艦載機(jī)起飛著艦的機(jī)動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)

榮 慶，姚佩陽(yáng)

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，三維可視化顯示技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)指揮控制系統(tǒng)中的重要組成部分。相比于二維顯示技術(shù)，三維可視化顯示技術(shù)具有顯示范圍廣泛，逼真度好，提供視點(diǎn)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，可為各級(jí)指揮官提供三維、動(dòng)態(tài)、可交互的作戰(zhàn)環(huán)境［1］。

在三維可視化顯示領(lǐng)域中最具有提升價(jià)值的研究方向，毋庸置疑是對(duì)于機(jī)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，使用各種方法盡量做到使機(jī)動(dòng)目標(biāo)的顯示時(shí)延最短。在這一研究領(lǐng)域中，前人已做出了一定的研究成果，有的是在底層圖形設(shè)計(jì)中減少多邊形和紋理，以此來(lái)優(yōu)化顯示系統(tǒng)占用的資源，但這樣會(huì)降低三維顯示效果;反之有的是顯示畫(huà)面豐富逼真，但出現(xiàn)了較大的時(shí)延問(wèn)題，從而影響整個(gè)顯示系統(tǒng)的功能。在這里采用折中的辦法，即采用渲染畫(huà)面良好的引擎作為機(jī)動(dòng)目標(biāo)的顯示要素，同時(shí)通過(guò)編程利用套接字實(shí)時(shí)鏈接VC 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)延較小的精準(zhǔn)控制顯示機(jī)動(dòng)目標(biāo)。這里以艦載機(jī)起飛著艦的實(shí)時(shí)顯示為例來(lái)說(shuō)明該技術(shù)方法的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 三維實(shí)時(shí)顯示總體設(shè)計(jì)

在眾多三維引擎中，選用Unity3D 作為渲染引擎，Unity3D 是由Unity Technologies 開(kāi)發(fā)的一個(gè)使用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)引擎［2］。Unity3D 具備強(qiáng)大的圖形動(dòng)力，對(duì)DirectX 和OpenGL 擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道;并且支持所有主要文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作;同時(shí)，其提供了具有柔和陰影與烘焙的高度完善的光影渲染系統(tǒng)，Unity3D 的這些特點(diǎn)可較好地提高三維顯示平臺(tái)的顯示效果。Unity3D 最大的優(yōu)勢(shì)是性?xún)r(jià)比高，并可發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式，用戶不用下載客戶端，便可直接體驗(yàn)，Unity3D 支持各種腳本語(yǔ)言，包括JavaScript、C#，兼容各種操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。

通過(guò)先進(jìn)的建模與仿真方法，將美軍尼米茲航空母艦、F18A 艦載機(jī)等虛擬模型在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，來(lái)三維實(shí)時(shí)顯示艦載機(jī)起飛和著艦場(chǎng)景等動(dòng)態(tài)信息，為今后的?？諔?zhàn)場(chǎng)指揮顯示系統(tǒng)提供一種基本的三維可視化技術(shù)。

1.1 功能需求

在當(dāng)今的?？罩袘?zhàn)場(chǎng)中，航空母艦的作用日益突出，其中艦載機(jī)是配備在航空母艦上的主要武器，其性能決定著航空母艦的戰(zhàn)斗能力，載機(jī)數(shù)量越多者實(shí)力也相對(duì)越強(qiáng)，航空母艦本身也是為了讓飛機(jī)起降、維修以及使其能長(zhǎng)期作戰(zhàn)而存在。以此，將艦載機(jī)的起飛著艦過(guò)程利用三維可視化技術(shù)直觀逼真地顯示出來(lái)，有利于飛行員和指揮官實(shí)時(shí)決策和控制艦載機(jī)狀態(tài)。

艦載機(jī)起飛著艦三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的主要作用是在虛擬場(chǎng)景中準(zhǔn)確顯示艦載機(jī)在航母甲板上起飛著艦的整個(gè)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)顯示艦載機(jī)飛行狀態(tài)等主要信息。具體功能如下:(1)搭建一個(gè)逼真的?？諔?zhàn)場(chǎng)三維虛擬場(chǎng)景，包括整個(gè)作戰(zhàn)的自然環(huán)境、地形及天空，并導(dǎo)入基本目標(biāo)模型。(2)實(shí)時(shí)接收和解讀總控發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，這里用Visual C++6.0 平臺(tái)模擬發(fā)送數(shù)據(jù)包。(3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬目標(biāo)模型，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示艦載機(jī)起飛著艦的過(guò)程。(4)視點(diǎn)的自動(dòng)切換、人機(jī)交互和場(chǎng)景漫游。(5)在顯示界面中詳細(xì)列出艦載機(jī)的實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)參數(shù)，如經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向、橫滾角、俯仰角等。

1.2 技術(shù)路線

從理論上講，高層體系結(jié)構(gòu)HLA(High Level Architecture)作為計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的通用技術(shù)框架，具有較高的運(yùn)行效率和費(fèi)效比。但其作為一種新的仿真協(xié)議，必須對(duì)現(xiàn)有指揮監(jiān)控系統(tǒng)增加HLA 代理接口，工作量較大，同時(shí)也會(huì)改變現(xiàn)有裝備的狀態(tài)［3］。

本系統(tǒng)作為?？諔?zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)的一部分，要與現(xiàn)有的指控系統(tǒng)能無(wú)縫對(duì)接，并能平滑地實(shí)現(xiàn)與其同步擴(kuò)展。因此，這里采用基于UDP(User Datagram Protocol)面向無(wú)連接的解決方案。如此一來(lái)，不但不用對(duì)現(xiàn)有的指控系統(tǒng)進(jìn)行修改，且使得發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)延較小。以根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)報(bào)文所傳遞的操作指令、系統(tǒng)參數(shù)等信息，實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)三維模型來(lái)準(zhǔn)確、逼真地顯示?？諔?zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景?；诒鞠到y(tǒng)的功能需求和技術(shù)路線，其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的框架圖如圖1 所示，流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架圖

圖2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為3 個(gè)步驟:首先，在建模軟件3DS Max 中完成三維目標(biāo)實(shí)體建模，這些模型基本是依據(jù)對(duì)應(yīng)的CAD 圖紙或真實(shí)的數(shù)碼圖片來(lái)建立的，在確保模型必要精確度和逼真度的同時(shí)，通過(guò)紋理映射、細(xì)節(jié)等級(jí)、平滑處理等技術(shù)來(lái)盡量減少圖形的復(fù)雜度以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率［4］。然后，在Unity3D 平臺(tái)上，先進(jìn)行虛擬海空戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的搭建，最后在Visual C++6.0平臺(tái)上，利用Socket 通信在線接收、讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，并對(duì)三維模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制和相應(yīng)場(chǎng)景渲染。

1.2.1 模型的建立和導(dǎo)入

使用3DS Max 主流3D 設(shè)計(jì)軟件來(lái)創(chuàng)建基礎(chǔ)模型，然后轉(zhuǎn)換為Unity3D 引擎可識(shí)別的文件。憑借3DS Max 優(yōu)異的制作效果，這樣就能使得在Unity3D場(chǎng)景中逼真地展現(xiàn)三維顯示效果。本系統(tǒng)中的目標(biāo)模型主要是美軍尼米茲航空母艦?zāi)Ｐ秃虵18A 艦載機(jī)模型。為了將模型放在Unity3D 中展示，首先需將利用3DS Max 建好的模型借助于工業(yè)設(shè)計(jì)格式導(dǎo)入U(xiǎn)ntiy3D 引擎中［5］，然后在引擎中通過(guò)編寫(xiě)腳本來(lái)添加對(duì)模型的各種信息描述，其中包括模型的基本信息和動(dòng)作信息，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作控制。同時(shí)，在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 時(shí)也可根據(jù)場(chǎng)景范圍大小對(duì)模型進(jìn)行縮放，為獲得良好的視覺(jué)效果，可加入點(diǎn)光源來(lái)補(bǔ)充模型的光照效果，還可采用紋理貼圖改變模型的表面屬性，以此來(lái)使得目標(biāo)模型更加逼真地展現(xiàn)。

三維模型是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的組成部分，為避免導(dǎo)入場(chǎng)景文件的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和在計(jì)算機(jī)上瀏覽場(chǎng)景出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，在創(chuàng)建三維模型時(shí)要使模型數(shù)據(jù)庫(kù)盡可能小，以保證仿真的實(shí)時(shí)性。針對(duì)這一要求，需要對(duì)已建成的模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化處理。從簡(jiǎn)化模型和提高渲染速度兩方面入手，通過(guò)減少三角形的數(shù)量，使用紋理來(lái)代替多邊形造型，使用簡(jiǎn)單分量紋理，平面圖像等方法構(gòu)建優(yōu)化模型［6－7］。

圖3 導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 場(chǎng)景中的艦載機(jī)模型

圖4 導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 場(chǎng)景中的航母模型

1.2.2 場(chǎng)景的搭建

Unity3D 中一個(gè)逼真的三維場(chǎng)景需要包含攝像機(jī)、地形、天空盒、目標(biāo)景物和光源這幾個(gè)要素［8］。攝像機(jī)來(lái)定義觀察場(chǎng)景的視角;地形和天空盒提供了三維目標(biāo)所處的大環(huán)境;目標(biāo)景物由場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)可見(jiàn)要素組成;光源定義場(chǎng)景不同角度觀察下的明暗程度。?？諔?zhàn)場(chǎng)的場(chǎng)景主要包括海面地形、天空等自然景觀，這里采用圖片加紋理貼圖的方法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)三維平臺(tái)模型的優(yōu)化，要科學(xué)組織模型的結(jié)構(gòu)、減少模型的冗余度。同時(shí)，還要科學(xué)選擇建模工具，盡量在不影響逼真性的前提下壓縮模型數(shù)據(jù)。?？諔?zhàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景比較簡(jiǎn)單，這里可騰出大量資源供給機(jī)動(dòng)目標(biāo)艦載機(jī)使用。

1.2.3 對(duì)于高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)控制

場(chǎng)景中大部分景物是靜態(tài)的，主要是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)F18A 艦載機(jī)的實(shí)時(shí)控制?？刂婆炤d機(jī)飛行狀態(tài)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)反映其所處的位置信息，這里采用C++語(yǔ)言編程基于Visual C++6.0 平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)和Unity3D 的通信連接。為了使控制時(shí)延盡量小，最終采用UDP 面向無(wú)連接控制協(xié)議，已達(dá)到精確的控制艦載機(jī)三維模型的運(yùn)動(dòng)變化。

為實(shí)現(xiàn)在Visual C++6.0 和Unity3D 兩個(gè)平臺(tái)之間建立連接，所以考慮要以C#作為Unity3D 腳本與C++進(jìn)行通信，實(shí)質(zhì)上是C#與C++之間進(jìn)行Socket通信。C#與C++都提供了Socket 類(lèi)，這樣就使得這兩種語(yǔ)言之間可相互發(fā)送并接受消息。從而能實(shí)現(xiàn)Unity3D與C++之間進(jìn)行通信，即使得在C++程序中對(duì)Unity3D 程序進(jìn)行控制成為可能。最終實(shí)現(xiàn)了Unity3D與Visual C++6.0 之間進(jìn)行Socket 通信。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程:

首先，以Unity3D 作為服務(wù)器端程序，其主要是接收Visual C++6.0 客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信息，對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理然后反應(yīng)到相應(yīng)的對(duì)象實(shí)體上(艦載機(jī))。

其次是客戶端，客戶端用Visual C++6.0 來(lái)設(shè)計(jì)界面，主要用來(lái)向Unity3D 服務(wù)器端發(fā)送控制信息進(jìn)從而控制Unity3D 中艦載機(jī)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)如下:

(1)服務(wù)器端。首先編寫(xiě)一個(gè)腳本類(lèi)專(zhuān)門(mén)處理Socket 通信，命名為ServerSocket，其主要實(shí)現(xiàn)了以下操作。1)建立服務(wù)器端Socket、啟動(dòng)線程等待客戶端連接、接收消息、向客戶端發(fā)送消息、斷開(kāi)連接。2)然后編寫(xiě)另外一個(gè)腳本用于對(duì)接收到的消息進(jìn)行相應(yīng)處理，命名為RecvClient。

(2)客戶端。客戶端主要實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)，以控制艦載機(jī)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，首先設(shè)計(jì)好客戶端界面，接著就進(jìn)行相應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的一些準(zhǔn)備工作，例如加載套接字、建立與客戶端的連接等，最后是發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯處理。具體如下:1)打開(kāi)Visual C++6.0，新建一個(gè)MFC AppWizard 工程CppConnectToUnity，選擇創(chuàng)建應(yīng)用程序的類(lèi)型為基于對(duì)話框(Dialog based)，同時(shí)要選定 Window Socket 支持。然后打開(kāi)資源視圖(ResourceView)，選擇該工程的應(yīng)用對(duì)話框進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。2)選擇類(lèi)視圖(ClassView)，在CCppConnect-ToUnityApp 類(lèi)中的InitInstance()方法中加載套接字。3)選擇類(lèi)CCppConnectToUnityDlg，給其添加一個(gè)私有成員變量，然后在OnConnectUnity3D()方法中初始化SockClient 變量，給連接按鈕添加單擊響應(yīng)方法，在其方法中實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的連接。

(3)Unity3D 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。1)在Unity3D 的Project 中創(chuàng)建一個(gè)C#腳本文件，命名為ServerSocket.cs。腳本內(nèi)容主要作用是在Unity3D 啟動(dòng)時(shí)開(kāi)啟一個(gè)端口，建立一個(gè)UDP 連接。2)在Unity3D 中給機(jī)動(dòng)目標(biāo)添加一個(gè)C#腳本。即控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的ControlF18AMovement.cs文件。

通過(guò)以上具體方案，最終實(shí)現(xiàn)了利用C++語(yǔ)言編程建立了Visual C++6.0 與Unity3D 的實(shí)時(shí)通信，并利用Visual C++6.0 平臺(tái)模擬總控平臺(tái)，發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包給Unity3D 引擎，以此來(lái)精確實(shí)時(shí)地控制?？諔?zhàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景中的艦載機(jī)飛行狀態(tài)，尤其是艦載機(jī)起飛著艦三維實(shí)時(shí)顯示過(guò)程的逼真展現(xiàn)。

2 實(shí)現(xiàn)效果

艦載機(jī)起飛著艦三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)在虛擬?？諔?zhàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景中真實(shí)、全面、直觀地顯示了艦載機(jī)從航母甲板上起飛、降落以及空中飛行狀態(tài)等主要環(huán)節(jié)信息。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果如圖5 和圖6 所示。

圖5 三維場(chǎng)景目標(biāo)顯示圖(數(shù)據(jù)顯示)

圖6 艦載機(jī)空中飛行狀態(tài)圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件配置為Intel(R)Core(TM)i3－4150@3.50 GHz CPU，4 GB 內(nèi)存;軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio C++6.0，Unity3D 4.0。

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度約為25 幀/s，達(dá)到了良好的真實(shí)感和實(shí)時(shí)顯示速度，符合預(yù)期結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以艦載機(jī)起飛著艦過(guò)程為背景，重點(diǎn)討論了基于Unity3D 的高機(jī)動(dòng)目標(biāo)三維實(shí)時(shí)顯示的技術(shù)問(wèn)題。這也是三維實(shí)時(shí)顯示的一種新的技術(shù)方法，該系統(tǒng)以小見(jiàn)大，從簡(jiǎn)單的艦載機(jī)起飛著艦過(guò)程入手，研究未來(lái)作戰(zhàn)的三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，未來(lái)的?？諔?zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)三維顯示系統(tǒng)，將戰(zhàn)場(chǎng)變化過(guò)程、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)展、雙方兵力對(duì)抗過(guò)程等均三維可視化，這樣將更加直觀、有效地匯集前方戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的各類(lèi)關(guān)鍵信息，為指揮員的正確指揮和決策提供了實(shí)時(shí)、形象和準(zhǔn)確的信息顯示支持，能更好地增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，提升作戰(zhàn)仿真研究的效果，有力地增強(qiáng)了指揮控制系統(tǒng)的真實(shí)感，促進(jìn)了信息化作戰(zhàn)水平的提高和完善。此外，以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)也可進(jìn)行非任務(wù)狀態(tài)下的指揮、作戰(zhàn)模擬等軍事演習(xí)，以提高軍隊(duì)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能力。

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