基于OpenGL的反艦導(dǎo)彈攻擊態(tài)勢三維視景仿真研究與實(shí)現(xiàn)

摘 ?要：本文主要論述了OpenGL圖形化標(biāo)準(zhǔn)的工作流程、開發(fā)過程，海洋環(huán)境態(tài)勢的構(gòu)建，反艦導(dǎo)彈的飛行控制及命中效果，提供了一種將末制導(dǎo)雷達(dá)特征參數(shù)與反艦導(dǎo)彈的飛行控制結(jié)合起來，并在模擬的復(fù)雜海洋環(huán)境態(tài)勢中進(jìn)行顯示的三維視景實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：OpenGL;反艦導(dǎo)彈;視景仿真;攻擊態(tài)勢

中圖分類號：TP391.9;TP391.41 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）05-0107-02

Abstract：This paper mainly discusses the work flow and development process of OpenGL graphical standard，the construction of marine environment situation，the flight control and hitting effect of anti-ship missile，and provides a three-dimensional visual realization method which combines the characteristic parameters of terminal guidance radar with the flight control of anti-ship missile and displays them in the simulated complex marine environment situation.

Keywords：OpenGL;anti-ship missile;visual simulation;attack situation

0 ?引 ?言

隨著計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展使三維可視化表現(xiàn)技術(shù)得以形成，可視化技術(shù)能夠使用三維形體來顯示復(fù)雜不易辨析的信息，使我們能夠更清晰地感受三維世界中的物體形態(tài)和變化，可視化技術(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進(jìn)行操作、融合、處理、加工和存儲，與計算機(jī)進(jìn)行直接交流。機(jī)械工程師將點(diǎn)線組成的二維平面圖轉(zhuǎn)換成立體直觀的三維圖形世界，細(xì)節(jié)處理也更加精細(xì)，從而能夠輕而易舉地設(shè)計出自己需要的三維機(jī)械零件模型，極大地提高了工作效率。軍事戰(zhàn)斗指揮員可以從用三維圖形技術(shù)生成的戰(zhàn)場地形環(huán)境、信息統(tǒng)一態(tài)勢中獲得敵我行動企圖和輔助決策信息，指揮具有真實(shí)感、逼真度的三維航空母艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、補(bǔ)給艦等向目標(biāo)航行，通過多次的戰(zhàn)斗模擬仿真分析、評估和評定戰(zhàn)斗方案的綜合效能，達(dá)到提升訓(xùn)練部隊?wèi)?zhàn)斗力的目標(biāo)。

在艦艇反導(dǎo)訓(xùn)練任務(wù)中，末制導(dǎo)雷達(dá)輸出的特征參數(shù)是艦艇反導(dǎo)效果評估的重要依據(jù)。在真實(shí)的戰(zhàn)爭環(huán)境中，末制導(dǎo)雷達(dá)安裝在反艦導(dǎo)彈，因此把末制導(dǎo)雷達(dá)的特征參數(shù)與反艦導(dǎo)彈的飛行過程聯(lián)系起來成為靶場研究的難點(diǎn)。由于制造導(dǎo)彈的價格因素，靶場不可能大量進(jìn)行實(shí)彈射擊，越來越成熟的可視化技術(shù)提供了一個很好的解決方案。我們可以通過可視化技術(shù)模擬生成一個復(fù)雜的海洋環(huán)境態(tài)勢，包括天空、海面、反艦導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)、雷達(dá)等，在這個態(tài)勢中以末制導(dǎo)雷達(dá)的特征參數(shù)為基礎(chǔ)控制反艦導(dǎo)彈的發(fā)射、飛行，并根據(jù)評判準(zhǔn)則判斷反艦導(dǎo)彈的攻擊效果。

1 ?OpenGL工作原理

OpenGL三維圖形標(biāo)準(zhǔn)是一個與硬件圖形發(fā)生器的軟件接口，系統(tǒng)軟件開發(fā)者可以利用100多個函數(shù)構(gòu)建各種所需的三維立體景物模型，進(jìn)行三維圖形交互軟件系統(tǒng)的開發(fā)、研制和應(yīng)用。

幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過流程圖的上部進(jìn)行運(yùn)算器、逐個頂點(diǎn)操作，圖像數(shù)據(jù)像素數(shù)據(jù)經(jīng)過光柵化、逐個片元處理直至把最后的光柵數(shù)據(jù)寫入幀緩沖器。在OpenGL中的所有數(shù)據(jù)，包括幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖像像素數(shù)據(jù)都可以被存儲在顯示列表中，或者可以立即得到處理。OpenGL要求把所有的幾何圖形單元都用頂點(diǎn)進(jìn)行描述，這樣運(yùn)算器和逐個頂點(diǎn)計算操作都可以針對每個頂點(diǎn)進(jìn)行計算和操作，然后進(jìn)行光柵化形成圖形碎片。對于像素數(shù)據(jù)，像素操作結(jié)果被存儲在紋理組裝用的內(nèi)存中，再像幾何頂點(diǎn)操作一樣光柵化形成圖形片元。最后，圖形片元要進(jìn)行一系列的逐個片元操作，最后的像素值送入幀緩沖器，實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。

2 ?總體設(shè)計方案

總體方案的流程為生產(chǎn)海洋環(huán)境態(tài)勢、顯示導(dǎo)彈和目標(biāo)艦?zāi)Ｐ?、接收網(wǎng)絡(luò)上的末制導(dǎo)雷達(dá)參數(shù)、解析參數(shù)并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來控制導(dǎo)彈運(yùn)動、依據(jù)導(dǎo)彈運(yùn)動態(tài)勢和參數(shù)數(shù)據(jù)判斷導(dǎo)彈的攻擊效果、根據(jù)導(dǎo)彈命中和未命中效果顯示不同的可視化態(tài)勢。

首先，繪制一個立方體構(gòu)建海平面、天空環(huán)境，在立方體平面上進(jìn)行貼圖處理形成天空盒，以天空盒為基礎(chǔ)生成海洋環(huán)境態(tài)勢，將導(dǎo)彈和目標(biāo)艦?zāi)Ｐ头胖迷谏珊玫暮Ｑ蟓h(huán)境態(tài)勢中;其次，數(shù)據(jù)采集線程實(shí)時偵收網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)實(shí)時判斷，當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射命令下達(dá)后，導(dǎo)彈依據(jù)獲得的參數(shù)開始運(yùn)動，為了方便觀察導(dǎo)彈的運(yùn)動過程，可以任意切換四種顯示模式，從不同的距離、角度觀察導(dǎo)彈的飛行態(tài)勢，四種顯示模式包括跟隨模式、側(cè)視模式、俯視模式和自由模式;最后，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)地制定評判準(zhǔn)則，并根據(jù)評判準(zhǔn)則判斷導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)艦艇的效果，命中時增加目標(biāo)艦爆炸，并燃燒特效，增加火焰特效和爆碎裂片場景顯示，未命中時導(dǎo)彈直接飛入海水，不做其他顯示。

主要實(shí)現(xiàn)的功能為：以天空盒為基礎(chǔ)生成海洋環(huán)境態(tài)勢，用3DMAX制作導(dǎo)彈和艦船模型，用專用函數(shù)將導(dǎo)彈和艦船模型調(diào)入程序并顯示在態(tài)勢中，具有全屏顯示功能和四種顯示模式，具有一鍵重置的功能，接收、解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文，將報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)彈運(yùn)動的參數(shù)，控制導(dǎo)彈運(yùn)動，從不同的角度觀察導(dǎo)彈運(yùn)動態(tài)勢、導(dǎo)彈命中效果的評判、以及導(dǎo)彈的尾焰和爆炸特效，實(shí)時顯示導(dǎo)彈的態(tài)勢信息和末制導(dǎo)雷達(dá)的特征參數(shù)。

3 ?建立海洋環(huán)境態(tài)勢和創(chuàng)建模型

海洋環(huán)境態(tài)勢的模擬以天空盒為基礎(chǔ)。天空盒是一個上面表示天空，下面表示海平面，四面代表東南西北四方位的長方體，在它的六個面上貼有具有特殊要求的圖片，形成海洋環(huán)境態(tài)勢。這就要求四面圖的邊與頂圖的邊相連，四面圖前后相連。

導(dǎo)彈和艦船的模型由軟件3DMAX 8.0制作而成，導(dǎo)出成后綴為3ds的文件。VC專用函數(shù)調(diào)用3ds文件，并把模型顯示在模擬的海洋環(huán)境態(tài)勢中。

4 ?導(dǎo)彈運(yùn)動軌跡

4.1 ?顯示模式

導(dǎo)彈運(yùn)行的顯示模式有四種，包括跟隨模式、側(cè)視模式、俯視模式和自由模式，可以控制鍵盤任意在這四種模式之間進(jìn)行切換。

跟隨模式是在屏幕的中央一直以導(dǎo)彈為中心顯示，屏幕的視角隨著導(dǎo)彈的運(yùn)動而變化。這種模式方便觀察導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)，能直觀地觀察導(dǎo)彈的攻擊效果;側(cè)視模式和俯視模式在一個固定視角中，能夠同時顯示導(dǎo)彈和目標(biāo)艦，這兩種模式顯示由導(dǎo)彈的軌跡點(diǎn)連接而成的平滑曲線可以實(shí)時觀察導(dǎo)彈的軌跡變化，在同一畫面同時顯示整個攻擊過程;自由模式下可以實(shí)現(xiàn)類似于手持?jǐn)z像機(jī)的功能，當(dāng)我們想拍攝某一物體時，就移動攝像機(jī)對準(zhǔn)該物體，并調(diào)整與物體的距離。自由模式通過操作鍵盤的方向鍵控制視角的前后移動和左右旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)自己的需要從不同的角度來觀察導(dǎo)彈的飛行態(tài)勢。

4.2 ?導(dǎo)彈命中的評判

反導(dǎo)訓(xùn)練效果的評判準(zhǔn)則以國軍標(biāo)為基礎(chǔ)。在試驗(yàn)過程中，利用紅外攝像頭監(jiān)視目標(biāo)艦，控制轉(zhuǎn)臺，使末制導(dǎo)雷達(dá)的機(jī)械軸始終對準(zhǔn)目標(biāo)艦，因此末制導(dǎo)雷達(dá)輸出的方位角成為判斷末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤效果的最主要依據(jù)。根據(jù)末制導(dǎo)雷達(dá)的試驗(yàn)方法制定的評判準(zhǔn)則是在穩(wěn)定跟蹤情況下，當(dāng)末制導(dǎo)雷達(dá)輸出的方位角小于設(shè)定值時，判定導(dǎo)彈命中目標(biāo)，反之導(dǎo)彈未命中目標(biāo)。

5 ?導(dǎo)彈的效果

為了增強(qiáng)導(dǎo)彈的逼真效果，增加了對導(dǎo)彈的尾焰和命中效果的特效顯示。導(dǎo)彈的尾焰采用OpenGL的混合技術(shù)。OpenGL有很多特效由各種參數(shù)混合完成，混合的原理是把屏幕上已知的顏色與新的顏色進(jìn)行合成，合成處理后形成新的效果，并周期性地顯示在設(shè)定的態(tài)勢中。導(dǎo)彈命中效果采用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，粒子系統(tǒng)能夠模擬一些導(dǎo)彈爆炸后的特定景象，從而實(shí)現(xiàn)具有真實(shí)感的爆炸碎片狂飛效果，依據(jù)火焰特性，模擬燃燒效果，對目標(biāo)艦造成的燃燒進(jìn)行三維圖形化顯示。

6 ?結(jié) ?論

隨著可視化技術(shù)的成熟，我們應(yīng)用可視化技術(shù)創(chuàng)建三維立體的武器裝備模型，模擬復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢能夠立體全方位地展示整個作戰(zhàn)過程。在試驗(yàn)任務(wù)中，將兩者結(jié)合起來，可以實(shí)時觀察和監(jiān)控試驗(yàn)態(tài)勢。本文實(shí)現(xiàn)了將末制導(dǎo)雷達(dá)的特征參數(shù)與反艦導(dǎo)彈的飛行控制結(jié)合在一起，實(shí)時顯示反艦導(dǎo)彈的攻擊態(tài)勢，已在研練任務(wù)中應(yīng)用。三維圖形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)參數(shù)可視化的重要途徑，隨著硬件軟件水平的提高，在國防軍事領(lǐng)域也必將發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Dave Shreiner，Mason Woo，JackieNeider等.OpenGL編程指南（第四版）[M].鄧鄭祥，譯.北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 向世明.OpenGL編程與實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

作者簡介：劉硯山（1983-），男，漢族，天津人，學(xué)士學(xué)位，工程師，主要研究方向：艦載作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)試驗(yàn)。