HLA技術在火炮虛擬現實仿真系統中的應用與實現

摘 要：本文著重介紹了該系統的硬件構成與分布式仿真環境設計。系統通過虛擬現實的人機交互設備來跟蹤用戶的動作，為用戶提供一個逼真的虛擬環境，并且通過HLA分布式交互系統實現與武器仿真平臺的交互。

關鍵詞：虛擬現實；仿真系統；HLA技術

1 引言

分布式交互系統仿真可以利用計算機網絡將多個武器平臺仿真系統連接構成一個整體的虛擬現實戰場環境，通過仿真系統可以進行裝備論證、作戰指揮訓練、對抗演習和作戰決策的實時對抗仿真，對于國防裝備現代化有著重要的意義。高層體系結構HLA（High Level Architecture）是一個新的仿真技術框架，其顯著的特點是通過運行支撐環境RTI提供通用的、相對獨立的支撐服務程序，將仿真應用層同底層支撐環境功能分離開，即將具體的仿真功能實現、仿真運行管理和底層傳輸三者分離，隱蔽了各自的實現細節，從而使各個部分可以相對獨立地開發。

本文研究了基于HLA的火炮虛擬現實仿真系統的設計與實現方法，系統通過虛擬現實的人機交互設備來跟蹤用戶的動作，為用戶提供一個逼真的虛擬環境，并且通過HLA分布式交互系統實現與其他武器仿真平臺的交互。

2 系統設計

(1) 火炮虛擬現實仿真平臺

火炮虛擬現實仿真平臺是一個虛擬現實的仿真應用，該平臺采用先進的三維圖像和多路傳感輸入等技術手段高度逼真地模擬人在自然環境中視覺、聽覺、動感等行為，進行模擬仿真，利用虛擬現實技術生成新概念火炮裝備，通過火炮裝備體系研究平臺級站點的專用接口投入作戰對抗，依次來評價新概念火炮裝備自身的效能，為火炮裝備的論證、研制、生產、使用及維護保養提供理論依據及定性、定量分析。通過該系統，使用者佩帶的頭盔式顯示器將根據其頭部空間位置的不同分別顯示炮內或炮外的虛擬視景，操作者的不同操作動作由六自由度跟蹤器和數據手套捕捉后作為與系統交互的工具，在這種情況下使用者所操作的對象均是由系統產生的虛擬物體，因此該系統可以適用于各種裝甲車輛、各種武器和各種戰場環境下的仿真。

(2) 基于HLA的交互仿真接口

HLA主要由三部分組成：規則（rules）、對象模型模板OMT（objectmodeltemplate）和接口規范（interfacespecification）。

HLA接口規范以服務的方式定義了聯邦中聯邦成員進行信息交互的方式，包括可調用的服務和應提供的回調服務，分為聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理和數據分布管理等。通過定義HLA的接口規范，就可以通過HLA體系結構實現與聯邦中其他聯邦成員的交互。

3 系統實現

(1) 系統的硬件實現

虛擬現實系統硬件模塊包括對新概念火炮裝備中乘員身體感覺的仿真，火炮裝備每個戰斗乘員所需的操縱設備如下：駕駛員需要觀瞄設備、手控轉向設備（轉向操縱桿或方向盤）、換檔設備、啟動設備、開關、腳控離合器、制動踏板和油門踏板等；炮長觀瞄設備、瞄準手操縱臺和火控計算機等；炮長觀瞄設備、瞄準手操縱臺、火控計算機等及電臺通信設備，除腳控離合器、制動踏板、油門踏板和座椅外的其他操縱設備均由虛擬現實系統生成，火炮裝備的每個戰斗乘員通過操作虛擬場景中的虛擬操縱設備來控制虛擬場景，這些動作通過數據手套和六自由度跟蹤器來進行跟蹤，通過觸覺反饋和頭盔式顯示器實現戰斗乘員和虛擬環境之間的交互。視覺系統向操作者提供外界的視覺信息，該系統由產生視覺圖像的計算機系統和將信號提供給操作者的頭盔顯示器組成。為了逼真地模擬真實的炮內和戰場環境，虛擬現實系統還將提供和虛擬場景匹配的三維聲音以加強乘員的浸沒感和交互性。

(2) 分布式網絡環境的實現

為實現分布式交互，火炮裝備虛擬現實仿真系統的運行需要依靠分布式網絡環境，在本系統中依靠的是HLA體系結構。

在火炮裝備虛擬現實仿真系統所在的網絡環境中，應該至少包含一臺RTI服務器和一臺數據中心服務器，其中RTI服務器的功能是提供本系統與其他仿真應用系統進行基于HLA的信息交互服務。由于本系統是一個完全支持HLA的分布式仿真應用，所以在仿真應用運行時，本系統是作為特定的聯邦成員與其他仿真應用進行交互的。數據中心為本系統提供數據更新服務。為了使系統的維護更加便捷、安全，本系統同時提供了自動功能。

4 系統運行流程

用戶啟動本系統后首先需要設置一些仿真相關的參數，例如：車輛類型、HLA服務器等，之后便可以開始連接服務器運行仿真應用。連接服務器的過程包含：連接到HLA服務器，更新本地數據，加入聯邦三個部分。

首先，本地系統訪問仿真服務器（HLA服務器），察看是否需要更新本地數據。如果需要更新本地數據，則啟動數據更新進程，否則直接初始化成員數據。本地系統根據預先制定的FOM表和SOM表將對應RTI所需的信息操作的各種類進行實例化，成功之后就得到了一系列用于與聯邦進行數據交互的數據對象和交互對象，之后本地系統需要按照規則聲明公布和定購，完成分布式仿真初始化的過程。

第二步，讀取本地模型文件。本系統具有車型變化頻繁，內部構造多變的特點，其中主要發生變化的部分是炮內的模型，而炮外的戰場環境中的模型相對變化的可能性較小。所以針對這個特點，本系統將模型文件分成兩種：（1）戰場模型，不需要特定的配置文件。只要具有一般的視景仿真所需的特點：LOD、毀傷模型等。（2）炮內模型，除了具備一般的視景仿真的需要，每個炮內模型還需要有一個與其對應的配置文件。在這個配置文件中記錄了當前模型所有可調用的DOF的接口，通過這些接口本系統可以實現用戶與火炮的交互等重要的功能。

5 結論

在新裝備日新月異的今天，炮兵部隊的模擬訓練已成為各國所關注和研究的重要問題，火炮虛擬現實仿真系統作為滿足這一需求的根本物質基礎，已成為炮兵作戰仿真軟件研制和開發需求中的重點內容。

參考文獻

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