基于虛擬現實的艦船電子沙盤交互系統

朱鐵櫻

(1.金華市現代制造與材料高新技術研發中心，浙江 東陽 322100；2.浙江廣廈建設職業技術大學，浙江 東陽 322100)

0 引 言

在現代海戰背景下，通過虛擬現實的視景仿真技術進行艦船電子沙盤交互設計，結合計算機視覺圖像處理技術，構建艦船電子沙盤交互平臺，提高在虛擬視景環境下的海戰演練控制能力。艦船電子沙盤交互系統設計建立在對艦船電子沙盤交互的圖像信息處理基礎上，通過對作戰環境的圖像信息交互處理，構建艦船電子沙盤交互信息處理平臺[1]，在分布式虛擬戰場環境DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)下實現艦船電子沙盤的信息交互控制，研究艦船電子沙盤交互系統優化設計方案，結合數據融合技術、數字壓縮等技術提高戰場信息交互能力，通過分布式計算機網絡控制，實現對作戰效果評估[2]。本文提出基于虛擬現實的艦船電子沙盤交互系統設計方法，首先進行系統的總體構建，然后進行艦船電子沙盤交互系統的圖像處理算法設計。最后進行虛擬現實的視景仿真測試，得出有效性結論。

1 系統總體構架和功能組件分析

1.1 系統總體構架

在電子3D虛擬現實視景仿真環境下構建艦船電子沙盤交互系統。首先構建艦船電子沙盤交互系統的總體結構模型，利用專業建模軟件Multigen-Creator建立艦船三維模型[3]，進行開發環境搭建；利用虛擬仿真技術來仿真艦船的水面航行狀態，結合體系結構模型分析和圖模型參數分析的方法，進行艦船電子沙盤交互的過程控制。通過地形建模與幾何建模的方法，建立視景仿真平臺，在Mutigen Creator和嵌入式開發環境下進行Lynx Prime圖形界面設計，對艦船電子沙盤交互系統的頂層設計，通過編程將這些模型載入到三維虛擬環境中。采用多線程調度和場景渲染方法，在靜態視景模型庫中建立三維虛擬海洋(海底、海面)環境，通過模型庫構造[4]，得到三維視景仿真平臺，艦船電子沙盤交互系統的模型設計構架如圖1所示、

圖1 艦船電子沙盤交互系統的模型設計構架Fig.1 Model design architecture of ship electronic sandbox interaction system

根據圖1所示的模型構架，采用MAYA，3DStudio MAX、SoftImage進行系統的軟件建模，得到在3D虛擬現實環境下的三維視景仿真平臺。艦船電子沙盤交互系統分為3層體系結構，分別為感知控制層、網絡傳輸層和應用服務層。野外實測(如全站儀及GPS等)直接獲取DEM數據，結合海底數據流和地形數據分析[5]，構建用戶信息處理模塊，得到系統結構體系如圖2所示。

圖2 艦船電子沙盤系統結構體系Fig.2 Structure system of ship electronic sand table system

1.2 系統功能結構分析

艦船電子沙盤交互系統的網絡傳輸層建立在異構網的基礎上，通過3D虛擬現實系統開發設計，建立網絡傳輸終端控制模塊，通過視景仿真模型參數分析，定義.acf模型分析庫，初始化內存分配(memory allocator)模型，配置.acf實現地形模型分析，構建電子沙盤交互的地形LOD演變模型，如圖3所示。

圖3 電子沙盤交互的地形LOD演變模型Fig.3 Terrain LOD evolution model of electronic sandtable interaction

根據圖3所示的電子沙盤交互的地形LOD演變模型，結合三維數據庫結構特性分析，通過Vega Prime視景開發軟件建立電子沙盤交互系統可視化模塊，結合幀同步分析方法，采用3層中間件結構設計的方法實現對艦船電子沙盤交互的語音動態轉換和場景適應性控制，交互控制過程如圖4所示。

圖4 電子沙盤交互控制過程Fig.4 Interactive control process of electronic sandtable

在此基礎上，采用Multigen Creator3.2建模的方法進行虛擬場景中的虛擬三維實體設計，得到系統仿真過程如圖5所示。

圖5 艦船電子沙盤交互仿真過程Fig.5 Interactive simulation process of ship electronic sandbox

2 艦船電子沙盤視景圖像處理算法

2.1 艦船電子沙盤視景圖像采樣

設計艦船電子沙盤視景圖像處理模型，計算目標圖像的特征分量，結合點模型分析方法，在圖像成像分布域中，得到外觀屬性參數S。采用傳感信息幀點采樣方法，構建艦船沙盤的圖像合成網絡模型；采用最近鄰插值與卷積分析方法，得到圖像視覺特征參量為：

式中：l=1,2,···,R且k≠l，表示艦船電子沙盤視景圖像采樣樣本長度；gkl為生成的數據與真實數據的差異度；z為圖像邊緣輪廓分量；fkl為沙盤棋盤狀偽影，采用相似度特征分析，得到2個特征塊連接的相似度：

式中：ycm為艦船視景三維重構的高度；ydm為艦船視景三維重構的寬度。

采用最近鄰插值分析和主成分特征分解的方法，得到全息成像下艦船電子沙盤交互的視覺融合動態輸出特征值：

式中，為相鄰像素坐標的圖像樣本特征值，為待測艦船電子沙盤的從源屬性特征值。

2.2 圖像特征提取和電子沙盤交互重建

采用空間變換和三維視景重構的方法，通過特征值之間空間位置的坐標偏移量，得到Ψq′′的位置關系，以F為旋轉不變矩，得到每一個特征點進行偏移的模型參數為交互的虛擬像素分布序列為：

式中：N為像素點個數；k為新的空間變換動態參數。采用變分自動編碼控制，得到圖像邊緣輪廓檢測的時間窗口為空間位置坐標偏移量的動態調整公式為：

式中：x，y分別為輸入外觀屬性編碼特征值，θ1為空間位置的坐標偏移量。使用級聯的姿態控制方法，得到生成目標圖像為：

式中，為全局特征相同的變換參數；δ為定位在物體的剛性位置。

通過改變源圖像中像素點的空間參數信息，結合全局轉換參數動態分析，得到光強分配的特征量為由此建立圖像特征提取和電子沙盤交互模型，實現過程如圖6所示。

圖6 圖像特征提取和電子沙盤交互模型Fig.6 Image feature extraction and electronic sandbox interaction model

3 系統軟件實現和實驗測試

在Visual C++和Matlab仿真場景中進行艦船電子沙盤交互系統的仿真測試。

根據參數配置，進行艦船電子沙盤的虛擬視景仿真，構建艦船電子沙盤的靜態視點圖和動態視點圖如圖7所示。

圖7 艦船電子沙盤的靜態和動態視點圖Fig.7 Static and dynamic viewpoint maps of ship electronic sandbox

根據艦船電子沙盤交互的視點圖模型設計，采用PlaySound函數進行聲音交互，測試電子沙盤交互性能，得到艦船頻譜信號檢測結果如圖8所示。

圖8 艦船頻譜信號檢測Fig.8 Results of ship spectrum signal detection

分析仿真結果可知，本文設計的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，交互的信號檢測性能較強。

4 結 語

本文提出基于虛擬現實的艦船電子沙盤交互系統設計方法。建立視景仿真平臺，在Mutigen Creator和嵌入式開發環境下進行Lynx Prime圖形界面設計。采用多線程調度和場景渲染方法，在靜態視景模型庫中建立三維虛擬海洋環境，通過模型庫構造，得到三維視景仿真平臺，并實現對艦船頻譜信號檢測。分析可知，本文設計的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，信號檢測性能較強。