劉生學(xué)

虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是指海軍軍事領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬技術(shù)仿真出來(lái)的一種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。海軍部隊(duì)為提高作戰(zhàn)水平，需要進(jìn)行持續(xù)性的軍事訓(xùn)練，但實(shí)地訓(xùn)練存在人力財(cái)力耗費(fèi)大、周期長(zhǎng)、操作危險(xiǎn)等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，可應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)模擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)，以鍛煉海軍人員操作設(shè)備、演練戰(zhàn)技術(shù)等能力。虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)的目的在于使用戶(hù)如同“走上”真正的戰(zhàn)場(chǎng)，去身臨其境的感受硝煙彌漫和戰(zhàn)火紛飛。這個(gè)虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)需包含完整的作戰(zhàn)要素、作戰(zhàn)過(guò)程、戰(zhàn)場(chǎng)信息、自然環(huán)境等，最后通過(guò)仿真建模以達(dá)到良好交互性，從而提高虛擬戰(zhàn)場(chǎng)訓(xùn)練效果。

美國(guó)軍隊(duì)是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)上的第一位投資者，并且一直對(duì)此充滿(mǎn)熱情。早在1980年代中期至后期，美國(guó)陸軍開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了SIMNET系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，可以將每個(gè)主要武器得模擬器進(jìn)行相互聯(lián)網(wǎng)，并可以以小組為單位展開(kāi)訓(xùn)練。從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，美國(guó)軍方就基于SIMNET系統(tǒng)和當(dāng)時(shí)美國(guó)得工業(yè)制造領(lǐng)域就一同倡導(dǎo)并創(chuàng)建了一種DIS系統(tǒng)，具體表述為：反異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的分布式系統(tǒng)交互式仿真系統(tǒng)。后來(lái)美國(guó)陸軍在DIS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了各種服務(wù)的訓(xùn)練系統(tǒng)，并在1990年代后期明確提出了STOW系統(tǒng)，STOW系統(tǒng)適用于每一種協(xié)同演習(xí)和戰(zhàn)略演習(xí)的演習(xí)效果，培訓(xùn)科目和不同的指揮員，并能夠提高了對(duì)戰(zhàn)斗計(jì)劃發(fā)表評(píng)論的可能性；在此基礎(chǔ)上，英國(guó)軍隊(duì)陸續(xù)也開(kāi)發(fā)了用于戰(zhàn)爭(zhēng)演習(xí)的新一代仿真系統(tǒng)，例如WARSIlVI 2000，其在輔助設(shè)備設(shè)計(jì)、分部并行處理及應(yīng)用研究方面處于歐洲領(lǐng)先；歐洲還有德國(guó)、荷蘭、瑞典等也積極研發(fā)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)技術(shù)，德國(guó)將其用于新生產(chǎn)設(shè)備前提高人員操作水平；荷蘭的物理電子實(shí)驗(yàn)室在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)人機(jī)界面和改善系統(tǒng)本身的特性，基本上可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)達(dá)到沉浸式的逼真模擬環(huán)境；瑞典DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，可在不同節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)同一視界多個(gè)進(jìn)程異質(zhì)分布式系統(tǒng)。

在中國(guó)，根據(jù)我國(guó)的863計(jì)劃，自1996年起，北京航空航天大學(xué)數(shù)據(jù)可視化新技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室被確定位系統(tǒng)集成企業(yè)，同國(guó)防科技大學(xué)，浙江大學(xué)中國(guó)科學(xué)院軟件研究所以及北京航空航天大學(xué)模擬研究所等擁有核心技術(shù)的單位，共同研發(fā)了分布式系統(tǒng)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境DVENET。分布式系統(tǒng)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與適用于DVENET進(jìn)行科學(xué)研究和應(yīng)用的各種規(guī)范以及開(kāi)發(fā)環(huán)境和基本信息數(shù)據(jù)信息組成的。現(xiàn)階段，根據(jù)DVENET，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了分布式系統(tǒng)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境。目前，借助DVENET，可以在同一個(gè)真實(shí)環(huán)境下使用數(shù)十種用于武器和設(shè)備的虛擬服務(wù)平臺(tái)來(lái)開(kāi)展協(xié)作工作或抵抗的演習(xí)，不同的用戶(hù)也可以通過(guò)不同的交互技術(shù)來(lái)控制和操縱現(xiàn)實(shí)和虛擬的武器平臺(tái)，進(jìn)而可以在虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境中進(jìn)行野外協(xié)作和攻防演習(xí)。

基于建模軟件的模型，我們很容易通過(guò)軟件在仿真系統(tǒng)中建立多種多樣不同的虛擬對(duì)象。然而，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要想達(dá)到最真實(shí)的效果則需要盡可能多的更接近于實(shí)物的模型，所示說(shuō)，仿真系統(tǒng)效果的好壞，也通常取決于是否擁有一個(gè)好的建模軟件。目前，運(yùn)行軟件的硬件設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)圖像處理的基本理論得到了迅速發(fā)展，而且升級(jí)非常快，比較常見(jiàn)的三種應(yīng)用的是3D建模軟件AutoCAD、3D MAX和Maya。其中，AutoCAD主要用于工程項(xiàng)目的模型，例如機(jī)械零件的圖紙； 3D MAX和Maya主要用于制作動(dòng)畫(huà)和其他模型。但是作為虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，涉及到的要素一定要做到細(xì)致和逼真，所以需要建模軟件的渲染器3D渲染的光影效果一定要好，能夠渲染出細(xì)致逼真的造型和圖片。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，3D MAX和Maya這兩款軟件設(shè)計(jì)的模型，現(xiàn)場(chǎng)的3D渲染通常需要幾天時(shí)間，時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)看不到3D MAX和Maya制作的物理模型的組織結(jié)構(gòu)，并且無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化。所以3D MAX和Maya這兩種工具制作的實(shí)體模型不適用于實(shí)時(shí)仿真。那么要對(duì)虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化，則需要建立一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的具有各種真實(shí)物理模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，且這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)要能夠充分的進(jìn)行自我篩選和更新存儲(chǔ)?，F(xiàn)階段，最新的Vega Prime視景仿真技術(shù)已經(jīng)能夠做到全數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)和全三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)仿真，可以系統(tǒng)的利用三維視圖與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)與環(huán)境可視化，系統(tǒng)還支持多樣二維電子地圖，包含海圖、軍用地圖等，能夠放大縮小地圖，囊括全部軍事對(duì)象，實(shí)現(xiàn)各層面的大規(guī)模聯(lián)合作戰(zhàn)模擬，取得了很好地訓(xùn)練效果。

（一）數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建

仿真模擬海戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)需建立實(shí)體逼真模型，再在程序內(nèi)載入模型數(shù)據(jù)，顯示在三維場(chǎng)景中，其作為三維視景仿真基石，模型創(chuàng)建方法較為豐富，本仿真設(shè)計(jì)選擇最新全數(shù)據(jù)實(shí)施驅(qū)動(dòng)仿真技術(shù)，應(yīng)用Multigen Creator軟件，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，其均以O(shè)penFlight格式構(gòu)成。OpenFlight為數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建的根基，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)包括多種，分別是多關(guān)鍵點(diǎn)級(jí)別（LOD）、約束、聲音、實(shí)例、再生成操作、動(dòng)畫(huà)編碼序列、氣象特征、界面轉(zhuǎn)換痕跡、紋理投影、畫(huà)面清晰度、實(shí)物材料特性和一些其他方面的特性。OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序能完成數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的非空子集。這樣的應(yīng)用程序能夠檢索color調(diào)色板，臉部和眩暈，但其可以忽略其他復(fù)雜功能。 OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)將數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)機(jī)制劃分為一個(gè)邏輯組，通過(guò)對(duì)邏輯組的操作，在機(jī)制運(yùn)行條件下，可以提高實(shí)時(shí)功能的效率，進(jìn)而使數(shù)據(jù)交互變得通暢，特別實(shí)在視野去除、案例和多關(guān)鍵點(diǎn)級(jí)別轉(zhuǎn)換方面。OpenFlight數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)是通過(guò)樹(shù)結(jié)構(gòu)組織實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的樹(shù)結(jié)構(gòu)又是由節(jié)點(diǎn)組成，而節(jié)點(diǎn)又包括子節(jié)點(diǎn)和兄弟節(jié)點(diǎn)，不同的節(jié)點(diǎn)也具有不同的屬性。根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性的不同，節(jié)點(diǎn)可以分為如下基本類(lèi)型：

1. 頭節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，在單鏈表開(kāi)始節(jié)點(diǎn)之前附設(shè)一個(gè)類(lèi)型相同的節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)之為頭結(jié)點(diǎn)。因?yàn)槊總€(gè)文檔都有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，所以它顯示的是數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)級(jí)別和樹(shù)結(jié)構(gòu)頂部的第一個(gè)文檔。

2. 組節(jié)點(diǎn)

組節(jié)點(diǎn)是將數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)劃分為若干邏輯非空子集。組節(jié)點(diǎn)可以具有任意類(lèi)型的子節(jié)點(diǎn)與兄弟節(jié)點(diǎn)。

3. 對(duì)象節(jié)點(diǎn)

對(duì)象節(jié)點(diǎn)是一個(gè)包含三維圖形的邏輯組合。它可以被視為較低級(jí)別的組節(jié)點(diǎn)，因此對(duì)象節(jié)點(diǎn)可以引入和組節(jié)點(diǎn)完全不同的屬性。

4. 面部節(jié)點(diǎn)

面部節(jié)點(diǎn)是表示三維圖形中的不規(guī)則圖形。它的子節(jié)點(diǎn)僅僅指示為點(diǎn)，線(xiàn)和不規(guī)則圖形的端點(diǎn)的組合。表面節(jié)點(diǎn)的屬性包括顏色，紋理，材質(zhì)及其定義。

5.頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)

頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)表示頂點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。它包括諸如端點(diǎn)坐標(biāo)、法線(xiàn)向量、色相、紋理投影信息之類(lèi)的屬性。其中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息是必須包括并可以選擇的其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)以上節(jié)點(diǎn)的特性，結(jié)合Multigen Creator軟件的主要功能，以 OpenFlight為數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建的根基，能夠有效的建立其包含三位實(shí)體模型和仿真模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，且方便存儲(chǔ)和調(diào)用。

（二）程序設(shè)計(jì)

Vega Prime它可以通過(guò)和實(shí)際操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)上的模擬。但要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)模擬，則需Vega Prime在應(yīng)用之前，對(duì)其進(jìn)行初始化，在應(yīng)用之后，需要釋放資源來(lái)清除典型的Vega Prime程序流程。清除典型流程的操作如下：

1. 初始化

初始化的關(guān)鍵是初始化每個(gè)控制模塊的套接字以及初始化鍵類(lèi)，包括初始化靜態(tài)變量與零件目標(biāo)，初始化內(nèi)存分配器，初始化場(chǎng)景圖片，初始化3D渲染庫(kù)，初始化ACF文檔在線(xiàn)分析等，最終達(dá)到初始化Vega Prime。

2. 定義

在此鏈接中，建立了操作所需的許多目標(biāo)。可以基于編碼或在A(yíng)CF文檔中定義此類(lèi)目標(biāo)。在此鏈接中，通過(guò)基于vpKerneldefine方法分析ACF文檔來(lái)建立它們。在大多數(shù)情況下，這是一種基于外部Nx建立ACF文檔，然后將其引入仿真程序流程的方法。

3. 配置

該鏈接配備了一個(gè)基于定義鏈接中設(shè)置的值的系統(tǒng)。由于Vega Prime是建立在Opengl庫(kù)的基礎(chǔ)上，因此對(duì)話(huà)框是必不可少的。在此鏈接中，我們可以繼續(xù)基于A(yíng)CF文檔中提供的對(duì)話(huà)框?qū)傩詠?lái)構(gòu)建3D渲染對(duì)話(huà)框。

4.運(yùn)行循環(huán)

初始化系統(tǒng)，加載ACF文件并完成相關(guān)配置后，將啟動(dòng)幀循環(huán)系統(tǒng)鏈接。此鏈接分為五個(gè)過(guò)程。在里面每個(gè)過(guò)程都與3D渲染場(chǎng)景配合。在此鏈接中，應(yīng)用程序軟件還可以對(duì)3D場(chǎng)景進(jìn)行更改，例如將實(shí)體模型加載到場(chǎng)景中，移動(dòng)焦點(diǎn)或移動(dòng)實(shí)體模型等。

（三）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

此種類(lèi)型的海洋戰(zhàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，是將分布式系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器計(jì)算出的海洋戰(zhàn)場(chǎng)模型模擬數(shù)據(jù)信息，在三維模擬場(chǎng)景中的各種虛擬自然環(huán)境變化和虛擬物理現(xiàn)象。這種數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)包含戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化程序流程和管理程序兩個(gè)裝配程序。其中管理程序的作用是控制在數(shù)據(jù)可視化程序流中觀(guān)察到的物理目標(biāo)的轉(zhuǎn)換，自熱環(huán)境的轉(zhuǎn)換以及各種動(dòng)畫(huà)特殊效果的應(yīng)用。戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化程序流程的作用是將由分布式系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送到本地海洋戰(zhàn)場(chǎng)模型模擬數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為三維世界中的場(chǎng)景。戰(zhàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)可視化程序流程可以分解為三個(gè)控制模塊：

3D渲染過(guò)程控制模塊?？刂颇K是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其作用是根據(jù)服務(wù)器發(fā)送到本地的戰(zhàn)場(chǎng)物理模型數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)本地3D場(chǎng)景更改；

通信網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制模塊?？刂颇K的功能是選擇UDP方法來(lái)接受服務(wù)器發(fā)送到數(shù)據(jù)可視化程序流的模擬數(shù)據(jù)信息，并強(qiáng)調(diào)將其移交給3D渲染過(guò)程控制模塊；

MFC主線(xiàn)任務(wù)程序控制模塊?？刂颇K鍵用于接受并響應(yīng)系統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的鍵入。

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和程序涉及，并把戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化程序流程和管理程序有效結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)3D渲染過(guò)程控制模塊、MFC主線(xiàn)任務(wù)程序控制模塊、通信網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制模塊實(shí)現(xiàn)虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的高度逼真和良好的交互性能，達(dá)到我們實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練演練的任務(wù)。

綜上所述，虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)能夠使軍事訓(xùn)練大幅度降低訓(xùn)練周期，武器均為建模所得，不會(huì)造成人員或設(shè)備損傷，有效提高了訓(xùn)練效果。但仍然存在無(wú)法完全模擬突發(fā)情況，營(yíng)造戰(zhàn)火紛飛壓迫感的情況，本文基于Vega Prime研究虛擬海洋戰(zhàn)場(chǎng)技術(shù)，可提高虛擬戰(zhàn)場(chǎng)真實(shí)性，為軍隊(duì)訓(xùn)練提供更為精準(zhǔn)、高效的模擬場(chǎng)景。但是，實(shí)際效果仍然存在一定程度的幀丟失，仍需加強(qiáng)虛擬仿真方面技術(shù)研究。

作者單位：海軍工程大學(xué)