作戰(zhàn)標號顏色與幾何視覺編碼融合顯示技術(shù)

周笑語

(華北計算技術(shù)研究所，北京 100083)

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭瞬息萬變，牽一發(fā)而動全身，作戰(zhàn)標號作為一種專用的軍事圖形語言，是對各方作戰(zhàn)部隊、武器平臺、指揮機構(gòu)、軍事活動和戰(zhàn)場環(huán)境的抽象化表達[1]。軍事信息通過作戰(zhàn)標號進行表述，能形象直觀地反映戰(zhàn)場環(huán)境、狀態(tài)及其發(fā)展變化趨勢，提供戰(zhàn)場態(tài)勢信息的顯示及共享。

在各國作戰(zhàn)標號標準中，均規(guī)定采用不同顏色的作戰(zhàn)標號區(qū)分敵、我、友等作戰(zhàn)角色，顏色所攜帶的視覺編碼信息為作戰(zhàn)標號增加了軍事語義。在目前的作戰(zhàn)體系中，數(shù)字化單兵手持終端[2]、武器裝備小型顯示器等設備大量普及，但因受功耗大的約束，許多情況下無法使用彩色顯示，經(jīng)常使用黑白顯示模式，在黑白模式下作戰(zhàn)標號的顏色軍事語義表達失效，識別標號十分困難；在野外作戰(zhàn)環(huán)境下，由于外界光線的影響、電子地圖相近顏色的干擾[3]，即使能夠彩色顯示，也削弱了彩色變量帶給視覺的差異感，不易辨識帶有顏色軍事語義的作戰(zhàn)標號；而且，傳統(tǒng)的標號選中矩形框沒有軍事語義，需要加強視覺編碼使標號攜帶豐富的軍事信息，實現(xiàn)標繪層面的人機交互。因此，僅依靠顏色表征軍事作戰(zhàn)中的各方，對于實際作戰(zhàn)應用不利，一定程度上阻礙了裝備的信息呈現(xiàn)，需要研究顏色語義的視覺強化解決方案。

本文提出了一種對顏色軍事語義通過輔助幾何形狀進行強化的表征方法，針對裝備及野外作戰(zhàn)環(huán)境等應用場景，對作戰(zhàn)標號的顏色軍事語義給出了新型的輔助幾何對象設計，可支撐作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的信息化建設。

1 作戰(zhàn)標號顏色語義的幾何替代表征方法

1.1 不同作戰(zhàn)標號標準體系中顏色軍事語義描述

現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝利的關鍵需要復雜且精準的戰(zhàn)場態(tài)勢信息作為支撐。作戰(zhàn)標號承載著重要的軍事信息，作為軍事作戰(zhàn)要圖中不可或缺的元素，作戰(zhàn)標號的發(fā)展逐漸成熟，各國根據(jù)各自軍事標圖需求規(guī)定了形制各異的軍隊標號標準，相同圖形符號在不同國家標準下所描述的軍事語義也會有所不同。其中，顏色這一屬性在不同的作戰(zhàn)標號標準體系中均有不同描述。

我軍相關規(guī)定指出，軍隊標號通常使用紅色、粉紅色、黑色、藍色和綠色，需要時，可以加襯黃色或其他顏色。主要規(guī)則如下：我軍情況的隊標用紅色、隊號用黑色；友軍情況的隊標用粉紅色，隊號用黑色；敵軍情況的隊標和隊號均使用藍色；不明國籍或中立國(地區(qū))情況的隊標和隊號均使用綠色。美軍關于通用作戰(zhàn)符號的研究起步早，且系統(tǒng)全面。美軍的作戰(zhàn)符號標準體系2014版MIL-STD-2525D[4]中，對作戰(zhàn)標號顏色進行其它表達的說明(矩形、棱形、梅花等)，其中主要規(guī)定敵方情況的隊標用紅色，友方情況的隊標用藍色，中立方的隊標使用綠色，而未知方的隊標使用黃色。北約[5]等基本采用的是基于美軍的作戰(zhàn)標號標準體系。

綜合上述，我軍與外軍的顏色軍事語義的差異明顯，在我軍頒發(fā)的相關作戰(zhàn)標圖標準中，沒有考慮黑白顯示模式下顏色軍事語義的等價顯示方法，目前研究處于空白，美軍的作戰(zhàn)標號標準體系在幾何形狀上面已有設計，主要側(cè)重空間位置的表達，在作戰(zhàn)角色的區(qū)分上也有幾何輔助的手段，如基本圖元和簡單曲線，與我軍所代表的軍事語義相重疊，與本文側(cè)重的幾何輔助對象設計思路有所不同。在上述各國的作戰(zhàn)標號標準體系中，顏色具有特定的軍事語義表達效果，是一種表征作戰(zhàn)信息的重要視覺編碼手段，因此，顏色的視覺強化設計在作戰(zhàn)態(tài)勢顯示中處于重要地位。

1.2 顏色軍事語義與輔助幾何對象的邏輯映射設計

在如今的軍事作戰(zhàn)領域，作戰(zhàn)標號如何能夠為標圖作業(yè)提供有效信息，態(tài)勢可視化效果如何呈現(xiàn)是作戰(zhàn)人員關注的核心要點。信息可視化表達的通道取決于視覺編碼的呈現(xiàn)手段，從視覺編碼的概念出發(fā)理解戰(zhàn)場態(tài)勢信息呈現(xiàn)的過程，即將處理后的態(tài)勢數(shù)據(jù)信息映射成可視化元素，且同一數(shù)據(jù)集合映射后可能對應多種視覺呈現(xiàn)形式[6]。最終處理的結(jié)果可以理解為一組圖形元素的組合，這些圖形元素攜帶了被編碼的態(tài)勢信息，當作戰(zhàn)人員從這些圖形元素中讀取信息時，即作戰(zhàn)人員解碼了一些態(tài)勢信息，變更好的理解與掌握了態(tài)勢情況。借鑒視覺編碼的原理，設計作戰(zhàn)符號的呈現(xiàn)形式使思路更加清晰，能更加準確、高效地傳達軍事作戰(zhàn)信息。

《圖形符號學》一書中曾提出了7個圖形符號，包括位置、大小、數(shù)值、紋理、顏色、方向和形狀及其與信息的一一對應關系。對這些圖形符號進行處理，映射到點、線、面等基本圖元之后，可以組合、演變、生成21種編碼方式可用的視覺通道[7]，這些視覺通道在一定程度上影響了用戶讀圖的視覺認知。而在作戰(zhàn)符號的態(tài)勢呈現(xiàn)中，僅僅依靠顏色區(qū)分作戰(zhàn)角色的設計顯然應用場景比較受限。由此，針對我軍作戰(zhàn)標號中幾何增強設計較為缺乏的問題，本文提出了一種新的設計思路，即對作戰(zhàn)符號的顏色視覺編碼，再輔助幾何形狀視覺編碼，通過增加視覺通道，利用顏色空間與幾何空間的雙重表征，實現(xiàn)輔助幾何對象強化標號顏色軍事語義的目標。

在我軍的作戰(zhàn)標號中，已經(jīng)存在如矩形(指揮所等)、菱形(坦克等)、圓形(士兵等)等幾何形狀，所以，如果僅用單一的基礎圖元(圓、矩形等)作為輔助幾何元素，與我軍的多種作戰(zhàn)標號在標繪時造成視覺混淆。因此，本文設計了“矩形+貝塞爾曲線”融合顯示樣式，基于幾何輔助的構(gòu)造方法對作戰(zhàn)角色的各方進行標號重塑與加強[8]，并對生成的作戰(zhàn)標號軍事信息進行表征，能夠很好地解決現(xiàn)有設備中單純依靠顏色軍事語義辨別作戰(zhàn)信息的問題，這種設計的優(yōu)點體現(xiàn)在3個方面。

1)差異化：視覺認知方式是一個多維度的信息轉(zhuǎn)化過程。數(shù)據(jù)顯示信息與用戶發(fā)生視覺刺激行為時，用戶讀取的信息持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)化，最終形成視覺刺激反應[9]。貝塞爾曲線的加入，使得設計的輔助幾何形狀能較好地與已有的標號進行良好的視覺分離，從而影響作戰(zhàn)人員對標號的視覺認知；

2)視覺效果：通過位移調(diào)整曲線的控制節(jié)點可以任意設計貝塞爾曲線的形態(tài)，通過設置參數(shù)調(diào)整貝賽爾曲線的光滑程度，利用曲線的光滑性[10]，可保證具有較好的視覺效果；

3)軍事語義：在設計新的標號時需著重考慮標號的軍事語義，在原有標號的顏色語義基礎上，將曲線形態(tài)同樣賦予軍事信息。例如作戰(zhàn)標號中的紅色標號，幾何輔助設計為上凸曲線邊框，形狀飽滿，突出軍事作戰(zhàn)中以我方為主導的必勝理念；粉色的標號設計為左凸右平曲線邊框，較好地體現(xiàn)了作戰(zhàn)友方對我方友好的偏向意圖；藍色的標號呈現(xiàn)出尖銳突出的曲線邊框，凸顯了敵方的危險性，造成視覺感官上的強烈沖擊；綠色的標號設計為較低的對稱平緩曲線邊框，表達了未知方或中立方無危險性及沒有偏向性的軍事語義。

具體設計思路和呈現(xiàn)效果如表1中所示。

表1 顏色軍事語義與輔助幾何對象的邏輯映射表

上面示意圖中內(nèi)部為作戰(zhàn)標號指揮所，本文的設計思路均以指揮所的設計為例，其他標號的設計方法參照指揮所，外部黑色的封閉幾何曲線為與該顏色對應的輔助幾何對象。

2 總體設計

傳統(tǒng)的作戰(zhàn)標號雖然具有矩形選中框，但沒有任何軍事語義，本文中設計的包圍曲線從軍事語義角度增強了人機交互功能。貝塞爾曲線作為一種基本的曲線繪制方法，在計算機圖形學中有了廣泛的應用。貝塞爾曲線插值因具有多種利于曲線設計的優(yōu)良特性而成為計算機輔助幾何設計的重要方法之一[11]。本文從作戰(zhàn)中的各參戰(zhàn)方出發(fā)，從幾何角度和算法實現(xiàn)兩個方面對“矩形+貝賽爾曲線”的融合顯示設計進行深入闡述，充分體現(xiàn)了貝塞爾曲線的幾何不變性、對稱性、凸包性、變差縮減性、光滑性和保凸性等顯著優(yōu)點。

2.1 幾何設計方法

2.1.1 貝塞爾曲線

貝塞爾曲線(Bézier curve)是一種數(shù)學曲線，一般可應用于二維圖形應用程序[12]。這一曲線通常是計算機圖形圖像研究的基本工具，是經(jīng)典的曲線逼近方法。貝塞爾曲線常用的是二次貝塞爾曲線和三次貝塞爾曲線，本文曲線的繪制主要用到三次貝塞爾曲線。

三次貝塞爾曲線結(jié)合了插值和近似，在不改變多項式基函數(shù)類型、不增大多項式基函數(shù)次數(shù)的雙項前提下，對貝塞爾曲線的頂點引入了參數(shù)，這些頂點控制多邊形，并將其與基函數(shù)進行線性組合，從而構(gòu)造出新的含參數(shù)的擴展基，各點前面的多項式是點的權(quán)重，也可以看成是多項式的基。起點和終點在曲線上，中間兩個點是近似的。P0處的切線過P1，P2處的切線過P3。P0、P1、P2、P3四個點在平面或在三維空間定義了三次貝塞爾曲線[13]。曲線起始于P0點，走向P3，并從P1的方向來到P2。一般不會經(jīng)過P1或P2；這兩個點只是提供趨勢和方向信息。三次貝塞爾曲線的示意如圖1所示。

圖1 三次貝塞爾曲線控制點分布示意圖

插值曲線的參數(shù)形式：

B(t)=P0(1-t)3+3P1t(1-t)2+

3P2t2(1-t)+P3t3，t∈[0，1]

2.1.2 作戰(zhàn)各方的貝塞爾曲線設計

在幾何輔助設計下，作戰(zhàn)各方的作戰(zhàn)標號均采用“矩形+貝塞爾曲線”的融合繪制方式。新的組合標號整體分為兩個部分，包括原有顏色語義標號和外層曲線包絡。其中，矩形框部分為與各個作戰(zhàn)方對應的幾何輔助對象，取自作戰(zhàn)標號的矩形包圍盒，再將標號矩形包圍盒向外擴大10%，然后再去掉上邊框；標號上方的貝塞爾曲線主要是通過不同的布局來控制處理曲線的走向，進而調(diào)整曲線形狀。各作戰(zhàn)方標號對應的幾何輔助對象的詳細繪制方法如下。

1)紅色(我方)標號貝塞爾曲線設計：

首先，我方作戰(zhàn)標號使用紅色，貝塞爾曲線的設計采用凸出、飽滿的曲線線型，繪制方法如圖2所示。過AB的水平線為H1，過中點O做垂直平分線OM，取OM上的C點，OC的長度為AB長度的1/2，過C點作與H1平行的直線H2，在C點左右兩側(cè)取P2、P3兩點，使CP2=CP3，長度為AB長度的1/6。在點A的上方取P1，在點B的上方取P4，使AP1=BP4=CP2=CP3。整個曲線的形狀分為兩段，曲線AC采用三次貝塞爾曲線插值，通過A、P1、P2、C四個控制點使曲線逼近成下圖形狀；曲線CB同樣采用三次貝塞爾曲線插值，通過C、P3、P4、B四個控制點使曲線逼近成下圖形狀。

圖2 紅色(我方)貝塞爾曲線控制點分布示意圖

2)粉色(友方)標號貝塞爾曲線設計：

軍事作戰(zhàn)中，友方作戰(zhàn)標號規(guī)定為粉色，在顏色語義的支撐下，設計幾何輔助曲線形狀為上方為左側(cè)凸起右側(cè)下滑形態(tài)，具體繪制方法如圖3所示，過AB的水平線為H1，過中點O做垂直平分線OM，作與H1平行的直線H2，其高度為AB長度的1/2。在H2上取C點，點C的位置在與過A的垂線的距離為AB長度的1/6處。沿直線CB方向，在點C的左右兩側(cè)取P2、P3兩點，使CP2=CP3，為AB長度的1/6。在點A的上方取P1，AP1長度為AB長度的1/6。在點B的左側(cè)取P4，BP4長度為AB長度的1/2。整個曲線的形狀同樣分為兩段，曲線AC采用三次貝塞爾曲線插值，通過A、P1、P2、C四個控制點使曲線呈凸形；曲線CB同樣采用三次貝塞爾曲線插值，通過C、P3、P4、B四個控制點使曲線逼近成下圖形狀。

圖3 粉色(友方)貝塞爾曲線控制點分布示意圖

3)藍色(敵方)貝塞爾曲線設計：

敵方的作戰(zhàn)標號通常為藍色，藍色的標號映射幾何形狀為尖銳突出的曲線，要突顯出對我方作戰(zhàn)的危險性，要求視覺效果帶來的沖擊顯著，所以設計為上方曲線中間凸出，具體繪制方法如圖4所示。過AB的水平線為H1，過中點O做垂直平分線OM，取OM上的C點，OC的長度為AB長度的1/2，過C點作與H1平行的直線H2，在C點左右兩側(cè)取P2、P3兩點，使CP2=CP3，長度為AB長度的1/6。在點A的右側(cè)取P1，在點B的左側(cè)取P4，使AP1=BP4，為AO長度的2/3。同樣，整個曲線的形狀分為兩段，曲線AC采用三次貝塞爾曲線插值，通過A、P1、P2、C四個控制點使控制左側(cè)曲線；曲線CB同樣采用三次貝塞爾曲線插值，通過C、P3、P4、B四個控制點控制右側(cè)形狀。

圖4 藍色(敵方)貝塞爾曲線控制點分布示意圖

4)綠色(未知或中立方)貝塞爾曲線設計：

作戰(zhàn)中的未知方和中立方被規(guī)定為綠色的標號，映射的幾何形狀需要針對軍事語義進行設計，較低的對稱平緩曲線邊框，體現(xiàn)了作戰(zhàn)角色的中立態(tài)度及對戰(zhàn)場態(tài)勢的無偏向性，具體繪制方法如圖5所示，過AB的水平線為H1，過中點O做垂直平分線OM，取OM上的C點，OC的長度為AB長度的1/6，過C點作與H1平行的直線H2，在C點左右兩側(cè)取P2、P3兩點，使CP2=CP3，長度為AB長度的1/4。點A的上方取P1，在點B的上方取P4，使AP1=BP4，為AB長度的1/6。同樣，整個曲線的形狀分為兩段，曲線AC采用三次貝塞爾曲線插值，通過A、P1、P2、C四個控制點使控制左側(cè)曲線；曲線CB同樣采用三次貝塞爾曲線插值，通過C、P3、P4、B四個控制點控制右側(cè)形狀。

圖5 綠色(未知或中立方)貝塞爾曲線控制點分布示意圖

以上幾何輔助對象的曲線繪制，利用“矩形+貝賽爾曲線”的融合顯示設計方法，對于作戰(zhàn)標號的幾何強化表達具有十分重要的意義。首先，在顏色軍事語義的輔助幾何對象強化表征設計層面，可為各類終端設備顯示提供關鍵的顏色軍事語義增強表達，極大推進裝備級態(tài)勢信息顯示技術(shù)；其次，在人文設計層面，顏色語義的幾何增強表達設計思路，可為世界上的色弱人士提供顏色視覺增強設計[14]，具有較為廣泛的社會價值；在人機交互方面，可以加強作戰(zhàn)人員讀圖與標繪過程中的視覺感受，為指揮作戰(zhàn)領域提供了一種新的思路。

2.2 作戰(zhàn)標號顏色語義的幾何強化表征繪制流程

基于上述相關設計與研究，下面給出由標號到生成輔助幾何對象的完整流程。作戰(zhàn)符號顏色語義的幾何強化表征處理流程分為七步，如圖6所示。

圖6 作戰(zhàn)標號顏色語義的幾何強化表征流程圖

圖7 標號設計對比分析

1)計算標號的矩形AABB包圍盒[15]：AABB構(gòu)造比較簡單，存儲空間小，具有相交測試的簡單性及較好的緊密性，因此從幾何邏輯映射角度出發(fā)確定包圍盒策略，并根據(jù)幾何特征構(gòu)造對應的AABB包圍盒；

2)擴展包圍盒10%：再將標號矩形包圍盒向外擴大10%，矩形包圍盒的外擴可以造成良好的分離效果，與原始作戰(zhàn)標號形成幾何與視覺上的分離；

3)繪制下部折線：依據(jù)擴展的矩形，繪制包圍盒的左、底、右三邊；

4)繪制上部貝塞爾曲線：依據(jù)擴展的矩形，及標號的軍事語義，敵、我、友等各個作戰(zhàn)角色等，基于前文所述的幾何輔助設計，通過將貝塞爾插值算法封裝，求控制點位置，提供接口函數(shù)，繪制與之對應的上部貝塞爾曲線；

5)曲線優(yōu)化與生成：控制起始點、終止點和中間點來擬合首段曲線，以首段末點為起點保證位置和斜率一致[16]。擬合第二段曲線，需要對單段的貝塞爾曲線進行局部有效控制，在曲線繪制過程中對曲線進行光滑處理，實現(xiàn)繪制過程的優(yōu)化。保證下部折線及上部曲線在連接處的連貫性與吻合度，可繪制出一條完整光滑的封閉曲線；

6)視覺融合顯示：為強化標號與輔助幾何對象的整體性，可將封閉的輔助幾何對象進行顏色半透明填充，填充顏色采用標號的顏色，透明度采用30%～50%[17]，填充色優(yōu)先繪制，標號繪制在上面，保證不被遮擋。而且，通過填充顏色，可將標號與背景進行良好的視覺分離，可實現(xiàn)標號的突出顯示。

7)交互測試：繪制生成的曲線組合生成新的作戰(zhàn)標號，需要設置顏色、線型、線寬、角度、是否填充等多種可更改屬性，并將其保存到相應的容器中[18]。為了增加用戶使用的舒適度，符合用戶的讀圖習慣，需要對生成的作戰(zhàn)標號進行多次試驗與測試，使得在繪制不同曲線的時候以達到更好的顯示效果，同時保證軍事信息的準確性。

為了快速展現(xiàn)態(tài)勢信息，提高計算能力與繪制效率，可進行繪制底層接口封裝的可視化處理。整個繪制處理流程通過對貝塞爾曲線控制點的不同布局，生成4種特定的光滑曲線，這些曲線形狀對應了不同顏色的軍事語義，與美軍作戰(zhàn)符號顏色的幾何輔助設計相比，這些新型的幾何形狀更加適合我軍作戰(zhàn)人員的認知習慣[19]，形象性強，簡潔易記。

2.3 融合顯示效果圖

4種曲線設計的顯示效果采用地理信息系統(tǒng)及標繪軟件進行可視化處理。模擬的過程是在沒有彩色顯示模式下，以地形圖作為底部顯示圖層，以作戰(zhàn)指揮所作為引例的設計效果。幾何輔助下的作戰(zhàn)標號使得標繪人員關注態(tài)勢變化，可較好地突顯各軍事參戰(zhàn)方，傳達軍事作戰(zhàn)信息，在顏色軍事語義削弱的情況下，為作戰(zhàn)讀圖和戰(zhàn)場指揮做好了強化保障。各作戰(zhàn)標號設計的顯示效果如文末圖8所示。

3 實驗驗證分析

本文將系統(tǒng)部署到XX基地工作現(xiàn)場進行聯(lián)試環(huán)境下的實驗驗證。在我方及敵方的各類態(tài)勢主題下，對新設計標號的顯示樣式進行接入和管理，利用黑盒測試的方法對繪制處理效果以及態(tài)勢可視化優(yōu)化等模塊進行實驗驗證，并結(jié)合現(xiàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)進行了圖形繪制樣式的改善，達到了預期的結(jié)果，從時間、數(shù)量等兩個指標出發(fā)，驗證了新標號的快速顯示、在各應用場景下的應用顯示以及軍事表達能力，如表2所示[20]。

表2 實驗性能測試

作戰(zhàn)標號的融合強化設計主要考慮到人類功效學的因素進行顯示，由簡單標號上升為攜帶軍事表達能力的作戰(zhàn)單元，在態(tài)勢可視化階段給作戰(zhàn)人員傳達的視覺效果達到了量變的層面。通過對 不同應用場景的分析可以看出，基于新的標號進行的作戰(zhàn)任務可從視覺通道、能力表達、流程步驟的數(shù)量進行對比，使得籌劃態(tài)勢可以有多種可視化呈現(xiàn)形式，極大地提高了作戰(zhàn)效率與信息承載能力。

融合幾何視覺編碼的作戰(zhàn)符號設計，在形狀、文字、顏色3個視覺變量的基礎上，增加了幾何特征、符號、線條、角度，增加了對實體、身份、級別、狀態(tài)、關系等屬性的信息傳達，表達豐富且完整，增強了作戰(zhàn)任務中的交互性與視覺性，同時手持終端設備的視覺沖突問題得以解決[21]。

4 結(jié)束語

本文針對裝備及野外環(huán)境等作戰(zhàn)標號的識別應用場景，以作戰(zhàn)標號中的指揮所為例，對作戰(zhàn)標號的顏色軍事語義給出了新型的輔助幾何對象設計，對作戰(zhàn)指揮及訓練系統(tǒng)的建設提供了一定的支撐。未來可借鑒該思路，進一步優(yōu)化指揮中心等的作戰(zhàn)標號顯示，通過多種視覺編碼方式(顏色、透明度、形狀等)，協(xié)同提升態(tài)勢顯示效果，將幾何輔助的強化表征設計應用于更加廣泛的標號類型，不斷提升從聯(lián)合指揮中心到武器終端等的多尺度態(tài)勢顯示能力[22]。