基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的海上區(qū)域作戰(zhàn)平臺研究＊

郭 暉 史蓓蕾 昂朝群

（海軍工程大學(xué)計算機(jī)工程系 武漢 430033）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶來戰(zhàn)爭的規(guī)模和形式不斷變化，并且越來越復(fù)雜，因此對作戰(zhàn)模擬和戰(zhàn)場可視化的要求也越來越高［1］。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為對作戰(zhàn)模擬方法的研究提供了必要的技術(shù)手段，使得作戰(zhàn)模擬的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在很大程度上解決真實作戰(zhàn)訓(xùn)練中的許多實際問題，例如費(fèi)用過高、危險、受真實環(huán)境的限制等，并且可以使相距幾千公里的士兵與作戰(zhàn)指揮人員在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行對抗作戰(zhàn)演習(xí)和訓(xùn)練，效果如同在真實的戰(zhàn)場上一樣，因此從一開始便倍受各國軍方的青睞。

2 海上虛擬作戰(zhàn)平臺需求分析

海上虛擬作戰(zhàn)平臺可通過相應(yīng)的三維海上戰(zhàn)場環(huán)境圖形圖像庫，包括作戰(zhàn)背景、作戰(zhàn)場景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等，通過背景生成與圖像合成創(chuàng)造一種險象環(huán)生、幾近真實的立體戰(zhàn)場環(huán)境，使作戰(zhàn)指揮人員和演練者“真正”進(jìn)入形象逼真的戰(zhàn)場［2］，從而可以增強(qiáng)受訓(xùn)者的臨場感受，大大提高訓(xùn)練質(zhì)量。目前國內(nèi)虛擬現(xiàn)實平臺市場尚未大幅開發(fā)，軍方對此研究也還是剛剛起步，而國外的相關(guān)研究早已展開，為增強(qiáng)我國海軍的戰(zhàn)斗力和競爭力，加強(qiáng)虛擬戰(zhàn)場平臺的研究迫在眉睫。

在虛擬作戰(zhàn)平臺的國外研究方面，美國國防部最早開發(fā)了一個典型項目SIMNET，供軍事訓(xùn)練用的、低價格的、聯(lián)網(wǎng)的分布式軍用虛擬環(huán)境，為后來的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境奠定了基礎(chǔ)；美國海軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”能逼真模擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心的環(huán)境，使受訓(xùn)軍官沉浸于“真實”戰(zhàn)場之中；美軍在加利福尼亞、洛杉磯和德國的賀漢弗爾斯等地建立起作戰(zhàn)演練中心，拉開了在“準(zhǔn)戰(zhàn)場”打現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的正規(guī)化、系統(tǒng)化、規(guī)模化建設(shè)序幕；還有美國海軍研究院開發(fā)的NPSNET、瑞典計算機(jī)科學(xué)研究所的DIVE、新加坡國立大學(xué)的BrickNet／NetEffet等等［3］。在國內(nèi)研究方面，杜陽華等研究了海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)［4］；李玉陽等研究了水下戰(zhàn)場環(huán)境虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對海洋地理環(huán)境、水文環(huán)境以及水聲環(huán)境的綜合仿真和可視化分析［5］；北京航空航天大學(xué)等四家單位聯(lián)合開發(fā)的“颶風(fēng)平臺”演練環(huán)境中陸戰(zhàn)部分的戰(zhàn)術(shù)演練，四家單位的仿真實體能夠相互開火交互，完成一定的戰(zhàn)術(shù)演練任務(wù)［6］。

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，我軍對海上虛擬作戰(zhàn)平臺的研究還處于起步階段，研究虛擬作戰(zhàn)平臺對于海軍的建設(shè)和發(fā)展有著很大的技術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

3 海上虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建

虛擬戰(zhàn)場環(huán)境是戰(zhàn)場可視化仿真的運(yùn)行基礎(chǔ)，可以將數(shù)字化技術(shù)引入部隊和戰(zhàn)場，將所有相關(guān)功能系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)成一個有機(jī)整體，以達(dá)到整個作戰(zhàn)范圍內(nèi)的信息資源共享，最終實現(xiàn)部隊和戰(zhàn)場的指揮、控制、通信和情報（即C3I）高度一體化［7～8］。虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的生成主要包括場景建模和場景驅(qū)動兩個步驟。海上虛擬戰(zhàn)場環(huán)境主要由戰(zhàn)場海面模型、戰(zhàn)場海體模型、戰(zhàn)場海底模型、武器模型、士兵模型等三維模型組成，可以使用以3DMAX和DirectX三維圖形開發(fā)庫及其相關(guān)插件來完成［9］，虛擬場景驅(qū)動則可以通過Vega渲染引擎來實現(xiàn)［10］。

由于海上作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜，需要構(gòu)建的模型比較多，并且針對海上作戰(zhàn)的特殊性要求，即實時、準(zhǔn)確、動態(tài)。因此總體設(shè)計應(yīng)該具有潛艇、艦艇、風(fēng)浪、海面、海體等等很多模型。一個小的模型與整體系統(tǒng)的比例相差很大，不可能將所有模型都在整個系統(tǒng)模型中進(jìn)行建模。因此，按照靜態(tài)實體的位置和重要程度確定建模順序，依次對每個模型分別構(gòu)建，最后再將構(gòu)建完畢的每個區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)實體模型進(jìn)行集成。

海上區(qū)域作戰(zhàn)場景的構(gòu)建是虛擬平臺仿真效果的核心，主要按照作戰(zhàn)地域進(jìn)行片區(qū)劃分，同時考慮每片區(qū)域的地理位置與功能，包括海上、海底、空中等領(lǐng)域及其附屬作戰(zhàn)載體。場景的總體層次主要包括海上、海底、空中等單個區(qū)域及其附屬的魚雷、艦群、機(jī)群等。整個海上區(qū)域作戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 海上區(qū)域作戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)圖

為給訓(xùn)練和決策人員創(chuàng)建一個能沉浸其中的環(huán)境，系統(tǒng)必須能根據(jù)需要準(zhǔn)確、逼真地顯示客觀世界中的對象，在此前提下還需要保證指揮人員和虛擬環(huán)境交互的實時性。主要通過以下技術(shù)實現(xiàn)：

1）單元分割（Cell Segmentation）技術(shù)：將虛擬場景（或模型）分割成較小的單元，只有在當(dāng)前場景（或模型）中的實體才被渲染，因此極大地減少了處理場景（或模型）的復(fù)雜度。這種分割法對于地形模型和大型建筑物是非常適用的，因為在人的視野中所見的物體只是整個虛擬環(huán)境中的很小的一部分，只處理當(dāng)前所見的物體大大提高了系統(tǒng)的速度。海上模型分成若干區(qū)塊，場景調(diào)度時可以只輸出其中的幾個單元區(qū)塊，而不必導(dǎo)入所有的模型。

2）紋理映射（Texture Mapping）技術(shù)：將二維圖像映射到三維幾何形狀表面，使其產(chǎn)生特殊效果或真實感的一種技術(shù)。使用紋理映射技術(shù)可以避免對場景的每個細(xì)節(jié)都使用多邊形來表示，進(jìn)而可以大大減少場景模型的多邊形數(shù)目，同時節(jié)省了系統(tǒng)的渲染時間。

3）自由度DOF（Degree Of Freedom）技術(shù)：通過設(shè)置模型自由度實現(xiàn)物體伸展、彎曲等動態(tài)特性使模型對象具有活動能力。

4）細(xì)節(jié)層次技術(shù)：對同一個場景或物體，使用不同細(xì)節(jié)描述的方法得到一組模型，繪制時根據(jù)物體在屏幕上所占區(qū)域大小及用戶視點等實時選擇不同的LOD模型，在保證視覺效果的前提下最大程度地提高系統(tǒng)實時性。

5）模型數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術(shù)：采用樹狀結(jié)構(gòu)層次來組織管理場景數(shù)據(jù)。對于三維模型數(shù)據(jù)庫集合層的劃分是模型數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的關(guān)鍵。按照物體尺度大小選擇邏輯或者空間位置劃分集合層。對于建造特征尺度較小的物體，按照邏輯（物體本身具有的功能屬性）劃分，有利于從功能和屬性方面對模型進(jìn)行管理；對于尺度較大的物體，使用空間位置的方式劃分，系統(tǒng)將更為高效。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)三維模型庫部分模型如圖2、3所示。

圖2 艦載模型

圖3 天空模型

為了使海上區(qū)域作戰(zhàn)的各個運(yùn)動更加逼真，要對現(xiàn)實海上環(huán)境信息進(jìn)行分析，內(nèi)部因素和外部因素都要考慮進(jìn)來。影響海上戰(zhàn)場的內(nèi)部因素主要包括：標(biāo)準(zhǔn)水動力系數(shù)／靜水屬性、航道條件、風(fēng)浪、與其他船只相互作用（距離、領(lǐng)航）、艦船遭破壞的條件、艦船操作限制等等。海上戰(zhàn)場同時也受到外部因素的影響，主要包括：指揮員決策、發(fā)射武器、損傷條件／事件等等。這些因素在一定程度上影響了仿真的真實性。

4 海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實平臺的實現(xiàn)

4.1 海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實平臺模型

海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實平臺是基于組件化的C／S體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，可以保證系統(tǒng)的開放性、分布性，有利于系統(tǒng)的無縫集成和擴(kuò)充，能確保分布應(yīng)用，減輕系統(tǒng)的維護(hù)壓力，達(dá)到效能最大和消耗最小。實現(xiàn)從全系統(tǒng)軟件頂層支持各層次模擬子系統(tǒng)的互聯(lián)、互通和互操作，并建立全系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)環(huán)境，提高了系統(tǒng)的管理功能和運(yùn)行效率，從而實現(xiàn)真正可信的海上區(qū)域作戰(zhàn)模擬。

海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實平臺分為四個層次：基礎(chǔ)層、仿真層、表示層和應(yīng)用層，如圖4所示。

圖4 海上區(qū)域作戰(zhàn)虛擬現(xiàn)實平臺結(jié)構(gòu)圖

基礎(chǔ)層主要包括作戰(zhàn)需求層、戰(zhàn)場環(huán)境模型、武器模型、艦載系統(tǒng)模型和功能模型等。主要是對戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)區(qū)地圖、部署作戰(zhàn)實體及其屬性、任務(wù)、航路、指揮權(quán)歸屬、時域和空域控制等進(jìn)行模型構(gòu)建，采用合理結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同的作戰(zhàn)需求模型，進(jìn)行上層調(diào)用。

仿真層主要包括計算機(jī)兵力生成、武器子系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、探測偵查系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、破壞系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和運(yùn)動系統(tǒng)等。主要是依據(jù)作戰(zhàn)需求，對基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)庫中模型進(jìn)行調(diào)用，自動模擬真實作戰(zhàn)環(huán)境。指揮者可以作出不同的決策，動態(tài)的改變作戰(zhàn)方針。

表示層主要是通過不同的3D引擎對仿真層進(jìn)行模擬輸出，實現(xiàn)三維場景的數(shù)據(jù)管理、合理渲染、與外部軟件的交互等功能。

應(yīng)用層，由于平臺靈活性強(qiáng)，除了可以進(jìn)行潛艇、艦艇和未來航母作戰(zhàn)進(jìn)行模擬之外，還可以進(jìn)行其他擴(kuò)展應(yīng)用。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）動態(tài)視點控制

視點是仿真系統(tǒng)用戶觀察虛擬場景的唯一接口，一方面要縱觀作戰(zhàn)戰(zhàn)場全局給用戶特別是指戰(zhàn)員提供一個視野寬廣的虛擬環(huán)境，另一方面又要考慮能夠以與動態(tài)仿真實體相一致的視角來觀察虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，從而獲得更好的沉浸感。一般而言，虛擬戰(zhàn)場環(huán)境范圍較大、仿真實體數(shù)量多且運(yùn)動狀態(tài)復(fù)雜多變，所以視點應(yīng)該能夠盡可能地進(jìn)行多角度、多模式觀察，可以采用多觀察者方案，即一個主要觀察者和若干個輔助觀察者。一般要提供多種觀察者定位方式，包括跟隨、綁定、旋轉(zhuǎn)、固定路徑、觀望等多種模式及其混合模式，使用者可以通過彈出菜單或快捷鍵在多個觀察者之間進(jìn)行實時切換和組合，以滿足使用者的不同需求。

2）實時路徑導(dǎo)航

導(dǎo)航路徑的生成有兩種方式，一種是非實時的，即使用路徑工具（PathTool）預(yù)先定義，另一種則是實時的生成導(dǎo)航路徑。戰(zhàn)前期編隊行進(jìn)、對戰(zhàn)過程中的以制導(dǎo)導(dǎo)彈為代表的火炮武器炮彈的路徑都需要進(jìn)行導(dǎo)航。以導(dǎo)彈飛行路徑生成為例，由于在發(fā)射導(dǎo)彈的位置和時間是隨機(jī)的，不可能事先預(yù)知導(dǎo)彈的運(yùn)動軌跡，所以必須在仿真應(yīng)用程序中實時的生成導(dǎo)航路徑。

3）戰(zhàn)場特殊效果

在虛擬戰(zhàn)場模擬仿真應(yīng)用中，需模擬出一些特殊的三維視覺效果來增強(qiáng)整個虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的感染力和真實性，比如各種火炮武器的開火效果、直各種炸彈的爆炸效果、直升機(jī)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)效果、導(dǎo)彈發(fā)射后飛行時產(chǎn)生的尾氣痕跡等。通常這些效果很難用傳統(tǒng)的多邊形建模技術(shù)來實現(xiàn)，一般的解決方案是應(yīng)用高級的紋理技術(shù)或者使用復(fù)雜的粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)的基本思想是，采用大量的、具有一定生命和各種屬性的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規(guī)則對象。粒子系統(tǒng)中的每一個粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動速度、運(yùn)動方向、生命周期等相關(guān)的屬性。一般而言，創(chuàng)建特定的粒子系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的過程，一方面要考慮真實的物理模型和相應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律，另一方面需要對粒子的大量屬性分別進(jìn)行設(shè)置。

4.3 仿真實驗

以海軍合同戰(zhàn)術(shù)為例，主要包括以下多個行動：遂行偵察、巡邏、炮火校射、電磁干擾、目標(biāo)指示、攻擊、掩護(hù)等等。同時，還包括行動之間的邏輯關(guān)系仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖5所示。

仿真實驗結(jié)果表明，所建仿真系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，作戰(zhàn)過程仿真逼真度高，作戰(zhàn)場景具有互操作性，可視化效果好，減少了演習(xí)的成本，提高了作戰(zhàn)效率，滿足虛擬海上作戰(zhàn)的需要，具有較高實用價值。

圖5 仿真運(yùn)行流程圖

5 結(jié)語

本文探討了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的海上區(qū)域作戰(zhàn)平臺構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，建立了平臺的模型并進(jìn)行了仿真，取得了較好的使用效果。但是海戰(zhàn)作戰(zhàn)樣式繁多、涉及的兵種多，系統(tǒng)要適用廣泛的虛擬作戰(zhàn)，必須要有全面的數(shù)據(jù)和模型支撐；同時平臺在作戰(zhàn)方案評估、人機(jī)交互等方面仍存在不足，需逐步豐富完善，提高海上區(qū)域虛擬作戰(zhàn)的仿真效果。

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