劉喜作 梁德清

（1.大連理工大學(xué) 大連 116024）（2.大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

交互式艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脫離不了所處的戰(zhàn)場環(huán)境，只有做到訓(xùn)練的戰(zhàn)場環(huán)境與實戰(zhàn)環(huán)境相一致，才能滿足人員訓(xùn)練和武器裝備作戰(zhàn)使用評估的需要，以達到裝備與人最佳結(jié)合的效果。但目前艦艇部隊訓(xùn)練往往將戰(zhàn)場三維可視化環(huán)境弱化，實際的實驗演練環(huán)境與實戰(zhàn)的戰(zhàn)場環(huán)境無法直觀地對應(yīng)，這種實驗演練模式在訓(xùn)練指揮員的指揮流程和操作手的操作流程是有幫助的，但因為它無法提供真正實戰(zhàn)環(huán)境中視覺的逼真性，目標的出現(xiàn)突然性與復(fù)雜性，打擊效果的直觀性，而使指揮員無法有效提高應(yīng)急指揮能力，操作手無法有效提高識別目標和精確打擊目標的操作能力，直接影響訓(xùn)練效果和戰(zhàn)斗力的提高。

構(gòu)建艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗視景仿真平臺，為戰(zhàn)術(shù)對抗仿真訓(xùn)練系統(tǒng)提供豐富直觀形象的三維可視化作戰(zhàn)環(huán)境信息，增加訓(xùn)練沉浸感，使得指揮和訓(xùn)練人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的把握更加準確，決策形成更加迅速，可極大提高態(tài)勢分析過程的實時性、交互性和動態(tài)性，為指揮決策提供了強有力的支撐。該仿真平臺作為作戰(zhàn)環(huán)境的映像，目的不僅僅在于虛擬時空的表達與推演，更多地在于用虛擬海戰(zhàn)場環(huán)境去模擬、實驗、挖掘現(xiàn)實世界中的行為與事件［1～2］。

本文就艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練視景仿真中的幾個難點技術(shù)，如自然環(huán)境仿真，目標實體三維可視化和戰(zhàn)場特效分別予以論述。

2 自然環(huán)境仿真

自然環(huán)境仿真包括地形（港口與島嶼）仿真、海面仿真和天空仿真，它確立了仿真空間的位置關(guān)系和戰(zhàn)場環(huán)境仿真的基礎(chǔ)表達，是整個視景仿真繪制的重點［3～4］。

2.1 港口和島嶼顯示模型設(shè)計

基于地理信息的虛擬海洋環(huán)境的港口和島嶼地形建模要與現(xiàn)實世界一一對應(yīng)，其建模數(shù)據(jù)必須來源于實際的測繪結(jié)果。本文基于電子海圖源數(shù)據(jù)，采用Global Mapper軟件提取海圖高程信息，高程信息主要包括岸線、等高線、等深線、水深點等［5］。在數(shù)據(jù)處理過程中，利用GDEM（Global Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)對海圖高程數(shù)據(jù)缺失部分，例如橋梁、碼頭和山丘等進行補充，但要保證生成的數(shù)據(jù)與原海圖一致。

仿真建模時，利用統(tǒng)一地理高程數(shù)據(jù)源對山體、岸線、碼頭、橋梁、城市建筑和重要物標進行三維建模。為了表現(xiàn)出真實地形視覺空間真實感，采用基于衛(wèi)星圖片作為地形紋理進行映射和采用實際拍攝的港岸圖片作為物標紋理進行映射。紋理空間與實體空間的映射實際是實現(xiàn)影像與對應(yīng)地面之間在平面位置上的配準，其映射關(guān)系是一種仿射變換，如下公式：

（x，y）是任一點在影像中的坐標；（XT，YT）是對應(yīng)地面點的平面位置；（ai，bi）為8個變換參數(shù)，依據(jù)像素地形圖的四個角點即可求解出這8個變換參數(shù)，從而確定其映射關(guān)系。

三維港口及島嶼地形的制作及三維顯示過程如圖1所示。

圖1 海岸地形制作與顯示的過程

2.2 海面模擬

海面網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)是基于Phillips海浪譜通過FFT計算獲得的，可根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速形成不同的浪級［6］。

上述的海浪模型較適用于良好氣象條件下海浪的模擬，其生成的海浪的波峰和波谷比較光滑。為獲得更接近于實際條件下的海浪，簡單地采用移動海浪網(wǎng)格水平位置的方法來改善海浪模型。

海浪網(wǎng)格移動后位置表達式為

其中，X（x，y）為水平位置點；λ為移動系數(shù)；D為采用FFT計算出的移動向量。采用此法生成的海浪輪廓浪尖尖銳，浪底平坦。

另外，當(dāng)海面上波峰處水質(zhì)點的圓周運動速度大于波速時，波浪破碎，就產(chǎn)生浪花。本文基于GPU繪制技術(shù)，利用GLSL著色語言形成海面光照和浪花效果。

2.3 動態(tài)天空構(gòu)建與顯示

天空視景模型是根據(jù)當(dāng)前視點的經(jīng)緯度，得到當(dāng)?shù)貢r間、時區(qū)、儒略日和恒星時，進而確定日、月等天體的位置［7］，然后根據(jù)太陽的不同高度角用多重紋理和GLSL語言繪制逼真的動態(tài)天空。

如圖2所示，天空盒采用12個四邊形和1個六邊形建立，繪制時，上面的六邊形采用Triangle Fan方式進行繪制，而四周的四邊形采用Triangle Trips的方式進行繪制。相對于球形天空盒和對于立方體天空盒來講，這種方法是一個折中方案，它既保證繪制天空盒的速度，也保證了天空盒繪制的真實感。

圖2 基于多邊形天空幾何模型

圖3 基于觀察點的局部坐標系

天空模型要根據(jù)當(dāng)前視點的經(jīng)緯度實時計算太陽的高低角和方位角。

如圖3所示，設(shè)p點為當(dāng)前視點，n為切平面的法向量，s為太陽在天球的位置點，v為太陽切平面上投影。所以切平面方程：

3 目標實體三維可視化

海戰(zhàn)場環(huán)境中有許多復(fù)雜的戰(zhàn)斗實體模型，單純利用基本繪圖語句建立對艦艇、潛艇、戰(zhàn)斗機等模型并進行繪制，工作量大，周期長［8］。我們首先利用三維建模軟件對目標實體進行三維建模，然后通過視景仿真程序進行控制與顯示，具體過程如圖4所示。

圖4 三維目標可視化流程圖

3.1 目標實體三維建模

目前廣泛應(yīng)用的建模軟件如3DSMAX、AutoCAD、Creator等，用戶根據(jù)物體的外觀特點直接建立模型，而且可以精細地刻畫物體的細節(jié)，不需要任何編程語句就可以實現(xiàn)。

我們選擇Creator對艦艇、潛艇、飛機、各種武器和探測設(shè)備等虛擬物體進行3D建模，Creator生成3D模型幾乎是“所見即所得”，同時設(shè)置LOD節(jié)點，DOF節(jié)點和SWITCH節(jié)點，提供給視景繪制程序使用。

3.2 模型顯示控制

通過這些軟件建立模型后，可以設(shè)置模型的初始運動狀態(tài)，但不能根據(jù)用戶的需要實時控制模型運動及顯示狀態(tài)。因此，我們在視景仿真程序通過圖形繪制程序中的函數(shù)接口，控制模型及相應(yīng)節(jié)點運動及顯示狀態(tài)。例如，觀察者在本艦視點時（站在本艦的艦橋上進行觀察），要求視景仿真程序關(guān)閉本艦艦橋顯示，不然會出現(xiàn)顯示遮擋問題；而在自由視點時（觀察者脫離本艦在空中觀察），又要顯示艦橋，不然會出現(xiàn)艦艇沒有艦橋的錯誤顯示，如圖5所示。

采用上述方法避免了用戶利用程序來建立三維立體模型繁重而復(fù)雜的工作，構(gòu)建的模型能體現(xiàn)更多的細節(jié)，又可以通過圖形繪制程序?qū)崿F(xiàn)對模型的人機交互控制。

圖5 在本艦視點時對本艦艦橋進行控制

4 戰(zhàn)場特效

戰(zhàn)場特效包括彈跡尾焰生成，爆炸煙火生成和爆炸水柱生成等，它們由無數(shù)外觀形狀極不規(guī)則的小顆粒隨機運動而產(chǎn)生，并隨時間而發(fā)生變化［9～10］。

4.1 數(shù)學(xué)描述

用數(shù)學(xué)的方法來描述粒子系統(tǒng)，是為了計算粒子系統(tǒng)變化過程中各個屬性的量化值。對于爆炸特效的粒子系統(tǒng)來說，是指控制粒子在生命周期的運動特性，主要包括加速度、角速度、空氣阻力、風(fēng)力、重力等。

爆炸后產(chǎn)生的煙霧粒子屬性為初始質(zhì)量m；初始空間位置p0＝｛x0，y0，z0｝；初始速度矢量v0＝｛vx，vy，vz｝；初始加速度矢量a0＝｛ax，ay，az｝；壽命life；顏色color；透明度alpha。

則經(jīng)歷Δt后煙霧粒子的位置變?yōu)?/p>

速度為

加速度矢量為

粒子在爆炸過程中除了直線或曲線運動外，還有繞｛x，y，z｝軸的旋轉(zhuǎn)運動。假設(shè)粒子與｛x，y，z｝軸正向所成的角度分別為Pitch，Roll，Yaw，而繞｛x，y，z｝軸的轉(zhuǎn)動角速度分別為：wx，wy，wz，則第fi幀時粒子與｛x，y，z｝軸所成的夾角為

4.2 繪制過程

實現(xiàn)基于粒子系統(tǒng)的爆炸特效需要如下幾個步驟：1）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)，設(shè)置大小、顏色、重量、生命周期、材質(zhì)、ALPHA范圍等相應(yīng)屬性，加入到場景中。

2）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)放射器，包括計數(shù)器、放置器和發(fā)射器三部分。計數(shù)器控制每一幀產(chǎn)生的粒子數(shù)，放置器設(shè)置粒子的初始位置，發(fā)射器設(shè)置粒子的初始速度。

3）創(chuàng)建粒子操作器，控制粒子在生命周期的運動特性包括加速度、角速度、空氣阻力、風(fēng)力、重力。

4）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)更新器，更新粒子，揀選“存活”粒子。

5）繪制“存活”粒子組成的圖形，刪除符合死亡條件的粒子。

5 仿真結(jié)果

由上述視景仿真方法生成的自然環(huán)境，多目標戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景如圖6所示。

圖6顯示了視景中自然環(huán)境仿真的結(jié)果，包括依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源建立的港口地形的顯示，根據(jù)太陽高低角計算光照亮度的動態(tài)天空的顯示，通過海浪譜形成的逼真海面的顯示。圖7顯示了海戰(zhàn)場多目標戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景。包括艦艇編隊組成場景以及導(dǎo)彈擊中目標時爆炸場景。

圖6 自然環(huán)境仿真效果圖

圖7 多目標戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景

該視景仿真技術(shù)正在應(yīng)用于某單艦防御系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的無視景相比，提高了顯示的直觀性、訓(xùn)練的交互性以及訓(xùn)練人員的積極性，使訓(xùn)練過程和結(jié)果更容易被訓(xùn)練人員記憶、理解和引發(fā)思考。

6 結(jié)語

艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗視景仿真技術(shù)通過對自然環(huán)境、動態(tài)目標和戰(zhàn)場特效的模擬，構(gòu)建了數(shù)據(jù)準確、視效逼真、更具現(xiàn)場感的三維可視化環(huán)境，可以為戰(zhàn)術(shù)模擬的各階段（預(yù)案擬訂、對抗模擬、結(jié)果評估）提供準確、動態(tài)、直觀、多角度的三維戰(zhàn)場信息。下一步重點研究在復(fù)雜電磁環(huán)境下，對電子戰(zhàn)武器使用效果和電磁環(huán)境進行三維可視化。

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