郭傲兵，馮 瑀，吳偉勝

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

隨著計算機科學和新軍事革命的飛速發(fā)展，模擬訓練已滲入到作戰(zhàn)領(lǐng)域的各個方面，并且在這些領(lǐng)域中起著重要的作用［1］。而影響模擬訓練效果的重要指標之一是虛擬環(huán)境，建立豐富逼真的地理環(huán)境是虛擬環(huán)境的基礎，人同該環(huán)境相互交互和相互影響。在模擬訓練中，地形的逼真度直接影響虛擬世界的逼真度，影響模擬訓練的真實感和受訓人員的沉浸感，從而影響訓練效果。本文對基于RV 的裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)進行簡單介紹，重點研究使用RV 引擎的套裝工具Visitor3 進行地形建模的理論與方法。

1 基于RV 的裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)

1.1 RV 可視化引擎

Reality Visual 真實模擬引擎，簡稱RV 引擎，是由捷克波希米亞交互工作室(Bohemia Interactive Studio，BIS)于2006年開始開發(fā)的軍用戰(zhàn)場圖形渲染引擎。由于該引擎具有夢幻般的戰(zhàn)場態(tài)勢生成與表現(xiàn)能力，已經(jīng)廣泛用于西方包括美國，英國等主要發(fā)達國家的軍用計算機仿真系統(tǒng)。同時，世界各國的很多軍用游戲生產(chǎn)廠商也應用該軟件開發(fā)軍事類模擬游戲。VBS2(Virtual Battle Space 2)簡稱虛擬戰(zhàn)場空間Ⅱ是RV 引擎的第三代產(chǎn)品，VBS2 逼真的戰(zhàn)場表現(xiàn)能力代表了目前計算機圖形學技術(shù)在軍事領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。RV圖形引擎廣泛采用了目前計算機圖形處理的最先進的硬件和軟件技術(shù)，包括最新的NV 圖形卡的硬件加速技術(shù)、Open-GL3.0 復雜光線追蹤算法［2］、多重復合紋理渲染加速、專業(yè)物理引擎技術(shù)以及基于分形原理的自然環(huán)境建模技術(shù)等。圖1 顯示了RV 渲染的1 幅戰(zhàn)場圖片，其逼真效果已經(jīng)超乎人類視覺的分辨粒度。

圖1 RV 引擎渲染的場景效果圖

1.2 裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)

裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)采用分布式交互仿真技術(shù)，以RV 可視化引擎為視景渲染引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)單乘員射擊、駕駛、通信等分業(yè)訓練，乘員間協(xié)同訓練和人在環(huán)的裝甲分隊對抗仿真訓練。該模擬訓練系統(tǒng)由裝備仿真節(jié)點、態(tài)勢觀測節(jié)點和管理員節(jié)點組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，每個裝備仿真節(jié)點又由車長節(jié)點、炮長節(jié)點、駕駛員節(jié)點組成，車長、炮長、駕駛員節(jié)點各用一臺計算機進行視景仿真，它們之間通過局域網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，高逼真度的地形模型是保證系統(tǒng)沉浸感強、訓練效果好的前提和基礎。

2 地形建模工具介紹

裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)使用的地形建模工具是RV 引擎的套裝工具Visitor3，Visitor3 是BIS 開發(fā)的套裝地形建模軟件，在建模過程中采用真實地形的高程數(shù)據(jù)，采用飛機拍攝的高精度航空照片作為地形紋理，可以制作出高逼真度的三維地形。

Visitor3 在同一個完整的環(huán)境中提供了幾乎所有必需的工具，用來創(chuàng)建最優(yōu)化、高度逼真的實時三維地形模型。它的工具包具有精簡、直觀等特點，工作在所見即所得的環(huán)境中。與其它地形建模軟件相比，Visitor3 有以下優(yōu)點:

1)對象操作更容易，支持二維和三維同時操作;

2)操作簡便，地形建模時間短，建模誤差小，控制精確;

3)支撐批處理操作，支持處理大規(guī)模的實體導入;

4)支持腳本控制和網(wǎng)絡創(chuàng)作。

將制作好的地形數(shù)據(jù)保存為PBO 數(shù)據(jù)格式，它是RV 引擎專用的數(shù)據(jù)格式。地形數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)文件夾、資源文件夾、config.cpp 配置文件、* .hpp 文件、* .wrp 文件。其中，數(shù)據(jù)文件夾包括由地形開發(fā)軟件Visitor 3 生成的植被紋理圖、衛(wèi)星紋理圖的詳細分塊表面紋理數(shù)據(jù);資源文件夾包括資源數(shù)據(jù)、幫助文件和工程文檔;* .hpp 文件定義了地圖的名字和二維地形特征;* .wrp 文件為地圖本身，它是和* .hpp 文件編譯時一起產(chǎn)生的。

3 地形建模的實現(xiàn)

3.1 地形數(shù)據(jù)的獲取與預處理

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，圖形圖像學中支持大地形生成、海量紋理調(diào)度的相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并趨于成熟，計算機處理能力的大幅度提高。使得構(gòu)建“真實環(huán)境”的視景有了技術(shù)保障，基礎地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)字化，也為此提供了數(shù)據(jù)支持。

在三維地形構(gòu)建中，地形數(shù)據(jù)的選取及預處理是視景仿真建模的基礎，數(shù)據(jù)類型的選取及預處理的效果直接影響虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的逼真度。通常以數(shù)字高程模型［3］(Digital Elevation Model，DEM)作為幾何數(shù)據(jù)，配以地表文化特征數(shù)據(jù)，建立真實的地形模型。根據(jù)仿真應用的需要，選取適當精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和地表文化特征數(shù)據(jù)是十分必要的，仿真應用的目的直接決定三維地形所需數(shù)據(jù)的精細程度。在本系統(tǒng)中，由于需要建立高逼真的三維地形，我們使用真實地形的DEM 數(shù)據(jù)和飛機的航片作為三維地形的數(shù)據(jù)源。

具體方法如下:

1)使用真實地形的DEM 高程數(shù)據(jù)數(shù)，用Global Mapper進行轉(zhuǎn)換，采用Arc/Info ASCII Grid 格式，在Disable Hill Shading 和Gradient Shader 下確定最低點和最高點，保存為16 位灰度圖* .png。為了保證地形的連續(xù)性和相似性，采用Wilbur 進行高斯模糊，得到的灰度圖的灰度值表示了地形的高低不同，圖3 所示為某地形的灰度圖。在配置文件config.cpp 中，設置灰度圖所代表的該地形范圍內(nèi)的高程最大值和最小值。配置文件中主要包括的內(nèi)容有:

圖3 某地形的灰度圖

3.2 紋理數(shù)據(jù)的獲取與預處理

紋理是指物體表面的細節(jié)，是一種物體區(qū)別于其它物體的質(zhì)地特征。自然景象具有豐富的紋理細節(jié)，真實的紋理是環(huán)境仿真中建立地理環(huán)境的重要手段。近年來由于衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，分辨力已經(jīng)接近或達到航空影像的效果，因此，衛(wèi)星圖已成為視景建模中地表紋理的首選，當然如果能夠有航空影像，建模的精細度會進一步提高。地形構(gòu)建中紋理映射的基本思路是把紋理影像按經(jīng)緯度映射到DEM 生成的三維網(wǎng)格模型上，因此紋理映射的關(guān)鍵是實現(xiàn)影像與DEM 的精配準，而影像的輻射特效直接影響立體模型的視覺效果。為了提高紋理映射的準確和視覺效果，在紋理映射時必須對航拍圖作預處理，包括幾何校正、圖像鑲嵌和圖像融合。本系統(tǒng)中，為了提高三維地形的建模精度，采用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)。

3.3 紋理映射

本裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)的地形建模中，為了提高對動態(tài)地形實時性的需求，采用了多分辨率紋理映射技術(shù)［4］。在視距比較近時要求地形的分辨率比較高，視距比較遠時可以忽略一些細節(jié)的東西，減小數(shù)據(jù)量，提高顯示速度。當視點變化時，所選取的地形紋理數(shù)據(jù)各不相同。具體而言就是，如果視點離物體較遠，則使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)，隨著視點向地面移動，實時系統(tǒng)會逐漸用材質(zhì)紋理來代替，反之亦然。

使用航拍圖作為地形的紋理數(shù)據(jù)和采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射方法共存的方法制作材質(zhì)紋理圖，以便系統(tǒng)在不同距離上顯示使用。采用基于色帶的材質(zhì)紋理映射的具體制作方法是:

1)根據(jù)色帶定義各種顏色所代表的紋理含義，例如用紅色表示干草地，黃色表示道路，綠色表示青草地，藍色表示水面，如圖4 所示。根據(jù)相應顏色定義layers.cfg 文件，部分內(nèi)容如下:

圖4 色帶定義

2)制作特征圖。用Photoshop 軟件打開所要構(gòu)建地形區(qū)域的航拍圖，對航拍圖進行處理，用定義好的顏色替換標準對草地、道路、河流等物體進行顏色替換。

3)制作材質(zhì)紋理。經(jīng)過步驟2 處理的特征圖中的每一個像素代表了若干個地形網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格都要用其顏色代表的材質(zhì)紋理進行貼圖。

4)編寫配置文件，編寫配置文件的目的是為了把每個像素與它的顏色代表的紋理匹配起來，也就是把材質(zhì)紋理準確的貼到每個像素上去，實現(xiàn)材質(zhì)紋理映射。配置文件如下:

3.4 三維地形建模的實現(xiàn)

建立一個新的工程，首先需要設置工程參數(shù)。地形大小參數(shù)設置為512 ×512，地形單元格設置為10，則地形大小自動的設置為5 120 ×5 120 m2。設置航片的大小參數(shù)，大小要適合后面輸入的植被紋理圖等，一般設為5 120。

1)DEM 數(shù)據(jù)的輸入

在Vistor3 中，選擇Import Terrain from picture，瀏覽P:...source errain errain.pbl 文件，這樣就輸入了地形紋理圖。

2)衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖的輸入

在Vistor3 中，選擇Import satellite ＆ mask，成功輸入衛(wèi)星紋理圖和植被紋理圖后在數(shù)據(jù)文件夾中會出現(xiàn)layers 文件夾。衛(wèi)星紋理圖、植被紋理圖和RVMAT 文件的分塊數(shù)據(jù)會存放于layers 文件夾。

3)插入和編輯物體

地形建模軟件Vistor3 有獨特的操作界面，在二維場景中編輯的物體能夠在三維場景中直接顯示出來，這種二維，三維同時操作的方式配合衛(wèi)星云圖保證了地形和真實地形的匹配程度，最大限度的還原真實地形，仿真粒度高。

選擇Panel of objects，在工具選項里，可以選擇自然物體、人造物體、馬路等，通過鼠標點擊放置，修改模型參數(shù)，達到快速插入和編輯物體的目的。

4)配置文件編寫

為了簡化地形建立的難度，節(jié)省操作時間，并非所有的地表植被都需要手工設置位置，除了典型標志性的植被外，大部分草、樹、巖石等在配置文件Config.cpp 中進行設置。它主要完成非直接添加植被的設置，如:環(huán)境聲音的設置，天空模型的引入等。

5)地形的應用

在完成地形和物體編輯后，選擇Vistor3 中的Connect to Buldozer，將制作好的地形模型二進制化，把* .png 格式和* .tga 格式的文件轉(zhuǎn)換為* .paa 格式的文件。通過程序調(diào)入場景，實現(xiàn)對真實地形的模擬。

經(jīng)過編輯后已經(jīng)插入樹木、道路、房屋等物體的地形如圖5 所示:

圖5 插入物體后的三維地形

4 結(jié)束語

模擬訓練已經(jīng)成為各個國家軍事訓練的重要途徑。本文介紹了捷克波希米亞交互工作室開發(fā)的RV 視景仿真引擎，并介紹了基于此引擎構(gòu)建的裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng);重點對系統(tǒng)采用的地形建模工具和建模方法進行研究，最后給出了使用RV 引擎的套裝軟件Vistor3 進行地形建模的過程。實踐證明，所建立的三維地形模型逼真程度高，在某模擬訓練系統(tǒng)中使用效果較好。

［1］朱競夫.裝甲兵作戰(zhàn)模擬訓練系統(tǒng)裝備綜述［J］.現(xiàn)代軍事，2005(12) ：15－19.

［2］童星，袁道華.基于GPU 和均勻柵格法的光線追蹤算法研究［J］.計算機工程與設計，2011(21) ：3499－3503.

［3］呂建峰，劉定生，焦偉利，等.DEM 生成算法并行化研究［J］.中國圖象圖形學報，2002(7) ：506－512.

［4］卜松濤，岳凡琦，依蘭.基于傾斜影像的三維建筑物紋理提取方法研究［J］.測繪與空間地理信息，2014(37) ：206－208.