陳昊 趙斐

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

1 引言

未來戰(zhàn)爭已經(jīng)朝著信息化方向不斷推進，如何獲取信息優(yōu)勢已經(jīng)成為制勝關(guān)鍵。各國大力發(fā)展的天基、空基、陸基、海上及水下態(tài)勢感知技術(shù)空前發(fā)展，各類偵察、探測、遙感技術(shù)獲取海量戰(zhàn)場信息，形成了察覺戰(zhàn)場態(tài)勢的基礎(chǔ)，但如何對海量戰(zhàn)場信息進行處理、分析，準(zhǔn)確進行態(tài)勢估計和預(yù)測，為作戰(zhàn)指揮決策和執(zhí)行提供支持，成為亟待解決的問題。戰(zhàn)場態(tài)勢可視化是可視化技術(shù)的重要應(yīng)用，通過對作戰(zhàn)對象的幾何特征和拓?fù)潢P(guān)系的展現(xiàn)，復(fù)雜戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)易于理解，以直觀方式展示大量戰(zhàn)場信息分析的結(jié)果。

2 態(tài)勢可視化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

戰(zhàn)場態(tài)勢可視化得到了軍事大國的重視，已被廣泛用于作戰(zhàn)態(tài)勢指揮顯示、聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃、數(shù)字戰(zhàn)例分析、作戰(zhàn)模擬推演、協(xié)同對抗模式演練等領(lǐng)域。

2.1 國外態(tài)勢可視化發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代中期，美軍便提出了虛擬戰(zhàn)場可視化。近年來，美國海軍研究所和美國海運聯(lián)合體聯(lián)合資助的Dragon戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)[1]，以三維顯示的方式來展現(xiàn)戰(zhàn)場空間，通過移動終端設(shè)備獲取戰(zhàn)場各個軍隊作戰(zhàn)信息，加強了對戰(zhàn)場信息的查詢分析能力以及戰(zhàn)場態(tài)勢顯示能力。

2.2 國內(nèi)態(tài)勢可視化現(xiàn)狀及存在的問題

國內(nèi)的可視化系統(tǒng)主要包括信息工程大學(xué)的二三維顯示系統(tǒng)[2]，北京航空航天大學(xué)基于GIS的虛擬二三維戰(zhàn)場態(tài)勢。這些系統(tǒng)各有特點，一定程度上滿足了對作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)二三維顯示的要求，部分系統(tǒng)充分考慮系統(tǒng)的分布式和通用性，采用基于HLA的模擬仿真標(biāo)準(zhǔn)框架。但隨著態(tài)勢可視化系統(tǒng)的發(fā)展，已有系統(tǒng)暴露出缺陷：一是系統(tǒng)對平臺高度依賴，導(dǎo)致信息態(tài)勢共享、協(xié)同性低。二是系統(tǒng)二三維度的聯(lián)動和融合程度不高，難以在統(tǒng)一界面實現(xiàn)多層次不同維度的靈活切換。

鑒于當(dāng)前國內(nèi)態(tài)勢可視化系統(tǒng)存在的不足，本文設(shè)計了基于WebGL的二維三維融合戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)，提出了多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、二三維軍標(biāo)一體化表達、基于WebGL的顯示引擎技術(shù)，實現(xiàn)了多種態(tài)勢信息綜合顯示和戰(zhàn)場態(tài)勢空間分析功能。

3 基于WebGL的二維三維融合態(tài)勢可視化設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)通過C/S架構(gòu)轉(zhuǎn)向Web應(yīng)用，從而具備跨平臺、可移植特性，實現(xiàn)態(tài)勢信息的高效協(xié)同共享。在可視化技術(shù)選擇上，基于HTML5以及WebGL的顯示技術(shù)組合，以插件、硬件加速的方式，為逼真的態(tài)勢顯示、豐富的人機交互提供更好的體驗，本文以WebGL技術(shù)為基礎(chǔ)，為態(tài)勢的可視化提供更好的技術(shù)支撐。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的基于WebGL的二三維態(tài)勢融合可視化系統(tǒng)框架自底向上分為三個層次：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層對多源數(shù)據(jù)一體化封裝，為態(tài)勢融合應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐；業(yè)務(wù)層是二三維一體化態(tài)勢融合展示的核心，是整個系統(tǒng)的服務(wù)器端，對底層數(shù)據(jù)進行組織管理，為客戶端提供高效的數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)處理，為二三維一體化服務(wù)提供支撐；表現(xiàn)層由基于WebGL的二三維一體化顯示引擎和多個功能模塊組成，放置在Web端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)度與訪問、二三維場景加載與交互，并提供二三維態(tài)勢融合顯示、態(tài)勢交互、態(tài)勢空間分析及人工標(biāo)繪的人機接口?；赪ebGL的二三維融合態(tài)勢可視化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于WebGL的二三維融合態(tài)勢可視化系統(tǒng)架構(gòu)

4 基于WebGL的二維三維融合態(tài)勢可視化關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理技術(shù)

隨著作戰(zhàn)力量的多元化發(fā)展，戰(zhàn)場數(shù)據(jù)來源也是多樣化和異構(gòu)的，因此，必須對原始的態(tài)勢數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和處理，生成統(tǒng)一的面向Web的輕量級數(shù)據(jù)格式。本文選擇一種通用數(shù)據(jù)格式，將多源、異構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，并兼顧數(shù)據(jù)在瀏覽器上的可視化效率。針對二維態(tài)勢數(shù)據(jù)，提供OGC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口；針對三維模型數(shù)據(jù)，選用glTF標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式[3]。glTF參照J(rèn)SON表達方式，基于JavaScript對象表示法進行定義，是面向WebGL、OpenGL ES以及OpenGL接口的傳輸格式，為Web3D 資源提供一種輕便、可重復(fù)使用的共存標(biāo)準(zhǔn)，以及統(tǒng)一的資源存儲庫和檔案庫。glTF數(shù)據(jù)模型不但能夠表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型和空間關(guān)系，還可以在Web上高效傳輸和解析，通過WebGL顯卡能夠直接加載該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.2 二三維軍標(biāo)一體化表達技術(shù)

二維軍標(biāo)技術(shù)可以通過GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）實時生成，并保存在二維軍標(biāo)庫。標(biāo)繪時直接在二維地圖上進行人工標(biāo)繪和編輯?；趹B(tài)勢三維可視化需求，三維軍標(biāo)的創(chuàng)建和標(biāo)繪技術(shù)應(yīng)加以研究并更好地實現(xiàn)。本文提出一種一體化表達技術(shù)，可實現(xiàn)二三維軍標(biāo)的一體化創(chuàng)建和標(biāo)繪。針對規(guī)則軍標(biāo)和不規(guī)則軍標(biāo)，直接通過二維軍標(biāo)快速實時生成對應(yīng)的三維軍標(biāo)，同時在態(tài)勢標(biāo)繪時，解決二三維軍標(biāo)的一體化可視化；通過計算，降低三維軍標(biāo)生成的難度，并建立部分二三維軍標(biāo)間的對應(yīng)聯(lián)系。

由基本的圖元（點、線等）構(gòu)成的規(guī)則軍標(biāo)，在三維場景中的三維效果通常不會隨著地形等因素改變，生成與標(biāo)繪三維軍標(biāo)的具體過程相對簡單。先對GDI實時生成的二維軍標(biāo)圖像進行斜面與浮雕算法處理，生成具有三維軍標(biāo)效果的圖像，存儲在三維軍標(biāo)庫中。斜面與浮雕算法是通過模擬光源產(chǎn)生的三維效果而對圖像進行亮度變化處理的一種圖像處理方法。在進行態(tài)勢標(biāo)繪時，采用公告板（billboard）技術(shù)實現(xiàn)三維規(guī)則軍標(biāo)在三維場景的標(biāo)繪，即在三維態(tài)勢場景中，選定特定的空間位置和方向，放置一個公告板，這個公告板是一個共面四邊形，將上述三維軍標(biāo)以紋理的形式貼附到四邊形上，使得該三維標(biāo)繪始終面向觀察點的位置，給用戶一致的視覺顯示。

基于線狀和面狀的不規(guī)則軍標(biāo)，通過在二維軍標(biāo)上增加一個高程維度，使之成為三維圖形。具體實現(xiàn)采用面三角剖分算法生成三維動態(tài)軍標(biāo)的形狀底面，再對生成的平面軍標(biāo)添加高程以生成三維動態(tài)軍標(biāo)，最后利用WebGL在三維場景中進行標(biāo)繪。在使用三維不規(guī)則軍標(biāo)進行態(tài)勢標(biāo)繪時，要考慮軍標(biāo)與地形的關(guān)系。例如，在跨越一片山脈的區(qū)域標(biāo)繪一個雙線箭標(biāo)，軍標(biāo)也隨著地形起伏，這需要根據(jù)軍標(biāo)和地形的關(guān)系對軍標(biāo)的高程信息進行控制，從而形成軍標(biāo)浮于地形表面、隨地形起伏的效果。

4.3 基于WebGL的顯示引擎技術(shù)

本文設(shè)計了一個基于WebGL和HTML5協(xié)同的Web端可視化框架，采取異步資源獲取的方式，實現(xiàn)跨平臺顯示的需求，提升系統(tǒng)的平臺適應(yīng)性和靈活性，具備實現(xiàn)更多二維三維應(yīng)用的擴展?jié)摿Α?/p>

（1）基于WebGL的Web端可視化框架

基于WebGL的Web端可視化框架如圖2所示，主要包含幾個模塊，實現(xiàn)對二三維態(tài)勢融合顯示、空間分析和人機交互等應(yīng)用的支持。

高速資源加載模塊：采用AJAX技術(shù)實現(xiàn)異步資源加載，極大地縮小資源的加載容量。在服務(wù)器端訪問數(shù)據(jù)庫后，計算頂點信息，將其轉(zhuǎn)換為glTF格式。

通用處理模塊：通用處理提供系統(tǒng)調(diào)試、分析和跨瀏覽器運行的實用程序，包括瀏覽器兼容性和用戶行為等常規(guī)檢測，為系統(tǒng)各應(yīng)用模塊在瀏覽器端執(zhí)行提供數(shù)學(xué)庫輔助，如提供向量和矩陣執(zhí)行運算等支持。

用戶界面：對瀏覽器端可能的事件和事件處理封裝，提供良好的I/O和人工交互接口，嵌入了GUI組件提供無縫切換的用戶界面。

圖2 基于WebGL的跨平臺Web端可視化框架

（2）WebGL可視化渲染過程

WebGL是Web端可視化框架的核心[4]，基于OpenGL ES 2.0，提供3D圖形的API，能夠搭建在基于瀏覽引擎的環(huán)境上，代碼作用于HTML5的元素，依靠瀏覽器解析，實現(xiàn)圖像繪制并渲染。WebGL可視化渲染過程如圖3所示。

圖3 WebGL二三維圖形繪制流程

數(shù)據(jù)預(yù)處理：對各種數(shù)據(jù)進行簡單處理，包括對幾何模型進行格式轉(zhuǎn)換，將模型轉(zhuǎn)換為圖形庫所能接受的原始圖元格式；對圖片以及視頻等進行預(yù)處理。

參數(shù)設(shè)置：二三維場景數(shù)據(jù)在發(fā)送到渲染模塊完成渲染前，對場景進行簡單設(shè)置，包括物體紋理特性、攝像機位置、視點方向、光照屬性等。

紋理映射：指定義和應(yīng)用紋理的方式，為了使二三維場景更具真實感，給模型進行貼圖。

模型構(gòu)造：通過二三維API接口提供的相關(guān)函數(shù)方法，將物體模型構(gòu)建成對應(yīng)的幾何模型。

投影變換：將圖形從三維轉(zhuǎn)換為二維表示，用投影的方法降低三維圖形的維數(shù)。

視口變換：視口在屏幕上是一個矩形區(qū)域。由于計算機顯示屏是二維顯示的，所以需要視口變換，將處在三維坐標(biāo)系的物體轉(zhuǎn)換為適用于二維顯示的坐標(biāo)系中，方便用戶通過顯示屏將物體顯示出來。

5 試驗驗證

5.1 系統(tǒng)軟件環(huán)境搭建

基于本文提出的建模方法，在Windows+Apache+MySQL+PHP環(huán)境下，應(yīng)用HTML5+WebGL技術(shù)對試驗系統(tǒng)進行研發(fā)，并利用實測數(shù)據(jù)進行應(yīng)用驗證。由于WebGL只包含底層函數(shù)，直接使用WebGL進行開發(fā)過于繁瑣，因此采用基于WebGL的地圖引擎Cesium實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)場態(tài)勢可視化。Cesium是一個基于JavaScript編寫的使用WebGL的地圖引擎的開源框架[5]，支持3D、2.5D、2D形式的地圖展示，可以自行繪制圖形，高亮區(qū)域，提供良好的觸摸支持，且支持絕大多數(shù)的瀏覽器和移動端框架。

5.2 二三維戰(zhàn)場環(huán)境可視化

戰(zhàn)場環(huán)境通常用二維地圖或三維地形場景來表達，二三維戰(zhàn)場環(huán)境可視化基于WebGL實現(xiàn)二維地圖可視化和三維地形場景可視化。Cesium提供了多種ImageryProvider用于實現(xiàn)二維地圖的加載，可以用WebMapServiceImageryProvider和WebMapTileServiceImageryProvider兩個類實現(xiàn)WMS地圖和WMTS地圖的加載。在Cesium中，地形和影像的處理不同，默認(rèn)是影像覆蓋在地形上，任何影像的provider都可以在任何地形的provider上使用。使用CesiumTerrainProvider類實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)的加載，也可模擬光照、積雪、水流等真實環(huán)境。實現(xiàn)二三維戰(zhàn)場環(huán)境可視化效果如圖4所示。

（1）二三維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化

二三維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化通過軍標(biāo)符號來實時表達戰(zhàn)場的二三維態(tài)勢，也就是說二維態(tài)勢用二維軍標(biāo)來表達，三維態(tài)勢用三維軍標(biāo)來表達。

Cesium提供Entity API來繪制空間數(shù)據(jù)，例如點、標(biāo)記、標(biāo)簽、線、3D模型、形狀。Cesium提供兩類API：一是面向圖形開發(fā)人員的底層API，即“Primitive API”。二是高級別的數(shù)據(jù)驅(qū)動API，即“Entity API”。該API使用一致性設(shè)計的、高級別的對象管理一組相關(guān)性的可視化對象，其底層使用Primitive API。繪制不同類型的三維軍標(biāo)符號可用viewer.entities.add（）來實現(xiàn)。實現(xiàn)的二三維態(tài)勢如圖5所示。

圖4 二三維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化效果

圖5 二三維態(tài)勢可視化

（2）二三維態(tài)勢空間分析

二三維態(tài)勢空間分析實現(xiàn)剖面分析、通視分析、緩沖區(qū)分析等功能。在三維地形上繪制一條進行剖面分析的線路，繪制完成自動彈出默認(rèn)采樣間距的分析剖面示意圖。舉例說明剖面分析的實現(xiàn)流程：

①實現(xiàn)鼠標(biāo)點擊操作兩次，記錄獲取到的兩點坐標(biāo)，確定要進行剖面分析的線段。通過viewer.scene.pickPosition（click.position），獲取坐標(biāo)。②對獲取的線段做插值，取樣獲取線段上100個點的坐標(biāo)。③將取樣點坐標(biāo)存入數(shù)組array[]后，遍歷取出數(shù)組中各點坐標(biāo)，根據(jù)當(dāng)前點經(jīng)緯度坐標(biāo)求得3DTilset在該坐標(biāo)下的點位高度。④根據(jù)獲取的X、Y、Z三個坐標(biāo)繪制剖面圖。剖面分析示意圖如圖6所示。

圖6 X、Y、Z三個坐標(biāo)繪制剖面圖

6 結(jié)論

現(xiàn)代戰(zhàn)爭正朝著陸、海、空、天、電全維聯(lián)合，信息化方向快速發(fā)展，戰(zhàn)場態(tài)勢空前復(fù)雜。態(tài)勢可視化技術(shù)將復(fù)雜的戰(zhàn)場態(tài)勢以直觀方式予以呈現(xiàn)，為戰(zhàn)場態(tài)勢感知與作戰(zhàn)指揮提供支持，是未來聯(lián)合作戰(zhàn)的重要一環(huán)。本文論述了當(dāng)前國內(nèi)外戰(zhàn)場態(tài)勢可視化相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析當(dāng)前存在的問題，提出了一種基于WebGL的二維三維融合態(tài)勢可視化技術(shù)，以提升戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)的平臺適應(yīng)性和二三維視覺間的聯(lián)動性，并構(gòu)建原型系統(tǒng)進行驗證和測試。