艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗視景仿真技術(shù)研究＊

劉喜作 梁德清

（1.大連理工大學(xué) 大連 116024）（2.大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

交互式艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗仿真訓(xùn)練系統(tǒng)脫離不了所處的戰(zhàn)場環(huán)境，只有做到訓(xùn)練的戰(zhàn)場環(huán)境與實戰(zhàn)環(huán)境相一致，才能滿足人員訓(xùn)練和武器裝備作戰(zhàn)使用評估的需要，以達(dá)到裝備與人最佳結(jié)合的效果。但目前艦艇部隊訓(xùn)練往往將戰(zhàn)場三維可視化環(huán)境弱化，實際的實驗演練環(huán)境與實戰(zhàn)的戰(zhàn)場環(huán)境無法直觀地對應(yīng)，這種實驗演練模式在訓(xùn)練指揮員的指揮流程和操作手的操作流程是有幫助的，但因為它無法提供真正實戰(zhàn)環(huán)境中視覺的逼真性，目標(biāo)的出現(xiàn)突然性與復(fù)雜性，打擊效果的直觀性，而使指揮員無法有效提高應(yīng)急指揮能力，操作手無法有效提高識別目標(biāo)和精確打擊目標(biāo)的操作能力，直接影響訓(xùn)練效果和戰(zhàn)斗力的提高。

構(gòu)建艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗視景仿真平臺，為戰(zhàn)術(shù)對抗仿真訓(xùn)練系統(tǒng)提供豐富直觀形象的三維可視化作戰(zhàn)環(huán)境信息，增加訓(xùn)練沉浸感，使得指揮和訓(xùn)練人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的把握更加準(zhǔn)確，決策形成更加迅速，可極大提高態(tài)勢分析過程的實時性、交互性和動態(tài)性，為指揮決策提供了強(qiáng)有力的支撐。該仿真平臺作為作戰(zhàn)環(huán)境的映像，目的不僅僅在于虛擬時空的表達(dá)與推演，更多地在于用虛擬海戰(zhàn)場環(huán)境去模擬、實驗、挖掘現(xiàn)實世界中的行為與事件［1～2］。

本文就艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練視景仿真中的幾個難點技術(shù)，如自然環(huán)境仿真，目標(biāo)實體三維可視化和戰(zhàn)場特效分別予以論述。

2 自然環(huán)境仿真

自然環(huán)境仿真包括地形（港口與島嶼）仿真、海面仿真和天空仿真，它確立了仿真空間的位置關(guān)系和戰(zhàn)場環(huán)境仿真的基礎(chǔ)表達(dá)，是整個視景仿真繪制的重點［3～4］。

2.1 港口和島嶼顯示模型設(shè)計

基于地理信息的虛擬海洋環(huán)境的港口和島嶼地形建模要與現(xiàn)實世界一一對應(yīng)，其建模數(shù)據(jù)必須來源于實際的測繪結(jié)果。本文基于電子海圖源數(shù)據(jù)，采用Global Mapper軟件提取海圖高程信息，高程信息主要包括岸線、等高線、等深線、水深點等［5］。在數(shù)據(jù)處理過程中，利用GDEM（Global Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)對海圖高程數(shù)據(jù)缺失部分，例如橋梁、碼頭和山丘等進(jìn)行補(bǔ)充，但要保證生成的數(shù)據(jù)與原海圖一致。

仿真建模時，利用統(tǒng)一地理高程數(shù)據(jù)源對山體、岸線、碼頭、橋梁、城市建筑和重要物標(biāo)進(jìn)行三維建模。為了表現(xiàn)出真實地形視覺空間真實感，采用基于衛(wèi)星圖片作為地形紋理進(jìn)行映射和采用實際拍攝的港岸圖片作為物標(biāo)紋理進(jìn)行映射。紋理空間與實體空間的映射實際是實現(xiàn)影像與對應(yīng)地面之間在平面位置上的配準(zhǔn)，其映射關(guān)系是一種仿射變換，如下公式：

（x，y）是任一點在影像中的坐標(biāo)；（XT，YT）是對應(yīng)地面點的平面位置；（ai，bi）為8個變換參數(shù)，依據(jù)像素地形圖的四個角點即可求解出這8個變換參數(shù)，從而確定其映射關(guān)系。

三維港口及島嶼地形的制作及三維顯示過程如圖1所示。

圖1 海岸地形制作與顯示的過程

2.2 海面模擬

海面網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)是基于Phillips海浪譜通過FFT計算獲得的，可根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速形成不同的浪級［6］。

上述的海浪模型較適用于良好氣象條件下海浪的模擬，其生成的海浪的波峰和波谷比較光滑。為獲得更接近于實際條件下的海浪，簡單地采用移動海浪網(wǎng)格水平位置的方法來改善海浪模型。

海浪網(wǎng)格移動后位置表達(dá)式為

其中，X（x，y）為水平位置點；λ為移動系數(shù)；D為采用FFT計算出的移動向量。采用此法生成的海浪輪廓浪尖尖銳，浪底平坦。

另外，當(dāng)海面上波峰處水質(zhì)點的圓周運(yùn)動速度大于波速時，波浪破碎，就產(chǎn)生浪花。本文基于GPU繪制技術(shù)，利用GLSL著色語言形成海面光照和浪花效果。

2.3 動態(tài)天空構(gòu)建與顯示

天空視景模型是根據(jù)當(dāng)前視點的經(jīng)緯度，得到當(dāng)?shù)貢r間、時區(qū)、儒略日和恒星時，進(jìn)而確定日、月等天體的位置［7］，然后根據(jù)太陽的不同高度角用多重紋理和GLSL語言繪制逼真的動態(tài)天空。

如圖2所示，天空盒采用12個四邊形和1個六邊形建立，繪制時，上面的六邊形采用Triangle Fan方式進(jìn)行繪制，而四周的四邊形采用Triangle Trips的方式進(jìn)行繪制。相對于球形天空盒和對于立方體天空盒來講，這種方法是一個折中方案，它既保證繪制天空盒的速度，也保證了天空盒繪制的真實感。

圖2 基于多邊形天空幾何模型

圖3 基于觀察點的局部坐標(biāo)系

天空模型要根據(jù)當(dāng)前視點的經(jīng)緯度實時計算太陽的高低角和方位角。

如圖3所示，設(shè)p點為當(dāng)前視點，n為切平面的法向量，s為太陽在天球的位置點，v為太陽切平面上投影。所以切平面方程：

3 目標(biāo)實體三維可視化

海戰(zhàn)場環(huán)境中有許多復(fù)雜的戰(zhàn)斗實體模型，單純利用基本繪圖語句建立對艦艇、潛艇、戰(zhàn)斗機(jī)等模型并進(jìn)行繪制，工作量大，周期長［8］。我們首先利用三維建模軟件對目標(biāo)實體進(jìn)行三維建模，然后通過視景仿真程序進(jìn)行控制與顯示，具體過程如圖4所示。

圖4 三維目標(biāo)可視化流程圖

3.1 目標(biāo)實體三維建模

目前廣泛應(yīng)用的建模軟件如3DSMAX、AutoCAD、Creator等，用戶根據(jù)物體的外觀特點直接建立模型，而且可以精細(xì)地刻畫物體的細(xì)節(jié)，不需要任何編程語句就可以實現(xiàn)。

我們選擇Creator對艦艇、潛艇、飛機(jī)、各種武器和探測設(shè)備等虛擬物體進(jìn)行3D建模，Creator生成3D模型幾乎是“所見即所得”，同時設(shè)置LOD節(jié)點，DOF節(jié)點和SWITCH節(jié)點，提供給視景繪制程序使用。

3.2 模型顯示控制

通過這些軟件建立模型后，可以設(shè)置模型的初始運(yùn)動狀態(tài)，但不能根據(jù)用戶的需要實時控制模型運(yùn)動及顯示狀態(tài)。因此，我們在視景仿真程序通過圖形繪制程序中的函數(shù)接口，控制模型及相應(yīng)節(jié)點運(yùn)動及顯示狀態(tài)。例如，觀察者在本艦視點時（站在本艦的艦橋上進(jìn)行觀察），要求視景仿真程序關(guān)閉本艦艦橋顯示，不然會出現(xiàn)顯示遮擋問題；而在自由視點時（觀察者脫離本艦在空中觀察），又要顯示艦橋，不然會出現(xiàn)艦艇沒有艦橋的錯誤顯示，如圖5所示。

采用上述方法避免了用戶利用程序來建立三維立體模型繁重而復(fù)雜的工作，構(gòu)建的模型能體現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)，又可以通過圖形繪制程序?qū)崿F(xiàn)對模型的人機(jī)交互控制。

圖5 在本艦視點時對本艦艦橋進(jìn)行控制

4 戰(zhàn)場特效

戰(zhàn)場特效包括彈跡尾焰生成，爆炸煙火生成和爆炸水柱生成等，它們由無數(shù)外觀形狀極不規(guī)則的小顆粒隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生，并隨時間而發(fā)生變化［9～10］。

4.1 數(shù)學(xué)描述

用數(shù)學(xué)的方法來描述粒子系統(tǒng)，是為了計算粒子系統(tǒng)變化過程中各個屬性的量化值。對于爆炸特效的粒子系統(tǒng)來說，是指控制粒子在生命周期的運(yùn)動特性，主要包括加速度、角速度、空氣阻力、風(fēng)力、重力等。

爆炸后產(chǎn)生的煙霧粒子屬性為初始質(zhì)量m；初始空間位置p0＝｛x0，y0，z0｝；初始速度矢量v0＝｛vx，vy，vz｝；初始加速度矢量a0＝｛ax，ay，az｝；壽命life；顏色color；透明度alpha。

則經(jīng)歷Δt后煙霧粒子的位置變?yōu)?/p>

速度為

加速度矢量為

粒子在爆炸過程中除了直線或曲線運(yùn)動外，還有繞｛x，y，z｝軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。假設(shè)粒子與｛x，y，z｝軸正向所成的角度分別為Pitch，Roll，Yaw，而繞｛x，y，z｝軸的轉(zhuǎn)動角速度分別為：wx，wy，wz，則第fi幀時粒子與｛x，y，z｝軸所成的夾角為

4.2 繪制過程

實現(xiàn)基于粒子系統(tǒng)的爆炸特效需要如下幾個步驟：1）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)，設(shè)置大小、顏色、重量、生命周期、材質(zhì)、ALPHA范圍等相應(yīng)屬性，加入到場景中。

2）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)放射器，包括計數(shù)器、放置器和發(fā)射器三部分。計數(shù)器控制每一幀產(chǎn)生的粒子數(shù)，放置器設(shè)置粒子的初始位置，發(fā)射器設(shè)置粒子的初始速度。

3）創(chuàng)建粒子操作器，控制粒子在生命周期的運(yùn)動特性包括加速度、角速度、空氣阻力、風(fēng)力、重力。

4）創(chuàng)建粒子系統(tǒng)更新器，更新粒子，揀選“存活”粒子。

5）繪制“存活”粒子組成的圖形，刪除符合死亡條件的粒子。

5 仿真結(jié)果

由上述視景仿真方法生成的自然環(huán)境，多目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景如圖6所示。

圖6顯示了視景中自然環(huán)境仿真的結(jié)果，包括依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源建立的港口地形的顯示，根據(jù)太陽高低角計算光照亮度的動態(tài)天空的顯示，通過海浪譜形成的逼真海面的顯示。圖7顯示了海戰(zhàn)場多目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景。包括艦艇編隊組成場景以及導(dǎo)彈擊中目標(biāo)時爆炸場景。

圖6 自然環(huán)境仿真效果圖

圖7 多目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)對抗及爆炸場景

該視景仿真技術(shù)正在應(yīng)用于某單艦防御系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的無視景相比，提高了顯示的直觀性、訓(xùn)練的交互性以及訓(xùn)練人員的積極性，使訓(xùn)練過程和結(jié)果更容易被訓(xùn)練人員記憶、理解和引發(fā)思考。

6 結(jié)語

艦艇戰(zhàn)術(shù)對抗視景仿真技術(shù)通過對自然環(huán)境、動態(tài)目標(biāo)和戰(zhàn)場特效的模擬，構(gòu)建了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、視效逼真、更具現(xiàn)場感的三維可視化環(huán)境，可以為戰(zhàn)術(shù)模擬的各階段（預(yù)案擬訂、對抗模擬、結(jié)果評估）提供準(zhǔn)確、動態(tài)、直觀、多角度的三維戰(zhàn)場信息。下一步重點研究在復(fù)雜電磁環(huán)境下，對電子戰(zhàn)武器使用效果和電磁環(huán)境進(jìn)行三維可視化。

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