馬寧 蕢露超

摘 ?要：在傳統(tǒng)的二維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化中，對作戰(zhàn)場景的表達(dá)存在著細(xì)節(jié)表達(dá)能力差、無法多視角展示等問題。針對這一問題，在以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)的三維可視化的前提下，開發(fā)了一套三維作戰(zhàn)概念圖可視化仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)概念圖在三維地理空間中快速生成、實時交互編輯、多視角展現(xiàn)，通過實例證明了該系統(tǒng)良好的可視化效果，有效地為指揮信息系統(tǒng)態(tài)勢顯示提供了支撐。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;三維態(tài)勢;場景編輯

引言

目視顯示作為最直觀的展示方式，在戰(zhàn)場指揮決策中能夠提供最有效和最可靠的信息[1]。因而，可視化戰(zhàn)場環(huán)境仿真在作戰(zhàn)決策系統(tǒng)中有著重要的作用。而傳統(tǒng)的二維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化方法雖然有著完整的軍標(biāo)符號體系，易于理解等很多優(yōu)點[2];但隨著需求的不斷提高，二維態(tài)勢顯示的方式就顯得不足了，比如二維態(tài)勢顯示中的無法展現(xiàn)第三維的信息，從而無法充分表達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域中的細(xì)節(jié)，同時二維矢量地圖無法及時跟新戰(zhàn)場軍事情況信息，時效性差，這樣就會對指揮決策精確性分析造成較大的影響[3]。與之相比，三維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化具有很多優(yōu)點[4]。首先三維可視化符合人體固有的視覺習(xí)慣，表達(dá)直觀明了，便于人們理解[5];其次，它可以實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境的多角度觀察，方便從多個方向觀察戰(zhàn)場態(tài)勢;最后對于高空目標(biāo)，三維可視化可以有效的避免軍標(biāo)符號的重疊現(xiàn)象[6]。鑒于三維可視化對于態(tài)勢信息的表達(dá)有著較好的可行性，所以三維可視化已經(jīng)逐漸取代二維作戰(zhàn)態(tài)勢顯示成為可視化仿真系統(tǒng)的主流顯示方式[7]。

有鑒于此，本系統(tǒng)緊扣三維作戰(zhàn)概念圖編輯軟件應(yīng)用需求，圍繞高可靠、智能化要求，密切跟蹤新技術(shù)、新方法等發(fā)展動向，參照業(yè)界先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，重點研究作戰(zhàn)概念圖在三維地理空間場景中的快速生成、交互編輯、能力展現(xiàn)、管理維護(hù)等方面的技術(shù)實現(xiàn)。

1.系統(tǒng)體系架構(gòu)

作戰(zhàn)概念圖編輯軟件圍繞核心構(gòu)件、插件集成框架和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，構(gòu)建靈活、可擴展的軟件體系結(jié)構(gòu)。核心構(gòu)件主要包括三維數(shù)字地球、消息監(jiān)聽系統(tǒng)和三維圖形引擎，數(shù)據(jù)通信包括中轉(zhuǎn)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收子模塊，插件集成框架用于管理系統(tǒng)中的動態(tài)庫。三維作戰(zhàn)概念編輯系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)邏輯和界面兩層，業(yè)務(wù)邏輯層主要調(diào)用核心構(gòu)件提供的外部接口實現(xiàn)，界面層是整個系統(tǒng)的UI層。作戰(zhàn)概念圖編輯軟件體系架構(gòu)如圖 1所示。

1.1基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層是用于支撐三維顯示軟件產(chǎn)品研制、運行的基礎(chǔ)軟件環(huán)境，包括地理信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信、空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務(wù)等，該層還描述了場景的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)?；A(chǔ)影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)服務(wù)與管理模塊組織、調(diào)度和加載，數(shù)據(jù)服務(wù)與管理模塊提供訪問地理信息服務(wù)和各類數(shù)據(jù)文件的接口，完成對遙感圖像、地形高程、矢量地圖等空間數(shù)據(jù)的訪問，并同時支持本地文件、網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)等數(shù)據(jù)源接入類型。三維模型數(shù)據(jù)是作戰(zhàn)概念元素可視化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)中不僅存儲了模型數(shù)據(jù)，還存儲了模型之間的組織關(guān)系。

1.2集成框架層

集成框架層是用于集成、組織、調(diào)度三維顯示軟件各產(chǎn)品和插件的框架，包括插件集成框架和界面集成框架，前者通過支持插件的動態(tài)加載和調(diào)度管理，形成低耦合、可擴展的軟件結(jié)構(gòu)框架，后者通過統(tǒng)一的界面框架、元素、容器，為應(yīng)用軟件和插件提供一致的表現(xiàn)層開發(fā)支持。

1.3核心構(gòu)件層

核心構(gòu)件層包括三維數(shù)字地球、系統(tǒng)監(jiān)聽和圖形引擎，該模塊提供了系統(tǒng)開發(fā)的底層算法和邏輯框架，是整個系統(tǒng)開發(fā)的核心。

三維數(shù)字地球是系統(tǒng)搭載的場景，三維作戰(zhàn)概念圖元素均以該場景為基礎(chǔ)實時繪制。數(shù)據(jù)服務(wù)與管理模塊實現(xiàn)三維地理數(shù)據(jù)的加載和渲染，數(shù)字地球調(diào)度與仿真負(fù)責(zé)區(qū)域三維實體場景的加載和繪制，多源影像則為作戰(zhàn)概念圖呈現(xiàn)背景信息，特效動畫能夠更好的展現(xiàn)作戰(zhàn)的過程變化。

消息監(jiān)聽系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)中不同模塊之間的通信與事態(tài)監(jiān)聽。它分為注冊中心、狀態(tài)監(jiān)聽、回調(diào)監(jiān)聽和狀態(tài)更新子模塊，各個模塊相互協(xié)作完成事件的監(jiān)聽和消息處理。

圖形引擎實現(xiàn)作戰(zhàn)概念元素的抽象、模擬、組織、編輯和渲染，是業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)。圖形渲染引擎負(fù)責(zé)三維作戰(zhàn)概念元素抽象化的渲染，是三維概念圖節(jié)點繪制的實體;三維圖形標(biāo)繪實現(xiàn)三維作戰(zhàn)概念元素的標(biāo)注與繪制，提供交互方式搭建各個元素;圖元拾取模塊是元素編輯的基礎(chǔ)，以鼠標(biāo)交互方式確定興趣元素;模型加載與組織是場景仿真的需要，實體模型是作戰(zhàn)概念圖元素信息表達(dá)最直接、最形象的方式;圖形編輯能夠為作戰(zhàn)圖的搭建提供諸多便利;作戰(zhàn)概念圖元素的保存和加載依賴于圖形序列化模塊。

1.4數(shù)據(jù)通信層

數(shù)據(jù)通信模塊是實現(xiàn)三維作戰(zhàn)概念圖元素協(xié)同標(biāo)繪的基礎(chǔ)，該模塊負(fù)責(zé)報文的發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)分發(fā)的實現(xiàn)依賴于中轉(zhuǎn)服務(wù)器的控制，網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)定義了數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

1.5界面交互層

從系統(tǒng)邏輯的角度，作戰(zhàn)概念編輯系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)邏輯和UI界面兩層。業(yè)務(wù)邏輯模塊依賴于核心構(gòu)件、數(shù)據(jù)通信和集成框架，該模塊提供系統(tǒng)功能實現(xiàn)的算法和核心技術(shù);UI界面層與用戶交互。

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1能力模型可視化

作戰(zhàn)概念圖中能力模型涉及通信、探測、打擊、干擾、偵察等表示作戰(zhàn)能力、狀態(tài)的對象元素，如何可視化及快速創(chuàng)建能力模型是本系統(tǒng)研究的一個重點。

針對能力模型的可視化，首先需要人為提取能力模型的關(guān)鍵特征信息，然后對關(guān)鍵信息抽象化，最后按照關(guān)鍵特征創(chuàng)建三維圖形。通信傳輸能力模型需要借助動態(tài)紋理技術(shù)表現(xiàn)信息流的傳輸過程;結(jié)合三維動畫繪制技術(shù)可以很好的仿真一次對象打擊過程;運用視覺投影方法可以繪制始終面向用戶的圖標(biāo)對象。

2.2元素標(biāo)繪

軟件系統(tǒng)中作戰(zhàn)概念圖元素的創(chuàng)建是通過鼠標(biāo)標(biāo)繪的方式完成，標(biāo)繪方式根據(jù)元素特征分為單點標(biāo)繪和多點標(biāo)繪。單點標(biāo)繪的操作對象包括模型、點圖標(biāo)、標(biāo)簽、雷達(dá)、雷達(dá)RO、導(dǎo)彈作用區(qū)等，多點標(biāo)繪包括圓弧、折線、規(guī)則簡模型、動態(tài)傳輸?shù)取Ｔ貥?biāo)繪具體實現(xiàn)方法如下圖所示。

2.3元素可視化編輯

系統(tǒng)提供可視化編輯方式修改元素的位置、旋轉(zhuǎn)、放縮、關(guān)鍵點和屬性信息，其中屬性信息的編輯采用界面修改的方式，位置和形態(tài)（旋轉(zhuǎn)、放縮、關(guān)鍵點）信息的編輯采用三維數(shù)字地球鼠標(biāo)交互的可視化編輯方式。用戶可以按照意愿修改元素的坐標(biāo)位置、旋轉(zhuǎn)方向、放縮比例或者組成元素的關(guān)鍵點，并且響應(yīng)過程是實時的，元素可視化編輯的實現(xiàn)方法如下圖所示。

點對象以及大部分體對象采用位置形態(tài)的編輯模式，該編輯模式下可以按照鼠標(biāo)操作切換成位置、旋轉(zhuǎn)、放縮三種不同的編輯方式，每種編輯方式繪制不同操作方式的可視化編輯軸;線、多點的面對象采用關(guān)鍵點編輯模式，該模式下首先獲取當(dāng)前對象狀態(tài)下的關(guān)鍵點，并采用圖標(biāo)的方式可視化，其次鼠標(biāo)更新圖標(biāo)位置，最后將圖標(biāo)新位置傳遞給對象;同時，注冊監(jiān)聽對象監(jiān)聽圖形編輯信息的變化。可視化編輯如圖 所示。更新圖形的位置和形態(tài)信息，并同步返回信息給監(jiān)聽實體，監(jiān)聽實體捕獲到底層傳遞的信息后，反饋結(jié)果到界面，更新界面的相關(guān)位置和形態(tài)信息。

2.4協(xié)同標(biāo)繪與編輯

大場景作戰(zhàn)概念圖需要多終端共同編輯完成，沒有合適的處理方法很難保證多終端共享同一成果。因此，迫切需要一種多終端編輯成果共享的協(xié)同機制，實現(xiàn)“一臺編輯多臺呈現(xiàn)，多臺編輯成果單一”的協(xié)同操作方式。協(xié)同標(biāo)繪與編輯的原理如圖所示。

3.應(yīng)用效果

圖為該系統(tǒng)下的仿真效果圖，（a）是局部場景下的仿真效果，（b）為大場景下的仿真效果。通過該圖可以看到，該仿真系統(tǒng)能夠有效的解決二維態(tài)勢下無法表達(dá)地形信息，同時也解決了多視角、全方位的展示的問題。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維作戰(zhàn)概念圖的快速生成，可將研究論證的軍事需求進(jìn)行可視化立體多維呈現(xiàn)，實現(xiàn)對作戰(zhàn)概念的邏輯演示和沖突查找，提升協(xié)同性、可行性分析的水平能夠有效指導(dǎo)指揮信息系統(tǒng)研制建設(shè)和作戰(zhàn)推演論證。

4.結(jié)束語

三維作戰(zhàn)概念圖主要展示在三維作戰(zhàn)場景下，參加作戰(zhàn)的各要素在作戰(zhàn)過程中的組織策略、作戰(zhàn)關(guān)系和作戰(zhàn)模式。本仿真系統(tǒng)圍繞核心構(gòu)件、插件集成框架和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，構(gòu)建靈了活、可擴展的軟件體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了三維概念圖的快速構(gòu)建，有效的解決了二維中無法展示細(xì)節(jié)及無法多視角展示等問題，為作戰(zhàn)可視化提供了有效的支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] ?汪躍，唐志軍，車德朝，劉格. 戰(zhàn)場態(tài)勢一張圖技術(shù)綜述[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2020，2.

[2] ?胡世功，申黎平. 國外陸軍戰(zhàn)術(shù)C3I手冊[M]. 北京：兵器工 業(yè)出版社，1990.

[3] ?張維明;黃松平;黃金才;朱承;丁兆云.多域作戰(zhàn)及其指揮控制問題探析[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2020，3.

[4] ?曾安里，張建康，王國宏，等. 軍用三維實景仿真引擎研究[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)2010（10）：17-20.

[5] ?吳玲達(dá)，宋漢辰. 三維數(shù)字化戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009（10）：91-94.

[6] ?管寧，王明孝. 戰(zhàn)場地理空間信息可視化系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 地理空間信息，2007（8）：51-54.

[7] ?鄧克波;左毅;趙捷;王世忠. 指揮信息系統(tǒng)軍事需求要素與分析流程[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016，9.