虛擬海洋戰場信息動態實時顯示技術研究

摘 要： 為了能夠以通用、靈活的形式逼真反映戰場的對抗過程，展現攻防雙方對抗效果，針對虛擬海洋戰場信息實時顯示技術展開研究，針對二維電子地圖顯示和三維虛擬場景顯示的特點，實現了兩種顯示方式的集成交互，解決了三維環境仿真、聽覺仿真、坐標轉換、視點控制、數據平滑及回放等關鍵技術，較好的結合了二維電子地圖顯示的宏觀性和三維虛擬場景顯示的直觀性，應用于某虛擬海洋戰場仿真系統，能夠更好地增強戰場感知能力，提升作戰仿真研究與訓練的效果。

關鍵詞： 二維電子地圖； 三維虛擬場景； 動態響應； 實時顯示； 虛擬海洋戰場

中圖分類號： TN911?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0038?04

0 概 述

現代戰爭是復雜條件下的一體化聯合作戰，是高技術裝備體系之間的對抗，戰場態勢瞬息萬變，各種信息數據極其豐富。作戰模擬是現代條件下研究戰爭、進行軍事訓練、論證武器裝備效能、作戰方案評估等問題的有效手段[1]。隨著戰爭研究不斷地發展，各種新戰爭形態的出現，以往那種關注局部問題的作戰模擬已經不能適應現代戰爭在體系對體系方面的新需求[2]。在虛擬戰場模擬顯示技術中，傳統的二維桌面顯示模式可以在一定程度上觀察整個戰場態勢，但面對綜合環境中巨大的信息量也暴露出了多方面的局限性，不能直觀顯示空間立體信息，不利于指揮人員進行空間范圍的部署和戰術決斷。傳統的三維場景顯示能夠將復雜抽象的事物以直觀、用戶熟悉的方式顯示出來，同時實現用戶與三維場景的交互操作，提供身臨其境的臨場感，但通常只能對觀察人員視野范圍內較小的局部戰場進行描繪。觀察人員對視野外的戰場信息則一般無法直觀獲取，顯然在全局態勢顯示方面存在局限性[3]。目前，二維地圖顯示與三維虛擬場景顯示之間相互響應的思想，在城市規劃、交通系統中已有不少應用，因此，在實時戰場仿真領域，從人員處理信息、解決問題的角度，將二維地圖與三維虛擬場景有機結合，能夠更好地增強戰場感知能力，提升作戰仿真研究的效果。

1 虛擬戰場的信息表現

虛擬戰場中的態勢表現形式包括面向觀察操作人員把握戰場總體情況的二維態勢，如各種地圖、航線、軌跡、狀態信息；面向觀察操作人員的三維態勢，如地形、風浪、天氣、光照、各種平臺毀傷效果、各傳感器的電磁作用范圍等。這些態勢的相互融合，涉及電子地圖、三維建模顯示、立體音效等，開發工作量大，技術復雜[4]。

1.1 二維態勢顯示

作為虛擬戰場顯示的一個重要組成部分，二維態勢模塊主要實現了操作人員與仿真應用之間的接口，它提供給操作人員動態變化的態勢信息，幫助用戶實時建立戰場的全局印象，把握實體的位置、屬性和狀態等信息。二維態勢顯示主要提供地圖服務，戰場實體要素服務，基于此實現地圖瀏覽、平面空間分析、實體查詢標注、軌跡繪制、分層管理等功能。目前的工具型GIS系統都提供了功能強大的接口，可以根據應用目的，選擇使用通用軟件開發工具實現所需的功能，如圖層控制、改變視口、地圖信息查詢、縮放、平移、測量等，同時可以通過態勢標繪，將戰場演練過程中發生的情況用約定的符號標記在二維地圖上，全面、準確、及時的反映虛擬戰場攻防對抗的態勢，包括雙方的兵力部署、運動實體的軍標和軌跡、仿真過程中的關鍵事件等。二維態勢表現在實體信息查詢、空間分析等方面已經非常成熟，但在戰場具體環境的表現上缺乏空間直觀性。

1.2 三維態勢表現

1.2.1 三維實體的建模與渲染

1.2.2 三維戰場視覺環境仿真

1.2.3 實時戰場聽覺信息仿真

在戰場環境中，聲音是不可或缺的重要組成部分。聽覺信息仿真主要是通過對戰場中各實體的音效、方位、音量及多普勒效應的模擬來保證虛擬戰場信息的完整性，增強態勢仿真的真實感，降低對視覺信息的依賴，引導操作人員進行更細微的分析判斷[7]。

三維聲音建模的重點在于虛擬環境中的聲音變換。三維虛擬聲音不僅要在三維虛擬空間中把實際聲音信號定位到虛擬聲源所處的特定位置，還要實時跟蹤虛擬聲源相對于聽者的位置變化而變化。為正確描繪出聲音效果，需要對聲音傳播路徑的延遲及強度的增強與衰減進行模擬。比如說，隨著飛機距離觀察者的遠、近，或者速度的快慢，感覺到引擎聲音的增強與衰弱；又如隨著機載導彈的發射聽到尾跡聲逐漸變弱等。聲音控制采用觸發機制，虛擬戰場中包括水聲、爆炸聲、機器引擎的聲音等，可以通過特殊效果觸發、固定時間觸發、碰撞觸發或隨機觸發等，具有很好的靈活性。同時，聲音效果要與實時變化的視覺相一致，才能產生視覺和聽覺的疊加與同步效應，增強真實感。

除了實體在交互過程中產生的聲音事件外，由于虛擬戰場環境中觀察范圍很大，在系統中還需要充分考慮全局因素，適當加入一些聲音背景和提示音，如在比較小的音量范圍內產生一定數量的背景聲，根據想定中的控制標志實時播放指揮人員下達的命令聲等，可以更好的烘托戰場環境，使用戶能夠清晰地理解仿真所表達的內容，增強對虛擬戰場的體驗感。

2 二維三維態勢信息的融合交互

2.1 集成交互

在本系統中，二維態勢與三維場景一體化主要體現在以下幾個方面：

（1）二維態勢與三維態勢在位置、狀態等各方面的顯示一致。二維態勢與三維場景一體化集成交互的基本要求就是在任一給定時刻，它們顯示的場景內容是相同的，不同的只是提供給用戶的顯示形式，一個以二維圖標線條為主，一個以三維模型效果為主。

（2）二維、三維態勢驅動數據同步。態勢顯示系統中的公用驅動數據包括仿真時間、目標位置、狀態、作戰指令等，如表1所示。二維戰場態勢顯示節點負責實時顯示更新軍標位置與方向，并對作戰區域、威脅范圍等進行標注；三維態勢節點負責根據驅動數據實時更新三維實體模型位置、姿態，渲染戰場環境，接收控制指令，改變觀察視角。二維、三維態勢集成交互時，驅動數據都從戰場仿真導演節點獲得，確保二維、三維態勢信息驅動數據的一致性。

表1 二、三維態勢仿真驅動數據

（3）二維、三維態勢的操作控制同步。二維、三維態勢操控同步也就是要求無論用戶在哪一種態勢顯示方式下進行實體查詢、標繪等操作時，另一種態勢顯示方式會實時響應，動態顯示該區域的場景或目標，保證態勢顯示的統一。

2.2 場景視點規劃

視點是圖形坐標系統中的一個瞬間空間位置，仿真中的視點方式就是從空間某一個具體的位置，按照一定的規律運動、以合適的角度觀看某個局域場景，它控制著視錐體內的視覺表現[9]。空間戰場中實體數量多、事件形式復雜，存在大量的需要顯示的信息，將這些信息同時顯示，不僅會超出指揮人員對信息的分析和利用能力，而且即使是同一仿真系統、同一想定，用戶每次進行仿真時所關注的對象和內容也可能不同，單一的窗口和視點規劃難以將戰場細節很好地表達出來。

在實際應用中必須根據需求顯示相應的信息，通過預先規劃路徑自動漫游、重要事件觸發、人機輸入設備切換控制等方式組合規劃視點。操作人員對虛擬戰場實體進行跟隨觀察時，可以利用三維場景實時接收二維態勢中用戶點擊查詢的目標編號，綜合利用鍵盤靈活控制視點與被觀測實體間的距離和角度等狀態，實時觀察該目標，同時通過對二維態勢的觀察對整個戰場形勢進行全面分析，克服單獨在三維空間環境中漫游產生的迷失感，使操作控制人員能夠實時、全面掌握戰場態勢，縮短決策、評估時間。

3 數據平滑及回放

由于虛擬戰場各仿真平臺推進的步長不同，態勢顯示中各數據接收的周期也不同。當數據接收周期大于40 ms時，數據間隔較大，若不加處理，三維態勢顯示畫面會產生跳躍，嚴重影響仿真效果。實際應用中，可以采用對仿真數據進行插值或預估遞推的方法來解決三維圖像的平滑顯示問題，即保存仿真實體最新的兩周期數據，當接收到某仿真實體當前仿真數據時，開始更新上一幀數據。在接收到的兩個數據點間，根據仿真數據推進周期T和幀刷新周期?t確定插值數[TΔt，]保證每次圖像刷新時，實體的位置均勻變化。但這樣會造成三維顯示總是滯后仿真系統一個仿真周期T。當T較大造成三維顯示滯后較多時，也可采用預估遞推的方法，通過接收到的少量數據，根據圖像的刷新率需要，計算推測未知點的數據，當預估實體數據與收到的即時數據存在較大偏差時，就直接使用收到的即時數據同步推進顯示，保證圖像渲染平滑。

同時，記錄仿真對象的狀態和它們之間的交互信息，仿真推演結束后回放評估，在戰場仿真試驗過程中也是不可缺少的功能。采用C++文件輸入輸出流的方法將實體的運動數據保存為數據文件，比用VCR方式記錄的視頻數據要高效，并且可節省大量的系統資源和磁盤空間，回放過程也可進行人工操控，并按照不同需求進行數據插值或跳點讀取，實現不同的回放速度，實現仿真過程的重演。

4 結 語

為綜合表現虛擬戰場態勢，將二維地圖與三維虛擬場景有機結合，使二維數字地圖操作與三維場景展示在數據、顯示、操控等方面實現同步一致，消除了三維態勢對整個戰場態勢認識的不足和漫游時產生的方向迷失感，又彌補了二維電子地圖認知戰場環境所帶來的缺陷。應用于某虛擬海洋戰場系統[10]，實現了戰略層面上戰場態勢的宏觀展示和戰術層面上參戰實體細節的微觀表達，取得了較好的效果。

參考文獻

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