一種基于虛擬仿真技術(shù)的三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計

杜召平，杜 艷

(1. 中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022；2. 中國人民解放軍 91269部隊，廣東 湛江 524022)

0 引 言

虛擬仿真技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實體。實體在虛擬環(huán)境中相互作用，或與虛擬環(huán)境作用，以表現(xiàn)客觀世界的真實特征，可以營造逼真的虛擬戰(zhàn)場，并能滿足操作者與戰(zhàn)場環(huán)境之間的信息交互，在多個領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

當前，靶場所用的態(tài)勢顯示系統(tǒng)的處理顯示和研究判斷多采用文字標注和二維圖形等形式實現(xiàn)，人機交互不夠直觀，傳遞的信息量有限，將真實復(fù)雜的環(huán)境、目標及實時態(tài)勢信息投影微縮到二維平面上，將會丟失一些重要信息，態(tài)勢展示不直觀準確，指揮人員和觀察、控制人員難以全面地掌握態(tài)勢、關(guān)鍵過程及重要事件。本文針對上述問題開展態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計與研究，主要采用三維實體建模、OSG與MFC的混合編程、虛擬仿真等技術(shù)對海洋環(huán)境、目標、各類平臺等信息進行逼真的三維模擬，通過實時接收各種探測器傳送來的目標位置、姿態(tài)、水下深度等實測數(shù)據(jù)，驅(qū)動目標三維模型在虛擬場景中運動，實現(xiàn)三維場景的實時更新，以三維視景的形式全面表現(xiàn)目標實體的運動狀態(tài)和對抗過程，形成“數(shù)字化”、“視景化”的綜合態(tài)勢圖，使原本不可見的水聲對抗過程變?yōu)榭梢?，使指揮人員及觀察、控制人員沉浸在逼真、虛擬的環(huán)境中對仿真或回放進程進行交互或干預(yù)，增強了仿真的現(xiàn)實性、逼真性和透明性。同時，利用三通道顯示技術(shù)豐富的表現(xiàn)手法，用戶可以分別從不同的視點觀察現(xiàn)場，直觀深入地觀察進程、分析態(tài)勢、評估效果，具有十分顯著的效益。

1 系統(tǒng)組成及功能

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)硬件主要由視景主控計算機、通道顯示計算機、數(shù)據(jù)錄入與管理終端、通用數(shù)據(jù)接口以及輔助設(shè)備（投影設(shè)備、音響系統(tǒng)、交換機等）組成，如圖1所示。

系統(tǒng)軟件主要由信息融合處理模塊、方案仿真預(yù)演模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、電子海圖標會顯示模塊、三維視景顯示模塊、過程復(fù)現(xiàn)模塊等組成，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)主要功能

1）按照實際需求和比例，完成相關(guān)裝備及環(huán)境的三維模型制作，裝備主要包括艦船、潛艇、魚雷、潛標、浮標等，環(huán)境是根據(jù)不同海況及天氣，制作典型條件下不同海況的海洋模型，包括水面及海底等。

2）把各種不同內(nèi)測、外測設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，進行奇異點剔除、平滑等數(shù)據(jù)預(yù)處理后送至主控計算機。

3）根據(jù)內(nèi)測、外測數(shù)據(jù)及歷史軌跡推測，以平滑的三維多媒體動畫的形式近似實時的再現(xiàn)水下現(xiàn)場態(tài)勢，并且可以控制播放速度：快進、快退、暫停、繼續(xù)等。

4）實現(xiàn)3個投影通道的獨立和融合顯示。3個投影通道可以獨立設(shè)定視點、視線，分別觀察不同的參試實體，也可以把3個通道的顯示畫面拼接在一起，形成寬幅大場景的效果。

5）系統(tǒng)具有方案仿真預(yù)演、實時顯示過程、回放過程3種工作模式。一是方案仿真預(yù)演：可預(yù)先設(shè)定方案通過展示三維模型進行演示，可從不同角度、不同距離來觀察，審視檢查預(yù)定方案的可行性及可操行。二是實時過程顯示：實時接受各種探測設(shè)備傳送過來的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為合理的數(shù)據(jù)格式后，近乎實時生成場景顯示在大屏幕上。三是回放再現(xiàn)模式。實施過程中實時地把內(nèi)測、外測數(shù)據(jù)文件一次性導(dǎo)入內(nèi)存，同時將實時過程顯示資料存入硬盤，進行較為精細的預(yù)處理（處理參數(shù)可人為干預(yù)，進行模糊及平滑等處理），確?；胤胚^程的真實流暢，然后以三維視景的形式再現(xiàn)水下現(xiàn)場。

1.3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)較為復(fù)雜，主要是完成以下功能：

1）構(gòu)建涉及到的實體三維建模構(gòu)建：通過Creator，對如各種水面、水下目標（艦船、潛艇、魚水雷等）、環(huán)境模型、測量設(shè)備（潛標、浮標等）等進行三維模型構(gòu)建。

2）編程設(shè)計實現(xiàn)實時逼真海洋場景的渲染：基于Phillips海浪譜和GPU實現(xiàn)的FFT方法生成海面高度圖和法線圖，利用投影網(wǎng)格模型生成海面網(wǎng)格，并在片元著色器中基于紋理映射技術(shù)實現(xiàn)反射、折射等海面光照效果；實現(xiàn)海底的光束、浮簾粒子和模糊效果；然后通過后續(xù)渲染技術(shù)模擬場景的HDR效果。

3）設(shè)計實現(xiàn)自由視點，攻擊方、防御方三類常用視點：綜合利用OSG的漫游器和相機機制，實現(xiàn)自由視點，攻擊方、防御方三類的自由切換，視點之間可通過控制面板按鈕自由切換，當仿真過程中某些熱點事件發(fā)生時，視點會自動切換，例如：武器發(fā)射時，視點要立即切換到武器跟蹤視點；通過OSG的事件回調(diào)機制，實時處理鍵盤和鼠標對視點的平移、轉(zhuǎn)動控制。

4）實現(xiàn)系統(tǒng)所需的多種OSG聲音類產(chǎn)生及融合：基于FMOD的API，將其與OSG節(jié)點類結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)需要的多種OSG聲音類并能實現(xiàn)融合。如背景聲音類用來播放海浪等連續(xù)不變的2D聲音；物體聲音類用來播放引擎等隨物體位置變化的3D聲音；單次聲音類用來播放各種一次性觸發(fā)的事件旁白2D聲音。

5）研究并實現(xiàn)三通道融合顯示技術(shù)。采用技術(shù)手段實現(xiàn)3個子通道節(jié)點既可單獨顯示，完成多角度同時觀察虛擬環(huán)境的要求；又可一起拼接顯示，使整個虛擬環(huán)境顯示更廣闊，態(tài)勢顯示更逼真。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬仿真技術(shù)

本文通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真等技術(shù)，較為真實的來模擬目標在真實海戰(zhàn)場環(huán)境中的運動特征，通過實時接收由無線網(wǎng)絡(luò)或其他手段傳送的測量裝備所測的目標位置、姿態(tài)、水下深度等實測數(shù)據(jù)，驅(qū)動目標三維模型在虛擬場景中運動，實現(xiàn)三維場景的實時更新，以三維視景的形式全面表現(xiàn)目標實體的運動狀態(tài)和對抗過程，以及整個態(tài)勢變化和效果。

海洋環(huán)境及目標實體建模與仿真涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括場景建模、場景更新、交互控制等。場景建模是將所要仿真的場景與對象通過數(shù)學(xué)方法表達成存儲在計算機內(nèi)的三維圖形對象的集合，包括紋理的獲取和處理。需要建模的目標包含各類實體；此外還包括海洋環(huán)境特征參數(shù)，動目標尾流，目標運動的六自由度參數(shù)等特效。場景更新主要完成場景數(shù)據(jù)處理、碰撞檢測與響應(yīng)和目標模型的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動。

2.2 三維實體建模技術(shù)

本系統(tǒng)主要采用Multigen Creator來進行建模。Multigen Creator是專門用于創(chuàng)建視景仿真中實時三維模型的工具軟件，它功能專業(yè)、使用方便。模型建造的基本過程就是由“點”連接成“面”，由“面”變化為“體”，然后賦予材質(zhì)，貼上紋理，選擇光照。

在采用Creator建模過程中存在需要注意的地方：一是模型的大?。涸贑reator下要求物體在幾何建模的時候就要求按照真實尺度建造。二是模型的方向：要求眾多模型在建造時放置方向就要一致，還要求必須考慮模型在OSG場景中運動時的方向角問題。三是模型的中心點：因為仿真實體的運動數(shù)據(jù)是作用在模型的中心點上，這直接影響著模型相互間的位置關(guān)系。四是靈活運用模型的DOF技術(shù)。DOF（Degrees of Freedom自由度）技術(shù)適合于描述模型的運動部件，要通過DOF技術(shù)在模型建造時設(shè)置在節(jié)點上。

2.3 基于OSG的混合編程技術(shù)

本系統(tǒng)主要采用基于 OSG（Open Scene Graph） 混合編程技術(shù)來進行三維渲染。OSG（Open Scene Graph）是一個基于工業(yè)圖形標準OpenGL的高層次三維渲染引擎，OSG匯集當今最先進的軟件設(shè)計思想，包括Observer模式、Visitor模式等。開發(fā)者不需要實現(xiàn)、優(yōu)化底層圖形功能調(diào)用，因此他同時具備了跨平臺特性和較高的渲染效率。OSG是基于場景圖方式來管理和繪制三維場景，采用一種自頂向下的分層樹形結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，以提升繪制的效率。此外，OSG還提供了一系列OpenGL不具備的功能接口，包括基于動態(tài)加載插件技術(shù)的2D、3D數(shù)據(jù)文件加載、紋理字體支持、細節(jié)層次（LOD）控制、多線程數(shù)據(jù)分頁處理等。

2.4 基于Phillips海浪譜的海洋場景構(gòu)建技術(shù)

海面和海底場景一般會占整個仿真場景50%以上的畫面，所以它們的繪制效果和效率直接影響著整個視景仿真效果。海面的波動是一種十分復(fù)雜的自然現(xiàn)象，會受到風力、重力、地形等多種因素的影響，無論在時間還是空間上，它的形狀都具有不規(guī)則性和不重復(fù)性，而且其范圍一般比較廣。動態(tài)海面用完全的物理模型模擬很難達到實時，但其統(tǒng)計特性是穩(wěn)定的，利用海浪譜描述海浪更為科學(xué)，也更適合于本視景系統(tǒng)。隨著顯卡性能和GPU可編程能力越來越強，與圖形有關(guān)的處理自然而然地從CPU向GPU轉(zhuǎn)移。本系統(tǒng)基于GPU編程，設(shè)計實現(xiàn)了實時逼真海洋場景的渲染：基于Phillips海浪譜和GPU實現(xiàn)的FFT方法生成海面高度圖和法線圖，利用投影網(wǎng)格模型生成海面網(wǎng)格，并在片元著色器中基于紋理映射技術(shù)實現(xiàn)反射、折射等海面光照效果；并實現(xiàn)了海底的光束、浮簾粒子和模糊效果；然后通過后續(xù)渲染技術(shù)模擬了場景的HDR效果。

2.5 信息融合處理技術(shù)

態(tài)勢顯示的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)融合技術(shù)，本系統(tǒng)涉及的目標種類較多，態(tài)勢處理顯示軟件需根據(jù)現(xiàn)場實際，對各類對象進行動態(tài)配置管理，解決各類目標的動態(tài)添加、修改和刪除問題，以支持至少多批目標信息同時顯示，并且可以控制任一要素在海圖上的顯示狀態(tài)。各目標數(shù)據(jù)由不同設(shè)備提供，多源信息來自于不同類型的傳感器、不同級別的裝備和系統(tǒng)，為了實現(xiàn)整個態(tài)勢綜合顯示，必須對各設(shè)備入網(wǎng)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議進行規(guī)范化處理，提高數(shù)據(jù)處理效率。針對態(tài)勢顯示的實時性、準確性要求較高，需制定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時須遵循規(guī)范、安全、精簡的設(shè)計原則，實現(xiàn)對已有設(shè)備的兼容和新研裝備的接入，在保證數(shù)據(jù)傳輸安全的前提下，精簡化設(shè)計可減少數(shù)據(jù)傳輸開銷，以保證系統(tǒng)收到目標數(shù)據(jù)包后能快速、準確地提取目標信息，提高態(tài)勢顯示的實時性。

3 結(jié) 語

該系統(tǒng)設(shè)計完成后，能實時收集各類目標態(tài)勢信息，顯示目標位置、目標運動軌跡、探測器陣位、海區(qū)環(huán)境狀態(tài)等態(tài)勢，通過直觀的三維場景，形成“數(shù)字化”、“視景化”的海上態(tài)勢圖，為指揮者、決策者掌控綜合態(tài)勢提供直觀、可視的信息支持。

[1] 侯建文, 等. 航天任務(wù)分布式視景仿真技術(shù)[M]. 中國宇航出版社, 2013.

[2] 陳為, 等. 數(shù)據(jù)可視化[M]. 電子工業(yè)出版社, 2013.