王曉萍，劉克敏，尤 靜，楊成浩，馮培倫

（1.北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，南京 211153；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；3.駐太原地區(qū)第二軍代室，太原 030006）

0 引言

當(dāng)前，由于安全經(jīng)濟(jì)、可控、可重復(fù)、不受氣候條件和場地空間限制、訓(xùn)練周期短、訓(xùn)練質(zhì)量有保證等特點(diǎn)，已經(jīng)越來越受到世界各軍事強(qiáng)國的高度重視，在世界各國均得到了廣泛推廣［1-2］。并且模擬訓(xùn)練已經(jīng)逐步貫穿到武器操作、單兵演練、戰(zhàn)術(shù)演練等各種訓(xùn)練模式之中［3-4］。有資料顯示，美軍坦克飛機(jī)模擬訓(xùn)練費(fèi)用僅為實戰(zhàn)武器訓(xùn)練費(fèi)的10%～12%［5-6］。

三維視景仿真是模擬訓(xùn)練的重要組成部分。綜合利用計算機(jī)三維建模技術(shù)、三維實時渲染技術(shù)和多媒體技術(shù)，實現(xiàn)對作戰(zhàn)地區(qū)地形、地物等自然地理環(huán)境和部隊作戰(zhàn)行動及效果進(jìn)行三維虛擬化顯示，可以營造逼真的虛擬戰(zhàn)場，從而滿足操作人員與戰(zhàn)場環(huán)境之間的信息交互。美軍已把戰(zhàn)場可視化作為作戰(zhàn)指揮的關(guān)鍵要素。目前我國在三維視景可視化仿真領(lǐng)域也取得了長足發(fā)展［7-13］?；趩误w訓(xùn)練和聯(lián)合訓(xùn)練的三維視景均發(fā)展的如火如荼，不過既能支持單體、又能支持聯(lián)合的多層級模擬訓(xùn)練三維視景系統(tǒng)還比較少。

本文的三維視景仿真系統(tǒng)主要用于與實裝武器系統(tǒng)同步的、專門用于室內(nèi)訓(xùn)練的營級半實物仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)［14-16］。既可以進(jìn)行測距機(jī)和某炮的單體訓(xùn)練，也可以接收控制臺命令，通過三維視景模擬營級18 門炮和測距機(jī)進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練，也可以支持單體訓(xùn)練與聯(lián)合訓(xùn)練的無縫切換，真正做到一套系統(tǒng)同時應(yīng)用在多層級模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上。

1 三維視景系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 主要功能

三維視景系統(tǒng)主要有大屏幕視景、便攜式觀察所的激光測距機(jī)視景和某炮模擬器上的周視瞄準(zhǔn)鏡視景［17-20］。大屏幕視景既可以漫游、統(tǒng)觀模擬訓(xùn)練全局，又可以切換到任一視景，也可通過畫中畫方式同時觀察全局與局部細(xì)節(jié)；測距機(jī)視景和周視瞄準(zhǔn)鏡視景分別運(yùn)行在測距機(jī)和炮等半實物仿真模擬器上。當(dāng)操作半實物仿真模擬器時，三維視景顯示也隨著操作而作出相應(yīng)變化，具有逼真效果。

三維視景支持綜合訓(xùn)練和單體訓(xùn)練兩種模式，綜合訓(xùn)練優(yōu)先級較高，當(dāng)收到綜合訓(xùn)練命令時，可自動從單體訓(xùn)練切換到綜合訓(xùn)練。其主要功能見圖1 所示。

圖1 三維視景功能組成圖

1）訓(xùn)練環(huán)境模擬功能：實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境的構(gòu)建和渲染，包括地理、氣象、武器裝備以及榴彈、煙幕彈、照明彈等爆炸特效的效果模擬。

2）想定設(shè)置功能：根據(jù)接收到的想定ID，將想定中的信息加載到三維視景平臺中，包括地形、氣象以及訓(xùn)練部署設(shè)置。其中，地形包括地貌、地物、河流、植被等；氣象主要包括晴、陰、雨，雪，云（云量、云底高），風(fēng)（風(fēng)、風(fēng)向），能見度；訓(xùn)練部署主要包括觀測點(diǎn)設(shè)置、敵我武器裝備設(shè)置。

3）輔助顯示及計算功能：實現(xiàn)訓(xùn)練過程所需的各種參數(shù)支持及顯示，包括炸點(diǎn)與目標(biāo)的碰撞檢測、目標(biāo)受到不同程度攻擊時的多級毀傷模擬、周視景倍率放大畫面模擬等。

1.2 體系架構(gòu)

三維視景系統(tǒng)按照“平臺設(shè)計一體化、功能構(gòu)建模塊化、建模信息資源化”的設(shè)計理念，采用平臺層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層三層體系架構(gòu)，將資源、內(nèi)核和功能組件分離。

平臺層為三維視景仿真平臺，是仿真資源的管控中心，是模擬仿真技術(shù)的載體和功能的容器，可以快速構(gòu)建專業(yè)仿真系統(tǒng)；數(shù)據(jù)層為視景系統(tǒng)提供戰(zhàn)場地形、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、想定數(shù)據(jù)，以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄等數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用層利用平臺資源和數(shù)據(jù)，完成訓(xùn)練環(huán)境模擬、想定設(shè)置、輔助顯示及計算等功能，用三維視景展示出來。其架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三維視景體系架構(gòu)示意圖

三維視景采用C/S 結(jié)構(gòu)。通過視景客戶端連接不同視景服務(wù)器來支持單體或聯(lián)合訓(xùn)練。默認(rèn)情況下，三維視景系統(tǒng)各個視景客戶端連接對應(yīng)的分控臺視景服務(wù)器，分控臺視景服務(wù)器連接總控臺視景服務(wù)器；當(dāng)為單體訓(xùn)練時，分控臺視景服務(wù)器接收分控臺控制軟件命令，總控臺視景服務(wù)器不做任何操作；當(dāng)為聯(lián)合訓(xùn)練時，分控臺視景服務(wù)器接收總控臺視景命令并發(fā)送給分控臺視景客戶端，使其斷開與分控臺視景服務(wù)器的連接，而直接連上總控臺視景服務(wù)器。

1.3 運(yùn)行流程

在訓(xùn)練準(zhǔn)備階段，首先在二維地圖上進(jìn)行想定編輯，即設(shè)置訓(xùn)練的地理位置、氣象、觀測點(diǎn)位置/朝向設(shè)置、各火炮類型/位置/方向設(shè)置、各目標(biāo)位置/移動路線/速度設(shè)置等信息，將想定ID 發(fā)送給視景軟件，視景系統(tǒng)接收到想定ID 后讀取想定數(shù)據(jù)并解析，根據(jù)想定數(shù)據(jù)初始化系統(tǒng)。

訓(xùn)練過程中，三維視景實時接收測距機(jī)的姿態(tài)和角度消息，根據(jù)測量參數(shù)在激光測距機(jī)上顯示測量畫面，同時把測量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺軟件；當(dāng)接收到武器發(fā)射指令后，在三維視景中創(chuàng)建相應(yīng)炮彈，根據(jù)炮彈彈道參數(shù)，以平滑差值方式控制炮彈在視景中飛行。三維視景在場景中對炮彈飛行軌跡上的碰撞狀態(tài)進(jìn)行檢測，如果碰撞到物體（目標(biāo)/地面/水面等），則播放爆炸特效，并根據(jù)炮彈的殺傷能力計算其攻擊半徑內(nèi)目標(biāo)的毀傷程度，同時將爆炸結(jié)果反饋給控制臺軟件。

同時，三維視景實時接收過程控制指令（暫停、繼續(xù)、終止等），控制訓(xùn)練進(jìn)度。

2 主要功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 訓(xùn)練環(huán)境模擬

訓(xùn)練環(huán)境模擬主要負(fù)責(zé)三維虛擬環(huán)境的構(gòu)建和渲染，包括地理、氣象、目標(biāo)和戰(zhàn)場特效等效果模擬。

1）地理環(huán)境模擬用來構(gòu)建訓(xùn)練區(qū)域的三維地理環(huán)境。采用基于真實的高程、位片等地形數(shù)據(jù)對訓(xùn)練區(qū)域進(jìn)行建模。重點(diǎn)區(qū)域?qū)χ脖?、建筑和水文進(jìn)行獨(dú)立建模，逼真地展示訓(xùn)練區(qū)域地形地貌。

2）復(fù)雜氣象模擬用來構(gòu)建訓(xùn)練區(qū)域的復(fù)雜氣象環(huán)境，包括24 h 變換、云、雨、雪、霧等效果。使用動態(tài)光照技術(shù)，對24 h 不同時刻的氣象環(huán)境效果進(jìn)行模擬；使用粒子系統(tǒng)［7］來模擬雨、雪等效果。

3）攻擊目標(biāo)模擬：根據(jù)目標(biāo)的實際尺寸和照片對攻擊目標(biāo)進(jìn)行建模模擬，以逼真地反映目標(biāo)的外觀特性。

4）戰(zhàn)場特效模擬：主要實現(xiàn)炮彈爆炸、目標(biāo)著火等視覺特效以及炮彈發(fā)射、爆炸等聽覺特效，在整個仿真過程中給人以視覺和聽覺的震撼，提高仿真的逼真程度。

2.2 訓(xùn)練想定設(shè)置

訓(xùn)練想定設(shè)置功能根據(jù)接收到的想定設(shè)置參數(shù)，對場景顯示以及訓(xùn)練部署進(jìn)行設(shè)置。具體包括氣象設(shè)置、觀測點(diǎn)設(shè)置和目標(biāo)設(shè)置。

其處理流程見圖3 所示。

2.3 輔助顯示及計算

圖3 想定加載處理流程圖

輔助顯示及計算主要實現(xiàn)火炮測量發(fā)射所需的各種參數(shù)支持及顯示。包括炸點(diǎn)碰撞檢測、毀傷計算、多級毀傷模擬和觀測畫面模擬。

炸點(diǎn)碰撞檢測根據(jù)炮彈當(dāng)前位置及下一個位置，通過射線檢測是否和物體表面有交互，從而形成碰撞。毀傷計算則是根據(jù)彈藥類型、彈著點(diǎn)、毀傷半徑及殺傷值等來進(jìn)行綜合解算。

其處理流程見下頁圖4。

其毀傷計算部分源碼如下：

圖4 碰撞檢測及毀傷計算處理流程圖

多級毀傷模擬主要實現(xiàn)裝備被受到不同程度攻擊時多級毀傷的效果。系統(tǒng)預(yù)置3 級毀傷狀態(tài)，即完好、受傷、摧毀3 種狀態(tài)訓(xùn)練模式支持。如圖5所示。

大屏幕視景通過畫中畫，既可以統(tǒng)觀全局，又可以同時查看重點(diǎn)區(qū)域的情況。如圖6 所示。

圖5 目標(biāo)多級毀傷示意圖

圖6 大屏幕視景效果

三維視景采用國內(nèi)自主三維視景平臺，在Win7 64 位操作系統(tǒng)上，基于VisualStudio2012 進(jìn)行視景軟件開發(fā)。通過TCP/IP 傳輸控制臺與視景服務(wù)器之間的監(jiān)控信息，以及多臺視景計算機(jī)之間的同步信息。

在三維視景中，通過init（）進(jìn)行視景初始化，每幀調(diào)用update（）函數(shù)來更新顯示的畫面。

2.4 單體、聯(lián)合訓(xùn)練支持

默認(rèn)情況下，三維視景系統(tǒng)為單體訓(xùn)練，即各個視景客戶端默認(rèn)連接對應(yīng)的分控臺視景服務(wù)器，分控臺視景服務(wù)器連接總控臺視景服務(wù)器，如圖7所示。

圖7 三維視景初始連接圖

單體訓(xùn)練時，各分控臺視景服務(wù)器負(fù)責(zé)與其他軟件進(jìn)行交互，從對應(yīng)分控臺導(dǎo)調(diào)軟件獲取指令信息，分控臺視景客戶端連接視景服務(wù)器，進(jìn)行視景顯示。

當(dāng)需要聯(lián)合訓(xùn)練時，總控臺視景服務(wù)器將收到的聯(lián)合訓(xùn)練消息轉(zhuǎn)發(fā)給分控臺的視景服務(wù)器，分控臺視景服務(wù)器再將其轉(zhuǎn)發(fā)給分控臺視景客戶端。分控臺視景客戶端接收到聯(lián)合訓(xùn)練消息后，斷開與分控臺視景服務(wù)器的連接，接入總控臺視景服務(wù)器，進(jìn)入到聯(lián)合訓(xùn)練模式。此時系統(tǒng)連接狀態(tài)如圖8所示：

圖8 聯(lián)合訓(xùn)練初始化完畢連接圖

在聯(lián)合訓(xùn)練過程中，分控臺服務(wù)器不需要接收任何訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)。訓(xùn)練結(jié)束后，分控臺視景顯示模塊斷開和總控臺視景服務(wù)器的連接，并自動恢復(fù)與該分控臺視景服務(wù)器的連接，將系統(tǒng)連接恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合模擬訓(xùn)練需求，對三維視景的主要功能進(jìn)行了說明，并分別從其體系架構(gòu)和運(yùn)行流程上進(jìn)行了闡述；然后對環(huán)境模擬、想定加載和輔助顯示及計算等功能的流程設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述；最后對其支持聯(lián)合、單體訓(xùn)練的解決方案進(jìn)行了重點(diǎn)說明。

該系統(tǒng)已研發(fā)成功，測距機(jī)視景、瞄準(zhǔn)鏡視景和便攜式觀察所、自走炮等半實物模擬器相結(jié)合，擁有同實裝一樣的外形特點(diǎn)、一樣的訓(xùn)練步驟、不受天候和地理環(huán)境影響，在靜態(tài)環(huán)境下可模擬動態(tài)操作訓(xùn)練，三維視景逼真，可真實再現(xiàn)戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境，沉浸感強(qiáng)；可在單體、聯(lián)合訓(xùn)練間自由切換。使用該系統(tǒng)，在單體訓(xùn)練下可快速有效地提高火炮操作手和便攜觀察手的操作能力，在聯(lián)合訓(xùn)練下，可有效提高指揮、測距機(jī)和火炮的整體協(xié)作能力，為滿足部隊不同規(guī)模、不同層級訓(xùn)練需求提供支持。同時，該系統(tǒng)可大大節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、提高訓(xùn)練安全性，為部隊訓(xùn)練提供了安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、高效的技術(shù)手段，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。