駱 強，梁 超，呂鴻鵬，孫衛(wèi)平，宋 哲，張西京，任 勐，武江鵬

(西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065)

【裝備理論與裝備技術】

虛擬視景系統(tǒng)在制導武器中應用研究

駱 強，梁 超，呂鴻鵬，孫衛(wèi)平，宋 哲，張西京，任 勐，武江鵬

(西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065)

針對典型制導武器的常規(guī)實裝訓練成本高、壽命短、安全系數(shù)差等問題，提出一套虛擬視景系統(tǒng)并研究該系統(tǒng)的若干關鍵技術，主要包括利用OSG技術建立虛擬戰(zhàn)場及場景渲染、基于Google Earth 數(shù)據(jù)源建立環(huán)境模型、基于“射線/體”的交運算完成碰撞檢測和靶點判定；通過該系統(tǒng)進行典型制導武器打擊坦克目標虛擬仿真實驗，仿真結果表明該系統(tǒng)在晴、小雨、中雨、霧等幾種天氣、地區(qū)和干擾類型均達到85%置信度；所獲結果可為軍事模擬尤其是目標打擊模擬提供一種成本低、可行性強的方法。

信息光學;制導武器;虛擬視景;仿真建模;OSG

典型制導武器系統(tǒng)自引進以來一直采用常規(guī)軍事演習的方式訓練部隊、體驗實戰(zhàn)[1-3]。一般而言，常規(guī)的實裝訓練方式不僅耗費大量資金和軍用物資，而且縮短了裝備使用壽命，且訓練安全存在不確定的隱患將會導致?lián)p失進一步加劇。隨著科技進步，基于虛擬場景的武器打擊仿真技術因能有效克服上述缺點，降低實裝訓練成本，越來越受到軍隊推崇。虛擬視景仿真為場景重建的高級階段，也是虛擬現(xiàn)實技術的重要表現(xiàn)形式，使體驗者產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真環(huán)境，實現(xiàn)體驗者與該環(huán)境直接進行自然交互[4-6]。虛擬視景仿真采用計算機圖形圖像技術，根據(jù)仿真的目的，構造仿真對象的三維模型或再現(xiàn)真實的環(huán)境，達到逼真的仿真效果。例如：李軍華等[7]團隊開發(fā)了視景仿真控制臺程序，能根據(jù)用戶的需求對仿真過程進行管理、控制和監(jiān)視，添加對象并設定和修改其參數(shù)，并對視景仿真過程進行控制，實現(xiàn)導彈攻防過程的仿真初始化，并能將仿真數(shù)據(jù)提供給其他軍事成員。胡濤等[8]提出了視景仿真的建模流程并采用了Vega渲染環(huán)境，用于實時視覺模擬的定義和場景的描述，擴展了視景仿真技術在軍事研究領域。虛擬視景仿真技術具有投資少、風險低、重復,訓練效果好等優(yōu)點,因而在軍事及國防領域得到了廣泛的應用[9]。目前，研究人員已開始利用導彈武器仿真的模塊化體系結構框架實現(xiàn)了導彈武器系統(tǒng)發(fā)射陣地視景仿真，虛擬仿真環(huán)境和運動模型的構建[10]，基于計算機技術和虛擬現(xiàn)實技術的虛擬視景仿真正朝著高逼真度、互聯(lián)互通和擴展性越來越好的方向發(fā)展[11]。通過研究基于虛擬視景仿真的關鍵技術并對其應用，實現(xiàn)仿真型導彈武器系統(tǒng)的模型系統(tǒng)，可為相關技術的進一步研究奠定基礎。

1 虛擬視景系統(tǒng)設計

該虛擬視景系統(tǒng)主要包括以下的組成部分：目標(坦克、裝甲車)，背景(山區(qū)，陸地，海洋)，視景生成，大氣計算，環(huán)境設置，場景驅(qū)動，人機操作界面。系統(tǒng)各部分的結構關系如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)的框架組成

系統(tǒng)建立的步驟如下：

1) 首先根據(jù)已有的材質(zhì)庫，不同材質(zhì)的紋理特征等物理特性對不同的目標進行分類，得到不同的目標數(shù)據(jù)、包括山區(qū)、平原、莊稼、海洋等不同的場景等；

2) 其次對虛擬場景進行參數(shù)配置，包括作戰(zhàn)地區(qū)，作戰(zhàn)天氣，作戰(zhàn)環(huán)境，海拔，經(jīng)緯度，發(fā)射載體，制導武器的初始位置等，制導武器的目標模型通常為坦克裝甲車等；

3) 然后虛擬計算生成彈道參數(shù)，完成對虛擬場景的驅(qū)動，在人機交互界面上設計出虛擬仿真實驗方案，生成的彈道參數(shù)文件會驅(qū)動可視化系統(tǒng)；

4) 最后完成大氣參數(shù)的計算，根據(jù)提供的環(huán)境參數(shù)，完成對應的大氣能見度，透過率等參數(shù)的計算。

2 虛擬視景系統(tǒng)的關鍵技術研究

Open Scene Graph(OSG) 圖形系統(tǒng)是一個基于工業(yè)標準OpenGL 的軟件接口，可為圖形元素(多邊形、線、點等)和狀態(tài)(光照、材質(zhì)、陰影等)的編程提供標準化接口，能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序[12]。由于OSG不僅具有場景及其參數(shù)設定簡單的特點，而且具有優(yōu)化渲染的功能，因此本文的虛擬視景仿真系統(tǒng)是基于OSG的技術進行場景和目標模型的生成、場景驅(qū)動、場景渲染、碰撞檢測等。

2.1 場景和目標建模

在構建場景模型時需要與該場景的實際地形影像相互匹配。本文建立的場景模型的建模精度不低于0.5 m，為此采用Google Earth中的公開數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)為建模數(shù)據(jù)源，建立了與實際環(huán)境中相似的玉米地、大豆地、樹木、路旁草叢、河流、道路及光照等，結果如圖2所示。

圖2 場景示意圖

坦克目標模型分為可見光模型和紅外模型。其中可見光模型的主要建立步驟：構建線框幾何體(點、線、面)，確保模型幾何結構與實際目標一致。為各個幾何面添加紋理/材質(zhì)，在與實際目標一致的線框幾何體基礎上添加，使得模型具備與目標一致的可見光外觀。

紅外模型的主要建立步驟：

1) 在可見光模型基礎上，針對模型各個面所使用的紋理圖片進行材質(zhì)分類，如油漆、玻璃、裝甲鋼等不同材質(zhì)，并保持相應材質(zhì)分類結果；

2) 導入各種材質(zhì)的紅外光譜特性數(shù)據(jù)，并結合實際紅外環(huán)境、傳感器效益，通過熱輻射計算得到目標的紅外特征。

實際仿真系統(tǒng)中，還可以對坦克目標進行數(shù)學建模，如坦克目標的運動模型、武器威力等，并結合實際作戰(zhàn)任務和戰(zhàn)場態(tài)勢進行計算，得到坦克目標的運動、攻擊等實體屬性狀態(tài)。

通過以上步驟，可以得到坦克目標模型如圖3所示。

圖3 目標模型示意圖

2.2 場景驅(qū)動

場景驅(qū)動的功能主要接收用戶提供的目標和傳感器運動和姿態(tài)效果參數(shù)。單個仿真場景中用戶可輸入如下2個數(shù)據(jù)文件：

1) 目標的運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)文件，可提供目標隨仿真時間，坐標和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)；

2) 傳感器的運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)文件，可提供傳感器隨仿真時間，坐標和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)。

目標運功和姿態(tài)數(shù)據(jù)文件、傳感器運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)的初始化數(shù)據(jù)輸入順序格式的樣例如表1所示。文件中每行數(shù)據(jù)代表仿真運行時刻的目標或傳感器運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括x、y、z坐標，朝向角，俯仰角、翻滾角。

表1 初始化數(shù)據(jù)

2.3 場景渲染

一個場景圖形系統(tǒng)應允許保存幾何體并執(zhí)行繪圖遍歷，此時所有保存于場景圖形中的幾何體以OpenGL 指令的形式發(fā)送到硬件設備上。為實現(xiàn)動態(tài)幾何體更新，揀選，排序和高效渲染，場景圖形一般需要遍歷如下3種操作：

1) 更新：更新遍歷(也稱程序遍歷)允許程序修改場景圖形，以實現(xiàn)動態(tài)場景。更新操作主要由程序或者場景圖形中節(jié)點對應的回調(diào)函數(shù)完成。例如，在飛行模擬系統(tǒng)中，程序可以使用更新遍歷改變一個飛行器的位置，或者通過輸入設備實現(xiàn)與用戶的交互。

2) 揀選：在揀選遍歷中，場景圖形庫檢查場景里所有節(jié)點的包圍體。如果一個葉節(jié)點在視口內(nèi)，場景圖形庫將在最終的渲染列表中添加該節(jié)點的一個引用。此列表按照不透明體與透明體的方式排序，透明體還要按照深度再次排序。

3) 繪制：在繪制遍歷中(也稱作渲染遍歷)，場景圖形將遍歷由揀選遍歷過程生成的幾何體列表，并調(diào)用底層API，實現(xiàn)幾何體的渲染。

繪制遍歷中，渲染引擎將經(jīng)過揀選遍歷得到的幾何體，安裝場景樹的結構進行組織遍歷并對每個幾何體狀態(tài)進行刷新。整個場景樹類似于一顆倒置的樹，從場景根節(jié)點開始，各個幾何體按照父子關系組織聚合，如場景根節(jié)點掛載地形子節(jié)點，地形子節(jié)點掛載導彈、坦克等子節(jié)點。引擎對各個幾何體進行空間幾何位置變換、屬性外觀等進行更新，并通過顯卡GPU渲染管線處理得到相應顯示信號輸出到顯示設備，如圖4所示。

圖4 渲染場景圖形遍歷

2.4 碰撞檢測

通常，碰撞檢測算法包括基于射線的檢測、基于BSP樹的檢測、一般層次檢測、基于OBBTree的碰撞、基于k-DOPTree的檢測，雖然此類技術敏感度較高，但存在運行效率不穩(wěn)定，算法復雜等缺點[13]。為了簡化碰撞檢測算法，采用基于“射線/體”的交運算完成OSG場景元素碰撞檢測。在OSG中，交運算主要封裝在osgUtil工具庫，該庫提供的一條線段與場景中集合對象相交的檢測，主要包含如下內(nèi)容：

1) osgUtil::LineSegmentIntersector。該類提供一種定義射線的方法，可以定義線段的起點、終點。用于檢測指定線段與場景中圖形節(jié)點之間的相交情況。

2) osgUtil::IntersectorVisitor。相交測試節(jié)點訪問器，該類繼承自osg::NodeVistor類，需要維護一個進行交集測試的線段列表，主要用于遍歷場景中與指定幾何體相交的節(jié)點。

3) osgUtil::IntersectorGrou。該類可以創(chuàng)建一個線段組，將LineSegmentIntersector提供射線實例加入到一個組中。

在OSG進行“射線/體”的交運算相交測試，首先創(chuàng)建一個交集訪問器，然后創(chuàng)建兩條線段(一條代表視點前進方向線，一條代表與z軸垂直的直線)，并把這兩條線段加入交集訪問器，最后使這兩條線段跟隨交集訪問器遍歷場景層次，開啟交集檢測進行判斷。具體流程如圖5所示。

在對典型導彈武器系統(tǒng)進行碰撞檢測時選擇導彈彈體近似線段作為研究對象，如圖6所示。由于坦克和導彈彈體都是幾何體，在進行碰撞檢測時，如果使用兩個幾何體直接進行碰撞檢測，所需計算量較大，難以滿足實時性的需求，因此需要對導彈模型進行簡化。導彈可近似等效為沿彈軸方向，與導彈等長的線段，由于其擊中點的位置，角度等信息基本和導彈本身是一致，因此碰撞檢測結果精度損失通常在可接受范圍內(nèi)，但該簡化方法能大幅提高碰撞檢測的效率，可滿足實時性需求。

圖5 碰撞檢測流程

圖6 導彈擊中坦克過程

經(jīng)過用線段代替導彈模型的簡化后，使用OSG的線段碰撞檢測類LineSegmentIntersector進行導彈與目標的碰撞檢測。首先在仿真的每一幀得到當前導彈的位置，姿態(tài)信息，進而計算出彈頭，彈尾坐標，根據(jù)這兩個坐標獲得等效線段，最后將該線段與目標進行碰撞檢測，若檢測到與目標碰撞，則計算出碰撞點，查詢目標數(shù)據(jù)庫獲取當前擊中的部位，據(jù)此部位即可得到毀傷數(shù)據(jù)。

3 仿真實驗

本文對系統(tǒng)的仿真效果進行了仿真實驗驗證。硬件平臺為雙CPU Xeon E5-2687，內(nèi)存32GB DDR3-1600，顯卡NVIDIA Quadro K5600 4GB，硬盤480GB 固態(tài)SAS，顯示器分辨率7 680×1 080(4臺組合后)。主程序彈道干擾仿真實驗驗證結果如表2所示。

在本文所述的虛擬仿真實驗主程序中，采用的計算步長為0.01 s，因此計算幀頻為100幀/s，所以在虛擬仿真實驗時，將最后輸出圖像渲染的幀頻在100幀每秒范圍內(nèi)進行仿真實驗驗證。虛擬仿真實驗分別選取了內(nèi)陸和海洋兩種地區(qū)，天氣情況分別在不同的地區(qū)擇了晴、小雨、中雨、霧等，并加載了1類干擾、2類干擾兩種干擾類型，仿真結果表明：

1) 在天氣為晴天，加入1類干擾后，內(nèi)陸地區(qū)和海洋地區(qū)的著靶位置和渲染幀頻一樣，說明地區(qū)對仿真結果影響不大；

2) 在不同的天氣情況下，碰撞檢測靈敏度、置信度、渲染幀頻分別達到了95%，85%，25幀以上，說明該仿真系統(tǒng)具有很好的天氣適應能力；

3) 當環(huán)境為晴天、內(nèi)陸時，加入不同的干擾類型，渲染幀頻為25幀以上，說明干擾類型對該仿真系統(tǒng)影響不大。

表2 主程序彈道干擾仿真實驗驗證

4 結論

提出了一套基于OSG技術的虛擬視景系統(tǒng)，虛擬仿真實驗結果表明：該系統(tǒng)對復雜天氣、地區(qū)和干擾類型均具有較好的適應能力，可為軍事模擬尤其是目標打擊模擬提供一種成本低、可行性強的方法。

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(責任編輯 周江川)

Application Study on Virtual View System in a Guided Weapon

LUO Qiang, LIANG Chao, LYU Hong-peng, SUN Wei-ping, SONG Zhe, ZHANG Xi-jing, REN Meng, WU Jiang-peng

(Xi’an Institute of Modern Control Technology，Xi’an 710065, China)

Because traditional real equipment of one type guided weapon has some disadvantages such as high training cost, short life and low safety coefficient, a virtual view system is proposed and some key technologies are introduced. It includes the establishments of virtual battleground and scene render by using OSG technology, environment model’s setup by Google Earth database as well as collision detection and target spot judgement based on the intersection calculation between ray and geometry. Virtual experiment about anti-tank missile hitting the targets is carried out through the system. The results shown that the confidence coefficient of the virtual system reaches up to 85% under different conditions of sunny, low rain, moderate rain, fog weather, area and interference type. It provides a solution with low cost and strong feasibility for military simulation, especially at target attack simulation.

information optics; guided weapon; virtual scene view; simulation modeling; OSG

2016-12-22；

2017-01-20 作者簡介：駱強(1980—)， 男，高級工程師，主要從事虛擬試驗與仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.05.007

format:LUO Qiang, LIANG Chao, LYU Hong-peng, et al.Application Study on Virtual View System in a Guided Weapon[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):31-34.

TG156

A

2096-2304(2017)05-0031-04

本文引用格式：駱強，梁超，呂鴻鵬，等.虛擬視景系統(tǒng)在制導武器中應用研究[J].兵器裝備工程學報，2017(5):31-34.