三維電子沙盤實現技術研究

摘要：闡述了電子沙盤的作用及功能，分析了基于Vega Prime的三維虛擬電子沙盤系統的系統結構設計，討論了使用Mapinfo建立數據庫的方法，及系統實現的關鍵技術。

關鍵詞：電子沙盤；.NET；Mapinfo；Vega Prime；Creator

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)30-0701-02

Research of Three-dimensional the Electronic Sand Table System

FENG Yu-fang1， MA Zheng-cai2

(1.Engineering Institute of Engineering Corps， PLA Univ. of Sci. Tech.， Nanjing 210007，China;2.The Automatic Station of the Army， PLA 71375， Weifang 261041， China)

Abstract: The effects and function of the electronic sand table are expounded， and the configuration designed of the electronic sand table in three-dimensional dummy in the Vega Prime Application are analysed， and the methods to establish the database use of Mapinfo and the key techniques to carry out the system are discussed.

Key words: the electronic sand table; .NET; Mapinfo; Vega Prime; Creator

1 引言

自古以來，沙盤被廣泛應用于軍事、教學、旅游等許多領域。傳統的沙盤多為實物沙盤，由于占地面積大，攜帶不方便，表現方式單調，且難以適應當前科學管理和規劃決策的要求。隨著計算機技術、網絡技術和計算機圖形學的發展，電子沙盤仿真系統已被越來越廣泛的應用于各行各業。電子沙盤仿真系統是在矢量地圖數據管理與顯示子系統和多媒體信息管理與顯示子系統的支持下，把虛擬現實的理論與技術應用到戰場地形環境仿真領域形成的技術系統，是指揮員認識戰場地形環境、替代或部分替代實地考察工作的有力工具。電子沙盤仿真系統還為軍事指揮和訓練提供了極大方便，它可以為各級作戰指揮提供一個三維的、動態的、可交互的作戰模擬地形環境，為訓練人員和指揮人員提供可視化的交互式訓練的虛擬環境，極大地提高了訓練效果，同時還為地面指揮人員提供更直觀的視覺效果。在國際上，美國是 較早地將電子沙盤應用到軍事領域的國家之一，例如由美國軍方行為社會科學研究所（U.S.Army Research Institute for the Behavioral and Social Science）研制的野外炮兵訓練智能導航虛擬沙盤（The Virtual Sand Table: Intelligent Tutoring for Field Artillery Training）。國內近年來也在此方面作過許多研究，有不少相關讀物出版。文章基于Vega Prime開發平臺介紹了研制一個三維電子沙盤仿真系統的關鍵開發技術與相關思想。

2 電子沙盤仿真系統結構

軍用電子沙盤以戰場環境的三維仿真為主要目的，在設計中著重考慮如何使用低階設備并達到較好仿真效果，以適應在基層部隊推廣應用的實際。該系統主要實現了地形地貌的三維顯示、紋理疊加、人機交互、跨圖幅漫游、沿路徑運動模擬等功能，系統結構見圖1。

3 電子沙盤仿真系統實現技術

3.1 數據預處理

電子沙盤仿真系統中所需的數據有實物比例的DEM數據，ETM衛星影像數據，IKONOS衛星影像數據及相關屬性數據、地理特征的GIS數據及標注信息數據等，為了能有效地利用這些資源，我們需要做以下處理：

1) 統一規范數據格式。為了保證數據融合和集成顯示的效果，必須對數據進行統一，即對所要制作電子沙盤的投影、比例尺、分辨率和數據范圍以及數據格式等進行統一。

2) 數字化地形圖。將實物地形圖掃描后數字化，主要對地形等高線、高程點、地名、道路、河流、水渠等數字化，然后將其分層存放。

3) 各類數據的準備與處理。包括DEM數據和地理特征的GIS數據，處理后分層存放，以供系統使用。

3.2 三維地形建模

用Creator的建模（Modeling）工具，手工創建三維模型。并且，可對地形、特征、模型加入如顏色、材質、紋理等以使其更真實。所有的這些元素：地形、特征、模型和各種屬性，組成了Creator視景數據庫，且OpenGL API是支持的。視景數據庫存成Multigen-Paradigm的OpenFlight(.flt)文件格式，它已成為大多數實時系統標準的文件格式。

3.2.1 建立地形

地形描述的是地表的形狀，用Creator的地形（Terrain）工具，將源數據（*.dem），如衛星照片和數字高程數據，轉成Creator的文件格式，并用這些文件在Creator中創建地表。

Creator提供了不同層次細節的模型，來控制場景復雜度和加快繪制圖形的速度。LOD(Level of Detail)的原理是利用人們的視覺特性，對場景中的不同物體或物體的不同部分，采用不同的細節描述方法。在地形轉換時，Creator提供了Polymesh算法、Delaunay算法、CAT算法和TCT算法。

但是由于電子沙盤軍事應用性強，為了滿足它的軍事實用性，構建三維地形時要能反映戰場地形的真實狀況，這就要求電子沙盤的高真實性，所以準備數據必須準確、實際。

3.2.2 紋理映射

紋理，可以分為離散法和連續法兩種定義方法。離散法是把紋理定義在一個二位數組中，該數組表示紋理空間中行間隔和列間隔固定的一組網格點上紋理值進行插值來獲得。而連續法是把紋理定義為一個二元函數，函數的定義域就是紋理空間。通過紋理空間與物體空間之間的坐標變換，可以把紋理映射到物體表面。紋理映射是把二維的圖像位圖上的像素值映射到三維實體模型的對應頂點上，以增強實體模型的真實感。本質上是一個二維紋理平面到三維景物表面的一個映射。可以用一個數學式子來表示如下：

（x，y）=F(u，v，w)

其中（x，y），(u，v，w)分別是紋理空間和物體空間中的點。每一幅參與映射的紋理都有自己的一個映射的坐標地址，當程序運行時，只要找到紋理的映射地址就可以準確地把相應的紋理映射到三維視景中。

3.2.3 文化特征

源數據也包括特征數據，也能轉化并引入到Creator中，用來在地形上加入文化特征。

文化特征是指地形數據庫里除了地形多邊形以外的數據信息，如包括自然的（如湖泊，河流等）和人工的（如房屋等）。在將這些數據導入Creator時，必須先轉換為DFD格式。也可以在既有地形模型上創建，然后輸出為DFD。首先創建feature，然后根據feature ID設置feature參數（包括設置替代模型），最后執行映射（projection），就將文化特征映射到OpenFlight格式的地形上。 若在地形窗口中創建地形數據庫時同時映射，則需要創建動作和規則。

3.3 數據重組

1) 跨圖幅漫游。跨圖幅意味著大數據量，使得計算機處理能力與用戶對圖形顯示更換速度要求的矛盾更加突出。所以必須對這些數據進行重新組織，對大限度地減少圖形顯示時的工作量，從而使漫游顯示更加快速。

2) 沿路徑運動模擬。沿路徑運動地形的仿真實質上是視點連續變化的過程，相當于在三坐標系中，x坐標系和y坐標系保持相對位置不變得情況下，z坐標系的連續變化。要實現這一功能，可以通過數據重組來提高三維圖形的處理顯示速度，實現圖像的連續、穩定的變化。

4 數據庫描述

電子沙盤作為作戰指揮輔助決策的信息載體，應盡可能的提供完整、高質量的決策信息，這些信息是多種類型的，所以必須創建一個能存儲多種信息類型的數據庫。要訪問不同數據庫中的數據，必須為每個要訪問的數據庫指定ODBC（遠程數據庫表）數據源。ODBC數據源是指一個SQL數據庫以及訪問數據庫必需的信息。例如，一個SQL Server數據源，包括SQL Server數據庫，其上駐留的數據庫服務器以及用于訪問該服務器的網絡信息。應當為每個要將其數據下載為Mapinfo鏈接表的SQL數據庫創建一個數據源。

Mapinfo的圖形和數據兼容性特別強，再通過Mapinfo內置數據庫提供的強大功能，能很好的實現空間屬性數據的管理和查詢。Mapinfo內置數據庫具有如下功能：

1) 通過通過Mapinfo內置強大的關系型數據庫，實現電子地圖與數據庫的自動鏈接和雙向查詢；

2) Mapinfo的電子地圖是矢量圖，每個矢量對象都和其屬性數據庫中的一條記錄相對應，體現了數據描述與圖形對象的一致性；

3) 支持標準SQL查詢，能對字段及空間信息進行分析、統計、查詢；

4) 通過地理編碼，Mapinfo可以完成兩個或多個表之間的自動關聯，進行空間信息的傳送，滿足用戶空間分析的需要。

5 結束語

虛擬電子沙盤系統實現技術比較復雜，本系統已基本實現了實時漫游操作、沿路徑運動等功能，解決了在MFC下開發Vega Prime應用程序的常見問題。利用離散定義法，使紋理映射效果更逼真。目前該系統基本功能已經實現，在部分基層部隊已經開始推廣應用。在該仿真系統中，還存在著許多有待解決和改善的問題，這些還有待在以后的工作和學習中進行進一步探討。

參考文獻：

[1] Vega Prime Desktop TutorVersion 1.2[CD].Windows?誖XP Professional Edition.

[2] 吳家鑄，黨崗，劉華峰.視景仿真技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

[3] 邊馥苓.地理信息系統原理和方法[M].北京:測繪出版社，1996.

[4] 葉疊，仲梁維，羅云.基于Vega /Multigen的三維仿真系統漫游的研究與實現[J].計算機工程與設計，2005(2).

[5] 王曉武.MapBasic程序設計[M].北京:電子工業出版社，2000.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文