陽(yáng)燁涵,解文彬
(中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院,南京210000)
全過(guò)程作戰(zhàn)三維仿真涉及很多因素:除了地形,模型及附屬設(shè)施之外,觀察角度、任意時(shí)間推進(jìn)、氣象模擬、模型與實(shí)體真實(shí)比例建模縮放、能見(jiàn)度模擬等都是難點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要解決以下問(wèn)題:①作戰(zhàn)區(qū)域的三維地形構(gòu)建,我們采用Skyline TerraBuilder將航片、衛(wèi)星影像與地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)相疊加,再將多種不同分辨率數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)變換和剪裁,構(gòu)建出支持Skyline的mpt格式的場(chǎng)景文件。②作戰(zhàn)模擬環(huán)境和實(shí)體的仿真的可信度和逼真度需求,只有提高模型與環(huán)境的分辨率和真實(shí)度,才能減小模擬仿真時(shí)技術(shù)問(wèn)題帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)與模擬作戰(zhàn)環(huán)境的差別。實(shí)現(xiàn)上述功能需求,主要面臨著以下三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題:①構(gòu)建高分辨率的作戰(zhàn)模擬仿真地形,排除環(huán)境干擾,貼合真實(shí)作戰(zhàn)行動(dòng)。②作戰(zhàn)仿真行動(dòng)的3D模型制作逼真程度,以及對(duì)模型的渲染,營(yíng)房大地的貼畫(huà)。③對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的排列,速度加速度的調(diào)整,模型比例的分配。
Skyline可以利用二三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場(chǎng)景。TerraBuilder地形建立產(chǎn)品從圖像和高程數(shù)據(jù)中創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建出支持Skyline的mpt格式的場(chǎng)景文件,同時(shí)使用軟件VirtuoZo 2014,利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測(cè)量作業(yè),創(chuàng)建出如同真實(shí)照片般的地理精準(zhǔn)的三維地球模型。通過(guò)疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù),迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)集,并提供給TerraExplorer客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)層和其他內(nèi)容的疊加。TerroExplorer Pro用戶可以根據(jù)需求,實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、位置移動(dòng)以及屬性改變以及TerraBuilder產(chǎn)生的地形文件基礎(chǔ)上,通過(guò)創(chuàng)建編輯二三維圖形圖標(biāo)、文字、三維模型、動(dòng)態(tài)物體、瀏覽路徑、業(yè)務(wù)矢量等構(gòu)建三維場(chǎng)景。同時(shí)通過(guò)TerraExplorer家族產(chǎn)品,用戶能夠進(jìn)行空間分析、對(duì)象編輯、圖層疊加等操作,還可以通過(guò)API進(jìn)行用戶化定制,快速創(chuàng)建用戶所需的三維GIS系統(tǒng)。3ds Max軟件可生成專業(yè)品質(zhì)的三維動(dòng)畫(huà)、渲染和模型?;?ds max平臺(tái)創(chuàng)建了以.3DS格式的武器裝備模型,房屋模型,戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)模型如圖所示。再導(dǎo)入由Skyline創(chuàng)建的三維場(chǎng)景中,使用TerraBuilder進(jìn)行地勢(shì)的修改和重組,并添加了陰影效果使環(huán)境更加真實(shí)。TerraExplorer創(chuàng)建營(yíng)房與場(chǎng)地環(huán)境和迷彩大地的貼圖,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的作戰(zhàn)行動(dòng)可視化,這些數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了作戰(zhàn)行動(dòng)仿真的過(guò)程[1]。
圖2 在3ds Max中構(gòu)建與渲染的3D模型
基于互聯(lián)網(wǎng)的圖像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度普遍較低,難以滿足高精度地形模型的構(gòu)建。以谷歌影像為例,在主要城市,分辨率約為0.6 m,但在人口稀少的地區(qū),分辨率只有30 m左右;谷歌地球的數(shù)字高程模型為SRTM數(shù)據(jù),分辨率約為90 m。但軍事行動(dòng)仿真需要高精度分辨率的地理模型,為了使仿真環(huán)境與物理模型的分辨率相匹配,圖像的分辨率必須大于0.5 m,數(shù)字高程模型的分辨率必須達(dá)到5 m。因此,使用軟件Virtuo?Zo 2014將航片、衛(wèi)星影像與地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)相疊加,再將多種不同分辨率數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)變換、和剪裁,構(gòu)建出航攝影像支持Skyline的多項(xiàng)加工樹(shù)模型(multino?mial processing tree models,MPT)格式的場(chǎng)景文件。將正射影像和數(shù)字高程模型導(dǎo)入渲染引擎,完成高精度地形模型構(gòu)建。
采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,使用軟件VirtuoZo 2014,VirtuoZo NT系統(tǒng)是全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)是基于Windows NT的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng),利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測(cè)量作業(yè)。由計(jì)算機(jī)視覺(jué)(其核心是影像匹配與影像識(shí)別)代替人眼的立體量測(cè)與識(shí)別,不再需要傳統(tǒng)的光機(jī)儀器。
圖3 使用VirtuoZo 2014創(chuàng)建的地形文件
圖4 采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理
圖5 支持Skyline的高精度地形模擬場(chǎng)景文件
以一次作戰(zhàn)分隊(duì)單元集合、轉(zhuǎn)移、發(fā)射并撤收的行動(dòng)仿真為例,以下圖片包含了一個(gè)軍隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)單元從集合至撤收的全部過(guò)程:圖6為作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在營(yíng)區(qū)集合,圖7為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移,圖8為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射,圖9為軍隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)分隊(duì)單元正在撤收。3D模型運(yùn)動(dòng)速度為30 km/h,加速度為20km/h,轉(zhuǎn)彎速度為90 km/h。同時(shí),現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變,圖10模擬了真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)時(shí)爆炸的情況下軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元的轉(zhuǎn)移;為真實(shí)地呈現(xiàn)出模擬惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的多變性,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng),圖11、圖12為仿真雨雪天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元的轉(zhuǎn)移。
圖1 在3ds Max中構(gòu)建的3D模型
圖6 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元集合準(zhǔn)備行動(dòng)的過(guò)程,模擬場(chǎng)景真實(shí)的展現(xiàn)了作戰(zhàn)分隊(duì)的編制以及營(yíng)區(qū)的真實(shí)場(chǎng)景。
圖6 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在營(yíng)區(qū)集合
圖7 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移的仿真過(guò)程,我們?cè)O(shè)定的路線為環(huán)繞發(fā)射場(chǎng)轉(zhuǎn)移。該仿真過(guò)程模擬了現(xiàn)實(shí)的速度與加速度,為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時(shí)間精度的估算有著重要的意義。
圖7 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在按照規(guī)定路線轉(zhuǎn)移
圖8 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射,可以看到發(fā)射車輛和裝置已經(jīng)到達(dá)指定地點(diǎn)準(zhǔn)備就緒,面朝發(fā)射場(chǎng)地,其余營(yíng)區(qū)的車輛和發(fā)射裝置以及操作人員在周圍待命。
圖8 作戰(zhàn)分隊(duì)單元準(zhǔn)備發(fā)射
圖9 為軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn)成功發(fā)射后撤收的過(guò)程,通過(guò)圖可知該圖的描述為所有作戰(zhàn)分隊(duì)單元在沒(méi)有特殊情況下(遭遇敵突然火力打擊或惡劣天氣自然災(zāi)害),按照原計(jì)劃原路撤收的過(guò)程,營(yíng)區(qū)其他裝備車輛和操作人員沒(méi)有接到緊急撤收的任務(wù)前原地待命。
圖9 軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元正在撤收
圖10 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收時(shí)遭遇敵火力打擊的緊急情況,轉(zhuǎn)移的作戰(zhàn)分隊(duì)單元改變?cè)?jì)劃?rùn)C(jī)動(dòng)至另一條路隱蔽觀察敵情,值班人員迅速在發(fā)射臺(tái)向上級(jí)匯報(bào)緊急情況請(qǐng)求指示,指揮人員下達(dá)戰(zhàn)備等級(jí)轉(zhuǎn)換任務(wù),營(yíng)區(qū)內(nèi)所有人員轉(zhuǎn)入一級(jí)戰(zhàn)備狀態(tài),檢查彈藥數(shù)量和火力剩余情況。其余兵力出動(dòng)掩護(hù)戰(zhàn)斗分隊(duì)安全轉(zhuǎn)移至指定地點(diǎn)。該情況同時(shí)適用于分隊(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)。
圖10 模擬戰(zhàn)斗時(shí)爆炸情況下作戰(zhàn)分隊(duì)單元的撤收
圖11 為作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收時(shí)遭遇惡劣天氣的影響,此圖模擬了西北風(fēng)8級(jí)時(shí)暴雪的場(chǎng)景,由于大部分車輛以及裝備在溫度急劇降低時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能故障或損壞,且積雪會(huì)導(dǎo)致輪胎打滑和車輛操作不穩(wěn),且暴雪天氣直接影響了車輛間的短波通信,因此應(yīng)立即觀察周圍情況是否危險(xiǎn),將作戰(zhàn)分隊(duì)行動(dòng)單元轉(zhuǎn)移至指定隱蔽地點(diǎn)并出動(dòng)第二分隊(duì)首車尾車一起撤收,分別警戒前后,防止自然災(zāi)害導(dǎo)致通信受阻視野模糊而被敵夾擊。該仿真模擬方案同時(shí)適用于作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移時(shí)。
圖11 在惡劣天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收行動(dòng)(雪)
圖12 為東北風(fēng)9級(jí)暴雨情況下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收過(guò)程,積雨會(huì)導(dǎo)致車輛性能不穩(wěn)以及輪胎打滑影響撤收進(jìn)程與速度等。暴雨惡劣天氣不同于暴雪,如果防護(hù)不妥當(dāng),會(huì)直接影響車輛駕駛的安全甚至營(yíng)區(qū)安全,突發(fā)此類情況應(yīng)迅速觀察周圍情況是否危險(xiǎn),派出人員進(jìn)行現(xiàn)地勘察,將戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)轉(zhuǎn)移至勘察過(guò)后的安全隱蔽的高點(diǎn),防止自然災(zāi)害導(dǎo)致通信受阻、車輛因暴雨而短路損壞。該仿真模擬方案同時(shí)適用于戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)。
圖12 在惡劣天氣下的軍隊(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元撤收行動(dòng)(雨)
本文針對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)仿真數(shù)據(jù)的特點(diǎn),使用3ds Max和VirtuoZo 2014構(gòu)建的MPT高精度場(chǎng)景文件,在基于skyline的平臺(tái)基礎(chǔ)上,利用提供的二次開(kāi)發(fā)接口,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣情況下的作戰(zhàn)集合、執(zhí)行發(fā)射任務(wù)、轉(zhuǎn)移、撤收等的研究,對(duì)于突發(fā)情況和自然災(zāi)害處置方案進(jìn)行完整全面的分析研究,實(shí)現(xiàn)了某分隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)全過(guò)程仿真,解決了信息仿真展示中遇到的問(wèn)題。可以對(duì)作戰(zhàn)分隊(duì)單元轉(zhuǎn)移與撤收的進(jìn)行成千上萬(wàn)次精準(zhǔn)推算,甚至對(duì)于部隊(duì)的精準(zhǔn)打擊時(shí)間,和聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)起到重要的作用,對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)規(guī)劃、戰(zhàn)斗部署計(jì)劃、突發(fā)情況和自然災(zāi)害的處置以及偽裝效果評(píng)價(jià)等均有著重要意義。