分隊級大比例尺高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境快速構(gòu)建方法

楊明

【摘 要】傳統(tǒng)的分隊級別大比例尺、高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建構(gòu)建方法存在精度差、速度慢、造價高等突出問題。本文結(jié)合實踐，給出了一種綜合運用無人機傾斜攝影、激光點云測量、三維模型建模、三維引擎設(shè)置和模型計算相結(jié)合的快速構(gòu)建分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的方法，精度高、速度快、造價低，能夠滿足分隊級大比例尺高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要求。

【關(guān)鍵詞】分隊，大比例尺，高分辨率，虛擬，戰(zhàn)場環(huán)境，構(gòu)建

一、分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要求

分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境是對分隊作戰(zhàn)訓(xùn)練的戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行的仿真。分隊?wèi)?zhàn)場環(huán)境包括地形、氣象、水文等自然條件，交通、建筑物、等人文條件，信息、網(wǎng)絡(luò)和電磁狀況等。由于分隊最小可至單兵，要求戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要與人在真實世界中的感官相一致，即必須有沉浸感，戰(zhàn)場環(huán)境中的一草一木、臺階掩體等都要清晰表現(xiàn)出來，其分辨率達(dá)厘米級，這遠(yuǎn)高于高級別虛擬戰(zhàn)場環(huán)境米級別以上分辨率的要求。因此分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建分辨率高、沉浸感強、制作難度大。分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的主要特點如下。

一是地形地物分辨率高。分隊?wèi)?zhàn)斗是在可視范圍內(nèi)進(jìn)行的近距離戰(zhàn)斗，地形地物對分隊達(dá)到戰(zhàn)斗行動影響極大，一個土坑、一棵樹對戰(zhàn)斗人員的觀察、射擊和傷亡都有很大影響。因此，建立高分辨率的地形地物模型是分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的首要要求。二是三維模型數(shù)量多。除了由眾多的步槍、機槍、工事、障礙等武器外，還有大量的保障、支援和非作戰(zhàn)的實體，例如車輛、橋梁、道路、平民等。這些都需要進(jìn)行三維建模。三是氣象、核生化、電磁環(huán)境要可視化顯示。分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境需要可視化地顯示出氣象、核生化和電磁環(huán)境。

二、傳統(tǒng)構(gòu)建分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境方法利弊分析

傳統(tǒng)的分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建的方法主要是依據(jù)紙質(zhì)地圖進(jìn)行電子化制圖，包括等高線、道路、水系、植被、建筑物、高程點等重要地形地物要素的分層標(biāo)繪，然后生成DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)字地圖，通過購買衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取對應(yīng)地形的地表紋理，最后，將這3種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后生成分隊虛擬戰(zhàn)場地形數(shù)據(jù)。由于紙質(zhì)地圖的分辨率較低，從源頭導(dǎo)致生成的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境分辨率較低。二是制作速度慢。紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)繪電子地圖，需要依圖標(biāo)繪，制作慢。購買相應(yīng)地域的衛(wèi)星影像作為地表紋理貼圖，需要衛(wèi)星運營公司在衛(wèi)星飛臨該地域上空的時間窗口期進(jìn)行拍攝，一般需要數(shù)個月的時間。三是三維模型制作工作量大。由于戰(zhàn)場環(huán)境中的人員、橋梁、房屋、道路等各實體需要三維建模，工作量大。

三、一種快速靈活的分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建方法

針對傳統(tǒng)構(gòu)建分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境方法的不足，本文結(jié)合實踐，提出一種綜合應(yīng)用無人機傾斜攝影、激光點云測量、三維模型制作和三維引擎相結(jié)合的技術(shù)路線，可以快速靈活構(gòu)建效果逼真的分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。

（一）應(yīng)用無人機傾斜攝影技術(shù)測繪整體戰(zhàn)場環(huán)境地形

1.無人機傾斜攝影概述及其特點

無人機傾斜攝影技術(shù)是通過在無人機等航空器上裝配多個圖像傳感器，在飛行過程中既能獲取高程信息、也能獲取地表精細(xì)紋理，三維地形建模速度快、精度高、效果好。

無人機傾斜攝影的主要特點包括：一是作業(yè)環(huán)境要求較低，無人機展開作業(yè)，不要太大的空間;二是工作效率高，無人機飛行高度在幾十至幾百米之間，受天氣影響較小;三是拍攝影像分辨率高，無人機所搭載的數(shù)碼相機低空分辨率可達(dá)到厘米級，可以拍攝到物體清晰紋理;四是建模效率高，無人機傾斜攝影技術(shù)可自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、快速三維建模等。

2.無人機傾斜攝影測量技術(shù)建設(shè)分隊虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的方法步驟

一是準(zhǔn)備階段。首先確定戰(zhàn)場環(huán)境地域。一般是在紙質(zhì)地圖上確定一個矩形區(qū)域，然后把該矩形區(qū)域的四個頂點的經(jīng)緯度坐標(biāo)量算出來，提供給無人機傾斜攝影工作人員。其次確定測量精度。分隊級別的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，地形分辨率和模型分辨率應(yīng)達(dá)到厘米級為最佳。確定了測量精度，也就間接確定了無人機傾斜攝影時，選用的無人機類型、飛行高度、搭載的數(shù)碼相機分辨率等工具等問題。第三是申請無人機傾斜攝影測量空域。按照國家法律法規(guī)要求，向戰(zhàn)場環(huán)境所在地的派出所提出無人機傾斜攝影測量請求，備齊資質(zhì)文件填寫好申請表，在獲得批準(zhǔn)后方可展開實際作業(yè)。

二是實施階段。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要工作是規(guī)劃好無人機傾斜攝影測量的時間、路線、展開作業(yè)和數(shù)據(jù)校驗。應(yīng)在氣候適宜、尤其是能見度良好的情況下測量，雨雪天不能測量，早晚的霧氣和突發(fā)的塵霾都會影響測量效果，必須進(jìn)行規(guī)避。無人機傾斜攝影測量必須確定好無人機起飛降落地點，確定好足夠數(shù)量的起飛降落地點，保證能夠覆蓋整個測量區(qū)域量測要求。由于是在室外作業(yè)，必須保證一次測量能夠采集到合格的數(shù)據(jù)，應(yīng)該在每天無人機傾斜攝影測量結(jié)束后，檢查一天所采集的數(shù)據(jù)，如存在有質(zhì)量問題的數(shù)據(jù)，要及時重新測量。其次進(jìn)行數(shù)據(jù)加工。主要是在攝影測量的基礎(chǔ)上，對獲取的傾斜影像進(jìn)行初步預(yù)處理、多視角影像的匹配、三角網(wǎng)的構(gòu)建、紋理貼敷等流程，最終得到高分辨率的三維模型。

（二）應(yīng)用激光點云輔助糾偏校正復(fù)雜地區(qū)地形地貌

無人機傾斜攝影測量對于大面積地域整體三維建模效果較好，但是地面復(fù)雜地形和物體的三維建模存在失真問題。這里可以使用激光點云技術(shù)進(jìn)行補充修改。激光點云技術(shù)使用車載移動激光掃描器，可以快速、動態(tài)地對地面目標(biāo)進(jìn)行測量，獲取更高精度的空間三維信息，是構(gòu)建適于車輛通行區(qū)域三維地形地貌的有力工具。對于重要地形地貌，無人機傾斜攝影難以滿足仿真需要的情況下，例如植被覆蓋茂密的林蔭道下面的街道，可以應(yīng)用激光點云輔助測量，并用激光點云生成的局部三維模型替代無人機傾斜攝影測量處理后的數(shù)據(jù)。

（三）應(yīng)用三維建模工具制作重點地形地物三維模型

無人機傾斜攝影和激光點云測量技術(shù)解決的都是地形地物最外面的一層表面的三維建模和紋理采集問題。但是對于內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地形地物，則無法解決建模問題。這需要使用專業(yè)的三維建模軟件解決，可以使用3DMax、Maya等進(jìn)行精細(xì)地形地物的單獨制作。尤其是重要的地形地物必須進(jìn)行精細(xì)建模，達(dá)到反恐精英、穿越火線、雷神之錘等分隊作戰(zhàn)游戲中的分辨率和質(zhì)量效果。這樣才能滿足分隊作戰(zhàn)行動對地形地物的要求。

完成了重點地形地物的建模，還需要在無人機傾斜攝影處理好的三維模型中對相應(yīng)的地形地物單體化處理，即將該模型先從整體地形地物的模型中剝離移除，閉合地表模型紋理，然后將建好的地形地物模型導(dǎo)入并放置到對應(yīng)位置，實現(xiàn)對已剝離的粗糙模型的替換。

（四）應(yīng)用三維引擎設(shè)置計算其他戰(zhàn)虛擬場環(huán)境要素

氣象環(huán)境的可視化設(shè)置顯示在當(dāng)前的主流三維仿真引擎里進(jìn)行逼真實現(xiàn)。例如在Unity3D里面，可以靈活設(shè)置日暮天光、風(fēng)雷雨雪等天候氣象環(huán)境。核生化環(huán)境根據(jù)分隊?wèi)?zhàn)場環(huán)境的核生化武器、污染等情況根據(jù)想定需要，進(jìn)行精確計算或靈活設(shè)置。對于電磁環(huán)境的可視化，則根據(jù)想定需要，對分隊?wèi)?zhàn)場環(huán)境中的武器裝備、自然環(huán)境的電磁特性等進(jìn)行計算并形象化地進(jìn)行顯示顯示。