李艷 方娟 董帥

摘 ? 要：基于先進(jìn)可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)是完成體系仿真評估系統(tǒng)的可視化仿真基礎(chǔ)。文章以研究與實(shí)現(xiàn)體系態(tài)勢展示系統(tǒng)為目標(biāo)，深入分析了該系統(tǒng)的組成和功能劃分，梳理了關(guān)鍵技術(shù)，闡述了系統(tǒng)在體系仿真與評估環(huán)境下的典型應(yīng)用，并介紹了系統(tǒng)在以航天任務(wù)為核心中的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)可視化引擎;體系態(tài)勢展示;可視化;仿真評估

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，態(tài)勢展示技術(shù)，特別是面向大場景的體系態(tài)勢展示技術(shù)也在飛速發(fā)展和應(yīng)用。目前國內(nèi)體系態(tài)勢展示技術(shù)領(lǐng)域取得了較大進(jìn)步，但主要使用開源可視化仿真軟件進(jìn)行開發(fā)，這些軟件與國外成熟的商用可視化仿真軟件相比，在功能和性能上都有較大的差距。目前，國內(nèi)面臨的主要問題是針對特定的仿真需求往往要編寫特定的程序來實(shí)現(xiàn)，不能由一個(gè)通用平臺來完成大多數(shù)復(fù)雜場景的態(tài)勢展示，造成了不必要的資源浪費(fèi)。根據(jù)體系仿真的實(shí)際需要，建立基于先進(jìn)可視化引擎的體系態(tài)勢展示系統(tǒng)，是完成體系仿真評估特別是以航天任務(wù)為核心的可視化仿真基礎(chǔ)，可應(yīng)用于多裝備聯(lián)合的大場景、大空域、多層次的三維可視化應(yīng)用中。該系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高、顯示效果好、交互功能全、表現(xiàn)方式多、細(xì)節(jié)逼真度高、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝備體系仿真場景的快速模擬與展現(xiàn)。不僅能夠提高仿真系統(tǒng)的靈活性及通用性，也有利于資源的重復(fù)利用。

1 ? ?系統(tǒng)方案

基于先進(jìn)可視化引擎的體系態(tài)勢展示系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)集成、數(shù)據(jù)集成、功能集成等實(shí)現(xiàn)了航天業(yè)務(wù)方面的需求，該系統(tǒng)主要由應(yīng)用程序?qū)?、通用?shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)層、先進(jìn)可視化引擎、視景和多媒體資源管理組成，這些模塊相輔相成，使系統(tǒng)達(dá)到靈活性及通用性要求。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

1.1 ?應(yīng)用程序?qū)?/span>

應(yīng)用程序?qū)又饕窍到y(tǒng)前端顯示的態(tài)勢展示仿真應(yīng)用，將系統(tǒng)的所有功能通過一個(gè)可視的三維渲染界面提供給用戶使用，與用戶進(jìn)行直接交互。視景仿真應(yīng)用是與用戶進(jìn)行直接交互的窗口，體系態(tài)勢展示系統(tǒng)采用編輯界面與態(tài)勢展示界面并行的方式：在用戶進(jìn)行編輯時(shí)，編輯界面操作方便，編輯界面的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、功能塊劃分明顯、功能擴(kuò)展性較強(qiáng)。在進(jìn)行態(tài)勢展示過程中切換到演示界面，演示界面主要用于在非編輯操作時(shí)使用，界面簡潔、美觀、展現(xiàn)性較強(qiáng)。

1.2 ?視景資源管理

視景資源管理工具提供對視景資源的創(chuàng)建、裝配、瀏覽、編輯、導(dǎo)入以及導(dǎo)出等功能，作為輔助三維視景仿真的資源配置工具，生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)模型，并采用描述性文件來構(gòu)建適合當(dāng)前系統(tǒng)的模型配置節(jié)點(diǎn)，模型配置節(jié)點(diǎn)從不同維度合并和分離數(shù)字模型，滿足從單一到復(fù)雜組合模型的結(jié)構(gòu)。視景資源管理工具既可以作為獨(dú)立的工具存在，同時(shí)可以作為系統(tǒng)的功能組件存在。視景資源管理工具最終輸出的是描述性結(jié)構(gòu)文件，其中包含了模型描述的基本信息，比如路徑、名稱、類型以及簡要說明等。這些描述性的文件會作為渲染系統(tǒng)以及系統(tǒng)構(gòu)建場景結(jié)點(diǎn)的依據(jù)。

1.3 ?先進(jìn)可視化引擎

先進(jìn)可視化引擎是包括二、三維地理信息系統(tǒng)在內(nèi)的基礎(chǔ)組件平臺，為系統(tǒng)提供數(shù)字地球可視化、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）數(shù)據(jù)管理、掛件工具集、特效處理和場景管理等功能。其中，數(shù)字地球可視化封裝了可視化功能，主要加載和渲染底層支持?jǐn)?shù)據(jù)完成三維數(shù)字地球的展示，并集成了對數(shù)字場景的交互操作，用戶可以通過鼠標(biāo)及其他操作設(shè)備和場景進(jìn)行交互。

GIS數(shù)據(jù)管理包括海量數(shù)據(jù)集成配置、地形矢量分析和用戶矢量加載等。海量數(shù)據(jù)集成配置是通過系統(tǒng)提供的預(yù)配置文件，啟動并解析預(yù)配置文件，讀取需要加載的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、疊加數(shù)據(jù)等文件，加載以及渲染到場景中。地形矢量分析是系統(tǒng)的基本功能，提供基本的GIS分析功能，包括高度、距離、面積、坡度、地表距離、矢量查詢和矢量定位等分析功能。系統(tǒng)不僅支持海量數(shù)據(jù)的預(yù)配置，同時(shí)提供實(shí)時(shí)加載矢量數(shù)據(jù)和覆蓋數(shù)據(jù)的接口，可以隨時(shí)加載和卸載數(shù)據(jù)，方便隨時(shí)展示不同格式和用途的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)用戶矢量加載功能。

1.4 ?多媒體資源管理

多媒體模塊主要是文字、聲音、視頻等的顯示，該模塊的作用主要是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中提供一些除三維之外的文字效果、聲音效果、視頻效果等的多媒體信息，如在仿真的數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程中，可以實(shí)時(shí)對當(dāng)前的步驟進(jìn)行文字說明、語音講解，在發(fā)生爆炸效果時(shí)，可以提供爆炸的聲音效果，在某一動作執(zhí)行時(shí)，如果存在真實(shí)的視頻錄像，可以插放這段視頻，使整個(gè)仿真過程變得更真實(shí)、更豐富。

1.5 ?通用數(shù)據(jù)接口

通用數(shù)據(jù)接口是外部數(shù)據(jù)對場景進(jìn)行驅(qū)動的主要接口，接收符合統(tǒng)一協(xié)議的數(shù)據(jù)，將其解析、提取出可用的信息然后應(yīng)用到系統(tǒng)場景中去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)驅(qū)動。主要包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)解析兩部分。數(shù)據(jù)讀取主要是通過共享內(nèi)存或其他方式從指定位置讀取符合統(tǒng)一協(xié)議的數(shù)據(jù)。然后交給數(shù)據(jù)解析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并提取出有用數(shù)據(jù)，應(yīng)用到系統(tǒng)的場景中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動場景。

1.6 ?數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層主要是為系統(tǒng)驅(qū)動提供數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和本地的配置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，為通用數(shù)據(jù)接口提供一個(gè)完整的、標(biāo)準(zhǔn)的、可解析的數(shù)據(jù)源，提高了數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊的可復(fù)用性、可靠性。

2 ? ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?體系態(tài)勢展示系統(tǒng)與仿真平臺互聯(lián)互通技術(shù)

體系態(tài)勢展示系統(tǒng)接收仿真平臺推送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)、經(jīng)緯高姿態(tài)處理、添加刪除對象處理、傳感器數(shù)據(jù)處理等一系列操作后，就可以不斷地接收并更新系統(tǒng)中模型的各項(xiàng)屬性和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與仿真平臺的互聯(lián)互通。

2.2 ?基于仿真事件同步的視頻加載技術(shù)

在體系態(tài)勢展示系統(tǒng)中，除了要推送動態(tài)對象數(shù)據(jù)，還應(yīng)該顯示一些輔助信息，幫助用戶更直觀地理解當(dāng)前想定的狀態(tài)，通過通用數(shù)據(jù)接口，發(fā)送加載本地視頻文件消息，當(dāng)體系態(tài)勢展示系統(tǒng)收到消息后，在三維數(shù)字地球指定位置播放該段視頻[1]，實(shí)現(xiàn)了基于仿真事件同步的視頻加載技術(shù)。

2.3 ?體系態(tài)勢展示腳本編輯與切換技術(shù)

體系態(tài)勢展示系統(tǒng)還包含切換到特定視野的功能[2]，視野模型中包含時(shí)間、三維視角參數(shù)、是否為跟隨狀態(tài)等信息。切換視點(diǎn)模型時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)配置的參數(shù)調(diào)用三維組件的接口，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)定位到特定視點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體系態(tài)勢展示腳本編輯與切換技術(shù)。

3 ? ?典型應(yīng)用

根據(jù)上述系統(tǒng)方案，開發(fā)了基于先進(jìn)可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了應(yīng)用程序?qū)印⑼ㄓ脭?shù)據(jù)接、數(shù)據(jù)層、先進(jìn)可視化引擎、視景和多媒體資源管理等模塊。允許用戶根據(jù)自身需求，快速建立仿真想定，開展相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用[3]。在體系仿真評估的典型應(yīng)用下，通過與仿真平臺交互，實(shí)時(shí)獲取仿真數(shù)據(jù)，展示整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真過程。仿真結(jié)果如圖2所示。

4 ? ?結(jié)語

本文提出了基于先進(jìn)可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)的基本概念，并簡要分析了當(dāng)前視景仿真系統(tǒng)存在的問題及現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，闡述了建設(shè)基于先進(jìn)可視化引擎的態(tài)勢展示系統(tǒng)的必要性，提出了系統(tǒng)基本方案，梳理了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合系統(tǒng)基本功能，開展了體系仿真場景下的典型應(yīng)用，并給出了仿真展示效果[4]。

通過態(tài)勢展示可視化系統(tǒng)對體系仿真進(jìn)行可視化演示，通過直觀的表現(xiàn)形式，從宏觀和關(guān)鍵細(xì)節(jié)上更真實(shí)地模擬、觀察和判斷飛行器的飛行狀態(tài)，對飛行器發(fā)射和飛行過程的動態(tài)特性進(jìn)行模擬和提前預(yù)示，可以彌補(bǔ)地面試驗(yàn)的不足。

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