渊亭防务：美国扩展现实技术的军事应用

扩展现实（XR）技术将现实世界和数字世界结合前来，创造出新的交互和感知，可细分为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）技术。虽然商业和消费行业几十年来一直在投资扩展现实，但美军直到近期才逐渐扩大扩展现实潜在应用。当前，美国防部正加大扩展现实开支，其军事力量结构和网络安全也将随之受影响。

一、基本情况

（一）概念

扩展现实是连接或融合数字世界和现实世界的一系列技术的总称，包括虚拟现实、增强现实、混合现实技术，可带来包含各种程度数字信息和真实信息的沉浸式体验。不同的扩展现实技术能在现实世界和数字内容之间提供不同程度的感官沉浸和交互。虚拟现实（VR）是一种完全沉浸式的数字环境（如使用户置身虚拟世界的视频游戏）。增强现实（AR）使用智能手机、平板电脑或增强现实眼镜，将数字内容叠加到物理环境中（如Instagram滤镜）。混合现实（MR）是物理环境和数字环境的混合体，物理对象和数字对象可以在其中交互。与增强现实不同，混合现实可以使用户操控物理或数字对象，并与其他用户在同一混合现实环境中共享关于这些对象的视图（如在数字地图上协作标注敌军位置）。

（二）使能技术

扩展现实技术的发展有赖于一系列使能技术的的发展，如人工智能、5G、边缘计算等。人工智能可以解读大规模数据，为用户提供个性化、高度互动的扩展现实体验。5G网络和边缘计算可以提高数据速率、扩大用户容量、减少时延，从而为更复杂、多样化的扩展现实技术提供更可靠的高带宽通信。美国防部目前正在路易斯麦科德-联合基地和圣安东尼奥联合基地测试5G使能的扩展现实应用。

（三）工作原理

扩展现实设备向人类感官发送本地存储或通过网络共享、传输的数字信息，也可以使用传感器收集信息并接受指令，主要通过实现对虚拟刺激的实时反应，创造个性化的体验。每一种扩展现实设备都需要支持技术，具体技术因体验类型和实际应用而异。例如，设备技术人员可能会佩戴配置摄像机、距离和定位传感器的全息头戴式显示设备，这种扩展现实技术设备可以帮助他们完成检查或维修。

（四）发展现状

尽管扩展现实已经存在几十年，但其并未实现广泛应用。到2022年1月，已有多种扩展现实硬件系统和软件开发平台在市场上可见，其市场正在迅速扩大。例如，有市场研究预估，增强现实/虚拟现实头戴设备的年度出货量将从2021年的970万增加到2025年的3280万，这种增长主要归因于更复杂设备的开发（如智能手机）、对更熟练更具生产力员工不断增长的需求，以及新冠病毒疫情爆发对工作场所人际互动的破坏。然而，扩展现实在企业和政府中的应用仍然有限。很多应用都只是试点项目，不是成熟应用。全面部署这些应用需针对不同应用环境进行针对性调整，也需要关键使能技术广泛可用。

（五）机遇和应用

扩展现实技术可用于工作场所协作、培训、教育、治疗及数据利用和分析，也支持创建在线世界或称“元宇宙”（用户可以在其中相互交流）。

一是协作。扩展现实提供数据共享和数字工作环境，从而能支持协同设计、规划和决策。二是培训和教育。现实环境中，很多训练成本高昂或危险性较高，而扩展现实可以实现更低成本、更安全地完成此类训练。三是治疗。沉浸式环境可用于治疗成瘾、焦虑、自闭症和其他疾病，也可以让医学专家在三维空间中虚拟检查器官或身体系统，其评估效果显著高于二维平面评估效果。四是数据分析。在扩展现实环境中分析数据可能会得到新的知识或决策。

（六）当前挑战

一是网络安全和隐私。扩展现实将需要更加多样化和复杂的数据，这就为网络攻击和利用提供了新的目标。二是使能技术。扩展现实充分发挥潜力所基于的某些技术（包括人工智能和5G）尚未成熟，并且，这些技术也不是所有用户都负担得起或接触得到。三是对用户的影响。扩展现实环境可以为网络上已经常见的负面现象创造新的空间，此外，一些用户在使用沉浸式扩展现实应用时会出现晕动症、迷失方向等，长期沉浸于扩展现实应用对用户认知功能的影响尚不清楚。

二、军事应用

美国军方正在探索一系列扩展现实应用，包括战术、飞行、维修、医疗和其他训练、培训以及作战，每个军种都有研发项目。

（一）训练

美国防部研究与工程副部长徐若冰称，国防部计划在游戏行业增强现实/虚拟现实和实时训练基础上开发针对国防部的扩展现实项目，让军队得以进行在物理环境中代价过高或过于危险的训练演习，遥远地区军人也可以一起训练。

美陆军“合成训练环境”就是计划整合进实战训练的扩展现实训练环境，旨在让士兵“在战斗开始前，置身将要战斗的地方，与将要共同战斗的伙伴一起，面对包括人口密集城市、林地、丛林、沙漠、地下场景的复杂作战环境而训练”，使其通过重复训练，更高效地提高熟练程度，进而提高战备性和杀伤力。

美空军利用扩展现实进行飞行训练，旨在减少成本、训练时间和飞机磨损。空军也在探索扩展现实用于维修训练，正在建造虚拟训练机库，以便各种机型可随时随地进行训练。

美海军则寻求利用扩展现实将工程师和维修人员联系起来，使他们能跨全球、实时、共同解决维修问题。

美国防部正在审查医疗培训类扩展现实应用，以实现分布式学习，提高医疗培训课程的效率。

（二）作战

美军长期将扩展现实技术集成进飞行员和机组人员使用的平视显示器（HUD）和头盔显示器（HMD）中。这些显示器可以提供动态飞行信息和传感器信息，提高用户的态势感知能力并改进武器的目标瞄准能力。

以F-35战斗机的头盔显示器为例，来自F-35外部摄像头的输入信息可以为飞行员提供360度周围环境视野；也可以显示夜视影像和热影像，并将技术细节信息叠加其上（如高度、速度等信息）。

美陆军正在开发“一体化视觉增强系统”（IVAS），这是一种基于微软商用全息透镜HoloLens的加强型混合现实头戴式设备。根据陆军的有关文件，IVAS“将下一代全天候态势感知工具和高分辨率数字传感器整合起来，交付一个平台，改进士兵的感知、决策、目标捕获、目标交战”，该系统最终将集成到地面和空中平台上。

（三）潜在问题

一是经济可承受性。扩展现实军事应用的前期开发成本差异较大，如，美陆军IVAS作为美军最大扩展现实项目之一，十年期投资成本高达220亿美元，但一旦部署后，扩展现实系统可能会在人员、实弹、操作平台方面显著降低训练成本。因此，有必要对扩展现实军事应用的优缺点进行评估。

二是技术成熟度。虽然扩展现实技术的某些军事应用（尤其是集成了独立增强现实技术的军事应用）已经相当成熟，但其他应用仍然处于较为初级的开发阶段，需要更高水平的技术集成，或正在部署、测试方面遭遇延迟。此外，关键使能技术（人工智能、5G等）的可用性也是扩展现实军事应用发展的前提。

三是人员。扩展现实应用可能会对美军人员和部队结构产生影响。美军一旦可以利用相关应用提高训练和作战效率，则训练部队方面人员需求可能会降低，甚至军队总体人员需求可能降低；与此同时，扩展现实应用的推广也可能会增加IT、网络安全等人员需求，抵消其因提高效率带来的军队总体人员需求减少。

四是网络安全。军队扩展现实系统的推广将带来额外的网络安全风险，特别是依赖高价值目标数据库实现武器维护、图像分类或其他功能的系统，这些系统一旦被渗透，有关美国武器系统的关键信息以及美军如何训练进而如何作战的信息可能因此泄露给对手。用于作战的扩展现实系统则可能使对手有机会扭曲协调军事行动的通用作战图，带来影响作战效果的严重后果。