孟凡躍，聶　穎

（華北計算算技術(shù)研究所 地理信息與圖形圖像技術(shù)研發(fā)中心 北京　100083）

態(tài)勢回放多形式顯示方法的設(shè)計與實現(xiàn)

孟凡躍，聶穎

（華北計算算技術(shù)研究所 地理信息與圖形圖像技術(shù)研發(fā)中心 北京100083）

態(tài)勢回放是模擬演練仿真系統(tǒng)的重要組成部分，可以協(xié)助參演人員進行分析和評估。現(xiàn)有的態(tài)勢回放系統(tǒng)只是簡單的將參與模擬演練的實體軌跡按時間軸進行展示，表現(xiàn)形式比較單一，可視化效果不夠明顯。針對這些特點，本文提出將態(tài)勢回放數(shù)據(jù)按照普通數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、特效數(shù)據(jù)進行邏輯區(qū)分的觀點，同時設(shè)計并實現(xiàn)按三種形式將態(tài)勢回放數(shù)據(jù)進行展示。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)表現(xiàn)態(tài)勢豐富清晰，能夠滿足模擬演練系統(tǒng)的態(tài)勢回放需求。

態(tài)勢；回放；軌跡；時間軸；特效數(shù)據(jù)

本文著錄格式：孟凡躍，聶穎. 孟凡躍態(tài)勢回放多形式顯示方法的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2016，37（8）：99-103

0　引言

現(xiàn)代模擬演練仿真系統(tǒng)[1]，是作戰(zhàn)訓(xùn)練的重要方式之一，能夠在戰(zhàn)略布局方面對戰(zhàn)爭的整體和局部進行接近實戰(zhàn)的演練模擬，并最終對作戰(zhàn)經(jīng)驗進行總結(jié)、提煉。因此，模擬演練后，對演練的過程進行記錄和回放是十分必要的。

態(tài)勢回放系統(tǒng)，與通用作戰(zhàn)圖及實時演練態(tài)勢仿真系統(tǒng)在仿真內(nèi)容與仿真方法上相似，同時具有自身的特點?，F(xiàn)有的支持態(tài)勢回放的系統(tǒng)，目前多見于武器平臺仿真系統(tǒng)或戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，一般將態(tài)勢回放作為事后回顧/分析（After Action Review，AAR）[2][3]的基礎(chǔ)內(nèi)容，只是簡單的將參演目標的軌跡或者演練過程按照時間順序進行展示，不能將多種不同的數(shù)據(jù)進行融合展示，區(qū)分度、效果不夠明顯，功能和智能還比較有限。

針對上述情況，本文將多源態(tài)勢回放數(shù)據(jù)進行邏輯區(qū)分，提出普通數(shù)據(jù)回放、事件數(shù)據(jù)回放和特效數(shù)據(jù)回放三種回放顯示形式，將回放數(shù)據(jù)融合表現(xiàn)，達到直觀、逼真的可視化回放效果[4]。

1　態(tài)勢回放數(shù)據(jù)介紹

1.1態(tài)勢回放數(shù)據(jù)

態(tài)勢回放數(shù)據(jù)大體可以分為兩類，回放模型數(shù)據(jù)和回放輔助數(shù)據(jù)[5]。模型數(shù)據(jù)比較豐富，參與模擬演練的實體[6]以及模擬演練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對于分析演練過程均有價值，均可看作回放模型數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)又可以細分為兩類，即環(huán)境數(shù)據(jù)、普通數(shù)據(jù)。而回放輔助數(shù)據(jù)是為了方便態(tài)勢回放應(yīng)用而對模型輸出數(shù)據(jù)的補充、轉(zhuǎn)換和加工，把它分為事件數(shù)據(jù)和特效數(shù)據(jù)。

環(huán)境數(shù)據(jù)：一般來講，環(huán)境主要指模擬發(fā)生的時空范圍[7]，也包括與特定時空環(huán)境相聯(lián)系的氣象水文等其它地理環(huán)境。環(huán)境可以影響模擬結(jié)果，但多數(shù)環(huán)境在模擬過程中并不變化，因此環(huán)境數(shù)據(jù)通常以背景地圖的形式單獨存儲。

普通數(shù)據(jù)：簡單地說，普通數(shù)據(jù)主要由參與模擬演練的實體組成。實體是處于一定環(huán)境之中具有某些屬性的對象，如各類部隊、目標等。戰(zhàn)場中一切行為都是由實體發(fā)出，而行為的效果又通過對于實體狀態(tài)的改變來得以體現(xiàn)，通過實體、實體的行為以及實體間的交互[8]便可以完成各種情況的模擬，因此態(tài)勢回放的基本內(nèi)容就是展現(xiàn)實體狀態(tài)的演變。

事件數(shù)據(jù)：事件是模擬實體狀態(tài)發(fā)生變化以及實體關(guān)聯(lián)[9]的各種信息。變化由實體間的交互引起，通常情況下實體狀態(tài)變化可由實體屬性值的變化得以體現(xiàn)，但是有時為了強調(diào)引發(fā)實體狀態(tài)變化的原因或者某些具有共同屬性的實體關(guān)聯(lián)相應(yīng)的信息，我們把這種實體狀態(tài)變化原因或相應(yīng)的關(guān)聯(lián)信息稱作事件信息。例如實體A1、A2、A3…An共同參與某重大事件，回放時則以該重大事件為參考，展現(xiàn)該事件的發(fā)生過程。這對于情況判斷和事后分析都具有特殊的作用。事件一般由時間、地域、相關(guān)實體及狀態(tài)改變組成，在回放時可作為一類被時間檢索的附加信息實體對待，作為一種新的回放形式。

特效數(shù)據(jù)：態(tài)勢回放時，為了使態(tài)勢變化更加直觀，需要增加一些輔助信息。如，相同的實體在不同角色下觀察會有不同的感知態(tài)勢[10]，這需要為實體附加不同的感知信息，例如為實體附加如高亮、閃爍、放縮、軌跡變色等特殊顯示效果，把這類添加特殊效果的普通數(shù)據(jù)定義為特效數(shù)據(jù)。特殊效果展示在態(tài)勢回放時可以單獨作為實體的附加屬性處理，作為一種新的展現(xiàn)回放效果的形式。

1.2態(tài)勢回放的基本要求

按照上述態(tài)勢數(shù)據(jù)的邏輯區(qū)分，態(tài)勢回放要求按以下三種形式展示:

1）對于普通數(shù)據(jù)，能夠全面重現(xiàn)演練實體狀態(tài)的變化過程并能靈活控制回放的過程；

2）對于事件數(shù)據(jù)，展現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)的實體共同參與的事件發(fā)生過程，各實體間的狀態(tài)變化；

3）對于特效數(shù)據(jù)，能夠在回放前對普通數(shù)據(jù)進行編輯，添加諸如旋轉(zhuǎn)、閃爍等特殊效果，并且虛擬相應(yīng)的“軌跡點”，完成回放。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

根據(jù)對態(tài)勢回放的基本要求，本態(tài)勢回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用自底向上的設(shè)計思想，把系統(tǒng)劃分為四層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層。態(tài)勢回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　態(tài)勢回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Situation Replay System Structure

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層提供系統(tǒng)運行所需的原始數(shù)據(jù)，存儲于數(shù)據(jù)庫和本地中，主要包括上述介紹的環(huán)境數(shù)據(jù)、實體數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)。具體為存于本地的地圖數(shù)據(jù)、存于數(shù)據(jù)庫的演練實體所處的位置數(shù)據(jù)、時刻數(shù)據(jù)和某一事件信息以及該信息關(guān)聯(lián)的實體編號數(shù)據(jù)等。

支撐層：支撐層為回放系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)處理過程。數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)采集整理為回放系統(tǒng)能夠高效識別的回放數(shù)據(jù)。根據(jù)實際回放要求處理后的回放數(shù)據(jù)分為三種：普通回放數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)事件回放數(shù)據(jù)和特效回放數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)事件回放數(shù)據(jù)和特效回放數(shù)據(jù)是兩種不同角度展示的回放過程，所以在數(shù)據(jù)采集和處理階段，終歸是要獲取能真正用于回放的數(shù)據(jù)，即回放系統(tǒng)能夠識別的時間軸，某時刻實體所處的軌跡點位置等。

應(yīng)用層：應(yīng)用層在數(shù)據(jù)層和支撐層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)的具體應(yīng)用，完成對整個回放過程的管理與控制，基于用戶易用性考慮，提供較為靈活操作控制，包括三種回放形式的選擇，控制繪制內(nèi)容的更新、暫停、回退、加速、跳轉(zhuǎn)等。

表現(xiàn)層：表現(xiàn)層為演練態(tài)勢的繪制與表現(xiàn)，即在地圖上繪制重演出整個演練過程、事件關(guān)聯(lián)以及特效處理效果。

3　關(guān)鍵技術(shù)

這里重點介紹將回放數(shù)據(jù)邏輯區(qū)分后的獲取以及處理、事件數(shù)據(jù)的處理和特效數(shù)據(jù)回放過程中的“虛擬數(shù)據(jù)”的相關(guān)實現(xiàn)。

3.1數(shù)據(jù)的獲取及處理

模擬演練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，不論普通數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)還是特效數(shù)據(jù)回放演練過程，都要從數(shù)據(jù)庫中獲取原始的存儲數(shù)據(jù)，并處理成系統(tǒng)是識別的回放數(shù)據(jù)，若一次性的獲取所有的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓，無法滿足態(tài)勢回放的基本要求。景民[11]等提出了大數(shù)據(jù)量下的數(shù)據(jù)存儲形式，并沒有在數(shù)據(jù)獲取效率上深度研究，為節(jié)省數(shù)據(jù)準備時間，在從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)時采用分頁查詢的方式，處理數(shù)據(jù)時采用分批的方式進行：

1）根據(jù)查詢條件獲取所需回放的實體數(shù)量M;

2）記N為每次處理查詢的實際實體數(shù)量，N=min(M,1000)，若實際實體數(shù)量M<1000，則最多查詢M個實體數(shù)據(jù)；

3）每次查詢完成，記錄實體軌跡的起始時間TimeStart, TimeEnd，解析并將每個實體的軌跡信息相應(yīng)讀取到內(nèi)存，M遞減N；

4）循環(huán)執(zhí)行3），直到待處理的實體數(shù)據(jù)小于0,則進入5)；

5）完成所有查詢后，利用快速排序[12]，獲取所有實體的回放時間軸;

實現(xiàn)如下：

分析：參與模擬演練的實體數(shù)量龐大，采用分頁查詢、分批處理數(shù)據(jù)的方式，可以加快數(shù)據(jù)獲取的速度，在完成獲取數(shù)據(jù)后利用快速排序算法完成時間軸的整合，大大縮短數(shù)據(jù)準備的時間。

3.2事件數(shù)據(jù)處理

事件數(shù)據(jù)中的事件信息與原始數(shù)據(jù)相同，存儲于數(shù)據(jù)庫中。考慮到時間、空間以及效率問題，事件信息與原始數(shù)據(jù)只存在一種映射關(guān)系。在添加事件信息時，只將該事件關(guān)聯(lián)的實體編號加入映射。同一事件可能關(guān)聯(lián)很多實體；同一實體也可能參與很多事件；事件信息結(jié)構(gòu)間記如下：

在以事件形式回放時，首先要選定已有事件或創(chuàng)建新的事件，處理事件數(shù)據(jù)的具體過程如圖2。

圖2　事件數(shù)據(jù)處理過程Fig.2　Process of Event Data Handling

在步驟根據(jù)關(guān)聯(lián)實體編號獲取數(shù)據(jù)詳細信息時，同樣采用3.1中提出的分批處理方法，這樣不會因為回放顯示方式的不同，增加額外的處理開銷。

3.3特效數(shù)據(jù)回放軌跡中的線性插值

在系統(tǒng)回放中，要求演練實體按照時間軸，逐步繪制出其軌跡變化。然而演練實體的軌跡點并不是連續(xù)分布的，在某時刻或某時間段添加特效時，并不一定保證確實存一個時刻或時段有軌跡的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3　時間軸Fig.3　Time Axis

在Ti-1和Ti+1時刻均存在某實體實際的軌跡點，在Ti時刻設(shè)置了高亮顯示特效，但Ti時刻沒有實際數(shù)據(jù)，所以需要將該點通過插值計算“虛擬出來”，在地圖上，該實體的實際軌跡線中并沒有這個“虛擬”點。

關(guān)于插值算法有很多種方式，例如三次多項式插值、線性插值等。由于態(tài)勢數(shù)據(jù)的實時性很強、數(shù)據(jù)量大，考慮到效率因素，在軌跡的變化中，“虛擬點”采用線性插值方式。將軌跡點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡記如下：

通過上面的計算，時刻Ti的軌跡數(shù)據(jù)即可獲得，在特效數(shù)據(jù)回放中，可以根據(jù)設(shè)置的特效數(shù)據(jù)時間，相應(yīng)的虛擬出軌跡點，完成特殊效果的展示。

4　實驗結(jié)果

對是否采用3.1的分批處理方式，在普通PC機上進行了性能測試，其對比效果如表1。

表1　消耗時間對比Tab.1　Contrast of Time Consumption

在沒有采用分批處理方式的原始方式，實體數(shù)量級達到萬以上后，系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓，數(shù)據(jù)處理時間消耗很長，改進后性能提升明顯。

選取某模擬演練數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)對三種形式的回放效果進行測試，對比圖如圖4和圖5，其中圖4（b）中展示對演練實體A、B采用高亮特效顯示；圖5展示針對某演習(xí)事件進行回放，展現(xiàn)演習(xí)過程中關(guān)聯(lián)目標的狀態(tài)變化。

5　結(jié)束語

本文將態(tài)勢回放數(shù)據(jù)進行邏輯區(qū)分，設(shè)計并實現(xiàn)按照三種表現(xiàn)形式進行回放，適合在模擬演練戰(zhàn)場態(tài)勢后的數(shù)據(jù)回放工作，且能夠靈活控制回放過程，不僅能真實地再現(xiàn)整個模擬演練過程，而且支持回放過程中添加各種效果，彌補模擬演練過程中不完善之處。但對于事件數(shù)據(jù)和特效數(shù)據(jù)的回放結(jié)合上，還有提升擴展的空間，在其它回放形式的展示上，如回放角度的選擇、按信息分類回放等還可以進一步研究。

圖4　普通回放數(shù)據(jù)和特效回放數(shù)據(jù)展示Fig.4　Display of Common Data and Special Data Replay

圖5　事件數(shù)據(jù)回放效果展示Fig.5　Display of Event Data Replay

[1] 蔡志浩, 彭曉源. 基于地理信息系統(tǒng)的虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢顯示[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2003, 15(7): 983-985.

[2] 葛文斌, 王軍鵬, 賈樂朋. 聯(lián)合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)中事后分析系統(tǒng)軍事需求分析[J]. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2009, 20(5): 15-18.

[3] Thomas W Mastaglio, Phillip Jones, James P Bliss, Elizabeth Newlon. An Integrated Theory for After Action Review[A], 2007.

[4] 李艷, 黃柯棣. 分布式戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2008, 20(增刊1): 316-318.

[5] [5] 胡曉峰, 司光亞, 羅批, 等. 戰(zhàn)爭復(fù)雜系統(tǒng)與戰(zhàn)爭模擬研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2005, 17(11): 2769-2774.

[6] 李虎. 基于Skyline的態(tài)勢拖放中一種減少軌跡變化延時方法研究[J]. 軟件, 2012, 33(7): 89-90.

[7] 雷祥, 張少華, 任凌云等. D-P算法的改進及其在飛行軌跡回放中的應(yīng)用[J]. 軟件, 2012, 33(9):1 49-152.

[8] 吳蕾, 柳少軍, 唐宇波, 景民. 大型模擬對抗演習(xí)回放系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[E]. 指揮控制與仿真, 2012, 34(1): 1673-3819.

[9] 雷祥, 黃安祥, 李勁松, 馮曉文. 基于skyline的空戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)三維可視化回放研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2013, 08(8): 1881-1885.

[10] 胡曉峰, 司光亞吳琳. 戰(zhàn)爭模擬原理與系統(tǒng)[M]. 北京: 國防大學(xué)出版社, 2009.

[11] 景民, 胡曉峰, 吳琳, 唐玉波, 韓志軍. 面向態(tài)勢回放的兩種海量數(shù)據(jù)采集存儲結(jié)構(gòu)分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2012, 24(5).

[12] 楊曉波, 張龍輝, 龐雙雙.直接選擇排序可視化設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件, 2013, 34(9): 17-19.

Design and Implementation of different Display Styles for Situation Replay

MENG Fan-yue, NIE Ying
(Geographic information and graphics technology research Center, North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

The situation replay is an important part of the drill simulation system, which can assist the players to execute warfare analysis and evaluating. The existing situation replay system can simply display the trajectory of the target participating the drill by time series, with the performance flat and the visual effect not obvious. Aimed at these characters, this paper put forward the viewpoint that distinguished the situation replay data according to logic, also designed and implemented to display the situation replay data as common data、incident data and special data in three ways. The experiment showed that the system performed well and efficiently. It can satisfy the requirement of replay after the simulation drill.

Situation; Replay; Trajectory; Time series; Special data

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.022

孟凡躍(1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：計算機圖形應(yīng)用；聶穎，女，研究員級高級工程師，主要研究方向：計算機圖形圖像處理與應(yīng)用技術(shù)。