基于UE4 的航空影像判讀數(shù)字沙盤系統(tǒng)研制

趙育良，劉建東，李明珠

（海軍航空大學青島校區(qū)，山東青島 266041）

數(shù)字沙盤系統(tǒng)研發(fā)的目的是為航空偵察情報專業(yè)學員施訓提供一套能夠完整還原典型目標航空影像（機場、港口等）的訓練系統(tǒng)。通過數(shù)字化訓練的模式，提高訓練效率，減少訓練成本，增加訓練的逼真度和可靠性，為學員訓練成果的展示提供全新的平臺。為了更好地適應教學訓練要求，數(shù)字沙盤不僅能夠逼真地展示機場、港口目標的地理現(xiàn)實影像，而且還需準確顯示碼頭、陣地、機場跑道、營房及油庫等相關設施，根據(jù)用戶權(quán)限，用戶還可對典型武器裝備根據(jù)態(tài)勢研判的需求進行布設，對節(jié)氣、時間及天氣進行動態(tài)調(diào)整，并可調(diào)整視角進行垂直或傾斜狀態(tài)下的判讀、標注，生成判讀報告，以便針對性地開展不同的航空影像判讀科目訓練。影像判讀數(shù)字沙盤系統(tǒng)基于UE4 游戲引擎實現(xiàn)典型軍事目標三維場景的構(gòu)建和模擬，制作過程包括系統(tǒng)總體設計、數(shù)據(jù)分析與準備、模型制作與導入、場景優(yōu)化和系統(tǒng)實現(xiàn)等階段。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

1）構(gòu)建典型目標的場景模型

一是甲軍某港口場景，包含場景內(nèi)部的碼頭、防波堤、司令部、防空導彈陣地等；二是乙軍某機場場景，包含場景內(nèi)部的機場跑道、洞庫、半地下庫、高速公路、停機坪、飛指揮通信設施、導航臺、塔樓、油庫、彈藥庫、營房等。

根據(jù)軍用港口和機場目標的環(huán)境布設要求，主要需要完成如表1 所示建筑物模型構(gòu)建。

表1 典型目標的場景模型

2）構(gòu)建典型目標的武器裝備模型

一是艦艇，主要包括甲軍、乙軍、丙軍主力水面艦艇和水下潛艇建模。二是飛機，主要包括乙軍、丙軍主力戰(zhàn)斗機、運輸機、預警機等機型建模。

需要完成的主力艦艇以及戰(zhàn)機模型如表2所示。

表2 典型目標的武器裝備模型

3）沙盤自定義功能設計

沙盤自定義為用戶提供自主編輯數(shù)字沙盤的功能。一是自定義沙盤核心建筑設施位置，系統(tǒng)提供瀏覽和建造兩種模式，在建造模式下系統(tǒng)支持建筑、武器裝備的自定義擺放、朝向的自定義設置。二是自定義沙盤節(jié)氣、時間（精確到年月日時）的功能，支持春、夏、秋、冬太陽位置切換、支持年月日時，時間定位；三是自定義天氣功能，包含基本的云、霧、雨。可設置體積云的密度、厚度、烏云白云、霧天天氣、雨天等。通過上述功能設計，可由教員動態(tài)布設不同的武器及建筑分布場景，靈活提供圖像判讀及航空觀察的影像素材。圖1為艦船及戰(zhàn)機創(chuàng)建示意圖。

圖1 艦船及戰(zhàn)機創(chuàng)建示意圖

4）航拍仿真設計

航拍仿真為學員提供通過調(diào)節(jié)相關參數(shù)，模擬不同條件下的航空偵察影像的功能。一是調(diào)整航拍高度。學員可以通過下方的height 工具和Len 工具調(diào)整視角高度位置；二是調(diào)整航拍角度。支持航拍角度微調(diào)功能，通過按住Ctrl+W 和Ctrl+S 鍵，調(diào)整視角；三是調(diào)整航拍位置。支持航拍位置微調(diào)功能，通過按住WASD 鍵，調(diào)整位置。通過上述航拍高度、相機傾斜角度及相機鏡頭焦距長度的調(diào)整，可模擬產(chǎn)生在不同參數(shù)條件下的航拍效果。圖2 為航拍仿真功能示意圖。

圖2 航拍仿真功能示意圖

5）目標判讀仿真設計

該功能提供學員訓練過程中的目標判讀及整編功能。一是目標判別標繪，在完成對航空拍照影像的判別后，對其進行標注；二是對目標進行標注后，可以輸入注釋文字，方便判別完成之后進行判別結(jié)果比對。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

為了便于學員觀察訓練，影像判讀數(shù)字沙盤系統(tǒng)需要展示的場景較大，需要通過多臺投影儀協(xié)同投影實現(xiàn)大場景展示。該系統(tǒng)使用投影矩陣，利用計算機拼接技術實現(xiàn)雙屏投影的統(tǒng)一調(diào)度，能夠輸入教員機、學員機等多路信號，為便于訓練，可將任何一路輸入信號實時投射在投影屏上，并能將多臺計算機信號進行拼接，實現(xiàn)信號整合。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)用戶界面分為傳統(tǒng)的主控界面和三維空間中的功能界面。主控圖形化界面布局為頂部和左側(cè)為菜單欄，主要包括訓練開始、場景選擇、沙盤自定義及退出等功能按鈕，其余大部分為三維虛擬空間顯示區(qū)域。功能界面則實現(xiàn)模式切換（建造模式和瀏覽模式），在建造模式中可實現(xiàn)建設、武器裝備及道路的創(chuàng)建等操作。軟件系統(tǒng)還具備一定的開放性設計，支持用戶按約定的格式導入新建地圖、模型等后續(xù)開發(fā)資源。系統(tǒng)主控及功能界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主控及功能界面

在瀏覽模式下，還可利用快捷鍵或鼠標完成以下操作。

水平移動地圖：通過WASD 鍵進行鏡頭在水平面的上、下、左、右四個方向的移動。

垂直移動地圖：通過QE 鍵進行升高和降低。

水平旋轉(zhuǎn)鏡頭：按住Ctrl 鍵，+A 鍵向左方向旋轉(zhuǎn)，+D 鍵向右方向旋轉(zhuǎn)。

垂直旋轉(zhuǎn)鏡頭：按住Ctrl 鍵，+W 鍵向上方向旋轉(zhuǎn)，+S 鍵向下方向旋轉(zhuǎn)鏡頭。

小地圖拖動：鼠標單擊小地圖，鏡頭將跳轉(zhuǎn)到小地圖對應的沙盤位置[1-5]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)主要開發(fā)工具為UE4，UE4 為當今市面上頂級的游戲引擎，是完全開源的，并且支持用C++進行開發(fā)，內(nèi)置了種類齊全、功能強大的工具鏈，提供了完善的骨骼動畫系統(tǒng)、物理學碰撞系統(tǒng)、可視化的編輯器、完善的材質(zhì)編輯器等，能夠為VR 項目開發(fā)提供完整的支持，其地形貼圖質(zhì)量好、真實性高、交互能力強，經(jīng)過材質(zhì)渲染后道路、軍事建筑、軍事裝備及場景更加真實，加之其世界組合、LOD 渲染等功能，可較好地適用于大地形的管理與渲染，在視景展現(xiàn)細膩程度、交互體驗上效果突出。為此，數(shù)字沙盤以相關典型目標的地形數(shù)據(jù)及目標分布數(shù)據(jù)為基礎，計算UE4 場景坐標與實際典型目標坐標系統(tǒng)對應關系，導入UE4 引擎生成道路、地形，配置相關建筑設施及武器裝備，搭建并管理典型軍事目標場景。

2.1 模型制作

系統(tǒng)采用DEM 數(shù)據(jù)并利用World Machine 處理地形高程數(shù)據(jù)，采用3ds Max 實現(xiàn)武器裝備及建筑建模與紋理貼圖，將地形、裝備及建筑模型導人UE4 引擎后，再利用VC++實現(xiàn)數(shù)字沙盤的實際功能。

1）場景搭建

數(shù)字沙盤場景以典型目標環(huán)境高精度DEM 數(shù)據(jù)為基礎，利用UE4 導入相應的紋理數(shù)據(jù)生成三維地形環(huán)境。但由于UE4 無法直接解析DEM 數(shù)據(jù)格式，故還需利用World Machine 工具處理地形高程數(shù)據(jù)以及建筑紋理貼圖，通過該工具設置地形構(gòu)建分辨率，調(diào)整設置地形的長寬尺寸，并注意地形的高度值需大于地形的最大高度，且為512 的倍數(shù)。UE4 引擎在導入創(chuàng)建地形時，還需關注DEM 即實際地形單位與UE4 之間的單位轉(zhuǎn)換。

式中，lx、ly、hz分別是仿真場景下對應的長度、寬度和高度三個方向上的像素數(shù)；Lx、Ly、Hz分別為DEM地形長度、寬度和高度三個方向上的數(shù)值，單位為m；而Rx、Ry為地形構(gòu)建分辨率；UE4 場景以笛卡爾坐標系z軸正向為上方向，并運用式（3）進坐標轉(zhuǎn)換。為使仿真環(huán)境更加逼真生動，在環(huán)境中還加入了植被模型并輔以動態(tài)設計。圖4 為系統(tǒng)搭建的港口環(huán)境模型場景效果。

圖4 港口環(huán)境模型

2）建筑和武器模型構(gòu)建

數(shù)字沙盤和武器模型由3ds Max 構(gòu)建，3ds Max制作的模型（fbx 文件）可直接導入UE4 平臺，模型主要包括港口、機場的建筑模型和典型艦船、飛機的武器裝備模型。3ds Max 具有強大的建模和貼圖功能，為了增加系統(tǒng)的流暢性，在建模及優(yōu)化的過程中，在不影響外形的情況下用盡量少模型的面片數(shù)。圖5為系統(tǒng)構(gòu)建的部分武器裝備模型。

圖5 武器裝備模型

2.2 基于UE4的仿真交互實現(xiàn)

確定好場景大小后，將地形導入系統(tǒng)，并按位置關系布設建筑及武器模型，為了增加場景的逼真度，設置光照、云、雨、星光等相關參數(shù)，提升不同光照及天氣下的航拍仿真效果。完成上述環(huán)境構(gòu)建后，即可利用UE4 藍圖或C++編程，圍繞上述功能進行交互設計。利用藍圖技術，實現(xiàn)武器設備等模型的添加、調(diào)整以及環(huán)境參數(shù)調(diào)整等交互操作。圖6 為武器模型姿態(tài)及位置調(diào)整的部分藍圖。另外，UE4 引擎對C++有較好的支持，系統(tǒng)通過C++腳本拓展實現(xiàn)比如自主添加導入新建武器裝備類型及模型、用戶及訓練管理等開放性設計。

圖6 武器模型姿態(tài)及位置調(diào)整的部分藍圖

2.3 系統(tǒng)集成及測試

按照上述功能設計及實現(xiàn)方法，完成影像判讀電子海航系統(tǒng)的構(gòu)建，最后打包輸出成可獨立運行的可執(zhí)行文件。用戶按照系統(tǒng)測試大綱，對技術方案中涉及的設計功能進行了逐一測試，并依托該系統(tǒng)組織學員開展了垂直、傾斜及不同高度下的影像判讀訓練，結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用UE4 游戲引擎，能夠逼真的呈現(xiàn)不同環(huán)境條件下的航空遙測場景，實現(xiàn)了沙盤自定義等諸多功能，可完成航拍動態(tài)仿真及影像判讀所涉及的功能。系統(tǒng)運行流暢、操作簡便，結(jié)合一些特定的開放性設計，可較好地滿足情報判讀類理論[6-16]。

3 結(jié)論

該文基于UE4 游戲引擎構(gòu)建了航空影像判讀數(shù)字沙盤系統(tǒng)，為航空影像情報判讀提供了一套能夠完逼真還原典型目標航空影像（機場、港口等）的訓練系統(tǒng)，解決了學員在訓練中手段單一的不足。該系統(tǒng)首次利用游戲引擎構(gòu)建三維實景用于航空影像判讀訓練，對于空中戰(zhàn)勤和地面影像情報判讀兩個方向，訓練手段建設是重要的探索和突破，經(jīng)測試，系統(tǒng)模擬場景逼真，運行流暢，功能符合設計。