坦克分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練嵌入式仿真目標(biāo)顯示系統(tǒng)

汪 兵，宋艷生，徐朝暉，馮繼東，王青山

(中國(guó)人民解放軍78098 部隊(duì)，成都 611237)

裝甲兵訓(xùn)練轉(zhuǎn)型的迫切性、深刻性和創(chuàng)新性，戰(zhàn)斗力生成模式的變革性，使傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式方法面臨新的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中，戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)一般以人工舉牌示意或LED屏顯示目標(biāo)圖形的方式顯示，坦克乘員根據(jù)觀察到的示意圖作出相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)反應(yīng)。這種靜態(tài)的目標(biāo)顯示方式逼真度較差，脫離戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，顯示與轉(zhuǎn)換效率低下，與實(shí)戰(zhàn)要求差距大。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種新型的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)顯示系統(tǒng)，采用復(fù)制分屏顯示技術(shù)播放預(yù)先錄制的戰(zhàn)術(shù)場(chǎng)景視頻，為參訓(xùn)人員提供戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)顯示。該顯示方式基于實(shí)景拍攝和復(fù)制分屏技術(shù)，其缺點(diǎn):一是分隊(duì)中各車乘員觀察到的場(chǎng)景相同，體現(xiàn)不出由于位置差異帶來(lái)的視場(chǎng)差別，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分隊(duì)協(xié)同訓(xùn)練;二是缺乏交互性，乘員只能根據(jù)視頻的內(nèi)容被動(dòng)應(yīng)對(duì)。本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)與視景仿真技術(shù)構(gòu)建三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，將坦克分隊(duì)置入虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，通過(guò)三維建模技術(shù)在場(chǎng)景中生成各類戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)，并使目標(biāo)按照一定時(shí)序在不同地域?qū)崟r(shí)加載、調(diào)整和退出。這種以視景仿真為手段的目標(biāo)顯示方法使參訓(xùn)人員浸入到“真實(shí)”的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景中，具有目標(biāo)形象逼真、訓(xùn)練場(chǎng)景多變、訓(xùn)練針對(duì)性強(qiáng)、安全經(jīng)濟(jì)和可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 仿真目標(biāo)建模

根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容需求，分別建立武器裝備及其他目標(biāo)的實(shí)體模型，如坦克、飛機(jī)、指揮所、地堡、雷場(chǎng)等;根據(jù)裝備車輛的不同特點(diǎn)，建立坦克運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;根據(jù)坦克操控原理，建立坦克乘員控制模型;根據(jù)坦克防護(hù)系統(tǒng)原理，建立坦克毀傷模型;根據(jù)連排分隊(duì)作戰(zhàn)原理，建立戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練模型等。

建模軟件提供了一系列建模工具，其中包括模面(Face)、面變換(ModFace)、幾何體(Geometry)、幾何變換(ModGeom)等多個(gè)建模工具箱［1］。建模工具箱與文件格式轉(zhuǎn)換工具、編輯器、視圖管理器等組成了建模所需要的基本建模功能。這些基本建模功能主要提供交互式多邊形建模及紋理應(yīng)用工具，構(gòu)造高逼真度、高度優(yōu)化的實(shí)時(shí)三維(Realtime 3D)模型，并提供格式轉(zhuǎn)換功能，能將常用CAD 或動(dòng)畫(huà)三維模型轉(zhuǎn)換成OpenFlight 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。

建模的步驟主要是:先根據(jù)所建模型的類型選用相應(yīng)的工作模式(線、面、體等)和建模工具;再用多邊形構(gòu)建三維模型的幾何體;然后添加紋理、貼圖并進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化;最后創(chuàng)建模型的細(xì)節(jié)層次(LOD)及漸變效果。圖1 是某飛機(jī)的三維模型。

圖1 某飛機(jī)的三維模型

2 戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練場(chǎng)景構(gòu)建

2.1 地形環(huán)境建模

地形的建模步驟與三位實(shí)體模型建?；疽恢?。首先根據(jù)仿真環(huán)境的實(shí)際需求、硬件和仿真軟件的處理能力、多邊形面的數(shù)量來(lái)規(guī)劃該地形的創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)。其次，收集相關(guān)的地形特征數(shù)據(jù)、紋理圖片、需要添加的其他模型文件等。然后對(duì)紋理、地形特征數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換處理，整合、關(guān)聯(lián)紋理、材質(zhì)等數(shù)據(jù)，形成地形工程文件并存儲(chǔ)為OpenFlight 格式，使之符合地形建模要求［2］。調(diào)用所需要的數(shù)字高程數(shù)據(jù)DED，創(chuàng)建仿真地形。對(duì)于較大面積地形，要分割出地形的精細(xì)部分和次要部分［3］。其中精細(xì)部分需要高精細(xì)的紋理貼圖、密集的多邊形面，次要部分的處理就相對(duì)簡(jiǎn)單紋理數(shù)據(jù)，較少的多邊形面。最后，在地形上投影道路、橋梁、湖泊、城市等相關(guān)特征建筑，并測(cè)試地形模型的性能，定型該地形模型文件，完成整個(gè)地形模型的創(chuàng)建［4］。

為增加仿真場(chǎng)景的逼真度，采用的地形數(shù)據(jù)來(lái)源于某訓(xùn)練場(chǎng)地圖，基于等高線及提取的其地物特征創(chuàng)建三維地形環(huán)境［5-6］。根據(jù)訓(xùn)練需要，系統(tǒng)還可以靈活更換其他地域的地形。

2.2 坦克分隊(duì)的部署

設(shè)定坦克分隊(duì)由3 輛某型坦克組成，在位置部署上呈戰(zhàn)斗隊(duì)形展開(kāi)，橫向和縱向依次保持一定間距，如圖2 所示。

圖2 坦克分隊(duì)部署圖

由于各坦克所處位置不同，其乘員的觀察視角必然有別，對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的觀察在時(shí)間上也會(huì)有先后差異。坦克乘員根據(jù)所觀察到的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)場(chǎng)景采取適當(dāng)?shù)膯诬噾?yīng)對(duì)措施，并通過(guò)通信手段與友鄰坦克協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

2.3 視景驅(qū)動(dòng)

視景驅(qū)動(dòng)的目的，是把建立的靜態(tài)視景模型根據(jù)仿真過(guò)程中動(dòng)作對(duì)象的作用規(guī)律和聯(lián)邦通信與數(shù)據(jù)處理提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用視景仿真軟件編程，以實(shí)現(xiàn)多種實(shí)體平臺(tái)在一個(gè)共同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行虛擬作戰(zhàn)演習(xí)、模擬戰(zhàn)斗過(guò)程和戰(zhàn)斗結(jié)果。

程序的主要工作流程構(gòu)架由下列語(yǔ)句構(gòu)成:

將地形地物模型、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)模型和坦克模型等導(dǎo)入Vega Prime 視景引擎中，按照戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的設(shè)置規(guī)范和作戰(zhàn)要求，將各類地面戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)依地形特點(diǎn)合理部署，地面和部分空中移動(dòng)目標(biāo)采用PathNavigator 定義移動(dòng)路徑［7-9］，通過(guò)設(shè)置一系列WayPoint 的六維坐標(biāo)(x，y，z，h，p，r)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)飛行或自動(dòng)行駛。對(duì)于飛機(jī)編隊(duì)，選中其中一架飛機(jī)定義運(yùn)動(dòng)模式為MotionFly，編隊(duì)中的其他成員采用MotionTetherFixed 模式伴飛。坦克分隊(duì)自身以MotionDrive 運(yùn)動(dòng)模式在場(chǎng)景中自行運(yùn)動(dòng)或以交互控制方式運(yùn)動(dòng)，坦克乘員的視點(diǎn)Transform定義為跟隨坦克運(yùn)動(dòng)。

地面移動(dòng)目標(biāo)碰撞檢測(cè)采用的是BUMP 碰撞檢測(cè)方法［10］。BUMP 是處理碰撞檢測(cè)查詢的類，它定義了一個(gè)Segment 類型的內(nèi)部體，由6 條線段組成一個(gè)檢測(cè)范圍。這6 條線段在Isector 當(dāng)前位置X、Y、Z 開(kāi)始向局部坐標(biāo)系3 個(gè)坐標(biāo)軸的正負(fù)6 個(gè)方向延伸，檢測(cè)范圍由VGIS_BUMP_WIDTH、VGIS_BUMP_LENGTH、VGIS_BUMP_HEIGHT 這3 個(gè)屬性控制。坦克與三角錐等目標(biāo)的碰撞效果采用FxDebris 特效，坦克觸碰地雷的效果采用FxExplosion 特效。爆炸、炮火襲擊、化學(xué)襲擊等煙霧效果均采用定粒子系統(tǒng)模擬［5，11，12］。

定義碰撞檢測(cè)后，采用GroundClamp 位移策略，地面移動(dòng)目標(biāo)就會(huì)緊貼地表運(yùn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視景仿真技術(shù)，在主機(jī)上運(yùn)行虛擬仿真程序，系統(tǒng)的程序架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)程序架構(gòu)

分隊(duì)中的各單車所處位置不同，對(duì)同一目標(biāo)的觀察角度必然有別。采用多通道仿真技術(shù)，建立多個(gè)Transform，通過(guò)拓展分屏顯示技術(shù)為各單車實(shí)時(shí)提供對(duì)應(yīng)位置上觀察到的場(chǎng)景。整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)置四個(gè)視景窗口顯示仿真結(jié)果，分為一個(gè)導(dǎo)控窗口和三個(gè)坦克視景窗口，如圖4 所示。

導(dǎo)控視點(diǎn)設(shè)置為從空中俯視的視角，以方便對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的觀察和對(duì)坦克分隊(duì)與戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的控制，如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)多通道視窗

圖5 戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)顯示導(dǎo)控視窗

在坦克潛望鏡前加裝小型LCD 顯示屏，采用全屏模式顯示來(lái)自中央主機(jī)的仿真視景。顯示屏固定裝置采用磁性表座設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈活拆裝。坦克內(nèi)部加裝視景交互控制終端和聲效播放器。系統(tǒng)的通信模塊直接采用坦克自有電臺(tái)。整個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)不改變坦克原有結(jié)構(gòu)，不影響坦克的操控功能，且拆裝方便。

由于分隊(duì)中各坦克觀察視點(diǎn)與視角的差異，同一個(gè)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)在三個(gè)坦克窗口載入的時(shí)間先后不同，出現(xiàn)與調(diào)整的方位也不一樣，需要各車乘員根據(jù)所觀察到的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)以通信手段協(xié)同作出反應(yīng)，體現(xiàn)出了貼近實(shí)戰(zhàn)的要求。另外，系統(tǒng)還可根據(jù)訓(xùn)練需要模擬白天黑夜等天候和陰晴雨雪等氣象條件，增加訓(xùn)練環(huán)境的可變性。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)與坦克分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練的課目設(shè)置相結(jié)合運(yùn)用，戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的種類、載入時(shí)機(jī)、運(yùn)動(dòng)方式、訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)等要素按照教范要求設(shè)計(jì)。訓(xùn)練中，能讓參訓(xùn)者浸入到“真實(shí)”的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景中，具有目標(biāo)形象逼真、訓(xùn)練場(chǎng)景多變、訓(xùn)練針對(duì)性強(qiáng)、安全經(jīng)濟(jì)和可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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