基于先進可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

李艷 方娟 董帥

摘 ? 要：基于先進可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)是完成體系仿真評估系統(tǒng)的可視化仿真基礎(chǔ)。文章以研究與實現(xiàn)體系態(tài)勢展示系統(tǒng)為目標，深入分析了該系統(tǒng)的組成和功能劃分，梳理了關(guān)鍵技術(shù)，闡述了系統(tǒng)在體系仿真與評估環(huán)境下的典型應(yīng)用，并介紹了系統(tǒng)在以航天任務(wù)為核心中的促進作用。

關(guān)鍵詞：先進可視化引擎;體系態(tài)勢展示;可視化;仿真評估

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，態(tài)勢展示技術(shù)，特別是面向大場景的體系態(tài)勢展示技術(shù)也在飛速發(fā)展和應(yīng)用。目前國內(nèi)體系態(tài)勢展示技術(shù)領(lǐng)域取得了較大進步，但主要使用開源可視化仿真軟件進行開發(fā)，這些軟件與國外成熟的商用可視化仿真軟件相比，在功能和性能上都有較大的差距。目前，國內(nèi)面臨的主要問題是針對特定的仿真需求往往要編寫特定的程序來實現(xiàn)，不能由一個通用平臺來完成大多數(shù)復(fù)雜場景的態(tài)勢展示，造成了不必要的資源浪費。根據(jù)體系仿真的實際需要，建立基于先進可視化引擎的體系態(tài)勢展示系統(tǒng)，是完成體系仿真評估特別是以航天任務(wù)為核心的可視化仿真基礎(chǔ)，可應(yīng)用于多裝備聯(lián)合的大場景、大空域、多層次的三維可視化應(yīng)用中。該系統(tǒng)具有運行效率高、顯示效果好、交互功能全、表現(xiàn)方式多、細節(jié)逼真度高、應(yīng)用范圍廣的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)裝備體系仿真場景的快速模擬與展現(xiàn)。不僅能夠提高仿真系統(tǒng)的靈活性及通用性，也有利于資源的重復(fù)利用。

1 ? ?系統(tǒng)方案

基于先進可視化引擎的體系態(tài)勢展示系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)集成、數(shù)據(jù)集成、功能集成等實現(xiàn)了航天業(yè)務(wù)方面的需求，該系統(tǒng)主要由應(yīng)用程序?qū)印⑼ㄓ脭?shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)層、先進可視化引擎、視景和多媒體資源管理組成，這些模塊相輔相成，使系統(tǒng)達到靈活性及通用性要求。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

1.1 ?應(yīng)用程序?qū)?/span>

應(yīng)用程序?qū)又饕窍到y(tǒng)前端顯示的態(tài)勢展示仿真應(yīng)用，將系統(tǒng)的所有功能通過一個可視的三維渲染界面提供給用戶使用，與用戶進行直接交互。視景仿真應(yīng)用是與用戶進行直接交互的窗口，體系態(tài)勢展示系統(tǒng)采用編輯界面與態(tài)勢展示界面并行的方式：在用戶進行編輯時，編輯界面操作方便，編輯界面的優(yōu)點是使用方便、功能塊劃分明顯、功能擴展性較強。在進行態(tài)勢展示過程中切換到演示界面，演示界面主要用于在非編輯操作時使用，界面簡潔、美觀、展現(xiàn)性較強。

1.2 ?視景資源管理

視景資源管理工具提供對視景資源的創(chuàng)建、裝配、瀏覽、編輯、導(dǎo)入以及導(dǎo)出等功能，作為輔助三維視景仿真的資源配置工具，生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)模型，并采用描述性文件來構(gòu)建適合當前系統(tǒng)的模型配置節(jié)點，模型配置節(jié)點從不同維度合并和分離數(shù)字模型，滿足從單一到復(fù)雜組合模型的結(jié)構(gòu)。視景資源管理工具既可以作為獨立的工具存在，同時可以作為系統(tǒng)的功能組件存在。視景資源管理工具最終輸出的是描述性結(jié)構(gòu)文件，其中包含了模型描述的基本信息，比如路徑、名稱、類型以及簡要說明等。這些描述性的文件會作為渲染系統(tǒng)以及系統(tǒng)構(gòu)建場景結(jié)點的依據(jù)。

1.3 ?先進可視化引擎

先進可視化引擎是包括二、三維地理信息系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)組件平臺，為系統(tǒng)提供數(shù)字地球可視化、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）數(shù)據(jù)管理、掛件工具集、特效處理和場景管理等功能。其中，數(shù)字地球可視化封裝了可視化功能，主要加載和渲染底層支持數(shù)據(jù)完成三維數(shù)字地球的展示，并集成了對數(shù)字場景的交互操作，用戶可以通過鼠標及其他操作設(shè)備和場景進行交互。

GIS數(shù)據(jù)管理包括海量數(shù)據(jù)集成配置、地形矢量分析和用戶矢量加載等。海量數(shù)據(jù)集成配置是通過系統(tǒng)提供的預(yù)配置文件，啟動并解析預(yù)配置文件，讀取需要加載的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、疊加數(shù)據(jù)等文件，加載以及渲染到場景中。地形矢量分析是系統(tǒng)的基本功能，提供基本的GIS分析功能，包括高度、距離、面積、坡度、地表距離、矢量查詢和矢量定位等分析功能。系統(tǒng)不僅支持海量數(shù)據(jù)的預(yù)配置，同時提供實時加載矢量數(shù)據(jù)和覆蓋數(shù)據(jù)的接口，可以隨時加載和卸載數(shù)據(jù)，方便隨時展示不同格式和用途的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)用戶矢量加載功能。

1.4 ?多媒體資源管理

多媒體模塊主要是文字、聲音、視頻等的顯示，該模塊的作用主要是在系統(tǒng)運行過程中提供一些除三維之外的文字效果、聲音效果、視頻效果等的多媒體信息，如在仿真的數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程中，可以實時對當前的步驟進行文字說明、語音講解，在發(fā)生爆炸效果時，可以提供爆炸的聲音效果，在某一動作執(zhí)行時，如果存在真實的視頻錄像，可以插放這段視頻，使整個仿真過程變得更真實、更豐富。

1.5 ?通用數(shù)據(jù)接口

通用數(shù)據(jù)接口是外部數(shù)據(jù)對場景進行驅(qū)動的主要接口，接收符合統(tǒng)一協(xié)議的數(shù)據(jù)，將其解析、提取出可用的信息然后應(yīng)用到系統(tǒng)場景中去，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時驅(qū)動。主要包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)解析兩部分。數(shù)據(jù)讀取主要是通過共享內(nèi)存或其他方式從指定位置讀取符合統(tǒng)一協(xié)議的數(shù)據(jù)。然后交給數(shù)據(jù)解析模塊進行數(shù)據(jù)分析，并提取出有用數(shù)據(jù)，應(yīng)用到系統(tǒng)的場景中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動場景。

1.6 ?數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層主要是為系統(tǒng)驅(qū)動提供數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和本地的配置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)遵循一個標準的數(shù)據(jù)格式，為通用數(shù)據(jù)接口提供一個完整的、標準的、可解析的數(shù)據(jù)源，提高了數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊的可復(fù)用性、可靠性。

2 ? ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?體系態(tài)勢展示系統(tǒng)與仿真平臺互聯(lián)互通技術(shù)

體系態(tài)勢展示系統(tǒng)接收仿真平臺推送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行時間校準、經(jīng)緯高姿態(tài)處理、添加刪除對象處理、傳感器數(shù)據(jù)處理等一系列操作后，就可以不斷地接收并更新系統(tǒng)中模型的各項屬性和姿態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)與仿真平臺的互聯(lián)互通。

2.2 ?基于仿真事件同步的視頻加載技術(shù)

在體系態(tài)勢展示系統(tǒng)中，除了要推送動態(tài)對象數(shù)據(jù)，還應(yīng)該顯示一些輔助信息，幫助用戶更直觀地理解當前想定的狀態(tài)，通過通用數(shù)據(jù)接口，發(fā)送加載本地視頻文件消息，當體系態(tài)勢展示系統(tǒng)收到消息后，在三維數(shù)字地球指定位置播放該段視頻[1]，實現(xiàn)了基于仿真事件同步的視頻加載技術(shù)。

2.3 ?體系態(tài)勢展示腳本編輯與切換技術(shù)

體系態(tài)勢展示系統(tǒng)還包含切換到特定視野的功能[2]，視野模型中包含時間、三維視角參數(shù)、是否為跟隨狀態(tài)等信息。切換視點模型時，系統(tǒng)根據(jù)配置的參數(shù)調(diào)用三維組件的接口，實現(xiàn)攝像機定位到特定視點，進而實現(xiàn)體系態(tài)勢展示腳本編輯與切換技術(shù)。

3 ? ?典型應(yīng)用

根據(jù)上述系統(tǒng)方案，開發(fā)了基于先進可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了應(yīng)用程序?qū)印⑼ㄓ脭?shù)據(jù)接、數(shù)據(jù)層、先進可視化引擎、視景和多媒體資源管理等模塊。允許用戶根據(jù)自身需求，快速建立仿真想定，開展相應(yīng)仿真實驗應(yīng)用[3]。在體系仿真評估的典型應(yīng)用下，通過與仿真平臺交互，實時獲取仿真數(shù)據(jù)，展示整個復(fù)雜系統(tǒng)的仿真過程。仿真結(jié)果如圖2所示。

4 ? ?結(jié)語

本文提出了基于先進可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)的基本概念，并簡要分析了當前視景仿真系統(tǒng)存在的問題及現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，闡述了建設(shè)基于先進可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)的必要性，提出了系統(tǒng)基本方案，梳理了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合系統(tǒng)基本功能，開展了體系仿真場景下的典型應(yīng)用，并給出了仿真展示效果[4]。

通過態(tài)勢展示可視化系統(tǒng)對體系仿真進行可視化演示，通過直觀的表現(xiàn)形式，從宏觀和關(guān)鍵細節(jié)上更真實地模擬、觀察和判斷飛行器的飛行狀態(tài)，對飛行器發(fā)射和飛行過程的動態(tài)特性進行模擬和提前預(yù)示，可以彌補地面試驗的不足。

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