数字化迷彩伪装虚拟仿真实验系统课的设计与开发
祖梅程海峰尹昌平刘东青李铭洋
［摘要］结合国防科技大学空天科学学院伪装技术实验教学的实际情况，根据教学大纲的要求，设计开发了数字化迷彩伪装设计虚拟实验仿真系统，学生可通过操作虚拟仿真软件进行迷彩伪装设计并展现伪装效果。系统采用模块化设置，可以根据用户的需求进行组合，全方位适应不同用户的测试要求。采用虚拟仿真便于教学，不仅能使课前预习、课堂操作、课后练习与作业及课下答疑等教学环节在数字化课堂上灵活呈现，还有利于培养学生的动手能力、创新能力和探索新知识的能力。
［关键词］数字化；迷彩伪装；虚拟实验仿真系统
［基金项目］2020年度教育部“复合材料制备与损伤修复虚拟仿真实验项目建设”（201902044076）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）12-0069-04［收稿日期］2022-04-05
开展实验教学的目的在于通过学生的具体操作深入理解和掌握所学知识。伪装隐身技术与装备不仅是现代高技术战争中作战保障的重要组成部分，还是有效防御或进攻作战的一种直接有效的手段，甚至影响战局的成败［1］。高效的伪装隐身技术和装备将有利于提高我军的生存能力和作战能力，通过虚拟仿真实验激发学员为国防科技事业奋斗的积极性。学员经过系统的理论学习和技术学习，针对我军面临的军事伪装隐身实际难题，模拟作战要求与战场环境，学员进行综合伪装隐身设计实验，做到学以致用，培养研究生运用所学知识为国防现代化建设服务的实践能力和综合素质［2-3］。采用以工程化应用为导向的虚拟实验教学方法。教学逐步从学员观摩向动手参与转变，实验设计从学员的实践经验出发，在充分考虑学员理解、动手等能力和专业特点的基础上，设计简单的、对理解课程内容有利的、学员付出一定的努力能夠实现的实验，帮助学员理解课程内容，提高动手动脑能力，培养创新意识和发现问题、解决问题的能力［4］。虚拟仿真实验教学的设置有助于跳出传统的课堂框架，将课堂和书本中的理论落到实处，更好地与实践联系，在学生亲身体验或者亲自动手参与的过程中，抽象的知识变得具体化。学生不断探索和发现，深入课堂，活跃其思维，充分调动其积极性，更容易发现问题和解决问题，提高工程实践能力［5］。
一、实验概述
伪装技术是指能消除、减小、改变或模拟目标与背景之间光电信号的差别。迷彩伪装技术则是用涂料、染料及其他材料改变目标、遮障、地表背景颜色及斑点图案而实施的伪装，主要用于缩小目标与背景之间的颜色及斑点图案差别，达到降低目标显著性和改变目标外形的目的。伪装技术应用的作战场景主要有林地、荒漠、雪地三种。作战目标以坦克为例，与无人侦察机巡游探测形成对抗关系，对比目标伪装与非伪装状态下与作战背景的融合效果，从而引出迷彩伪装设计的重要性，并还原迷彩伪装设计流程，包括采集背景样本图像、背景特性分析、量化颜色、生成迷彩伪装图像等重要步骤，最后通过主观判读法对伪装效果进行评价［6］。
（一）技术路线
虚拟软件系统应涵盖伪装技术教学实验大纲的要求内容，并结合学校的需求扩展定制实验，以有助于实际教学为目标，力求简洁、实用和高效。虚拟模拟和数值计算结合，以及细致的虚拟演示功能，使得虚拟实验过程与实际操作系统结合，真正实现实验操作的三维化演示。前提：虚拟数据应以实际的真实数据为依据（每个用户虚拟数据均不同），要求虚拟实验逼真、合理。必须注重专业，实用性要强，对机房的要求低，运行效率高且交互性强，又不失严肃性。图1为模块一中查找图片中隐藏的动物，点击开始后，开始计时，通过观测发现时间反映图片中动物的伪装效果［7］。
（二）实验教学过程及方法
教学过程可分为三个部分：（1）教师在实验开始前发布线上课程资源，学生完成预习和自测；课堂开始后，教师对自测错误率较高的知识点进行约20分钟的重点讲解。（2）学生上机进行实验，约90分钟。（3）教师就学生实验情况进行简单讲评，约10分钟。
为了提升学生的学习效果，充分利用虚拟仿真的特点，发挥学生在实验过程中的主观能动性，虚拟仿真实验以游戏的形式引入主题，并以工程化实际应用为导向进行实验教学。下面主要对虚拟仿真实验中的“以工程化应用为导向”的实验教学方法进行详细介绍。实验由“自然界的伪装”“迷彩伪装设计”和“伪装效果判读”三个模块组成。其中“自然界的伪装”和“伪装效果判读”模块均以游戏形式对已有模型进行伪装效果人眼判读，通过发现目标的时间反映伪装效果。“迷彩伪装设计”模块则通过控制面板对不同变量进行切换，学生可多角度体验作战场景，并通过鼠标点击进入和返回，体验对多个背景进行伪装设计的效果。
数字化迷彩伪装设计虚拟仿真实验共分三个模块：模块一：动物伪装效果判读；模块二：迷彩伪装设计（包括作战场景认知和迷彩伪装设计