周偉祝 宦 婧

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

通用作戰(zhàn)圖（Common Operation Picture，COP）是數(shù)字化戰(zhàn)場信息的集成平臺和可視化顯示系統(tǒng)，它可以對軍事地形、資源與環(huán)境等空間信息以及我軍、友軍和敵軍戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析和輸出，特定地理空間內(nèi)的所有軍事力量和行動都將以一致的形式展現(xiàn)出來，以增強(qiáng)作戰(zhàn)人員對態(tài)勢的感知和理解［1～2］。通過將作戰(zhàn)計(jì)劃、作戰(zhàn)力量、戰(zhàn)區(qū)天氣、戰(zhàn)區(qū)地形等各種信息與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以更好的理解這些因素對作戰(zhàn)行動的影響。

目前COP顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流行方法是以最真實(shí)最自然的方式顯示信息。這種方法構(gòu)建在這樣一個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，即越真實(shí)的顯示戰(zhàn)場情況，用戶越能發(fā)揮自己天生的觀察能力，從而毫不費(fèi)力的形成對態(tài)勢的感知和理解［3］。這種思想最直接的表現(xiàn)就是使用三維技術(shù)來顯示態(tài)勢圖像。本質(zhì)上，COP就是一個(gè)三維戰(zhàn)場空間的顯示系統(tǒng)。

三維顯示系統(tǒng)是一個(gè)低角度的立體投影系統(tǒng)，典型方法是采用與水平面呈20°～45°的視角來表現(xiàn)場景［4］。它能給用戶帶來強(qiáng)烈的真實(shí)感和視覺沖擊力，使用戶獲得沉浸式的體驗(yàn)，因此獲得越來越多用戶的喜愛。然而，態(tài)勢涉及到非常多的信息，這就要求用戶能夠從顯示系統(tǒng)中獲得支持他們完成任務(wù)最需要的信息，而有些任務(wù)對空間上的精確程度要求很高，比如視線檢測和碰撞預(yù)測。在實(shí)際使用中我們發(fā)現(xiàn)，在精確判定相對位置和精確的物體識別方面，三維顯示系統(tǒng)和三維圖標(biāo)系統(tǒng)存在缺陷，其精確程度和判定效率甚至不如二維視圖和二維圖標(biāo)系統(tǒng)。更為嚴(yán)重的是，三維顯示系統(tǒng)實(shí)際上更容易使用戶出現(xiàn)判斷失誤的情況。本文深入研究了三維顯示系統(tǒng)和三維圖標(biāo)系統(tǒng)存在的缺陷以及缺陷形成的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 三維視圖的局限及其原因

2.1 三維視圖的局限

三維視圖將三個(gè)維度的信息綜合在一個(gè)縱深感強(qiáng)烈的圖形中，因而在形狀識別方面顯得更加優(yōu)秀［5］。而當(dāng)把三維視圖中的長度還原成空間中的長度時(shí)，用戶通常沒有正確的認(rèn)識到在三維視圖中寬度方向上和縱深方向上有著不同的壓縮比例，而只是本能的采用了同樣的壓縮比來還原三維視圖中的場景［6］，這樣簡單的認(rèn)知，最終導(dǎo)致了用戶在使用三維視圖判斷相對位置時(shí)非常容易出現(xiàn)誤解。我們構(gòu)建了一個(gè)視覺比例誤差模型來解釋用戶在縱深方向上出現(xiàn)的錯(cuò)誤，如圖1所示。

寬度方向上：式中，Sh為寬度方向上的壓縮比，Xi表示現(xiàn)實(shí)世界中寬度方向上的長度，Xw表示顯示系統(tǒng)中寬度方向上的長度。

縱深方向上：

式中，Sz為縱深方向上的壓縮比，Yi表示現(xiàn)實(shí)世界中縱深方向上的距離，Yw表示顯示系統(tǒng)中縱深方向上的距離，VA為用戶視角。

對于同一次觀察而言，式（1）和式（2）中d／D為一個(gè)常量，我們用K 來表示，于是可以得到式（3）、（4）、（5）：

圖1 視覺比例誤差模型

式（3）、（4）中的K ＝d／D。

從模型中可以看出，寬度方向上和縱深方向上壓縮比的不同隨著觀察角度的降低而增加，其增加規(guī)律近似符合正弦曲線的變化規(guī)律，所以在低角度的觀察視角下，誤解的情況會更加嚴(yán)重。視覺比例誤差模型也解釋了為什么二維視圖在相對位置判斷方面優(yōu)于三維視圖，因?yàn)?0°的觀察視角是唯一不會帶來誤解的視角。

2.2 對三維視圖缺陷的修正方法

三維視圖存在固有的易誤解性，但是很顯然，放棄三維視圖不是明智的選擇，因此，我們必須找到一個(gè)方法來限制這種誤解，引導(dǎo)用戶采用更好的觀察視角獲取信息。在平面上增加網(wǎng)格是一個(gè)通常容易想到的辦法，但是增加網(wǎng)格讓視圖看起來很雜亂，而且網(wǎng)格間的空間仍然會給人們帶來誤解［7］。同時(shí)，采用網(wǎng)格帶來了另外的問題，即什么時(shí)候顯示網(wǎng)格？以什么樣的粒度顯示網(wǎng)格？所以網(wǎng)格并非是一個(gè)合適的解決方案。

本文中，我們提出了一個(gè)新的解決方案，該方案引入了上文所述的視覺誤差比例模型，在三維視圖中構(gòu)建視角誤差預(yù)測提示系統(tǒng)，提供視覺誤差預(yù)測和提醒功能，如圖2所示。

圖2 視覺誤差預(yù)測提示系統(tǒng)

視角誤差預(yù)測提示系統(tǒng)設(shè)置了視角指示線（黃色相機(jī)表示）以及誤差警告區(qū)域，視角指示線表示了當(dāng)前用戶視角，警告區(qū)域（魚鰭形）表明在每個(gè)視角下，感知的尺寸與實(shí)際尺寸之間的誤差，誤差區(qū)域的寬度表示了在每個(gè)視角下的誤差程度。在90°的視角下（也就是二維俯視圖），誤差區(qū)域?qū)挾葹榱悖礇]有誤差，而在視角比較低的區(qū)域，誤差增長很快。該系統(tǒng)不僅提醒用戶在通常的視角下他們在縱深方向上可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，而且顯示了在不同的視角下這些錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度。圖3顯示了一個(gè)在近岸防空領(lǐng)域應(yīng)用視角誤差預(yù)測提示系統(tǒng)的情況，在22.5°視角下，圖3中中間的防空設(shè)施看起來明顯更加靠近后面的一個(gè)，而實(shí)際上，三個(gè)防空設(shè)施之間是等間距的。視角誤差預(yù)測提示系統(tǒng)提醒用戶在顯示系統(tǒng)中，圖像的后部可能出現(xiàn)的視覺誤差，并且顯示了通過提高觀察角度，用戶可以獲得更精確的感知。

圖3 視覺誤差預(yù)測提示系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用表明，該視覺誤差提示系統(tǒng)能有效的減少三維視圖中相對位置判定誤差的發(fā)生，提高用戶判定精度和效率。

3 COP顯示系統(tǒng)中的三維圖標(biāo)

3.1 三維圖標(biāo)的局限

3.1.1 目標(biāo)識別上的缺陷

戰(zhàn)場空間中存在各種軍事力量和軍事設(shè)施，在COP顯示系統(tǒng)中，這些物體必須被清晰的顯示出來，通常我們采用的方法是用某種圖標(biāo)來表示軍事力量和設(shè)施［8］，如圖4所示。

圖4 表示軍事力量的圖標(biāo)

在各種圖標(biāo)中，三維圖標(biāo)倍受歡迎，部分是因?yàn)樗鼈冇靡环N縮微的直觀的具有視覺仿真效果的圖標(biāo)來描述艦艇或是飛機(jī)，而二維圖標(biāo)通常采用的是抽象的軍用符號［8］。研究發(fā)現(xiàn)，盡管人們更喜歡使用三維圖標(biāo)，但是實(shí)際上對應(yīng)的軍用圖標(biāo)在物體識別方面效果更好。仿真的三維圖標(biāo)實(shí)際上削弱了它們在完成任務(wù)時(shí)的用途，原因之一恰恰是三維圖標(biāo)和它表示的實(shí)際事物保持了類似的視覺外觀，由于很多軍事裝備的外觀看起來是很類似的（如很多艦艇或者很多飛機(jī)），用戶在利用三維圖標(biāo)區(qū)別它們時(shí)效率較低，甚至?xí)霈F(xiàn)誤識別的可能。軍用二維圖標(biāo)則不存在這個(gè)問題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)軍用二維圖標(biāo)的目的之一，就是為了作戰(zhàn)人員能夠順利的根據(jù)圖標(biāo)來區(qū)分不同的戰(zhàn)場實(shí)體和設(shè)施［9］。

3.1.2 準(zhǔn)確度和效率上的缺陷

使用三維圖標(biāo)帶來的問題實(shí)際上還不止容易誤識別這一個(gè)。表示高度的線條，其長度受到距離的影響，因?yàn)樵谌S視圖中，高度方向上跟縱深方向上一樣，在三維視圖的后面部分都會被壓縮。為了正確的顯示高度信息，用戶必須根據(jù)縱深比例重構(gòu)高度線的長度，但是，在三維視圖中，縱深比例是未知的。更麻煩的是，在三維視圖中，飛機(jī)的飛行方向很難判斷［10］。

如圖5所示，從飛機(jī)前面的航向線上看起來兩架飛機(jī)的航向是一樣的，而實(shí)際上，其中一架的航向是東南，而另一架的航向是東。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在三維視圖中，用戶正確獲得飛機(jī)的航向、高度等信息所需要的時(shí)間要比在二維視圖中多得多。這就否定了人們在三維視圖下會工作得更好的認(rèn)識。實(shí)際情況是，用戶從三維視圖中獲取信息的難度更大，尤其是需要精確信息的時(shí)候。

3.2 對三維圖標(biāo)的改進(jìn)

從上文可以看出，三維圖標(biāo)在表現(xiàn)某些特性時(shí)更具有優(yōu)勢，因?yàn)樗麄儽榷S圖標(biāo)以更加直觀的方式來表現(xiàn)物體。二維圖標(biāo)在物體識別和關(guān)系判定方面表現(xiàn)得更好，因?yàn)槎S圖標(biāo)以更加具有辨識性的方式來表現(xiàn)物體。我們綜合了上述兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)新的混合式的表現(xiàn)方式，如圖6所示。該混合表現(xiàn)方式使用了符號編碼的方式來表示平臺（例如用F來表示戰(zhàn)斗機(jī)），用顏色來表示關(guān)系信息，利用整個(gè)圖標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度來表示方向信息，用簡單的外形來表示分類信息。在實(shí)際使用中，我們驗(yàn)證了這種新的表現(xiàn)方式在各個(gè)方面均具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)使用這種表現(xiàn)方式，更加有利于用戶對整個(gè)態(tài)勢的理解。

圖5 三維視圖下航向的判別

圖6 一種混合式的表現(xiàn)方式

總得來說，COP用戶需要精確地、快速的定位和識別軍事設(shè)施，二維和三維的混合表現(xiàn)方式相比傳統(tǒng)的二維圖標(biāo)和三維圖標(biāo)來說，更新，更具有吸引力，這種表現(xiàn)方式使用但同時(shí)又簡化了真實(shí)性，給用戶提供了一個(gè)可分辨的、易于接受的表現(xiàn)方式，使得和任務(wù)相關(guān)的信息能夠被很快的提取出來。

4 結(jié)語

三維視圖無疑非常具有視覺效果，然而，考慮到顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)以及任務(wù)對信息需求的詳細(xì)情況，三維視圖的顯示方式具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著很多的缺陷，具體表現(xiàn)在：

1）三維視圖在理解物體形狀和判斷物體布局方面更具有優(yōu)勢，而在精確判定相對位置時(shí)容易產(chǎn)生誤解。

2）三維圖標(biāo)更加直觀，但是識別度不高，在需要精確信息時(shí)，甚至容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。

目前國內(nèi)COP研究尚處于起步階段，研究工作主要集中在數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)管理方面，而對COP顯示系統(tǒng)的研究則相對較少。本文對COP顯示系統(tǒng)中三維視圖的缺陷作了一系列的研究，深入探討了造成三維視圖缺陷的原因，并根據(jù)COP顯示系統(tǒng)的實(shí)際需要，針對三維視圖的缺陷提出了改進(jìn)措施，對更好地開發(fā)我國通用作戰(zhàn)圖系統(tǒng)具有重要的意義。

［1］D.Gouin，M.Gauvin，E.Woodliffe.COP 21TD-Towards a Situational Awareness Knowledge Portal［C］／／Proceedings of SPIE 2003Aerosense Defence Sensing Simulation and Controls，2003：21-25.

［2］M.Gauvin，A.-C.Boury-Brisset，F(xiàn).Garnier-Waddell.Contextual User-Centric，Mission-Oriented Knowledge Portal：Principles，F(xiàn)ramework and Illustration［C］／／7th International Command and Control Research Technology Symposium，2002：16-20.

［3］P.Cavanagh.Guest editorial：vision is getting easier every day［J］.Perception，1995，10（24）：1227-1232.

［4］蔡士杰，等.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［5］A.D.Andre，C.D.Wickens.When users want what’s not best for them［J］.Ergonomics in Design，1995（4）：10-14.

［6］M.T.Dennehy，D.W.Nesbitt，R.A.Sumey.Real-time threedimensional graphics display for antiair warfare command and control［J］.Johns Hopkins APL Technical Digest，1994，15（2）：110-119.

［7］J.DiVita，R.Obermayer，W.Nugent，J.M.Linville.Verification of the change blindness phenomenon while managing critical events on a combat information display［J］.Human Factors，2004，46（2）：205-218.

［8］楊強(qiáng)，陳敏，湯曉安，等.三維靜態(tài)軍標(biāo)的實(shí)時(shí)生成與標(biāo)繪［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，14（28）：194-199.

［9］博偉偉.基于ArcMap的地圖符號設(shè)計(jì)與研究［J］.地理空間信息，2006，2（4）：71-72.

［10］J.Keillor，L.Thompson.H.S.Smallman，M.B.Cowen.Detection of Heading Changes in Tactical Displays：A comparison of two symbol sets［C］／／Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society，2003：1610-1614.