基于OSG 空戰(zhàn)態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計

◆程 琛 孫文柱 王志樂

（海軍航空大學(xué)（青島）虛擬仿真中心 山東 266041）

戰(zhàn)場態(tài)勢通常是戰(zhàn)場空間中兵力部署，戰(zhàn)場環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)及其發(fā)展變化趨勢的總稱。而空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)是一種能夠直觀地反映空戰(zhàn)場的態(tài)勢和各種環(huán)境，體現(xiàn)作戰(zhàn)元素行動安排，表現(xiàn)戰(zhàn)斗雙方形勢的綜合系統(tǒng)。當(dāng)今世界，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的進程越來越深入，空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)已經(jīng)成為自動化系統(tǒng)的重要組成部分之一。空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)的存在能夠加強指揮員對戰(zhàn)場形勢的把握，對指揮員做出正確的決策起到了重要的作用。而OSG（Open Scene Graph）平臺以其開源，跨平臺等特性，已經(jīng)被越來越多的系統(tǒng)設(shè)計者所采用。針對此問題，已有很多學(xué)者做了大量研究，文獻[1]對OSG中三維場景的數(shù)據(jù)組織、場景的裁剪技術(shù)、渲染的流程進行了研究。文獻[2]結(jié)合北斗系統(tǒng)短報文功能，構(gòu)建了位置報送網(wǎng)絡(luò)。文獻[3]提出了一種基于金字塔結(jié)構(gòu)的分塊地形層次細節(jié)簡化算法，解決了大場景建模速度與精度間的最優(yōu)化問題。文獻[4]給出了基于空間實體的層次網(wǎng)格空間索引查詢算法和基于“信息樹”的遍歷查詢算法，解決了態(tài)勢數(shù)據(jù)的查詢效率不夠高等問題。文獻[5]對OSG 中武器裝備的模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)的共享方式以及導(dǎo)出功能進行了研究。文獻[6]對三維虛擬戰(zhàn)場中電磁環(huán)境的模型構(gòu)建進行了研究，提出了以剖面、斷面和球面三種情況多方面來體現(xiàn)電磁在三維空間中的分布情況。文獻[7]研究了建立一體化態(tài)勢服務(wù)系統(tǒng)的支撐技術(shù)，提出了面向多源運動目標(biāo)的一體化態(tài)勢服務(wù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)。文獻[8]設(shè)計了三維場景數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度算法，提高了三維場景繪制效率。本文利用OSG 對空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)框架進行構(gòu)建，對態(tài)勢系統(tǒng)中的顯示元素進行設(shè)計并給出關(guān)鍵性能指標(biāo)。

1 OSG 簡介

OSG（Open Scene Graph）是一個開源、跨平臺的圖形開發(fā)包。起源于運行在Linux 下的一種滑翔機的場景模擬器，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于游戲、飛行器仿真、科學(xué)計算可視化，虛擬現(xiàn)實這樣的高性能圖形應(yīng)用程序的開發(fā)設(shè)計。與其他的交互式圖形程序相比，OSG 具有以下特性：

（1）OSG 具有開源性。OSG不同于一些商業(yè)化的三維引擎，其所有源代碼都為開源，具有開發(fā)成本低、安全性高、更新速度快等優(yōu)點。

（2）OSG 具有快速開發(fā)性。場景圖的內(nèi)核封裝了包括最新擴展的大部分OpenGL 功能，程序員不再關(guān)注底層代碼，而可以按照功能選取相應(yīng)的函數(shù)。

（3）OSG 具有可移植性。OSG支持的操作系統(tǒng)平臺有很多，比如：FreeBSD、IRIX、Windows、Mac OSX、Linux、Solaris 和AIX 等。

（4）OSG 節(jié)點工具集完備。可以作為獨立庫在應(yīng)用程序中進行編譯或在運行時裝載。增加了支持粒子系統(tǒng)、交互控制、高質(zhì)量抗鋸齒文本、陰影框架結(jié)構(gòu)等效果。

（5）OSG 功能強大。OSG 場景圖內(nèi)核功能比較多。支持：狀態(tài)排列，隱藏面剔除，細節(jié)層次節(jié)點，狀態(tài)排序，視圖投影剔除等。這些功能使OSG 性能較其他三維引擎性能高。

（6）OSG 具有可擴展性。OSG 允許更多功能，可以在必要時插入到適當(dāng)位置中，從而應(yīng)對未來在進行修改時，代碼被過度工程化地開發(fā)等問題。

2 空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)框架

戰(zhàn)場態(tài)勢系統(tǒng)的框架分環(huán)境、態(tài)勢、顯示三個部分。詳細說明如下：

（1）環(huán)境主要指地形環(huán)境信息顯示，可以和天氣信息和電磁信息進行綜合顯示，使指揮員更全面地掌握戰(zhàn)場形勢。戰(zhàn)場環(huán)境是作戰(zhàn)雙方進行交戰(zhàn)的基礎(chǔ)條件之一，掌握戰(zhàn)場環(huán)境使指揮員對戰(zhàn)場形勢考慮得更加全面。為了顯示戰(zhàn)場環(huán)境，需要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)字化的方式，將環(huán)境信息形象直觀展現(xiàn)出來。值得注意的是戰(zhàn)場環(huán)境往往比較復(fù)雜，需要層次分明、條理清晰地將戰(zhàn)場環(huán)境表示出來。

（2）態(tài)勢是需要顯示的主體。系統(tǒng)的主要顯示部分就是作戰(zhàn)雙方的態(tài)勢。戰(zhàn)場態(tài)勢顯示主要包含戰(zhàn)場態(tài)勢的數(shù)據(jù)處理，對輸入設(shè)備的實時信息進行接收，經(jīng)過處理并及時展現(xiàn)出來。特別地，應(yīng)強化特效展示，對飛機發(fā)動機音效、武器的軌跡等特效進行模擬，對武器毀傷效果進行展示，使整個系統(tǒng)真實性更強。

（3）顯示是將態(tài)勢信息顯示在屏幕上，同時注意給予指揮員足夠的操作空間進行人機交互。指揮員往往需要直觀地看到態(tài)勢信息，進行實時推算演練，這就對系統(tǒng)的簡便性提出了要求。同時需要注意多功能化，提供指揮員更多的選擇。為了解決這一矛盾需要設(shè)計為遞進式層次，底層功能最簡單，顯示的內(nèi)容最基礎(chǔ)，越高層次功能越強大。

圖1 給出了基于該設(shè)計理念的空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)框圖。

3 空戰(zhàn)態(tài)勢系統(tǒng)顯示元素

系統(tǒng)需要顯示元素較多，需在有限空間對諸多元素進行遞進式分層顯示。以多功能化和簡潔化為原則進行顯示設(shè)計意義重大。多功能化需要全面考慮各種態(tài)勢信息，如地形信息，電磁信息，敵我武器信息，特效展示等；簡潔化要求盡可能使界面簡潔直觀，對最重要的信息進行顯示，同時對次要信息進行歸類隱藏，需要的時候能夠立刻調(diào)度出來。圖2 給出顯示界面的設(shè)計。其中，某一區(qū)域背景指作戰(zhàn)雙方所處的大背景，一般為某個空戰(zhàn)區(qū)域，同時可以在這一畫面區(qū)域上顯示目前所處的時間，所處的地球坐標(biāo)，正前方的方向，方便指揮員把握整體局勢；紅藍雙方視角是以紅方或者藍方為第一人稱所看的畫面；第三人稱視角是指“上帝”視角所看的交戰(zhàn)雙方的態(tài)勢；紅方編隊信息和藍方編隊信息主要是對交戰(zhàn)雙方的編隊組成，各戰(zhàn)機的數(shù)量、種類、型號，攜帶武器情況進行顯示；信息修改用來修改選中編隊或者某個戰(zhàn)機的詳細信息；常用工具提供一些針對顯示窗口標(biāo)記之類工具；其他功能用來后期優(yōu)化過程中增添新的功能。

圖1 戰(zhàn)場態(tài)勢系統(tǒng)設(shè)計方案

圖2 顯示界面設(shè)計

4 指標(biāo)設(shè)計

態(tài)勢顯示系統(tǒng)中部分核心技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）硬件配置

為達到流暢顯示動態(tài)畫面的要求，運行態(tài)勢系統(tǒng)的硬件配置應(yīng)不低于以下要求：CPU：4 核3.0G；內(nèi)存：8G DDR3；硬盤：容量1T；獨立顯卡：顯存2GB。

（2）軟件運行環(huán)境

運行環(huán)境即程序運行平臺，提供軟件運行的各種條件。操作系統(tǒng)：64 位Win7；可執(zhí)行文件版本：32 位Release/64 位Release；編譯環(huán)境：VS2005/VS2008/VS2010/VS2013。

（3）可靠性要求

信息化戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，需要系統(tǒng)有更高的可靠性。可靠性應(yīng)該滿足條件如下：可靠性日工作強度≮12 小時；可靠性年工作強度≮3000 小時。

（4）其他要求

系統(tǒng)的實時性和流暢度對指揮員做出正確判斷意義重大。對網(wǎng)絡(luò)延遲要求不大于50ms，丟包率小于1%。；分辨率大于1024*768；畫面顯示幀速率不小于30。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于OSG 空戰(zhàn)態(tài)勢顯示系統(tǒng)，其中構(gòu)建了一種空戰(zhàn)態(tài)勢顯示系統(tǒng)框架，并對系統(tǒng)顯示元素進行了分析與設(shè)計并提出了一些可行的技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)有助于評估人員對戰(zhàn)場進行整體把握。功能強大，顯示直觀的態(tài)勢系統(tǒng)對評估人員做出最佳決策起到了重要作用。隨著研究的不斷深入，新功能將會不斷開發(fā)，系統(tǒng)將會不斷優(yōu)化，戰(zhàn)場態(tài)勢顯示也會變得更方便直觀。