經(jīng)50 余年發(fā)展歷程，按照性能和技術(shù)特點，機載型頭盔顯示系統(tǒng)大體經(jīng)歷了3 個代際的發(fā)展［11］，從有限視場擴展到全景大視野，從少量信息顯示發(fā)展到多功能智能顯示，從單一目標(biāo)識別進階到多目標(biāo)精準(zhǔn)識別，目前以增強現(xiàn)實型顯示系統(tǒng)為重點發(fā)展方向。頭盔顯示技術(shù)在軍事航空領(lǐng)域的應(yīng)用，為提高戰(zhàn)機作戰(zhàn)效能和減輕飛行員任務(wù)負(fù)擔(dān)發(fā)揮了重要作用。

隨著需求推動與技術(shù)發(fā)展演進，第4 代頭盔顯示系統(tǒng)已經(jīng)初見端倪。以美軍F-35 戰(zhàn)斗機頭盔顯示瞄準(zhǔn)器為代表的新一代智能頭盔顯示系統(tǒng)［12］，通過飛機上的分布式合成孔徑系統(tǒng)（EODAS）攝像機和傳感器能夠為飛行員提供360°觀察視角，使飛行員視野能夠穿透戰(zhàn)機底部不受遮擋，提升夜間航行以及航母起降安全性。當(dāng)飛行員注視某個方向，頭盔顯示系統(tǒng)便可精準(zhǔn)定位角度，實時顯示機外畫面。對于觀察視場外的威脅目標(biāo)，頭盔顯示器將自動告警，從而減輕飛行員的目標(biāo)識別與判斷強度。在F-35 戰(zhàn)斗機上已經(jīng)取消了駕駛艙平視顯示器，所有飛行信息以及目標(biāo)信息全部集中到頭盔顯示系統(tǒng)中［13］。

2 軍事領(lǐng)域陸用頭盔顯示系統(tǒng)的技術(shù)方法

2.1 陸用頭盔顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

與機載頭盔顯示系統(tǒng)一樣，其共性關(guān)鍵技術(shù)主要集中于頭部跟蹤器技術(shù)、頭盔和顯示器模塊化技術(shù)以及微顯示器技術(shù)［14］。陸用頭盔顯示器有其明確的軍事需求：1）大視場高亮度；2）跟蹤快速響應(yīng)；3）高分辨率圖像顯示；4）外形緊湊質(zhì)量輕巧。圍繞此需求國內(nèi)開展了廣泛的研究開發(fā)工作。

2.2 國內(nèi)陸用頭盔顯示系統(tǒng)的技術(shù)路線

2.2.1 車載視頻觀察系統(tǒng)

2015 年，王永杰［15］提出了一種坦克車載視頻觀察系統(tǒng)，將安裝有攝像頭的云臺置于車體外壁，艙內(nèi)乘員通過控制云臺轉(zhuǎn)動，采集不同角度視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于艙內(nèi)顯示器上。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計在實戰(zhàn)應(yīng)用中不利于坦克隱蔽，會降低裝甲車輛戰(zhàn)場生存力。且視頻圖像未經(jīng)全景拼接，畫面獨立、視角有限，不利于車內(nèi)乘員全面掌控戰(zhàn)場態(tài)勢。同時，由于該系統(tǒng)需要手動操控云臺和持續(xù)觀察顯示器，增加乘員操作強度、降低觀察效率。

2.2.2 視頻圖像拼接系統(tǒng)

沈峘［16］提出了一種基于拼接視頻圖像的汽車行駛記錄系統(tǒng)，將多個攝像機置于車身外壁，將攝像機拍攝的多路視頻通過拼接處理模塊進行圖像整合，獲得360°全景圖像。該系統(tǒng)通過自動采集與全景拼接獲取360°圖像，但卻帶來了圖像信息過剩冗余問題，使視頻處理模塊的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)加重，影響場景信息的高效實時顯示。

2.2.3 基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的大視場圖像實時拼接

楊磊等［17］提出了一種以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)為核心的大視場圖像實時拼接技術(shù)。該技術(shù)對圖像進行亮度調(diào)整，主要利用相位相關(guān)法完成相對平移量檢測、配準(zhǔn)，采用線性加權(quán)融合算法對配準(zhǔn)圖像進行融合處理。該系統(tǒng)簡單可靠，增大視場，同時具有較高清晰度，實時性強。但是，該系統(tǒng)采取的配準(zhǔn)方法易受到攝像頭拍攝質(zhì)量影響，當(dāng)各個攝像頭處于光照情況不同或者拍攝參數(shù)不一致的情況時，配準(zhǔn)精度明顯降低。

2.2.4 光電分布式合成孔徑系統(tǒng)（EODAS）

光電分布式合成孔徑系統(tǒng)（EODAS）結(jié)合了光電系統(tǒng)的被動探測和分布式結(jié)構(gòu)的全向功能特點，在當(dāng)前越來越復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境下能夠有效提升平臺的環(huán)境態(tài)勢感知能力［18］；該系統(tǒng)通過多圖像采集設(shè)備協(xié)同的工作方式，調(diào)用多個子孔徑對目標(biāo)進行全息探測，然后將探測信息綜合起來，得到較大的數(shù)值孔徑，使得觀察人員可以感知更加開闊的視野。光電分布式孔徑系統(tǒng)（EODAS）依托其先進性，成為未來光電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

2018 年，南京理工大學(xué)的蔣曉東［19］提出了一種基于頭盔顯示的裝甲車輛艙外觀察系統(tǒng)方案及新型視頻處理方法。該方案屬于EODAS 應(yīng)用，通過艙外攝像頭組拍攝多路視頻，利用位置敏感探測器（PSD）光學(xué)定位與慣性傳感單元姿態(tài)傳感電路模塊協(xié)同處理，獲取當(dāng)前駕駛員的視角信息。新型視頻處理方法為：1）根據(jù)視角信息提取所對應(yīng)的視頻圖像，進行視頻圖像的校正、穩(wěn)像、特征匹配與圖像融合處理過程的硬件電路實現(xiàn)；2）充分利用硬件并行結(jié)構(gòu)對圖像特征匹配尺度不變特征變換（SIFT）算法進行加速，形成一幅大視場的艙外場景圖像；3）借助頭盔顯示器以透視疊加形式直接呈現(xiàn)在駕駛員眼前，實現(xiàn)基于頭盔顯示的裝甲車輛大視場觀察。該方案可以有效克服傳統(tǒng)潛望鏡觀察視角有限、操作強度大等缺陷，有效避免了360°全景圖像拼接的信息過剩與圖像融合效果差等問題。

3 外軍基于頭盔顯示的裝甲透視成果應(yīng)用

目前各國在役的裝甲裝備，乘員基本通過潛望鏡、瞄準(zhǔn)鏡、車長周視鏡等觀瞄設(shè)備觀察戰(zhàn)場、識別目標(biāo)，目視視場小、觀察手段單一，導(dǎo)致大范圍多目標(biāo)的探測識別能力弱，并且人員需要長時間緊貼觀瞄裝置目鏡操作，持續(xù)作戰(zhàn)能力不足，目標(biāo)自動跟蹤識別等智能化程度低。但近幾年來，世界各軍事強國將航空領(lǐng)域較為成熟的頭盔顯示系統(tǒng)引入地面坦克裝甲車輛，帶來了基于頭盔顯示的裝甲透視技術(shù)革命。

3.1 裝甲透視實現(xiàn)途徑

“裝甲透視”是借助車載分布式傳感器獲取全息外界影像，通過智能頭盔顯示系統(tǒng)實現(xiàn)乘員對信息的感知與運用，概念形式如圖1 所示。通過利用多源信息融合、增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字繪圖等技術(shù)，將戰(zhàn)場環(huán)境、目標(biāo)位置等信息投影在頭盔顯示器上，使裝甲車輛乘員能夠在封閉甚至無窗的駕駛、乘員艙內(nèi)“透過”車輛裝甲實時感知車外環(huán)境，完成車輛駕駛、作戰(zhàn)指揮以及武器操控等多樣化任務(wù)［20］。

圖1 裝甲透視概念圖

3.2 外軍研發(fā)成果

2016 年～2018 年，世界各軍事強國針對基于頭盔顯示的裝甲透視技術(shù)研究迅猛發(fā)展，成果豐碩。

3.2.1 美國研發(fā)頭盔式立體視覺系統(tǒng)

2018 年7 月，美國陸軍坦克車研發(fā)工程中心與霍尼韋爾航空航天公司合作研發(fā)了新型頭盔式立體視覺系統(tǒng)。該頭盔顯示系統(tǒng)綜合運用高分辨率360°情境感知傳感器、先進通信、無人空中載具等前沿技術(shù)改進車輛平臺，利用頭盔式顯示器取代車窗，通過固定在車輛上的相機和傳感器將數(shù)據(jù)提供給車載計算機，拼接成連貫圖像顯示在頭盔顯示器上，并利用增強現(xiàn)實技術(shù)疊加來自各信息源的關(guān)鍵信息，增強駕駛員視覺［20］。

3.2.2 英國研發(fā)“戰(zhàn)場視圖360”系統(tǒng)

2017 年，英國航太系統(tǒng)（BAE System）公司研發(fā)“戰(zhàn)場視圖360”頭盔顯示系統(tǒng)［21］。該系統(tǒng)由安裝在車輛外部的攝像機、傳感器和智能頭盔組成，能夠?qū)④囃鈱嵕暗貓D數(shù)據(jù)與其他戰(zhàn)場信息融合，如圖2所示，顯示在智能頭盔的透明單片眼鏡顯示器上。

圖2 英國“戰(zhàn)場視圖360”系統(tǒng)視覺畫面

該系統(tǒng)作為一種敏捷態(tài)勢感知工具，不僅能為車內(nèi)乘員提供360°實時視圖，還可以將外接平板顯示器聯(lián)入系統(tǒng)進行功能擴展［22］，將戰(zhàn)場上的各類數(shù)據(jù)信息進行匯總整理、分類標(biāo)記，進而實現(xiàn)態(tài)勢追蹤，亦可將數(shù)據(jù)信息傳遞給作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他作戰(zhàn)單元。

該系統(tǒng)通過開放式架構(gòu)設(shè)計，能夠與任意車型或操作系統(tǒng)進行集成［23］。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)完成與CV90 裝甲車、布拉德利步兵戰(zhàn)車的演示測試，此項設(shè)計可以大幅增加新研裝備的軍事經(jīng)濟效益。

3.2.3 以色列研發(fā)“鐵視”頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

2017 年，以色列埃爾比特系統(tǒng)（Elbit Systems）公司借鑒其航空領(lǐng)域傳感器及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，研發(fā)出“鐵視”頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)［24］。該頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)運用分布式合成孔徑系統(tǒng)概念，利用坦克外圍部署的多部傳感器，以零延時高清模式顯示外部畫面信息，實現(xiàn)人員對外界的360°全向感知，如圖3 所示，為坦克乘員營造真實的外界環(huán)境視角，實現(xiàn)“透視”裝甲。以色列“梅卡瓦”MK4 主戰(zhàn)坦克即將升級該項裝甲透視技術(shù)，預(yù)計在未來3～4 年內(nèi)投入使用［25］。

圖3 “鐵視”頭盔系統(tǒng)顯示的裝甲車外部“透視”畫面

3.2.4 烏克蘭研發(fā)“環(huán)繞觀察”系統(tǒng)

2017 年10 月，烏克蘭基輔安防展上展出了透明裝甲公司研發(fā)的“環(huán)繞觀察”系統(tǒng)，該系統(tǒng)由集成全息透鏡的頭盔、安裝在裝甲車側(cè)面的晝夜攝像機和透明裝甲軟件組成，可為車輛乘員實時提供戰(zhàn)場360°高清視圖，使用戶能夠觀察、鎖定并攻擊目標(biāo)，并可接收來自無人機系統(tǒng)等其他信息源的目標(biāo)標(biāo)識與視頻信號。

3.2.5 挪威將智能穿戴設(shè)備Oculus Rift 頭盔引入軍事領(lǐng)域

2018 年5 月，挪威陸軍開展實驗，將Oculus Rift頭盔用于坦克駕駛系統(tǒng)。通過安裝在坦克外側(cè)的攝像頭，駕駛員穿戴此設(shè)備獲取車輛外界信息，實現(xiàn)駕駛坦克。同時設(shè)計可集成于“戰(zhàn)場管理系統(tǒng)”的增強現(xiàn)實軟件，使駕駛員通過頭盔面罩即可觀察到武器、戰(zhàn)場雷區(qū)、敵軍等多類別目標(biāo)，增強車內(nèi)乘員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力［26］。

4 基于頭盔顯示的裝甲透視功能分析與前景展望

4.1 功能特征分析

4.1.1 全方位精確態(tài)勢感知

通過采用與人眼視網(wǎng)膜分辨率相當(dāng)?shù)耐獠繑z像機，能夠帶給裝甲車輛乘員逼真的全方位車外視野，使乘員位于車內(nèi)良好防護前提下，提供連續(xù)無縫的360°全景視圖，增強態(tài)勢感知能力。

4.1.2 全天時全天候信息獲取

通過配備高分辨率日光攝像頭、紅外、熱成像模塊等傳感器設(shè)備，實現(xiàn)變焦觀察、晝夜觀察，且具備發(fā)現(xiàn)識別隱藏目標(biāo)的能力。從而增強駕駛員在低光照、低能見度環(huán)境中獲取周圍態(tài)勢以抵御局部威脅的能力。

4.1.3 與任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)可以與任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)集成，實現(xiàn)信息共享。不僅可以向操作人員提供外部實時圖像，還可以利用人機界面顯示車輛架構(gòu)信息以及戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息。

4.1.4 模塊化設(shè)計滿足自定義及功能擴展

安裝在裝甲車外部的傳感器部件采取模塊化設(shè)計，允許軍方根據(jù)不同作戰(zhàn)層級、不同作戰(zhàn)環(huán)境需求進行自定義選裝，并可加裝額外的傳感器以增強對特殊目標(biāo)的感知與識別能力。

4.2 軍事應(yīng)用中需關(guān)注的技術(shù)難點

1）圖像數(shù)據(jù)處理及計算速度

近年來，計算機高速運算能力飛速增長，但對于高分辨率圖像的數(shù)據(jù)處理與計算依然具有挑戰(zhàn)性。計算機處理視網(wǎng)膜級別細(xì)節(jié)圖像數(shù)據(jù)的速度仍有待提高。

2）人機界面及顯示集成設(shè)計

當(dāng)前，裝甲車內(nèi)乘員觀察、駕駛、操控、指揮等各類任務(wù)日趨飽和，工作強度較大。在有限的物理空間、能力空間引入新技術(shù)時應(yīng)充分考慮人機工效問題，通過研發(fā)高效簡潔的人機界面、開展集成化設(shè)計，減輕乘員操作使用負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

3）網(wǎng)絡(luò)安全與物理安全設(shè)計

一方面，基于頭盔顯示的態(tài)勢感知系統(tǒng)在接入網(wǎng)絡(luò)后即面臨著網(wǎng)絡(luò)威脅，應(yīng)采取技術(shù)手段避免信息數(shù)據(jù)的錯傳、失傳以及大范圍延時。另一方面，各類傳感器在物理域也會面臨遭受破壞的風(fēng)險，應(yīng)考慮傳感器模塊的集成設(shè)計與優(yōu)化，以減少物理損壞或失效的發(fā)生概率。

4）車內(nèi)抗電磁干擾設(shè)計

裝甲車駕駛室內(nèi)的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，需要通過硬件設(shè)計、軟件算法等方式實現(xiàn)抗電磁干擾，確保乘員觀察到的信息實時準(zhǔn)確。否則電磁干擾引發(fā)的視覺變形與暈動將大幅影響車輛的環(huán)境感知與駕駛操控能力。

4.3 未來集成應(yīng)用前景

1）支撐裝甲車輛閉艙駕駛概念實現(xiàn)。裝甲透視技術(shù)是閉艙駕駛概念實現(xiàn)的重要手段支撐，尤其針對復(fù)雜城市作戰(zhàn)環(huán)境，在頂部艙門始終關(guān)閉情況下實現(xiàn)操控車輛與武器平臺，使乘員在裝甲防護座艙內(nèi)實現(xiàn)智能感知、車輛駕駛與武器操控。該項技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用將改變未來裝甲車輛的設(shè)計與操控方式，變革地面突擊裝備作戰(zhàn)樣式，大幅提升車內(nèi)乘員的戰(zhàn)場生存能力以及裝甲車輛智能化水平。

2）與遙控武器站集成。將頭盔顯示系統(tǒng)與裝甲車輛遙控武器站的觀測、瞄準(zhǔn)功能進行整合，武器操作手即可獲得增強型的戰(zhàn)場態(tài)勢與目標(biāo)信息，快速實現(xiàn)對打擊目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識別與鎖定，自動匹配打擊武器自動裝彈，操作手確認(rèn)后即可發(fā)射，實現(xiàn)快速打擊，從而大幅提高武器操作手工作效率，實現(xiàn)“觀察-鎖定-發(fā)射”全鏈條輔助功能。

3）與聯(lián)合作戰(zhàn)體系內(nèi)偵查情報系統(tǒng)的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)交聯(lián)互通，實現(xiàn)與無人機、無人車、單兵戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)交互、融合。為裝甲車輛的戰(zhàn)場全域感知、廣域打擊提供手段，提升裝甲裝備的信息力與打擊力。

5 結(jié)論

目前，世界各軍事強國針對基于頭盔顯示的裝甲透視已經(jīng)取得技術(shù)突破，形成領(lǐng)先優(yōu)勢［27］。該技術(shù)為裝甲裝備的智能化感知操控提供手段，增強裝甲車輛的態(tài)勢感知能力與戰(zhàn)場生存力。隨著人工智能、混合現(xiàn)實、融合感知等技術(shù)不斷發(fā)展，基于頭盔顯示的裝甲透視技術(shù)運用必將為未來復(fù)雜環(huán)境作戰(zhàn)帶來信息非對稱優(yōu)勢，為裝甲裝備智能化作戰(zhàn)發(fā)揮重要作用。