基于RV 的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)地形建模研究

郭傲兵，馮 瑀，吳偉勝

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和新軍事革命的飛速發(fā)展，模擬訓(xùn)練已滲入到作戰(zhàn)領(lǐng)域的各個(gè)方面，并且在這些領(lǐng)域中起著重要的作用［1］。而影響模擬訓(xùn)練效果的重要指標(biāo)之一是虛擬環(huán)境，建立豐富逼真的地理環(huán)境是虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，人同該環(huán)境相互交互和相互影響。在模擬訓(xùn)練中，地形的逼真度直接影響虛擬世界的逼真度，影響模擬訓(xùn)練的真實(shí)感和受訓(xùn)人員的沉浸感，從而影響訓(xùn)練效果。本文對基于RV 的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹，重點(diǎn)研究使用RV 引擎的套裝工具Visitor3 進(jìn)行地形建模的理論與方法。

1 基于RV 的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

1.1 RV 可視化引擎

Reality Visual 真實(shí)模擬引擎，簡稱RV 引擎，是由捷克波希米亞交互工作室(Bohemia Interactive Studio，BIS)于2006年開始開發(fā)的軍用戰(zhàn)場圖形渲染引擎。由于該引擎具有夢幻般的戰(zhàn)場態(tài)勢生成與表現(xiàn)能力，已經(jīng)廣泛用于西方包括美國，英國等主要發(fā)達(dá)國家的軍用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。同時(shí)，世界各國的很多軍用游戲生產(chǎn)廠商也應(yīng)用該軟件開發(fā)軍事類模擬游戲。VBS2(Virtual Battle Space 2)簡稱虛擬戰(zhàn)場空間Ⅱ是RV 引擎的第三代產(chǎn)品，VBS2 逼真的戰(zhàn)場表現(xiàn)能力代表了目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在軍事領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。RV圖形引擎廣泛采用了目前計(jì)算機(jī)圖形處理的最先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)，包括最新的NV 圖形卡的硬件加速技術(shù)、Open-GL3.0 復(fù)雜光線追蹤算法［2］、多重復(fù)合紋理渲染加速、專業(yè)物理引擎技術(shù)以及基于分形原理的自然環(huán)境建模技術(shù)等。圖1 顯示了RV 渲染的1 幅戰(zhàn)場圖片，其逼真效果已經(jīng)超乎人類視覺的分辨粒度。

圖1 RV 引擎渲染的場景效果圖

1.2 裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用分布式交互仿真技術(shù)，以RV 可視化引擎為視景渲染引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)單乘員射擊、駕駛、通信等分業(yè)訓(xùn)練，乘員間協(xié)同訓(xùn)練和人在環(huán)的裝甲分隊(duì)對抗仿真訓(xùn)練。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由裝備仿真節(jié)點(diǎn)、態(tài)勢觀測節(jié)點(diǎn)和管理員節(jié)點(diǎn)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，每個(gè)裝備仿真節(jié)點(diǎn)又由車長節(jié)點(diǎn)、炮長節(jié)點(diǎn)、駕駛員節(jié)點(diǎn)組成，車長、炮長、駕駛員節(jié)點(diǎn)各用一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行視景仿真，它們之間通過局域網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，高逼真度的地形模型是保證系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)、訓(xùn)練效果好的前提和基礎(chǔ)。

2 地形建模工具介紹

裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用的地形建模工具是RV 引擎的套裝工具Visitor3，Visitor3 是BIS 開發(fā)的套裝地形建模軟件，在建模過程中采用真實(shí)地形的高程數(shù)據(jù)，采用飛機(jī)拍攝的高精度航空照片作為地形紋理，可以制作出高逼真度的三維地形。

Visitor3 在同一個(gè)完整的環(huán)境中提供了幾乎所有必需的工具，用來創(chuàng)建最優(yōu)化、高度逼真的實(shí)時(shí)三維地形模型。它的工具包具有精簡、直觀等特點(diǎn)，工作在所見即所得的環(huán)境中。與其它地形建模軟件相比，Visitor3 有以下優(yōu)點(diǎn):

1)對象操作更容易，支持二維和三維同時(shí)操作;

2)操作簡便，地形建模時(shí)間短，建模誤差小，控制精確;

3)支撐批處理操作，支持處理大規(guī)模的實(shí)體導(dǎo)入;

4)支持腳本控制和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)作。

將制作好的地形數(shù)據(jù)保存為PBO 數(shù)據(jù)格式，它是RV 引擎專用的數(shù)據(jù)格式。地形數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)文件夾、資源文件夾、config.cpp 配置文件、* .hpp 文件、* .wrp 文件。其中，數(shù)據(jù)文件夾包括由地形開發(fā)軟件Visitor 3 生成的植被紋理圖、衛(wèi)星紋理圖的詳細(xì)分塊表面紋理數(shù)據(jù);資源文件夾包括資源數(shù)據(jù)、幫助文件和工程文檔;* .hpp 文件定義了地圖的名字和二維地形特征;* .wrp 文件為地圖本身，它是和* .hpp 文件編譯時(shí)一起產(chǎn)生的。

3 地形建模的實(shí)現(xiàn)

3.1 地形數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖形圖像學(xué)中支持大地形生成、海量紋理調(diào)度的相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并趨于成熟，計(jì)算機(jī)處理能力的大幅度提高。使得構(gòu)建“真實(shí)環(huán)境”的視景有了技術(shù)保障，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)字化，也為此提供了數(shù)據(jù)支持。

在三維地形構(gòu)建中，地形數(shù)據(jù)的選取及預(yù)處理是視景仿真建模的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)類型的選取及預(yù)處理的效果直接影響虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的逼真度。通常以數(shù)字高程模型［3］(Digital Elevation Model，DEM)作為幾何數(shù)據(jù)，配以地表文化特征數(shù)據(jù)，建立真實(shí)的地形模型。根據(jù)仿真應(yīng)用的需要，選取適當(dāng)精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和地表文化特征數(shù)據(jù)是十分必要的，仿真應(yīng)用的目的直接決定三維地形所需數(shù)據(jù)的精細(xì)程度。在本系統(tǒng)中，由于需要建立高逼真的三維地形，我們使用真實(shí)地形的DEM 數(shù)據(jù)和飛機(jī)的航片作為三維地形的數(shù)據(jù)源。

具體方法如下:

1)使用真實(shí)地形的DEM 高程數(shù)據(jù)數(shù)，用Global Mapper進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用Arc/Info ASCII Grid 格式，在Disable Hill Shading 和Gradient Shader 下確定最低點(diǎn)和最高點(diǎn)，保存為16 位灰度圖* .png。為了保證地形的連續(xù)性和相似性，采用Wilbur 進(jìn)行高斯模糊，得到的灰度圖的灰度值表示了地形的高低不同，圖3 所示為某地形的灰度圖。在配置文件config.cpp 中，設(shè)置灰度圖所代表的該地形范圍內(nèi)的高程最大值和最小值。配置文件中主要包括的內(nèi)容有:

圖3 某地形的灰度圖

3.2 紋理數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

紋理是指物體表面的細(xì)節(jié)，是一種物體區(qū)別于其它物體的質(zhì)地特征。自然景象具有豐富的紋理細(xì)節(jié)，真實(shí)的紋理是環(huán)境仿真中建立地理環(huán)境的重要手段。近年來由于衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，分辨力已經(jīng)接近或達(dá)到航空影像的效果，因此，衛(wèi)星圖已成為視景建模中地表紋理的首選，當(dāng)然如果能夠有航空影像，建模的精細(xì)度會(huì)進(jìn)一步提高。地形構(gòu)建中紋理映射的基本思路是把紋理影像按經(jīng)緯度映射到DEM 生成的三維網(wǎng)格模型上，因此紋理映射的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)影像與DEM 的精配準(zhǔn)，而影像的輻射特效直接影響立體模型的視覺效果。為了提高紋理映射的準(zhǔn)確和視覺效果，在紋理映射時(shí)必須對航拍圖作預(yù)處理，包括幾何校正、圖像鑲嵌和圖像融合。本系統(tǒng)中，為了提高三維地形的建模精度，采用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)。

3.3 紋理映射

本裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的地形建模中，為了提高對動(dòng)態(tài)地形實(shí)時(shí)性的需求，采用了多分辨率紋理映射技術(shù)［4］。在視距比較近時(shí)要求地形的分辨率比較高，視距比較遠(yuǎn)時(shí)可以忽略一些細(xì)節(jié)的東西，減小數(shù)據(jù)量，提高顯示速度。當(dāng)視點(diǎn)變化時(shí)，所選取的地形紋理數(shù)據(jù)各不相同。具體而言就是，如果視點(diǎn)離物體較遠(yuǎn)，則使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)，隨著視點(diǎn)向地面移動(dòng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)逐漸用材質(zhì)紋理來代替，反之亦然。

使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)和采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射方法共存的方法制作材質(zhì)紋理圖，以便系統(tǒng)在不同距離上顯示使用。采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射的具體制作方法是:

1)根據(jù)色帶定義各種顏色所代表的紋理含義，例如用紅色表示干草地，黃色表示道路，綠色表示青草地，藍(lán)色表示水面，如圖4 所示。根據(jù)相應(yīng)顏色定義layers.cfg 文件，部分內(nèi)容如下:

圖4 色帶定義

2)制作特征圖。用Photoshop 軟件打開所要構(gòu)建地形區(qū)域的航拍圖，對航拍圖進(jìn)行處理，用定義好的顏色替換標(biāo)準(zhǔn)對草地、道路、河流等物體進(jìn)行顏色替換。

3)制作材質(zhì)紋理。經(jīng)過步驟2 處理的特征圖中的每一個(gè)像素代表了若干個(gè)地形網(wǎng)格，每一個(gè)網(wǎng)格都要用其顏色代表的材質(zhì)紋理進(jìn)行貼圖。

4)編寫配置文件，編寫配置文件的目的是為了把每個(gè)像素與它的顏色代表的紋理匹配起來，也就是把材質(zhì)紋理準(zhǔn)確的貼到每個(gè)像素上去，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)紋理映射。配置文件如下:

3.4 三維地形建模的實(shí)現(xiàn)

建立一個(gè)新的工程，首先需要設(shè)置工程參數(shù)。地形大小參數(shù)設(shè)置為512 ×512，地形單元格設(shè)置為10，則地形大小自動(dòng)的設(shè)置為5 120 ×5 120 m2。設(shè)置航片的大小參數(shù)，大小要適合后面輸入的植被紋理圖等，一般設(shè)為5 120。

1)DEM 數(shù)據(jù)的輸入

在Vistor3 中，選擇Import Terrain from picture，瀏覽P:...source errain errain.pbl 文件，這樣就輸入了地形紋理圖。

2)衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖的輸入

在Vistor3 中，選擇Import satellite ＆ mask，成功輸入衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖后在數(shù)據(jù)文件夾中會(huì)出現(xiàn)layers 文件夾。衛(wèi)星紋理圖、植被紋理圖和RVMAT 文件的分塊數(shù)據(jù)會(huì)存放于layers 文件夾。

3)插入和編輯物體

地形建模軟件Vistor3 有獨(dú)特的操作界面，在二維場景中編輯的物體能夠在三維場景中直接顯示出來，這種二維，三維同時(shí)操作的方式配合衛(wèi)星云圖保證了地形和真實(shí)地形的匹配程度，最大限度的還原真實(shí)地形，仿真粒度高。

選擇Panel of objects，在工具選項(xiàng)里，可以選擇自然物體、人造物體、馬路等，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊放置，修改模型參數(shù)，達(dá)到快速插入和編輯物體的目的。

4)配置文件編寫

為了簡化地形建立的難度，節(jié)省操作時(shí)間，并非所有的地表植被都需要手工設(shè)置位置，除了典型標(biāo)志性的植被外，大部分草、樹、巖石等在配置文件Config.cpp 中進(jìn)行設(shè)置。它主要完成非直接添加植被的設(shè)置，如:環(huán)境聲音的設(shè)置，天空模型的引入等。

5)地形的應(yīng)用

在完成地形和物體編輯后，選擇Vistor3 中的Connect to Buldozer，將制作好的地形模型二進(jìn)制化，把* .png 格式和* .tga 格式的文件轉(zhuǎn)換為* .paa 格式的文件。通過程序調(diào)入場景，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)地形的模擬。

經(jīng)過編輯后已經(jīng)插入樹木、道路、房屋等物體的地形如圖5 所示:

圖5 插入物體后的三維地形

4 結(jié)束語

模擬訓(xùn)練已經(jīng)成為各個(gè)國家軍事訓(xùn)練的重要途徑。本文介紹了捷克波希米亞交互工作室開發(fā)的RV 視景仿真引擎，并介紹了基于此引擎構(gòu)建的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng);重點(diǎn)對系統(tǒng)采用的地形建模工具和建模方法進(jìn)行研究，最后給出了使用RV 引擎的套裝軟件Vistor3 進(jìn)行地形建模的過程。實(shí)踐證明，所建立的三維地形模型逼真程度高，在某模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中使用效果較好。

［1］朱競夫.裝甲兵作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)裝備綜述［J］.現(xiàn)代軍事，2005(12) ：15－19.

［2］童星，袁道華.基于GPU 和均勻柵格法的光線追蹤算法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011(21) ：3499－3503.

［3］呂建峰，劉定生，焦偉利，等.DEM 生成算法并行化研究［J］.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2002(7) ：506－512.

［4］卜松濤，岳凡琦，依蘭.基于傾斜影像的三維建筑物紋理提取方法研究［J］.測繪與空間地理信息，2014(37) ：206－208.