基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船電子沙盤交互系統(tǒng)

朱鐵櫻

(1.金華市現(xiàn)代制造與材料高新技術(shù)研發(fā)中心，浙江 東陽 322100；2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 東陽 322100)

0 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)背景下，通過虛擬現(xiàn)實(shí)的視景仿真技術(shù)進(jìn)行艦船電子沙盤交互設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)，構(gòu)建艦船電子沙盤交互平臺(tái)，提高在虛擬視景環(huán)境下的海戰(zhàn)演練控制能力。艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立在對(duì)艦船電子沙盤交互的圖像信息處理基礎(chǔ)上，通過對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的圖像信息交互處理，構(gòu)建艦船電子沙盤交互信息處理平臺(tái)[1]，在分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)下實(shí)現(xiàn)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)字壓縮等技術(shù)提高戰(zhàn)場信息交互能力，通過分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)效果評(píng)估[2]。本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體構(gòu)建，然后進(jìn)行艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的圖像處理算法設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的視景仿真測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架和功能組件分析

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

在電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真環(huán)境下構(gòu)建艦船電子沙盤交互系統(tǒng)。首先構(gòu)建艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，利用專業(yè)建模軟件Multigen-Creator建立艦船三維模型[3]，進(jìn)行開發(fā)環(huán)境搭建；利用虛擬仿真技術(shù)來仿真艦船的水面航行狀態(tài)，結(jié)合體系結(jié)構(gòu)模型分析和圖模型參數(shù)分析的方法，進(jìn)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(tái)，在Mutigen Creator和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行Lynx Prime圖形界面設(shè)計(jì)，對(duì)艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，通過編程將這些模型載入到三維虛擬環(huán)境中。采用多線程調(diào)度和場景渲染方法，在靜態(tài)視景模型庫中建立三維虛擬海洋(海底、海面)環(huán)境，通過模型庫構(gòu)造[4]，得到三維視景仿真平臺(tái)，艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示、

圖1 艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)構(gòu)架Fig.1 Model design architecture of ship electronic sandbox interaction system

根據(jù)圖1所示的模型構(gòu)架，采用MAYA，3DStudio MAX、SoftImage進(jìn)行系統(tǒng)的軟件建模，得到在3D虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的三維視景仿真平臺(tái)。艦船電子沙盤交互系統(tǒng)分為3層體系結(jié)構(gòu)，分別為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層。野外實(shí)測(cè)(如全站儀及GPS等)直接獲取DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合海底數(shù)據(jù)流和地形數(shù)據(jù)分析[5]，構(gòu)建用戶信息處理模塊，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 艦船電子沙盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structure system of ship electronic sand table system

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層建立在異構(gòu)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過3D虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)，建立網(wǎng)絡(luò)傳輸終端控制模塊，通過視景仿真模型參數(shù)分析，定義.acf模型分析庫，初始化內(nèi)存分配(memory allocator)模型，配置.acf實(shí)現(xiàn)地形模型分析，構(gòu)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(jù)圖3所示的電子沙盤交互的地形LOD演變模型，結(jié)合三維數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特性分析，通過Vega Prime視景開發(fā)軟件建立電子沙盤交互系統(tǒng)可視化模塊，結(jié)合幀同步分析方法，采用3層中間件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船電子沙盤交互的語音動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換和場景適應(yīng)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(chǔ)上，采用Multigen Creator3.2建模的方法進(jìn)行虛擬場景中的虛擬三維實(shí)體設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)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(shè)計(jì)艦船電子沙盤視景圖像處理模型，計(jì)算目標(biāo)圖像的特征分量，結(jié)合點(diǎn)模型分析方法，在圖像成像分布域中，得到外觀屬性參數(shù)S。采用傳感信息幀點(diǎn)采樣方法，構(gòu)建艦船沙盤的圖像合成網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)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(gè)特征塊連接的相似度：

式中：ycm為艦船視景三維重構(gòu)的高度；ydm為艦船視景三維重構(gòu)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(dòng)態(tài)輸出特征值：

式中，為相鄰像素坐標(biāo)的圖像樣本特征值，為待測(cè)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(gòu)的方法，通過特征值之間空間位置的坐標(biāo)偏移量，得到Ψq′′的位置關(guān)系，以F為旋轉(zhuǎn)不變矩，得到每一個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行偏移的模型參數(shù)為交互的虛擬像素分布序列為：

式中：N為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；k為新的空間變換動(dòng)態(tài)參數(shù)。采用變分自動(dòng)編碼控制，得到圖像邊緣輪廓檢測(cè)的時(shí)間窗口為空間位置坐標(biāo)偏移量的動(dòng)態(tài)調(diào)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(biāo)偏移量。使用級(jí)聯(lián)的姿態(tài)控制方法，得到生成目標(biāo)圖像為：

式中，為全局特征相同的變換參數(shù)；δ為定位在物體的剛性位置。

通過改變?cè)磮D像中像素點(diǎn)的空間參數(shù)信息，結(jié)合全局轉(zhuǎn)換參數(shù)動(dòng)態(tài)分析，得到光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在Visual C++和Matlab仿真場景中進(jìn)行艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的仿真測(cè)試。

根據(jù)參數(shù)配置，進(jìn)行艦船電子沙盤的虛擬視景仿真，構(gòu)建艦船電子沙盤的靜態(tài)視點(diǎn)圖和動(dòng)態(tài)視點(diǎn)圖如圖7所示。

圖7 艦船電子沙盤的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)視點(diǎn)圖Fig.7 Static and dynamic viewpoint maps of ship electronic sandbox

根據(jù)艦船電子沙盤交互的視點(diǎn)圖模型設(shè)計(jì)，采用PlaySound函數(shù)進(jìn)行聲音交互，測(cè)試電子沙盤交互性能，得到艦船頻譜信號(hào)檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 艦船頻譜信號(hào)檢測(cè)Fig.8 Results of ship spectrum signal detection

分析仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，交互的信號(hào)檢測(cè)性能較強(qiáng)。

4 結(jié) 語

本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。建立視景仿真平臺(tái)，在Mutigen Creator和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行Lynx Prime圖形界面設(shè)計(jì)。采用多線程調(diào)度和場景渲染方法，在靜態(tài)視景模型庫中建立三維虛擬海洋環(huán)境，通過模型庫構(gòu)造，得到三維視景仿真平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船頻譜信號(hào)檢測(cè)。分析可知，本文設(shè)計(jì)的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，信號(hào)檢測(cè)性能較強(qiáng)。