鄭 濤，徐曉剛

（海軍大連艦艇學(xué)院 裝備與自動(dòng)化系 遼寧 大連 116018）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同領(lǐng)域，如：文化教育、工業(yè)設(shè)計(jì)、公共安全、醫(yī)學(xué)等。特別是在需要消耗大量人力、物力和財(cái)力的具有高度危險(xiǎn)性領(lǐng)域，如軍事和航空航天領(lǐng)域[1]。國外早已開始將虛擬戰(zhàn)場(chǎng)作為軍用仿真的研究，主要的成果有美國陸軍和美國國防部高級(jí)項(xiàng)目研究計(jì)劃局共同設(shè)計(jì)的SIMNET，美國海軍研究生院開發(fā)的NPSNET，瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的DIVE，新加坡國立大學(xué)的BrickNet等。國內(nèi)在“863”計(jì)劃的資助下，在1996年開始虛擬軍事演練方面的應(yīng)用研究。雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速，在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用方面取得了大量有意義的研究結(jié)果。

姚煜[2]使用基于物理建模的方法在海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了爆炸效果的模擬，劉喜作[3]對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)中作戰(zhàn)對(duì)象進(jìn)行建模，提出一個(gè)通用的模型框架，應(yīng)用于某艦導(dǎo)彈模擬訓(xùn)練。張莉[4]，王義濤[5]先后對(duì)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的戰(zhàn)斗過程進(jìn)行了模型描述。這些工作主要針對(duì)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的某一特定部分進(jìn)行了研究，而戴競(jìng)[6]對(duì)整個(gè)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景生成方法進(jìn)行了描述，曾鵬[7]分析了傳統(tǒng)海戰(zhàn)場(chǎng)仿真方法的不足，提出以數(shù)字地球平臺(tái)為基礎(chǔ)對(duì)大規(guī)模虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行模擬。吳晶[8]提出基于OpenGL平臺(tái)的虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)仿真。

筆者提出以Torque 3D引擎[9]為平臺(tái)，搭建一個(gè)通用虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景。區(qū)別于以往只針對(duì)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)單一效果的模擬和創(chuàng)建整個(gè)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的大量底層編碼工作，該方法有效利用Toque 3D引擎平臺(tái)快速創(chuàng)建虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的變換，使用TorqueScript腳本語言，可針對(duì)指定功能快速添加功能模塊。

1 虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的基本構(gòu)成

虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)通常指利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于一定的硬件平臺(tái)，對(duì)海軍海上作戰(zhàn)領(lǐng)域的各種環(huán)境、氣候、武器裝備和兵力部署等進(jìn)行逼真模擬的場(chǎng)景，包括對(duì)戰(zhàn)爭規(guī)律和戰(zhàn)爭指導(dǎo)規(guī)律兩個(gè)方面的內(nèi)在的戰(zhàn)爭本質(zhì)規(guī)律模擬，核心是創(chuàng)造一個(gè)貼近實(shí)戰(zhàn)的海戰(zhàn)場(chǎng)訓(xùn)練環(huán)境[10]。虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境通常由以下幾個(gè)模塊組成：

1）海洋自然環(huán)境 海洋自然環(huán)境主要包括海洋地形地貌和地表特征。海洋地形指海底或河床的一部分，其地勢(shì)起伏可測(cè)或具有明顯的地形輪廓。海洋地形數(shù)據(jù)的主要來源是海洋地理信息數(shù)據(jù)。地物主要指水下的障礙物和水面的助航標(biāo)識(shí)物以及海岸的實(shí)體信息。

2）海洋氣象環(huán)境 海洋氣象環(huán)境主要指大氣中所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，如降水、霧、煙塵、雷電、風(fēng)暴等。與陸地相比，海洋氣象具有多態(tài)性、時(shí)變性的突出特點(diǎn)，海戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)氣象變化更為敏感，海戰(zhàn)場(chǎng)氣象環(huán)境對(duì)于作戰(zhàn)效能的發(fā)揮和最終戰(zhàn)果具有直接影響。

3）海戰(zhàn)特效模塊 現(xiàn)代海戰(zhàn)中導(dǎo)彈等武器的使用必然伴隨著大量的爆炸、火焰、煙霧和水柱等效果的產(chǎn)生。每一次的爆炸、武器的發(fā)射都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的聲音。為了增強(qiáng)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的逼真度，引入特效模塊，包括聲音特效。

4）實(shí)體模型 海戰(zhàn)包括各個(gè)作戰(zhàn)實(shí)體，有動(dòng)態(tài)實(shí)體和靜態(tài)實(shí)體。如訓(xùn)練人員操控的艦艇、武器裝備以及擁有人工智能的假想敵。靜態(tài)實(shí)體主要有燈塔、建筑物和礙航物等。

2 虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)

Torque 3D引擎是一款面向?qū)ο?、功能齊全的基于C++的游戲引擎，由美國的InstantAction公司開發(fā)發(fā)布。使用Torque 3D引擎可以節(jié)省大量用于創(chuàng)建復(fù)雜渲染系統(tǒng)、高速網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)編輯器和腳本系統(tǒng)的時(shí)間[11]。由于游戲引擎的高效和一定的通用性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于三維虛擬場(chǎng)景仿真中，以下就基于Torque 3D引擎的虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景構(gòu)建做相應(yīng)的介紹。

2.1 地形建模

地形是地貌（如丘陵）和地表覆蓋物（如草地）的綜合體，一般地貌由一個(gè)3D模型建模而成，地表覆蓋物則用紋理來表現(xiàn)[12]。Torque 3D中對(duì)地形的建模主要有兩種方法：一是使用Torque 3D引擎自帶的Terrain Editor（地形編輯器），該方法可以直接對(duì)地形模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、扭曲、拉伸、凹陷等操作，隨意性很大，主要用于生成虛構(gòu)性的場(chǎng)景；二是使用數(shù)字高程模型 （Digital Elevation Model，DEM） 創(chuàng)建地形。 雖然Torque 3D只支持導(dǎo)入高度圖生成地形，但可以通過第三方軟件將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高度圖后導(dǎo)入Torque 3D生成真實(shí)地形。

圖1 地形效果Fig.1 The effect of terrain

根據(jù)虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，使用DEM數(shù)據(jù)的方式來生成海戰(zhàn)場(chǎng)地形。DEM數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心[13]獲取，按地形經(jīng)緯度下載某確定地形的數(shù)據(jù)，以旅順地形為例，下載包含東經(jīng)121度北緯38度的數(shù)據(jù)塊，后綴名為.img，應(yīng)用Global_mapper和Wilbur兩個(gè)軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高度圖，高度圖的后綴名為.png，導(dǎo)入Torque 3D引擎，生成地形。圖1為生成的旅順地形的部分效果。

2.2 海洋天氣環(huán)境

海洋天氣環(huán)境包括基本的天空、云層和雨、雪、霧等具體的天氣情況。Torque 3D引擎使用天空體（skybox）來創(chuàng)建天空[14]，天空體是一個(gè)包圍視點(diǎn)的立方體，視點(diǎn)位于立方體中間，無論視點(diǎn)視角如何變化，都能看到相應(yīng)的天空，天空體由前后左右上下6張?zhí)炜占y理圖片組成，為了保證視野內(nèi)的天空巨大且沒有縫隙，必須保證6張?zhí)炜占y理無縫、相鄰邊匹配以及有正確的透視。為了保證天空中的云彩具有層次感和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)效果，Torque 3D引擎使用三層不同高度的云彩紋理圖片來表示，每一層都設(shè)置相應(yīng)云彩紋理和紋理屬性。圖2（a）為生成的晴朗的天空效果。

對(duì)于雨、雪、霧、閃電等天氣效果，Torque 3D引擎使用粒子系統(tǒng)和紋理結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，如雨，根據(jù)雨的大小設(shè)定粒子數(shù)目的多少，并且給每個(gè)粒子貼上相應(yīng)的雨滴紋理。閃電效果直接使用紋理圖片，為了保證不是始終在同一個(gè)位置產(chǎn)生，對(duì)位置坐標(biāo)引入隨機(jī)數(shù)。圖2（b）為生成的雨天和閃電效果。

圖2 晴朗的天空和雨天閃電效果Fig.2 The clear sky and lighting

2.3 海戰(zhàn)場(chǎng)特效

Toque 3D引擎中包含強(qiáng)大的物理系統(tǒng)和粒子系統(tǒng)。對(duì)于海戰(zhàn)場(chǎng)特效的模擬通常使用粒子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，粒子系統(tǒng)一般由 3個(gè) 數(shù)據(jù)塊 組 成 ， 如 ParticleData，ParticleEmitterData，ExplosionData3個(gè)數(shù)據(jù)塊可組成一個(gè)爆炸效果的粒子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)塊ParticleData定義了粒子的基本屬性，如紋理、減速度、生存時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度、顏色、大小。ParticleEmitterData是粒子發(fā)射器，定義了粒子的發(fā)射周期、初始發(fā)射速度、發(fā)射方向和發(fā)射角度范圍等。ExplosionData綜合了多種粒子發(fā)射器，爆炸如果只是單純使用一種粒子的話，很難達(dá)到理想效果，為了增強(qiáng)逼真度，一般會(huì)設(shè)定多種粒子效果，而ExplosionData數(shù)據(jù)塊就起到了協(xié)調(diào)各種粒子的作用，參數(shù)Emitter[]為一個(gè)數(shù)組，包含了該爆炸效果包含的所有粒子，參數(shù)soundProfile設(shè)定發(fā)生爆炸時(shí)伴隨的爆炸聲響數(shù)據(jù)塊，參數(shù)particleDensity和particleRadius分別設(shè)定了粒子發(fā)射密度和發(fā)射半徑。圖3為使用Torque3D粒子系統(tǒng)生成的爆炸效果。

對(duì)于聲音特效，Torque 3D引擎使用OpenAL應(yīng)用程序接口，使用數(shù)據(jù)塊SFXProfile定義聲音效果，參數(shù)filename、description和preload分別設(shè)定了聲音文件所在位置和是否使用3D音效以及是否預(yù)先載入聲音文件，一般用于模擬爆炸聲響。

圖3 爆炸效果Fig.3 The effect of explosion

2.4 實(shí)體模型

Torque 3D引擎支持3種3D模型格式，有DTS（Dynamix Three Space），COLLADA（COLLAborative Design Activity），DIF（Dynamix Interior File）。DTS是主要的模型格式，可以將3DMAX生成的模型通過插件轉(zhuǎn)化為DTS格式。Torque官方提供dae2dts轉(zhuǎn)換軟件，將COLLADA格式的DAE文件轉(zhuǎn)化為DTS格式文件。而DIF主要是針對(duì)建筑物等其他有內(nèi)部空間的模型文件。虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)中，可以放置艦艇、飛機(jī)、坦克、軍事工地等模型，并且通過添加AI控制相應(yīng)模型按路徑移動(dòng)用以增強(qiáng)真實(shí)感。

3 結(jié) 論

常規(guī)的海上訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)高、周期長、風(fēng)險(xiǎn)大，特別是海上天氣狀況和國際政治環(huán)境等不可控因素較多，增加了海上進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練的難度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其在軍事訓(xùn)練演習(xí)上特有的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性和可操控性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于虛擬戰(zhàn)場(chǎng)演練，幫助軍隊(duì)進(jìn)行輔助訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效果。筆者論述了以Torque 3D引擎為平臺(tái)構(gòu)建通用虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)的方法，并在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法具有良好的實(shí)時(shí)性和通用性。

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