"Wirtualne" okulary dla żołnierzy. Rozszerzona rzeczywistość w armii

Po burzliwych początkach, w dniu 15 stycznia 2015 roku ogłoszono zakończenie produkcji okularów „Google Glass”, zapewniających pracę w tzw. rzeczywistości rozszerzonej - Augmented Reality(AR), czyli z militarnego punktu widzenia z wyświetlaczem HUD - systemu head/helmet mounted display (HMD). Pomimo tego nadal pracuje zespół zajmujący się rozwojem kolejnych prototypów i jego dalszymi modyfikacjami w tym zapewnieniem bezpiecznego użytkowania dla ludzi.

Cechą charakterystyczną systemu, o których mowa, jest bezkolizyjne przedstawianie realnej rzeczywistości z informacjami przesyłanymi drogą elektroniczną. Zapewnia on poprawne widzenie naszego otoczenie, ale na zamontowanych przed naszymi oczami wyświetlaczach prezentowane są też różne informacje dodatkowe, najczęściej korespondujące z obrazem, który widzimy „w realu”.

Okulary AR działają zazwyczaj w oparciu o dwa standardowe rozwiązania:

- posiadają wbudowane przezroczyste ekraniki/ekran, przez które widzimy obraz świata rzeczywistego;

- posiadają wbudowane kamery, nagrywające otoczenie znajdujące się przed użytkownikiem, a następnie to na wyświetlaczach zamontowanych na hełmie.

Oba te rozwiązania pokazują dodatkowo wygenerowane komputerowo informacje/obrazy nałożone na zobrazowanie otoczenia rzeczywistego.

Zarówno dla firmy Google, jak i innych producentów podobnych rozwiązań, oprócz ogromnego rynku zastosowań cywilnych ważne jest również zainteresowanie wojska możliwościami takich systemów. Chodzi zwłaszcza o element zwiększenia świadomości sytuacyjnej pojedynczych żołnierzy na polu walki. Dzięki wpięciu rzeczywistości rozszerzonej do świata realnego można w dużym stopniu polepszyć świadomość sytuacyjną i zarządzanie działaniami, a jednocześnie znacznie skrócić czas reakcji i przystosowania żołnierza do operowania w dwóch dotychczas istniejących środowiskach – rzeczywistym i tym zobrazowanym na ekranie przenośnego systemu wizualizacji.

Obecnie, w większości przypadków, systemy pozycjonowania, zobrazowania i przekazywania danych (jak GPS czy C4ISTAR) dla żołnierzy wojsk lądowych czy sił specjalnych są wyposażone w ekrany/wyświetlacze o różnych wielkościach/formatach, montowane na przedramionach lub hełmach (tzw. helmet mounted display system (HMDS)). Często są to różne rodzaje przenośnych laptopów lub zabudowane we wnętrzu wozów bojowych dodatkowe elementy służące do nawigacji czy zapewnienia łączności.

Do zasadniczych wad obecnych rozwiązań zaliczyć możemy:

- trudności w zaadoptowaniu przez żołnierzy, co wiąże się z koniecznością pogodzenia zobrazowania rzeczywistości widzianego oczami, z jednoczesnym wyświetlaniem wirtualnych danych, odbieranych przez ten sam kanał informacji (często wiąże się to też z wyświetlaniem danych tylko dla jednego oka);

- konieczność pogodzenia pracy w dzień i w nocy oraz różnych warunkach atmosferycznych przy zastosowaniu różnych elementów wyposażenia indywidualnego czy zespołowego;

- duża masa i wymiary obecnych rozwiań;

- dostosowanie poszczególnych rozwiązań do pracy w konkretnym ekwipunku (np. hełmie czy kamizelce taktycznej);

- konieczność wyłączania/zdejmowania urządzeń przy pracy na mapach czy innych wyświetlaczach przenośnych;

- występowanie szczególnych sytuacji – np. konieczność podglądu sytuacji na ekranie zamontowanym na przedramieniu w czasie prowadzenia ognia lub wypracowania ważnej decyzji na polu walki – mających wpływ na powodzenie przeżycie żołnierza czy całej misji;

- duże zapotrzebowanie na energie zasilającą.

Wobec okularów AR stawia się obecnie następujące wymagania:

- procesor z zegarem ≥ 1,5 GHz, o dwóch lub czterech rdzeniach i pamięci RAM powyżej 1 GB;

- wewnętrzna pamięć masowa ≥ 16 GB;

- wydaje źródło zasilania, wielokrotnego ładowania;

- wyświetlacz lub dwa oddzielne wyświetlacze o rozdzielczości ≥ 1280×720 (720p) i częstotliwości ≥ 30 fps;

- komunikacja: Bluetooth 2.0+EDR, 802.11b/g/n, GPS/GNSS;

- zintegrowana jednostka pomiaru inercyjnego: trzyosiowy akcelerometr, trzyosiowy żyroskop, trzyosiowy magnetometr;

- dodatkowe czujniki np. światła otoczenia, wysokości itp.;

-możliwość użycia kamery o rozdzielczości ≥ 1280×720 (720p) i częstotliwości ≥ 60 fps, mikrofonów;

- wydajny system operacyjny;

- zapewnienie poprawnego widzenia dzień i w nocy oraz w niesprzyjających warunkach atmosferycznych;

- ochronę przed oddziaływaniem wiązki laserowej;

- SDK (ang. software development kit) - narzędzia programistyczne umożliwiające programiście wykorzystanie urządzenia w tworzonych przez niego aplikacjach, wraz z zestawem akcesoriów;

- możliwość użycia szkieł korekcyjnych;

- odporna na zarysowania i uszkodzenia mechaniczne obudowa i wyświetlacz;

- zapewnienie własności użytkowych jak dla tradycyjnych okularów (ochrona oczu) oraz, dodatkowo, zwiększonej ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi, promieniowaniem laserowym czy intensywnym oświetleniem;

- dostosowanie do pracy w hełmie i dodatkowymi akcesoriami np. słuchawkami – uniwersalność użycia.

Wraz z „Google Glass” firma Google (oraz wiele innych firm i ośrodków na świecie) pracuje nad stworzeniem zmiennooptycznego komputera o parametrach użytkowych odpowiadających powszechnie wykorzystywanemu smartfonowi. Takie urządzenie znacznie zwiększy możliwości operacyjnego wykorzystania również systemów zobrazowania w postaci okularów AR, zredukuje ich wymiary i masę a - co najważniejsze - znaczącemu zmniejszeniu ulegnie też zapotrzebowanie na energię elektryczną. Zdaniem wielu specjalistów nowe urządzenie może być użytecznym narzędziem pracy, znajdującym zastosowania na lądzie, morzu i w powietrzu bez kosztownych i skomplikowanych zabiegów adaptacyjnych.

Rozwój zaawansowanego HMDS dla pilotów samolotów F-35 zapoczątkował zainteresowanie zastosowaniem rozwiązań tego rodzaju dla wojsk specjalnych czy wojsk lądowych (przede wszystkim do specjalistycznych zastosowań militarnych).

Okular AR

Jedną z firm zajmujących się rozwojem HMDS do zastosowań w wojskach specjalnych i armii lądowej jest amerykańska Osterhout Design Group (ODG) z San Francisco. Wytwarza ona m.in. okulary X-5 i X-6, które to rozwiązania wygrały zorganizowane przez US Army ćwiczenia Network Integration Evaluation (NIE), polegające m.in. na zintegrowaniu sieciowych, pozasieciowych i innych systemów w celu zapewnienia realizacji zadań, wsparcia logistycznego, treningu czy tworzenia struktur i sposobów rozwiązywania bieżących problemów. X-6 służył również do przekazywania w czasie rzeczywistym zobrazowania z BSP Gray Eagle.

Wcześniejszym rozwianiem ODG były okulary R-6S, których cena jednostkowa w 2015 roku wynosiła 5 000 USD. Działające w rzeczywistości rozszerzonej i otwarte na nowe aplikacje, zawierały odbiornik Bluetooth 4.0 802.11ac global navigation satellite system (GNSS), strukturę Custom ReticleOS i Android Kit Kard, czterordzeniowy procesor Qualcomm SnapdragonTM 805 z zegarem 2,7 GHz z wewnętrzną pamięcią masową 64 GB, kamerę nagrywającą w 1080p przy 60 klatkach na sekundę, zmienne obiektywy, w tym fotochronowe (jasne i przyciemniane), akcelerometr, żyroskop, magnetometr, sensor wysokości i naświetlenia oraz wilgotności powietrza. Zasilanie systemowi zapewnia 1300mAH bateria litowo-jonowa.

Okulary R-6S (wyglądem przypominające typowe okulary przeciwsłoneczne) o masie 156 g zapewniają żołnierzowi wyświetlanie i zapisywanie z wysoką rozdzielczością zobrazowania, w tym informacji objętych klauzulą bezpieczeństwa czy innych danych w czasie rzeczywistym, podczas wymiany informacji w ramach systemów własnych i sojuszniczych. Wraz z okularami ODG oferuje szereg modułów (stanowiących rodzaj przystawki) zwiększających możliwości urządzenia wyjściowego. Jest to seria składająca się z specyficznych dla danego rodzaju wojsk unikatowych narzędzi, wspomagających działania w zakresie ochrony przed bronią ABC i IED, danych biometrycznych czy śledzenia. Moduły takie nie tylko pomagają w ocenie i wypracowaniu sposobu rozwiązania zadania, ale znacznie zwiększają czas i komfort pracy żołnierza. Jedynym z ograniczeń wpływającym na zastosowanie okularów jest czas pracy, uzależniony możliwościami baterii, który w zależności od modelu wynosi od 1 do 12 godzin ciągłego działania.

Takie okulary dają unikatowe możliwości, zwłaszcza dla żołnierzy wojsk specjalnych, wywiadu czy niewielkich oddziałów operujących w specyficznym terenie. Dostarczają odpowiednią ilość krytycznych informacji, zdolnych do przyswojenia przez żołnierza tak, by mógł on jednocześnie skutecznie wykonać postawione przed nim zadanie. 

Bardziej komercyjnym rozwiązaniem firmy są okulary R-7, będące kolejną generacją takich rozwiązań. Ich cechą charakterystyczną jest podział szkieł na dwa, będące jednocześnie dwoma osobnymi ekranami dla obojga oczu, każde z nich zapewnia rozdzielczość 720p przy 30⁰ kącie widzenia. Po wymianie szkieł na przyciemnione można uzyskać zerową transparencję (z AR przechodzi się w VR). Posiadają one czterordzeniowy procesor Qualcomm Snapdragon TM 805 z zegarem 2.7 GHz, są wyposażone w 3 GB pamięci operacyjnej i 64 GB wewnętrznej pamięci masowej oraz podwójny stereofoniczny wyświetlacz, system Bluetooth 4.1, pozycjonowania GNSS, 3-osiowy żyroskop i magnetometr, czujniki wysokości, wilgotności, naświetlenia i kamerę nagrywającą w 1080p przy 60 klatkach na sekundę. Zasilanie odbywa się z baterii litowo-jonowej o pojemności 1300 mAh. W opcji z urządzeniem oferowana jest bezprzewodowa klawiatura, przenośny zasilacz czy soczewki korekcyjne. 

„Moverio” jest serią podobnych do R-6S okularów pracujących w rozszerzonej rzeczywistości, opracowywaną przez japońską firmę Epson. BT-2000 składa się z binokularu i inteligentnych okularów pierwotnie zaprojektowanych do użycia w celach rozrywkowych, przemysłowych czy środowisku medycznym. Każdy z obiektywów służy do zobrazowania własnej informacji w kątowym polu widzenia 23⁰. Ponadto w ich skład wchodzi system pozycjonowania GPS, kompas, czujnik żyroskopowy, akcelerometer i mikrofon. Okulary posiadają wbudowany dwurdzeniowy komputer z procesorem 1,2 Ghz, pamięcią RAM 1 GB i 8 GB ROM. Mogą obsługiwać pliki o formacie MP5, MPEG2, WAV, MP3, AAC i Dolby Digital Plus. BT-2000 może współpracować z ekranem zobrazowania wirtualnego X2, kamerą HD czy automatycznym systemem śledzenia. Zasilanie uzyskuje się z baterii litowo-polimerowej, co pozwala na około sześć godzin ciągłej pracy. Wymiary urządzenia wynoszą 170x185x32 mm, a masa 88 g (ze sterownikiem nadgarstkowym 124 g). Jak na razie Epson nie ujawnia zastosowania lub prac nad adaptacją okularów do celów militarnych.

Q-Warrior to opracowane przez BAE Systems okulary systemu HMD, będące aplikacją rozwiązań pierwotnie zaadoptowanych dla lotnictwa (Q-Sight). Bazują one na opracowanej w BAE technologii optycznego falowodu holograficznego. Ich głównym przeznaczeniem jest zapewnienie wojskom lądowym unikatowych zdolności w zakresie pozyskiwania i zobrazowania danych w różnych warunkach atmosferycznych, w dzień i w nocy. Zasadniczo produkt ten różni się od systemu TALOS czy lekkich okularów firm ODG i Epson. Lekkie zaciski przytrzymujące szkła/wyświetlacze są mocowane do dowolnego rodzaju hełmu lub standardowych okularów (np. ESS Profile taktycznych goglach).

Zapewniają one rozdzielczości 1024x768 pikseli w formacie XGA, współczynnik kontrastu wynosi 150:1 a maksymalna luminescencja 500 ft. Kątowe pole widzenia wynosi 40⁰, masa urządzenia wraz z 12 calowym wyświetlaczem, okularami i okablowaniem to 3,28 kg.

Kolorowe zobrazowanie pozwala na przekazywanie danych oraz bezproblemowe poruszanie się w otaczającym środowisku. W zastosowaniach militarnych (poza zobrazowaniem sytuacyjnym i przesyłaniem danych) wykorzystuje się przede wszystkim system rozpoznania swój-obcy, położenia wojsk własnych i sojuszniczych, pracę w systemie C2, czy po założeniu specjalnych nakładek C4ISTAR.

Q-Sight pokazuje obrazy z BSP czy innych systemów rozpoznania i wskazywania oraz współpracuje z systemem OpsCore używanym przez wiele wojsk specjalnych. W razie potrzeby można go złożyć, by nie kolidował w użyciu innych systemów zobrazowania czy ochrony osobistej. Trwają prace nad dostosowaniem Q-Warrior do użycia na śmigłowcach, a niektóre z jego elementów będą adoptowane do programu HMDS rozwijanego dla F-35 Lightning II.

Rockwell Collins i Elbit Systems również z myślą tym samolocie pracują nad HMDS zapewniającym kątowe pole widzenia 40⁰ o wysokiej dokładności, z zastosowaniem cyfrowych elementów i sensorów, dużą pamięcią gromadzonych danych i integracją z systemem ochrony przed wiązką laserową. Pierwsza z tych firm mówi również o możliwej aplikacji tego systemu do zastosowań w wojskach specjalnych, być może także lądowych, jednak na razie zaporowa wydaje się cena, wynosząca ok. 600 tys. USD za egzemplarz. 

Rockwell Collins rozwija system Proview SO35-MV i SO35-A, w którym do budowy wyświetlacza zastosowano aktywną matrycę sterującą opartą na organicznych diodach elektroluminescencyjnych (Active Matrix Organic Light Emitting Diode - AMOLED).

Do zalet takiego rozwiązania możemy zaliczyć to, że można z nich produkować zwijane wyświetlacze czy ekrany wszyte w odzież. Posiadają też większą skalę barw i jasność niż tradycyjne LCD, nie wymagają również podświetlenia, co zmniejsza pobór energii (zazwyczaj 200÷300 mW, co odpowiada 40 godz. pracy na baterii AA). Masa Proview SO35-MV to ok. 70 g. Kolor punktu obrazu na wyświetlaczu OLED pozostaje prawidłowy nawet, gdy kąt patrzenia bliski jest 90° względem wektora normalnego. Ich wadą jest jednak ograniczona trwałość - szacowany obecnie czas pracy wyświetlaczy wynosi od około 5000 do 10000 godzin. Ostatnio pojawiły się jednak doniesienia o uzyskaniu, w warunkach laboratoryjnych, czasu pracy OLED nawet na poziomie stu tysięcy godzin. Innymi produktami tej firmy, oferującymi podobne możliwości, są LE-720A i LE-600. Podobne rozwiązanie nazwane MicroOLED oferuje również Thomson.

W niemieckim systemie żołnierza przyszłości zastosowano wyświetlacz typu HMD firmy Carl Zeiss Optronics o rozdzielczości 800x600 pikseli w formacie RGB z 16,7 mln kolorów i ponad 256 odcieniach szarości. Współczynnik kontrastu wynosi 100:1, a maksymalna luminescencja 70 cand/m². Kątowe pole widzenia wynosi 30⁰ (pożądane jest 40⁰) a sam system optyczny ma masę 40 g.

Urban Leader Tactical Response Awareness and Visualisation (ULTRA-Vis) to system rozwijany przez DARPA, którego zadaniem będzie przekazywanie żołnierzom operującym w terenie zurbanizowanym danych związanych z dowodzeniem i położeniem sił własnych i przeciwnika. Umożliwiać on będzie właściwą ocenę sytuacji i - przede wszystkim - zwiększał świadomość sytuacyjną, podobnie jak dotychczasowe systemy dla załóg śmigłowców czy samolotów bojowych. Nakładane na naturalny obraz, generowane komputerowo informacje dostarczać będą takich danych jak aktualna pozycja, dane o przeciwniku czy rozkazy do wykonania.

Firmy RX Networks i Recon Instruments oferują okulary z wyświetlaczem HUD i nawigacją GPS, nazwane Recon Jet smart. Ich zadaniem jest precyzyjne i szybkie pozycjonowanie. Czas odczytu pozycji ma skrócić się z obecnych 45 s do ok. 3 s, co wymaga znacznej poprawy czułości odbiornika. W okularach umieszczono moduły Wi-Fi, Bluetooth, GPS, czujnik żyroskopowy i kamerę HD. Na razie w zastosowaniach rekreacyjnych poza określeniem pozycji zobrazują takie dane jak prędkość, przebyty dystans, stopień nachylenia/pochylenia terenu czy tętno, a po połączeniu ze smartfonem wiadomości SMS czy pocztę. Atrakcyjna wydaje się cena ok. 600 USD za sztukę, ale jest to rozwiązanie typowo cywilne i adaptacja pod zastosowania militarne może znacznie ją zwiększyć.

Nahełmowe systemy zobrazowania

Tactical Light Assault Operator System (TALOS) składa się z uniformu, systemu osłony, egzoszkieletu, centralnego systemu zasilania, systemu chłodzenia i HMDS mocowanego na specjalnym hełmie. System, przewidziany do rozwoju w ciągu pięciu lat, planowany jest do wejścia na wyposażenie w 2017 roku. Charakterystyczne dla niego jest zaprojektowanie specjalistycznego, zamkniętego hełmu (o wysokiej odporności balistycznej) w kształcie kasku motocyklowego.  Zapewnia on nie tylko ochronę szczęki, ale - w przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań - pełną obserwację dookólną w 360⁰. Ograniczenia wagowe (będące jednym z zasadniczych problemów wobec podobnych systemów) związane z koniecznością integracji na hełmie systemów łączności, zobrazowania dzienno-nocnego, pozycjonowania GPS czy smartfonu, rozwiązano poprzez zastosowanie Revision Military Vertical Load Offset System (VLOS) – zakrzywionego uchwytu przenoszącego obciążenie z hełmu na barki i sam egzoszkielet. Daje to pełny komfort działania z wykorzystaniem wszystkich wymaganych sensorów zamocowanych na hełmie, nie krępuje ruchów użytkownika. Pojawia się jednak pytanie, co dzieje się w wypadku utraty zasilania lub uszkodzenia poszczególnych elementów zintegrowanego systemu.

Jednym z potencjalnych zastosowań dla systemu zobrazowania na hełmie może być wprowadzenie jego do użycia w formacjach wysuniętych obserwatorów naprowadzania (forward air controller - FAC) i wykwalifikowanych koordynatorów wsparcia lotniczego z wysuniętych pozycji (joint terminal attack controller - JTAC). DARPA wraz z Raytheon I Rockwell Collins rozwija program Persistent Close Air Support (PCAS). Jego głównym zadaniem jest redukcja czasu reakcji (we ramach bezpośredniego wsparcia powietrznego żołnierzy znajdujących się pod ostrzałem) na zaistniałe/przewidywane zagrożenie z obecnej nawet godziny (w zależności od sytuacji) do prawie sześciu minut.  

Umożliwia on pododdziałom wojsk lądowych oraz formacji specjalistycznych przekazywanie i odbiór danych sytuacyjnych i związanych z możliwością użycia danego systemu uzbrojenia z załogami platform powietrznych w czasie rzeczywistym. Żołnierz wyposażony w PCAS może szybko i precyzyjnie identyfikować potencjalne cele, a JTAC z załogami platform powietrznych dokonują ich segregacji i ustalają sposoby zniszczenia (tak, by zminimalizować zagrożenie i potencjalne szkody dla własnych wojsk). Zastosowanie PCAS ma na celu zwiększenie skuteczności w sieciocentrycznym i szybko zmieniającym się środowisku walki. Ma to szczególne znaczenie wobec obecnych i prognozowanych zmian w zastosowanej taktyce, technice i procedurach na polu walki. Wobec pojedynczego żołnierza wymagania stawiane takiemu systemowi zawierają się w trzech zasadniczych zadaniach:

- wysłanie i zobrazowanie na HMD, tablecie lub smartphonie informacji o zagrożeniach;

- dokonanie selekcji tych zagrożeń;

- wybór najlepszego systemu ich zniszczenia/obezwładnienia.

Obecnie prowadzone są testy systemu w konfiguracji urządzenia przenośnego, ale docelowo ma stać się on elementem składowym systemu TALOS w postaci HMD rozszerzonego o możliwości JTAC.

Podsumowanie

Wprowadzenie nowej technologii do wykorzystania w wojskach lądowych ma na celu głównie polepszenie świadomości sytuacyjnej, zmniejszenie czasu reakcji, pomoc w wypracowaniu optymalnego rozwiązania stawianego żołnierzowi zadania i lepszą współpracę w walce, z wykorzystaniem posiadanych systemów uzbrojenia, by ich unikatowe możliwości zapewniły lub zwiększyły szanse na uzyskaniu powodzenia. Celem pośrednim jest zapewnienie skutecznego trzymania przeciwnika na dystans – tzn. wykrycie i zniszczenie go w odległościach leżących poza zasięgiem jego środków rażenia.

Połączenie rzeczywistości naturalnej z tą generowaną komputerowo nie jest zadaniem łatwym (szczególnie, jeśli chodzi o spełnienie wymagań militarnych), ale wydaje się drogą właściwą i dającą w przyszłości duże pole do dalszej rozbudowy i zwiększenia potencjalnych zastosowań.

Należy jednak pamiętać o zachowaniu właściwej równowagi pomiędzy tymi obiema rzeczywistościami, tak by nie wpłynęły one na stan zdrowia żołnierza i jego zachowanie/działanie na polu walki.

Marek Dąbrowski