趙育良，劉建東，李明珠

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島 266041）

數(shù)字沙盤(pán)系統(tǒng)研發(fā)的目的是為航空偵察情報(bào)專(zhuān)業(yè)學(xué)員施訓(xùn)提供一套能夠完整還原典型目標(biāo)航空影像（機(jī)場(chǎng)、港口等）的訓(xùn)練系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)字化訓(xùn)練的模式，提高訓(xùn)練效率，減少訓(xùn)練成本，增加訓(xùn)練的逼真度和可靠性，為學(xué)員訓(xùn)練成果的展示提供全新的平臺(tái)。為了更好地適應(yīng)教學(xué)訓(xùn)練要求，數(shù)字沙盤(pán)不僅能夠逼真地展示機(jī)場(chǎng)、港口目標(biāo)的地理現(xiàn)實(shí)影像，而且還需準(zhǔn)確顯示碼頭、陣地、機(jī)場(chǎng)跑道、營(yíng)房及油庫(kù)等相關(guān)設(shè)施，根據(jù)用戶權(quán)限，用戶還可對(duì)典型武器裝備根據(jù)態(tài)勢(shì)研判的需求進(jìn)行布設(shè)，對(duì)節(jié)氣、時(shí)間及天氣進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并可調(diào)整視角進(jìn)行垂直或傾斜狀態(tài)下的判讀、標(biāo)注，生成判讀報(bào)告，以便針對(duì)性地開(kāi)展不同的航空影像判讀科目訓(xùn)練。影像判讀數(shù)字沙盤(pán)系統(tǒng)基于UE4 游戲引擎實(shí)現(xiàn)典型軍事目標(biāo)三維場(chǎng)景的構(gòu)建和模擬，制作過(guò)程包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與準(zhǔn)備、模型制作與導(dǎo)入、場(chǎng)景優(yōu)化和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等階段。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）構(gòu)建典型目標(biāo)的場(chǎng)景模型

一是甲軍某港口場(chǎng)景，包含場(chǎng)景內(nèi)部的碼頭、防波堤、司令部、防空導(dǎo)彈陣地等；二是乙軍某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景，包含場(chǎng)景內(nèi)部的機(jī)場(chǎng)跑道、洞庫(kù)、半地下庫(kù)、高速公路、停機(jī)坪、飛指揮通信設(shè)施、導(dǎo)航臺(tái)、塔樓、油庫(kù)、彈藥庫(kù)、營(yíng)房等。

根據(jù)軍用港口和機(jī)場(chǎng)目標(biāo)的環(huán)境布設(shè)要求，主要需要完成如表1 所示建筑物模型構(gòu)建。

表1 典型目標(biāo)的場(chǎng)景模型

2）構(gòu)建典型目標(biāo)的武器裝備模型

一是艦艇，主要包括甲軍、乙軍、丙軍主力水面艦艇和水下潛艇建模。二是飛機(jī)，主要包括乙軍、丙軍主力戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)等機(jī)型建模。

需要完成的主力艦艇以及戰(zhàn)機(jī)模型如表2所示。

表2 典型目標(biāo)的武器裝備模型

3）沙盤(pán)自定義功能設(shè)計(jì)

沙盤(pán)自定義為用戶提供自主編輯數(shù)字沙盤(pán)的功能。一是自定義沙盤(pán)核心建筑設(shè)施位置，系統(tǒng)提供瀏覽和建造兩種模式，在建造模式下系統(tǒng)支持建筑、武器裝備的自定義擺放、朝向的自定義設(shè)置。二是自定義沙盤(pán)節(jié)氣、時(shí)間（精確到年月日時(shí)）的功能，支持春、夏、秋、冬太陽(yáng)位置切換、支持年月日時(shí)，時(shí)間定位；三是自定義天氣功能，包含基本的云、霧、雨?？稍O(shè)置體積云的密度、厚度、烏云白云、霧天天氣、雨天等。通過(guò)上述功能設(shè)計(jì)，可由教員動(dòng)態(tài)布設(shè)不同的武器及建筑分布場(chǎng)景，靈活提供圖像判讀及航空觀察的影像素材。圖1為艦船及戰(zhàn)機(jī)創(chuàng)建示意圖。

圖1 艦船及戰(zhàn)機(jī)創(chuàng)建示意圖

4）航拍仿真設(shè)計(jì)

航拍仿真為學(xué)員提供通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，模擬不同條件下的航空偵察影像的功能。一是調(diào)整航拍高度。學(xué)員可以通過(guò)下方的height 工具和Len 工具調(diào)整視角高度位置；二是調(diào)整航拍角度。支持航拍角度微調(diào)功能，通過(guò)按住Ctrl+W 和Ctrl+S 鍵，調(diào)整視角；三是調(diào)整航拍位置。支持航拍位置微調(diào)功能，通過(guò)按住WASD 鍵，調(diào)整位置。通過(guò)上述航拍高度、相機(jī)傾斜角度及相機(jī)鏡頭焦距長(zhǎng)度的調(diào)整，可模擬產(chǎn)生在不同參數(shù)條件下的航拍效果。圖2 為航拍仿真功能示意圖。

圖2 航拍仿真功能示意圖

5）目標(biāo)判讀仿真設(shè)計(jì)

該功能提供學(xué)員訓(xùn)練過(guò)程中的目標(biāo)判讀及整編功能。一是目標(biāo)判別標(biāo)繪，在完成對(duì)航空拍照影像的判別后，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注；二是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注后，可以輸入注釋文字，方便判別完成之后進(jìn)行判別結(jié)果比對(duì)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了便于學(xué)員觀察訓(xùn)練，影像判讀數(shù)字沙盤(pán)系統(tǒng)需要展示的場(chǎng)景較大，需要通過(guò)多臺(tái)投影儀協(xié)同投影實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景展示。該系統(tǒng)使用投影矩陣，利用計(jì)算機(jī)拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙屏投影的統(tǒng)一調(diào)度，能夠輸入教員機(jī)、學(xué)員機(jī)等多路信號(hào)，為便于訓(xùn)練，可將任何一路輸入信號(hào)實(shí)時(shí)投射在投影屏上，并能將多臺(tái)計(jì)算機(jī)信號(hào)進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)整合。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用戶界面分為傳統(tǒng)的主控界面和三維空間中的功能界面。主控圖形化界面布局為頂部和左側(cè)為菜單欄，主要包括訓(xùn)練開(kāi)始、場(chǎng)景選擇、沙盤(pán)自定義及退出等功能按鈕，其余大部分為三維虛擬空間顯示區(qū)域。功能界面則實(shí)現(xiàn)模式切換（建造模式和瀏覽模式），在建造模式中可實(shí)現(xiàn)建設(shè)、武器裝備及道路的創(chuàng)建等操作。軟件系統(tǒng)還具備一定的開(kāi)放性設(shè)計(jì)，支持用戶按約定的格式導(dǎo)入新建地圖、模型等后續(xù)開(kāi)發(fā)資源。系統(tǒng)主控及功能界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主控及功能界面

在瀏覽模式下，還可利用快捷鍵或鼠標(biāo)完成以下操作。

水平移動(dòng)地圖：通過(guò)WASD 鍵進(jìn)行鏡頭在水平面的上、下、左、右四個(gè)方向的移動(dòng)。

垂直移動(dòng)地圖：通過(guò)QE 鍵進(jìn)行升高和降低。

水平旋轉(zhuǎn)鏡頭：按住Ctrl 鍵，+A 鍵向左方向旋轉(zhuǎn)，+D 鍵向右方向旋轉(zhuǎn)。

垂直旋轉(zhuǎn)鏡頭：按住Ctrl 鍵，+W 鍵向上方向旋轉(zhuǎn)，+S 鍵向下方向旋轉(zhuǎn)鏡頭。

小地圖拖動(dòng)：鼠標(biāo)單擊小地圖，鏡頭將跳轉(zhuǎn)到小地圖對(duì)應(yīng)的沙盤(pán)位置[1-5]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)工具為UE4，UE4 為當(dāng)今市面上頂級(jí)的游戲引擎，是完全開(kāi)源的，并且支持用C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，內(nèi)置了種類(lèi)齊全、功能強(qiáng)大的工具鏈，提供了完善的骨骼動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)、物理學(xué)碰撞系統(tǒng)、可視化的編輯器、完善的材質(zhì)編輯器等，能夠?yàn)閂R 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供完整的支持，其地形貼圖質(zhì)量好、真實(shí)性高、交互能力強(qiáng)，經(jīng)過(guò)材質(zhì)渲染后道路、軍事建筑、軍事裝備及場(chǎng)景更加真實(shí)，加之其世界組合、LOD 渲染等功能，可較好地適用于大地形的管理與渲染，在視景展現(xiàn)細(xì)膩程度、交互體驗(yàn)上效果突出。為此，數(shù)字沙盤(pán)以相關(guān)典型目標(biāo)的地形數(shù)據(jù)及目標(biāo)分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算UE4 場(chǎng)景坐標(biāo)與實(shí)際典型目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)入U(xiǎn)E4 引擎生成道路、地形，配置相關(guān)建筑設(shè)施及武器裝備，搭建并管理典型軍事目標(biāo)場(chǎng)景。

2.1 模型制作

系統(tǒng)采用DEM 數(shù)據(jù)并利用World Machine 處理地形高程數(shù)據(jù)，采用3ds Max 實(shí)現(xiàn)武器裝備及建筑建模與紋理貼圖，將地形、裝備及建筑模型導(dǎo)人UE4 引擎后，再利用VC++實(shí)現(xiàn)數(shù)字沙盤(pán)的實(shí)際功能。

1）場(chǎng)景搭建

數(shù)字沙盤(pán)場(chǎng)景以典型目標(biāo)環(huán)境高精度DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用UE4 導(dǎo)入相應(yīng)的紋理數(shù)據(jù)生成三維地形環(huán)境。但由于UE4 無(wú)法直接解析DEM 數(shù)據(jù)格式，故還需利用World Machine 工具處理地形高程數(shù)據(jù)以及建筑紋理貼圖，通過(guò)該工具設(shè)置地形構(gòu)建分辨率，調(diào)整設(shè)置地形的長(zhǎng)寬尺寸，并注意地形的高度值需大于地形的最大高度，且為512 的倍數(shù)。UE4 引擎在導(dǎo)入創(chuàng)建地形時(shí)，還需關(guān)注DEM 即實(shí)際地形單位與UE4 之間的單位轉(zhuǎn)換。

式中，lx、ly、hz分別是仿真場(chǎng)景下對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度、寬度和高度三個(gè)方向上的像素?cái)?shù)；Lx、Ly、Hz分別為DEM地形長(zhǎng)度、寬度和高度三個(gè)方向上的數(shù)值，單位為m；而Rx、Ry為地形構(gòu)建分辨率；UE4 場(chǎng)景以笛卡爾坐標(biāo)系z(mì)軸正向?yàn)樯戏较?，并運(yùn)用式（3）進(jìn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為使仿真環(huán)境更加逼真生動(dòng)，在環(huán)境中還加入了植被模型并輔以動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。圖4 為系統(tǒng)搭建的港口環(huán)境模型場(chǎng)景效果。

圖4 港口環(huán)境模型

2）建筑和武器模型構(gòu)建

數(shù)字沙盤(pán)和武器模型由3ds Max 構(gòu)建，3ds Max制作的模型（fbx 文件）可直接導(dǎo)入U(xiǎn)E4 平臺(tái)，模型主要包括港口、機(jī)場(chǎng)的建筑模型和典型艦船、飛機(jī)的武器裝備模型。3ds Max 具有強(qiáng)大的建模和貼圖功能，為了增加系統(tǒng)的流暢性，在建模及優(yōu)化的過(guò)程中，在不影響外形的情況下用盡量少模型的面片數(shù)。圖5為系統(tǒng)構(gòu)建的部分武器裝備模型。

圖5 武器裝備模型

2.2 基于UE4的仿真交互實(shí)現(xiàn)

確定好場(chǎng)景大小后，將地形導(dǎo)入系統(tǒng)，并按位置關(guān)系布設(shè)建筑及武器模型，為了增加場(chǎng)景的逼真度，設(shè)置光照、云、雨、星光等相關(guān)參數(shù)，提升不同光照及天氣下的航拍仿真效果。完成上述環(huán)境構(gòu)建后，即可利用UE4 藍(lán)圖或C++編程，圍繞上述功能進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。利用藍(lán)圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)武器設(shè)備等模型的添加、調(diào)整以及環(huán)境參數(shù)調(diào)整等交互操作。圖6 為武器模型姿態(tài)及位置調(diào)整的部分藍(lán)圖。另外，UE4 引擎對(duì)C++有較好的支持，系統(tǒng)通過(guò)C++腳本拓展實(shí)現(xiàn)比如自主添加導(dǎo)入新建武器裝備類(lèi)型及模型、用戶及訓(xùn)練管理等開(kāi)放性設(shè)計(jì)。

圖6 武器模型姿態(tài)及位置調(diào)整的部分藍(lán)圖

2.3 系統(tǒng)集成及測(cè)試

按照上述功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，完成影像判讀電子海航系統(tǒng)的構(gòu)建，最后打包輸出成可獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。用戶按照系統(tǒng)測(cè)試大綱，對(duì)技術(shù)方案中涉及的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了逐一測(cè)試，并依托該系統(tǒng)組織學(xué)員開(kāi)展了垂直、傾斜及不同高度下的影像判讀訓(xùn)練，結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用UE4 游戲引擎，能夠逼真的呈現(xiàn)不同環(huán)境條件下的航空遙測(cè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了沙盤(pán)自定義等諸多功能，可完成航拍動(dòng)態(tài)仿真及影像判讀所涉及的功能。系統(tǒng)運(yùn)行流暢、操作簡(jiǎn)便，結(jié)合一些特定的開(kāi)放性設(shè)計(jì)，可較好地滿足情報(bào)判讀類(lèi)理論[6-16]。

3 結(jié)論

該文基于UE4 游戲引擎構(gòu)建了航空影像判讀數(shù)字沙盤(pán)系統(tǒng)，為航空影像情報(bào)判讀提供了一套能夠完逼真還原典型目標(biāo)航空影像（機(jī)場(chǎng)、港口等）的訓(xùn)練系統(tǒng)，解決了學(xué)員在訓(xùn)練中手段單一的不足。該系統(tǒng)首次利用游戲引擎構(gòu)建三維實(shí)景用于航空影像判讀訓(xùn)練，對(duì)于空中戰(zhàn)勤和地面影像情報(bào)判讀兩個(gè)方向，訓(xùn)練手段建設(shè)是重要的探索和突破，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)模擬場(chǎng)景逼真，運(yùn)行流暢，功能符合設(shè)計(jì)。