反艦導彈靶場試驗視景仿真技術

向 哲，李善高，邱發(fā)廷，朱廣秋

（1.海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊；b.飛行器工程系；c.新裝備培訓中心，山東 煙臺 264001；2.92941 部隊，遼寧 葫蘆島 125001；3.中國聯(lián)合網絡通訊有限公司煙臺分公司，山東 煙臺 264001）

0 引言

隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展和進步，視景仿真技術逐漸趨于成熟，并已經越來越廣泛的運用到軍事領域，尤其是運用到武器裝備的靶場試驗中。在靶場中，為避免通過進行大規(guī)模的試驗來對武器系統(tǒng)性能進行驗證，研究人員運用統(tǒng)計理論，使得能夠以最少的樣本驗證武器系統(tǒng)的性能，然而即使如此，人力物力的大量消耗也是難以避免的。而且氣象條件是制約靶場試驗的一個重要因素，高海情、暴風雨等這些海況在實際靶場試驗中是難以實現(xiàn)的。視景仿真技術作為一種新興的技術，可以解決上述一系列問題。視景仿真技術作為靶場試驗的一項重要輔助技術，已越來越多地被認可。對仿真數據的統(tǒng)計和評估，并與實際的靶場數據進行對比，不但可以對武器系統(tǒng)的性能進行驗證，而且可以通過數據的對比，優(yōu)化武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術性能，提高武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力。

1 視景仿真技術概述

視景仿真技術作為整個仿真系統(tǒng)的一部分，它的重要地位是不可輕視的。簡單地說，視景仿真技術就是利用各種先進的硬件及軟件技術，設計出合理的硬、軟件及交互手段，使參與者能交互地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。它匯集了計算機圖形學、多媒體技術、人工智能技術、人機接口技術、傳感器技術、高度并行的實時計算技術和人的行為學研究等多項關鍵技術，是仿真動畫的高級階段，也是虛擬現(xiàn)實技術最重要的表現(xiàn)形式。[1]視景仿真技術中的虛擬現(xiàn)實技術是多媒體技術發(fā)展的更高境界，是這些技術高層次的集成和滲透。它給用戶以逼真的體驗，為人們探索宏觀世界和微觀世界中由于種種原因不便于直接觀察的事物的運動變化規(guī)律提供了極大的便利。

視景仿真技術的基礎是計算機圖形圖像技術。它根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型或再現(xiàn)真實的環(huán)境，以達到非常逼真的仿真效果。視景仿真技術可分為仿真環(huán)境制作和仿真驅動。仿真環(huán)境制作主要包括模型設計、場景構造、紋理設計制作、特效設計等，它要求構造出逼真的三維模型和制作出逼真的紋理和特效；仿真驅動主要包括場景驅動、模型調動處理、分布交互、大地地形處理等，它要求高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境、實時響應、交互操作等。

從概念上講，任何一個視景仿真系統(tǒng)都具有三個特性描述：沉浸、交互和想象。這三種特性中的關鍵就是系統(tǒng)與人的交互。視景系統(tǒng)的設計要求要達到以下目標：

1）要使參與者有“真實”的體驗。這種體驗就是“沉浸”或“投入”，即全身心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。理想情況下虛擬環(huán)境應該達到用戶難以分辨真假的程度，甚至比真的還“真”。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個目標，就必須提供多感知的能力。理想的視景系統(tǒng)應該提供人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至是味覺和嗅覺。

2）系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠對虛擬環(huán)境進行實時操作，能從虛擬環(huán)境中得到反饋的信息，也能使系統(tǒng)了解參與者關鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種需要系統(tǒng)知道的數據。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致，就談不上與自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。因此，為達到這個目標，高速計算和處理就必不可少。

3）虛擬現(xiàn)實不僅是一種媒體或用戶的高端接口，而且還是針對某一特定領域、解決某些問題的應用。為了解決這些問題，不僅需要了解應用的需求，了解技術的能力，而且還需要有豐富的想象力。作為虛擬世界的創(chuàng)造者，想象力已經成為視景仿真系統(tǒng)設計中最關鍵的問題之一。[2]

2 視景仿真技術在靶場試驗中的應用舉例

對反艦導彈在靶場中的試驗進行視景仿真時，我們采用MultiGen Paradigm公司的產品，對靶場試驗中的試驗環(huán)境及各個物體進行仿真建模，并采用場景管理軟件Vega對模型進行驅動，以達到在虛擬的靶場進行試驗的目的。

2.1 三維場景建模

三維場景建模負責完成創(chuàng)建視景仿真中的三維地形、實體模型建模的任務。在靶場試驗中，導彈、艦船等屬于實體建模，而海洋、島嶼等屬于三維地形建模。

在視景仿真應用的過程中，進行三維場景的建模是一個相當復雜的過程。對三維場景的建模，先要求構造出逼真的三維模型以及構造出逼真的紋理和特效，生成視景數據庫。對大地場景的建模，首先，要搜集大地的高程數據模型，以及場景中各種物體的尺寸、紋理等特征；其次，考慮模型優(yōu)化、空間組織、光線安排、紋理覆蓋等方面；最后，進行模型的渲染，包括場景產生、模型的加入、地形處理、環(huán)境效果等，并對模型進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)實時響應的交互操作。[3]

2.2 三維場景的管理系統(tǒng)

對反艦導彈在靶場中的試驗進行視景仿真的過程中，我們使用Vega軟件對場景進行管理和渲染。Vega是一套完整的用于開發(fā)交互式、實時可視化仿真應用的軟件平臺，其最基本的功能是管理、控制、驅動虛擬場景并支持快速復雜的視覺仿真程序，快速創(chuàng)建各種實時交互的三維環(huán)境，快速建立大型沉浸式或非沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

Vega主要包括兩個部分：一個是被稱為LynX的圖形用戶界面的工具箱；另一個則是基于C語言的Vega函數調用庫。LynX是一種基于X/Motif技術的點擊式圖形環(huán)境。使用LynX可以快速、容易、顯著地改變應用性能、視頻通道、多CPU分配、視點、觀察者、特殊效果、一天中不同的時間、系統(tǒng)配置、模型、數據庫等等，而不用編寫源代碼。LynX可以擴展成包括新的、用戶定義的面板和功能，快速地滿足用戶的特殊要求。通過LynX可視化的操作建立起三維場景，并將其保存在一個應用定義文件（.ADF）中。而后應用程序就可以通過調用Vega的函數庫，對已建好的三維場景進行渲染驅動。[4]它的系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 Vega系統(tǒng)總體結構圖

在這個系統(tǒng)的程序中，我們建立了兩個線程：Vega 線程[5]和網絡線程[6]。前者用于控制進行場景渲染、與用戶交互以及模型狀態(tài)的變化；后者用于通過網絡實時接收仿真數據，并把數據傳遞給Vega線程以實現(xiàn)對模型的管理和調度。

具體程序略，其視景效果如圖2、3所示。

圖2 導彈發(fā)射的場景

圖3 彈目交匯的場景

2.3 仿真結果的處理與分析

可視化中的科學計算目前有3種處理方式：后處理、跟蹤和駕馭。后處理把計算和結果可視化分成兩個實現(xiàn)階段，兩者之間不能直接發(fā)生交互作用。跟蹤處理方式要求實時地顯示計算中產生的結果，以便研究人員能及時了解當前的計算情況，在發(fā)現(xiàn)錯誤或認為沒有必要進行繼續(xù)計算時，可停止該計算，啟動一個新的計算。駕馭則不僅能使研究人員實時地觀察到計算情況，而且能對計算進行實時干預，并使計算可繼續(xù)進行。本文中所涉及到的實例是使用最廣泛的后處理方式，后兩種方式由于硬件性能還達不到需求等原因而沒有得到使用。

我們采用動態(tài)性能檢驗的譜分析法，將仿真系統(tǒng)的輸出和真實系統(tǒng)外場試驗的結果相互比較。動態(tài)性能檢驗的譜分析法的基本原理就是通過數據的預處理，將仿真模型的動態(tài)輸出和飛行試驗的動態(tài)參數記錄都處理成廣義平穩(wěn)時間序列，然后分別估計出它們各自的自譜密度或互譜密度，通過譜密度的異同來反推輸出序列的異同。[7]比較后的結果表明，在殺傷區(qū)范圍內，對艦船類目標，導彈落入概率和單發(fā)殺傷概率均較高，滿足武器系統(tǒng)研制總要求規(guī)定的戰(zhàn)術技術指標。因此，采用仿真的方法不但有很高的可信度，而且可以優(yōu)化武器系統(tǒng)的某些參數，提高武器系統(tǒng)的整體性能。

3 結束語

視景仿真技術作為一種新興的技術，其技術已經日漸成熟。通過對靶試條件下的武器系統(tǒng)進行視景仿真，達到了逼真性和交互性的要求；對仿真結果進行處理和分析，可以優(yōu)化和提高武器系統(tǒng)的性能，也為靶場試驗提供了一個很好的輔助手段，為實現(xiàn)虛擬靶場打下了良好的技術基礎。

[1]吳家鑄.視景仿真技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001:1-10.

[2]彭國圣,蘇洪潮,李續(xù)武.基于Vega的某空地導彈視景技術研究[J].戰(zhàn)術導彈技術,2003(5):63-67.

[3]夢曉梅,劉慶文.MultiGen Creator 教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:227-242.

[4]楊建國,王乘.基于MULTIGEN 和VEGA的虛擬現(xiàn)實技術[J].計算機仿真,2003(11):75-77.

[5]龔卓蓉,朱衡君.Vega 程序設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:7-23.

[6]宋坤,劉銳寧,李偉明.Visual C++開發(fā)技術大全[M].北京:人民郵電出版社,2007:556-573.

[7]劉藻真.基于飛行試驗數據的仿真模型驗證方法的研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2002,14(3):281-284.