趙 睿

（北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實國家實驗室,100061）

0 引言

利用計算機(jī)模擬戰(zhàn)場地形地貌，展示敵我雙方軍隊部署、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)動態(tài)勢等，為模擬訓(xùn)練和作戰(zhàn)指揮提供快捷、準(zhǔn)確、直觀的戰(zhàn)場影像。軍用電子沙盤于傳統(tǒng)指揮沙盤相比，利用衛(wèi)星圖片或航空遙感影像，使用高程地形和地面紋理合成三維地形，可以實時準(zhǔn)確的反應(yīng)地形地貌特征，并且能夠表現(xiàn)作戰(zhàn)行動對地形地貌所造成的影響。在軍用電子沙盤上，帶有動態(tài)效果的三維軍標(biāo)可以直觀地表現(xiàn)包括載具、人員、武器裝備等作戰(zhàn)單元，并可實時查詢各個作戰(zhàn)單元的即時屬性，比如：毀傷、位置、人員等。系統(tǒng)通過信息網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路不斷收集整個戰(zhàn)場的實時數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映戰(zhàn)場實時態(tài)勢和兵力對比情況，結(jié)合三維地形地貌進(jìn)行各種作戰(zhàn)輔助分析和戰(zhàn)術(shù)推演。

本文針對軍用電子沙盤提出設(shè)計方案并編程實現(xiàn)，采用三維圖形渲染引擎生成戰(zhàn)場全景，并且在三維地形的基礎(chǔ)上顯示敵我雙方的態(tài)勢演變，讓軍事專家和指戰(zhàn)員全面直觀的觀察分析戰(zhàn)場地理以及敵我雙方的兵力部署和戰(zhàn)場態(tài)勢變化，判斷敵情預(yù)估戰(zhàn)果，制定作戰(zhàn)方案，觀察戰(zhàn)斗演化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能概述

軍用電子沙盤是將戰(zhàn)場地形地貌作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依托計算機(jī)圖形圖像技術(shù)，生成形象逼真的三維立體透視場景。指戰(zhàn)員和軍事專家利用軍用電子沙盤所展示的戰(zhàn)場地形地貌、敵我雙方作戰(zhàn)態(tài)勢等，快速、準(zhǔn)確、直觀的判斷敵情，制定作戰(zhàn)方案，并觀察戰(zhàn)斗進(jìn)展情況。

1.2 開發(fā)方案

軍用電子沙盤系統(tǒng)采用 Visual Studio C++ 2010開發(fā)，基于 OpenSceneGraph 場景圖形組織引擎，編程完成三維地形加載、場景視點(diǎn)切換，動態(tài)漫游等功能，設(shè)計實現(xiàn)軍事單元運(yùn)動軌跡分析和軍事目標(biāo)多分辨率顯示控制等軍事需求。在該系統(tǒng)中，地形模型文件二進(jìn)制存儲的IVE格式。

1.3 核心開發(fā)工具介紹

1.3.1 VirtualPlanetBuilder 大規(guī)模地形建模工具

VirtualPlanetBuilder （VPB）是從 OpenSceneGraph（OSG） 中發(fā)展出來的一種地形模型創(chuàng)建工具，能夠加載各種地理影像和高程數(shù)據(jù)，并構(gòu)建小面積乃至大規(guī)模地形模型。VirtualPlanetBuilder本身是一個基于 OpenSceneGraph 的實時圖形工具箱，可以創(chuàng)建基于 OpenSceneGraph 的二進(jìn)制高效率地形數(shù)據(jù)庫。

1.3.2 OpenSceneGraph 三維渲染引擎

OpenSceneGraph（OSG）是一個基于 OpenGL 的三維渲染引擎，由一系列圖形學(xué)相關(guān)的功能模塊組成，為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能。OSG 處于連接上層應(yīng)用程序和底層 OpenGL 代碼的中間位置。OSG引擎的組成部分包括一系列動態(tài)鏈接庫、插件、供開發(fā)者使用的靜態(tài)連接庫，可執(zhí)行的工具程序和示例。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 場景結(jié)構(gòu)的管理與組織

場景圖形（Scene Graph）是一種經(jīng)常用于計算機(jī)游戲和圖形學(xué)相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。大規(guī)模場景管理一般使用途結(jié)構(gòu)或者樹結(jié)構(gòu)來組織節(jié)點(diǎn)集。OSG和目前大多數(shù)渲染引擎同樣采用自頂向下、分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織管理空間數(shù)據(jù)，提升渲染效率。

OSG 定義了多種節(jié)點(diǎn)類型，場景的根節(jié)點(diǎn)一般使用組節(jié)點(diǎn)（Group），在組結(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過指定父子節(jié)點(diǎn)，確定場景從上到下的層次結(jié)構(gòu)；讀取外部文件使用文件讀取節(jié)點(diǎn)（ReadNodeFile）；場景的繪制、漫游、輸出使用觀察器節(jié)點(diǎn)（Viewer）?；谲娪秒娮由潮P系統(tǒng)的整體功能需求，場景整體組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軍用電子沙盤系統(tǒng)場景組織結(jié)構(gòu)

2.2 三維大地形建模

本系統(tǒng)利用 VPB 完成大規(guī)模地形建模，利用數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，疊加紋理數(shù)據(jù)，生成包含細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)的ive地形模型。

大規(guī)模地形模型文件一般采用細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)技術(shù)（LOD）,以提高實時繪制效率。模型的精度隨視點(diǎn)距離遠(yuǎn)近而發(fā)生變化，符合實際觀察規(guī)律，降低場景繪制復(fù)雜度，加速場景繪制。

VPB采用OSG特有的分頁細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)（PagedLOD）生成的地形模型，每個節(jié)點(diǎn)既可以是單獨(dú)的模型文件也可以合并成為一個統(tǒng)一的文件。地形模型是一組按特定規(guī)律明明的不同分辨率的許多個模型數(shù)據(jù)文件，每個模型數(shù)據(jù)可以分別加載、顯示或漫游。地形的根節(jié)點(diǎn)只提供索引其他子節(jié)點(diǎn)的作用，模型文件按照統(tǒng)一的命名規(guī)則存放于磁盤。通過OSG的分頁細(xì)節(jié)層次結(jié)點(diǎn)，軍用電子沙盤實現(xiàn)了地形數(shù)據(jù)的分頁動態(tài)加載，OSG引擎采用多線程來進(jìn)行場景渲染，并有線程負(fù)責(zé)分頁細(xì)節(jié)地形文件的實時調(diào)度，有效提高場景渲染效率。

圖2 PagedLOD結(jié)構(gòu)

2.3 軍事單元運(yùn)動軌跡分析

戰(zhàn)場上，“看不見摸不著”的武器裝備起著非常重要的作用，軍用電子沙盤對這些虛擬軍事裝備要給予充分的表現(xiàn)，如飛機(jī)航行軌跡、雷達(dá)探測范圍、狙擊手視野范圍、導(dǎo)彈射程及毀傷范圍等。

軍事單元運(yùn)動軌跡主要是指在電子沙盤推演以及回放過程中，以簡單明晰的線條方式展示軍事單元的運(yùn)動路徑軌跡，比如飛機(jī)航行線路、坦克推進(jìn)路途等，讓指揮員以及電子沙盤的參與者有更為直觀的印象。同時，也可以進(jìn)行演習(xí)或軍事行動后的戰(zhàn)術(shù)學(xué)習(xí)、戰(zhàn)法研究和戰(zhàn)略改進(jìn)。

2.4 軍事目標(biāo)多分辨率顯示控制

對于單個軍事目標(biāo)，可以采取推拉鏡頭的智能顯示控制方法，達(dá)到局部放大的視覺效果，適應(yīng)人眼攝取信息的能力。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)和結(jié)果

OSG目前最新的版本為 3.2.0,“軍用電子沙盤系統(tǒng)”按照前述方案采用OSG結(jié)合MFC,在Windows7 + Visual Studio 2010環(huán)境下開發(fā)完成的，以北京周邊100km*70km 的地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從實際運(yùn)行情況來看，沙盤渲染效果逼真，運(yùn)行速度快，可以滿足軍用沙盤的各種業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)完成情況如下圖，左圖為平視沙盤的效果，右圖為俯視沙盤的效果。

圖3 軍用電子沙盤系統(tǒng)俯視效果圖

4 結(jié)束語

基于OSG編程實現(xiàn)的軍用電子沙盤系統(tǒng)具有生動直觀實時等特點(diǎn)，并且具備一定的可編輯性，相對于傳統(tǒng)的實物軍用沙盤有很多優(yōu)勢；當(dāng)前，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)是電子化信息化的戰(zhàn)爭，軍用電子沙盤無疑將成為軍隊建設(shè)過程中的重要組成部分。基于 OSG開發(fā)的軍用電子沙盤系統(tǒng)方案切實可行，其開源特性帶來一系列的優(yōu)勢，包括代碼安全等，與目前軍用核心軟件國產(chǎn)化的目標(biāo)一致。與此同時，OSG 也帶來了一些限制，需要在地形渲染效率、戰(zhàn)場態(tài)勢實時動態(tài)顯示等實際使用的細(xì)節(jié)做更多的研究和學(xué)習(xí)。

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