坦克假目標(biāo)示假性能試驗(yàn)仿真技術(shù)研究

馮海潮，王羽羽，張則言

（1.32215 部隊(duì)，河北張家口 075421；2.63966 部隊(duì)，北京 100000）

隨著高新武器裝備裝配部隊(duì)，有效保存其戰(zhàn)斗力成為十分迫切的任務(wù)。運(yùn)用假目標(biāo)能有效分散敵方注意力，提高真目標(biāo)的生存能力。在示假過(guò)程中，假目標(biāo)在可見(jiàn)光波段的性能是評(píng)價(jià)其示假效果的重要指標(biāo)之一。一般來(lái)講，假目標(biāo)的各項(xiàng)示假指標(biāo)是通過(guò)評(píng)價(jià)其與真目標(biāo)相應(yīng)特征的相似程度實(shí)現(xiàn)的，這種評(píng)價(jià)方法保證了假目標(biāo)的示假效果。由于受到天氣、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等因素影響，假目標(biāo)示假性能試驗(yàn)受到極大限制。

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，三維建模和仿真技術(shù)的發(fā)展為坦克假目標(biāo)示假性能試驗(yàn)仿真提供了條件[1-5]，為提高假目標(biāo)在可見(jiàn)光波段示假性能試驗(yàn)的效率，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，擬對(duì)坦克假目標(biāo)示假性能仿真試驗(yàn)進(jìn)行研究，探索仿真試驗(yàn)路徑。利用真坦克仿真模型，將通過(guò)仿真得到的坦克圖像與試驗(yàn)中采集到的假目標(biāo)及背景圖像實(shí)現(xiàn)同態(tài)同背景條件下的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)假目標(biāo)空中可見(jiàn)光波段示假性能的評(píng)價(jià)，并將這些功能以軟件集成的方式實(shí)現(xiàn)。

1 二維仿真圖像轉(zhuǎn)換

經(jīng)過(guò)前期研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真坦克的三維建模，通過(guò)利用坦克表面顏色與環(huán)境的映射關(guān)系，可以模擬仿真坦克在不同環(huán)境參數(shù)下坦克的渲染，得到特定三維坦克仿真圖像[6-7]。為了實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)可見(jiàn)光示假性能試驗(yàn)效果，需要將三維坦克仿真圖像轉(zhuǎn)換為二維圖像，生成二維仿真試驗(yàn)圖像。本文利用OpenGL 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)二維仿真圖像轉(zhuǎn)換。

在任何一個(gè)三維仿真系統(tǒng)中，坐標(biāo)變換是最核心和最基礎(chǔ)的功能模塊之一，也是確保高精度解算三維數(shù)據(jù)的前提之一。

因?yàn)樽匀晃镔|(zhì)世界是三維的，用于顯示及處理的物體模型的原始坐標(biāo)一般用（x，y，z）表示，x、y通常用來(lái)表示物體的地理水平坐標(biāo)，z用來(lái)表示物體的地理高度坐標(biāo)。從數(shù)據(jù)處理維度的角度上講，三維目標(biāo)模型的顯示過(guò)程本質(zhì)上是一種高維數(shù)據(jù)到低維數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)映射過(guò)程，因此，到最終顯示到屏幕或者圖像上，三維目標(biāo)模型的坐標(biāo)需要經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)變換。

本文的投影方式采用透視投影。當(dāng)物體的坐標(biāo)經(jīng)由地理坐標(biāo)系、成像坐標(biāo)系、相面坐標(biāo)系后，到最終顯示在平面上，還需經(jīng)過(guò)一個(gè)基礎(chǔ)變換，即視體剪裁變換。這個(gè)變換是計(jì)算機(jī)圖形處理獨(dú)有的。視體剪裁變換前，首先需要定義一個(gè)虛擬三維空間，稱(chēng)為視空間（Viewing Volume）。視空間的形狀依投影類(lèi)型而定，對(duì)正射投影而言，這個(gè)視體為長(zhǎng)方體；對(duì)透視投影而言，這個(gè)視體為一個(gè)首尾截?cái)嗟娜刁w。這個(gè)視體的作用是將一些在視體之外的物體不予顯示，從而降低圖形渲染的各種開(kāi)銷(xiāo)。然后，在顯示屏幕上定義一個(gè)二維坐標(biāo)系，稱(chēng)為視口（Viewport）。實(shí)際場(chǎng)景通過(guò)剪裁處理后轉(zhuǎn)換到視空間中，最終投影到視口上顯示出來(lái)。最后，為了使物理顯示坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系之間的統(tǒng)一，還需定義一個(gè)坐標(biāo)系，即屏幕物理坐標(biāo)系。

透視投影最大的特點(diǎn)是物體會(huì)隨離視點(diǎn)的距離增大而變小，最終消失在滅點(diǎn)處。透視投影符合人類(lèi)視覺(jué)習(xí)慣，它的視體為一個(gè)頭尾被部分截?cái)嗟娜忮F，也叫棱臺(tái)。這種投影方式通常用于虛擬現(xiàn)實(shí)、視覺(jué)仿真等方面。OpenGL 中利用一個(gè)投影函數(shù)glPerspective來(lái)設(shè)置透視投影變換參數(shù)，其實(shí)際數(shù)學(xué)操作是建立了一個(gè)透視投影矩陣F，具體如下。

式（1）（2）中，只定義了透視視體近裁面的角點(diǎn)坐標(biāo)，即左下點(diǎn)（Lleft，Lbottom，-Lnear）與右上點(diǎn)（Lright，Ltop，-Lnear），其中Lnear和Lfar表示離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，它們總為正值。

綜上，通過(guò)一些列數(shù)學(xué)變換，三維世界中的物體最終被顯示在二維的屏幕坐標(biāo)系或者圖像坐標(biāo)系內(nèi)。具體的流程如圖1 所示。

圖1 三維圖形的顯示流程

2 試驗(yàn)圖像仿真

二維仿真圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于三維仿真模型渲染效果與試驗(yàn)拍攝條件的對(duì)應(yīng)程度，考慮將試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)同步作用于三維仿真模型，將采集參數(shù)對(duì)應(yīng)的影響因子通過(guò)仿真渲染作用于目標(biāo)三維模型，然后將三維仿真模型轉(zhuǎn)換后的二維圖像融合到試驗(yàn)背景圖像中，達(dá)到仿真試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

二維背景是試驗(yàn)拍攝的照片，只能顯示在一個(gè)平面上。為達(dá)到仿真試驗(yàn)圖像效果，二維背景平面（試驗(yàn)照片）必須與三維坐標(biāo)系中的虛擬相機(jī)光軸垂直，即與虛擬三維環(huán)境中的成像平面平行，稱(chēng)之為背景平面。因此，可以把三維目標(biāo)和背景平面放置在同一三維坐標(biāo)系中進(jìn)行渲染，條件是三維目標(biāo)需要遠(yuǎn)離背景平面。

虛擬相機(jī)具有近裁剪平面和遠(yuǎn)裁剪平面2 個(gè)裁剪平面。超過(guò)近裁剪平面和遠(yuǎn)裁剪平面的對(duì)象將超出渲染范圍而不被渲染。據(jù)此，可以將三維目標(biāo)放置在近裁剪平面和遠(yuǎn)裁剪面平之間，把背景平面放置在靠近遠(yuǎn)裁剪平面的位置，從而實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)的合理渲染效果，得到仿真圖像，如圖2 所示。

圖2 三維目標(biāo)與二維背景合成

試驗(yàn)圖像需要通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集得到，同時(shí)記錄拍攝時(shí)間、太陽(yáng)高度角、拍攝高度、目標(biāo)位置坐標(biāo)等環(huán)境參數(shù)，利用OpenGL 中環(huán)境映射功能將試驗(yàn)參數(shù)作用于真目標(biāo)三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)三維模型的渲染和二維仿真試驗(yàn)圖像的生成。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)仿真試驗(yàn)的需求，通過(guò)編制軟件集成上述各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)過(guò)程。軟件系統(tǒng)主要是根據(jù)外部試驗(yàn)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)三維模型的渲染，并將坦克二維仿真圖像與試驗(yàn)圖像合成，得到仿真試驗(yàn)圖像。

根據(jù)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，對(duì)軟件操作界面、目標(biāo)建模與渲染、日照仿真等功能的具體構(gòu)成、主要原理及實(shí)施方法進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

軟件采用單一windows 窗口作為主界面，包括系統(tǒng)菜單欄、場(chǎng)景顯示區(qū)、背景圖片列表、仿真條件輸入控件組、常規(guī)功能控件組等界面元素。為論述方便，定義若干對(duì)象如下：

Main_window：主窗口；

MenuBar：系統(tǒng)菜單欄；

Scene_port：場(chǎng)景顯示區(qū)；

Ⅰmage_list：背景圖片列表；

Edit[title]：輸入框；

Button[title]：按鈕。

3.1 系統(tǒng)菜單欄（MenuBar）

由于軟件的主要功能均能夠在窗口內(nèi)部依次展開(kāi)，所見(jiàn)即所得，可以直接操縱，因此菜單欄采取了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅僅保留了基本功能，具體如下。

文件菜單：保留了退出系統(tǒng)功能；

幫助菜單：保留了版本提示功能。

3.2 場(chǎng)景顯示區(qū)（Scene_port）

場(chǎng)景顯示區(qū)占據(jù)主窗口（Main_window）的大部分區(qū)域，按注意力習(xí)慣和右手操縱偏好，將場(chǎng)景顯示區(qū)設(shè)置于窗口的左側(cè)，采用靜態(tài)矩形控件創(chuàng)建（static control）。場(chǎng)景顯示區(qū)相對(duì)于Main_window 的位置和大小設(shè)置為：

Scene_port.x=main_window.x+10；

Scene_port.y=main_window.y+10；

Scene_port.width=main_window.width*0.7；

Scene_port.height=main_window.height*0.8。

當(dāng)Main_window 的位置和大小發(fā)生改變時(shí)，場(chǎng)景顯示區(qū)也將進(jìn)行自動(dòng)的相對(duì)調(diào)整，在Resize 消息響應(yīng)中實(shí)現(xiàn)。

3.3 背景圖片列表（Image_list）

背景圖片列表用于顯示指定目錄下的所有圖片，支持的格式包括BMP、JPG 兩種。當(dāng)選中列表中某一項(xiàng)時(shí)，場(chǎng)景顯示區(qū)將呈現(xiàn)相應(yīng)的背景圖片。Ⅰmage_list的定位設(shè)置如下：

Ⅰmage_list.x=scene_port.x+scene.width+10；

Ⅰmage_list.y=scene_port.y；

Ⅰmage_list.width=main_window.width

scene_port.widht；

Ⅰmage_list.height=scene_port.height/2。

背景圖片列表將默認(rèn)裝入軟件程序所在目錄下“backs”文件夾中的預(yù)留圖片序列。

在圖像列表下方添加2 個(gè)按鈕：列表清空按鈕、列表加載按鈕，分別表示為Button[clean]、Button[load]，定位在列表的下方。

3.4 仿真條件輸入控件組

仿真條件主要包括太陽(yáng)高度角、拍攝時(shí)間、拍攝高度等，分別表示為Edit[sun_angle]、Edit[sun_time]、Edit[height]，并采用編輯框控件表示，定位設(shè)置在Ⅰmage_list 的左下方。

為了保證軟件系統(tǒng)得到合理的仿真條件，需要設(shè)置各個(gè)編輯控件的有效輸入范圍：

Edit[sun_angle] ：[30-90]（°）；

Edit[sun_time] ：[6-18]（h）；

Edit[height] ：[10-1000]（m）。

為了增強(qiáng)光照仿真效果，系統(tǒng)為三維目標(biāo)添加了陰影效果，相應(yīng)增加了調(diào)節(jié)控件組，分別是陰影投射方向控件（ Slider[orient] ）、 陰影對(duì)比度控件（Slider[gray]），均采用滑塊控件（slider control）表示。陰影方向的調(diào)節(jié)范圍是[0，359]（°），陰影對(duì)比度的調(diào)節(jié)范圍是[1，10]。陰影調(diào)節(jié)控件組定位在顯示區(qū)的下面靠近中部。

3.5 常規(guī)功能控件組

常見(jiàn)功能控件組包括“保存”按鈕、“退出”按鈕，采用標(biāo)準(zhǔn)按鈕控件表示，定位在Main_window 的右下角。軟件系統(tǒng)完整操作界面如圖3 所示。

圖3 軟件系統(tǒng)主界面

4 有效性驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)要求，采集真坦克試驗(yàn)圖像，記錄試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)。利用軟件將試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)作用于三維坦克模型，載入試驗(yàn)圖像作為背景平面，調(diào)整坦克模型到適當(dāng)位置，生成仿真試驗(yàn)圖像。為驗(yàn)證仿真坦克有效性，截取仿真圖像中真坦克圖像和仿真坦克圖像，分別提取各自圖像特征，通過(guò)與真坦克圖像的綜合相似度指標(biāo)對(duì)仿真坦克的仿真效果進(jìn)行驗(yàn)證[8]。圖4 為利用軟件將仿真坦克模型與真坦克及背景圖像融合效果圖，即用軟件合成的仿真試驗(yàn)圖像。

圖4 仿真試驗(yàn)圖像生成

4.1 坦克圖像截取

得到仿真試驗(yàn)圖像后，截取其中真坦克和仿真坦克圖像，為實(shí)現(xiàn)對(duì)二者的全面比較，在對(duì)坦克圖像進(jìn)行截取時(shí)，連同其陰影一起截取。圖5 為兩輛真坦克和兩個(gè)仿真坦克截取圖像。

圖5 目標(biāo)截取

4.2 綜合相似度評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真坦克仿真效果的量化評(píng)價(jià)，本文利用文獻(xiàn)[8]中圖像特征提取與圖像綜合相似度計(jì)算方法對(duì)截取的兩輛真坦克和兩個(gè)仿真坦克圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1 所示。

表1 仿真坦克與真坦克間圖像相似度（單位：%）

通過(guò)分析表1 中數(shù)據(jù)可知，仿真坦克與真坦克圖像的綜合相似度均在80%以上，其中仿真坦克1、真坦克2 間的圖像綜合相似度最小，為81.8%，仿真坦克2、真坦克1 間的圖像綜合相似度最大，為91.0%，綜合相似度均值為87.5%，在較高水平，可用于仿真試驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文利用三維建模和仿真技術(shù)對(duì)坦克假目標(biāo)在可見(jiàn)光波段的示假性能仿真試驗(yàn)進(jìn)行了初步探索，通過(guò)坐標(biāo)變換及渲染，將坦克三維模型轉(zhuǎn)換成試驗(yàn)條件下的二維圖像，利用軟件實(shí)現(xiàn)背景載入、采集參數(shù)輸入、三維坦克模型預(yù)置渲染等功能，得到坦克假目標(biāo)仿真試驗(yàn)圖像。通過(guò)相似度計(jì)算，得到的仿真坦克圖像與真坦克圖像的特征相似度均值達(dá)到了87.5%，可用于仿真試驗(yàn)。在下一步的研究中，需要對(duì)坦克的熱紅外和雷達(dá)圖像進(jìn)行仿真研究，為假目標(biāo)多波段示假性能試驗(yàn)提供支撐。