一種遠程標繪指揮方法

郝利云，　冉　達，　鄧　維，　吳玲達

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

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一種遠程標繪指揮方法

郝利云1，冉達2，鄧維1，吳玲達1

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

在山區(qū)林地等地區(qū)的搶險救災(zāi)過程中，后方指揮與前方行動端之間，用語言文字溝通易發(fā)生理解的偏差，延緩救援行動，甚至產(chǎn)生不可挽回的后果。為解決該問題，研究了基于遠程標繪的搶險救災(zāi)遠程指揮方法——指揮人員在指揮平臺繪制精確的行動信息，行動人員依據(jù)行動端同步顯示的行動指令開展救援。為此，通過采用基于模糊形狀模型(BSM)特征的圖符識別手繪標繪方法、基于TCP協(xié)議的多客戶端通信機制和三維態(tài)勢顯示技術(shù)，建立了原型系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，該方法可有效解決遠程指揮問題。

手繪標繪；態(tài)勢顯示；遠程標繪；模糊形狀模型

我國是世界上受自然災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一[1]。頻發(fā)的自然災(zāi)害，對人民的生命財產(chǎn)帶來了重大威脅。搶險救災(zāi)是挽救生命、減少損失的必要途徑。但地震、泥石流等發(fā)生在山區(qū)的自然災(zāi)害讓救援隊伍難以到達。直升機由于具有機動靈活的特點，在搶險救災(zāi)任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用[2]。直升機深入災(zāi)區(qū)后，與指揮所間只能通過語音和文字進行通信，不利于指揮所對直升機上的救援小隊進行準確的指揮。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為增強指揮所和救援小隊通信能力，有效保障救援任務(wù)順利完成提供了條件。

通過在指揮端建立標繪指揮系統(tǒng)，對救災(zāi)任務(wù)進行指揮控制；在行動端建立態(tài)勢展示系統(tǒng)，通過傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)將指揮端的指揮信息傳送到行動端，以可視化的方式展現(xiàn)出來。這樣行動端的執(zhí)行人員可以直觀準確的理解指揮端的意圖，進而有效完成救災(zāi)任務(wù)。

1　指揮端手繪標繪方法

指揮端綜合處理各種情報信息后，對救援行動進行指揮。需要標繪的信息有：救援目標、救援力量、集結(jié)位置、行動方向以及危險區(qū)域。救援目標、救援力量與集結(jié)位置為點狀信息，是規(guī)則圖符；行動方向為線狀信息，危險區(qū)域為面狀信息，為非規(guī)則圖符。前者不依比例尺標繪，其外觀形狀、線畫構(gòu)成以及各圖元比例關(guān)系保持不變，圖符只會發(fā)生整體的縮放或旋轉(zhuǎn)變化。后者為半依賴比例尺標繪的線狀圖符和依比例尺標繪的面狀圖符[3]。

為使標繪指揮方法簡便快捷，參照軍事行動態(tài)勢圖的標繪方法，基于二維的地理信息顯示平臺，設(shè)定特殊符號進行標繪。采用基于方向BSM特征的圖符識別方法進行圖符的識別。

BSM特征是一種基于輪廓的全局形狀描述方法，最初由Escalera等[4]提出并用于二值圖像識別，后被Almazan等[5]用于手繪圖符識別。其基本思想是對形狀輪廓采樣點的概率分布進行描述，計算過程主要含有2個步驟：網(wǎng)格劃分和BSM特征計算。

原始的BSM特征僅考慮了圖符采樣點的空間分布，通過模擬采樣點分布密度來描述圖符。將采樣點的局部方向信息加入BSM特征，有助于提高圖符描述能力[6]。方向BSM特征的基本思想是：利用采樣點的局部方向信息，將原始圖符分解成多個方向相關(guān)子圖，然后對每一個子圖計算一個BSM特征，最后將所有子圖的BSM特征矢量進行聯(lián)合，即為原始圖符的方向BSM特征矢量。主要步驟為：

1) 預(yù)處理。預(yù)處理主要包括規(guī)范化和重采樣。規(guī)范化是為了保證算法的尺度不變性和平移不變性。先將圖符坐標點重心平移到原點，然后對圖符進行縮放使二階原點矩等于預(yù)設(shè)定的常量。重采樣的采樣方式有等間隔采樣和等時間采樣2種，經(jīng)重采樣后的筆畫坐標點等距離分布，有利于提取穩(wěn)定的圖符特征。

2) 方向分解。方向分解的主要步驟是：計算每一個采樣點的局部方向向量；采用平行四邊形法則，將局部方向向量分解到4個標準方向，即0°、45°、90°和135°，并得到4個子圖符。

3) 計算BSM特征。計算方法是：首先對圖符進行網(wǎng)格劃分，計算每個網(wǎng)格的幾何中心；然后分別計算每個子圖符中每個采樣點的BSM特征；最后對計算結(jié)果進行歸一化處理，合并為原始圖符采樣點的BSM特征。

通過手繪的方式，指揮官的行動指令以圖形符號的形式表示出來，通過方向BSM特征圖符識別方法，這些符號轉(zhuǎn)化為標準化的圖符。圖1～圖3為部分圖形符號的手繪識別示例。

圖1　點狀信息繪制示例

圖2　線狀信息繪制示例

圖3　面狀信息繪制示例

2　基于TCP的標繪指揮通信機制

指揮端通過手繪標繪的方式，將指揮端的行動意圖表示在了指揮平臺。進而，需要通過網(wǎng)絡(luò)的方式，將這些行動信息傳送到行動端。Qt中的傳輸控制協(xié)議(TCP)通信機制提供了一種可行的方法。TCP是一個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹⒖煽康?，基于IP底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[7]。Qt將網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝成類，使得網(wǎng)絡(luò)編程簡潔、清晰、高效。Qt中與TCP有關(guān)的類主要有QTcpSocket、 QTcpServer。

QTcpSocket類繼承自QAbstractsocket，為TCP提供了一個接口。QTcpSocket用于實現(xiàn)POP3、SMTP等標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，或者其他的自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于QTcpSocket傳輸?shù)氖沁B續(xù)的數(shù)據(jù)流，因此適合連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。其工作模式為：(1)調(diào)用connectToHost連接服務(wù)器；(2)調(diào)用waitForConnected判斷是否連接成功；(3)連接信號readyRead槽函數(shù)，異步讀取數(shù)據(jù)；(4)調(diào)用waitForReadyRead，阻塞讀取數(shù)據(jù)。

QTcpServer類直接繼承于QObject基類，用于處理到來的TCP連接。其工作模式為：(1)調(diào)用listen()設(shè)置服務(wù)器，監(jiān)聽某一地址和端口；(2)關(guān)聯(lián)newConnection()信號，當收到客戶端連接請求時就發(fā)射該信號；(3)在槽中，調(diào)用nextPendingConnection()來接受這個連接；(4)創(chuàng)建一個QTcpSocket對象與客戶端進行通信。

Qt的TCP通信，分為服務(wù)器端和客戶端。在搶險救災(zāi)中，需要多個行動小隊的協(xié)同配合，需要單服務(wù)器多客戶端的通信機制。因此，將指揮端設(shè)置為服務(wù)器，在行動端布置多個客戶端。單服務(wù)器多客戶端的通信機制如圖4所示。

圖4　單服務(wù)器多客戶端的通信原理

服務(wù)器端的實現(xiàn)方式為：(1)調(diào)用Socket()函數(shù)來創(chuàng)建TCP套接口；(2)調(diào)用Bind函數(shù)將Socket與主機信息進行綁定；(3)調(diào)用Listen()函數(shù)監(jiān)聽客戶端的連接；(4)接受客戶端的連接后進行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出服務(wù)器的應(yīng)答。

客戶端的實現(xiàn)方式為：(1)調(diào)用Socket()函數(shù)創(chuàng)建TCP套接口；(2)指定服務(wù)器IP地址和端口；(3)調(diào)用Connect()函數(shù)與服務(wù)器取得連接；(4)進行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出客戶端的應(yīng)答。

指揮端行動指令的圖形符號，需要轉(zhuǎn)化標準的指令進行傳輸。點狀圖符主要表示救援力量分布、威脅目標分布等情報，需要傳輸?shù)拿枋鰯?shù)據(jù)格式化為：圖符編號、圖符種類、身份信息(友方/威脅)、坐標位置。線狀圖符和面狀圖符形狀不定，需要多個控制點描述形狀，描述數(shù)據(jù)較多，包括：圖符編號、圖符種類、身份信息、控制點數(shù)量和每個控制點的坐標。將這些信息完整的傳輸?shù)叫袆佣说娘@示平臺，行動端就可以繪制出同指揮端相同的圖符。

3　行動端顯示方法

行動端設(shè)置態(tài)勢顯示，實時同步顯示指揮端的指揮意圖。行動人員參照指揮圖進行救援。為增強顯示效果，在行動端的顯示平臺上，采用三維地形場景進行標繪[8]。本文采用OSGEarth進行標繪信息的繪制。通過在OSGEarth上添加不同的繪制節(jié)點，顯示不同的行動信息。對應(yīng)指揮端的標繪信息，行動端的標繪信息如圖5所示。

a) 指揮端顯示效果

b) 行動端顯示效果圖5　指揮端與行動端顯示效果對比

三維顯示模式，不僅可以顯示指揮平臺發(fā)布的行動命令，同時還可以幫助救援隊伍根據(jù)周圍地形，確定自己的位置和行進線路。圖6為艙外視角示意圖。

圖6　行動端顯示的三維效果

三維顯示增強了態(tài)勢顯示的真實性，但是當行動端需要觀察全局時，拉遠視點后，標繪三維模型反而會看不清楚。因此，本文采用了基于視點的二維三維切換顯示方法。通過設(shè)定閾值，當視點距離小于該閾值時，采用三維模型，清晰逼真;當視點距離大于該閾值后，采用二維圖片的方法顯示，同時該二維信息不隨場景的縮放而縮放，便于遠距離觀察。顯示效果對比如圖7所示。

a) 直升機二維顯示效果

b) 直升機三維顯示效果圖7　直升機二維與三維顯示效果對比

4　結(jié) 束 語

針對當前搶險救災(zāi)過程中指揮不暢的問題，提出了基于TCP協(xié)議的遠程標繪指揮方法。通過采用基于BSM特征的手繪識別技術(shù)、基于TCP的遠程通信技術(shù)和基于OSGEarth的態(tài)勢標繪技術(shù)，解決了指揮端與行動端，指揮命令通過語音文字傳遞不準確的問題。實驗表明，借助于Qt的TCP通信機制，行動端可以近實時的準確顯示指揮端繪制的命令符號，滿足任務(wù)執(zhí)行實時性的需求。指揮端命令符號的繪制簡單快捷，正確識別率高；行動端的顯示逼真清晰，滿足任務(wù)需要。

References)

[1]趙宏,黎濤,何亞文.災(zāi)害應(yīng)急空間信息標繪技術(shù)[J].地理空間信息,2011,9(5):32-34.

[2]吳希明 ,陳國華 ,陳平劍.從四川抗震救災(zāi)談我國重型直升機的發(fā)展[J].直升機技術(shù),2008(4):59-64.

[3]陳鴻,湯曉安,楊耀明,等.基于位移映射的非規(guī)則軍隊標號繪制算法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2011,23(5): 797-804.

[4]ESCALERA S,FORNES A,PUJOL O,et al.Blurred shape model for binary and grey-level symbol recognition [J].Pattern Recognition Letters,2009,30(15):1424-1433.

[5]ALMAZAN J,FORNES A,VALVENY E.A non-rigid appearance model for shape description and recognition [J].Pattern Recognition,2012,45(9): 3105-3113.

[6]DENG W,WU L D,YU R H,et al.On-line sketch recognition using direction feature[C]//14th IFIP TC 13 International Conference.Cape Town：Springer Berlin Heidelberg,2013: 259-266.

[7]黃翩，張瓊，祝婷.基于Qt的一個服務(wù)器多個客戶端的TCP通信[J].電子科技,2015,28(3):76-78.

[8]HAO L Y,JIAO Y,WU L D,et al.A novel terrain rending method for visual navigation[C]//10th Chinese Conference,IGTA 2015.Beijing: Springer Berlin Heidelberg,2015:308-316.

(編輯：李江濤)

A Remote Command Plotting Method

HAO Liyun1，RAN Da2，DENG Wei1，WU Lingda1

(1. Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416,China；2. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416,China)

In the process of rescue and disaster relief in areas like mountain woodlands, in the communication process between rear command post and frontline action unit, voice and text communication is easy to cause deviation of understanding, delay the rescue operation, and even bring irreversible consequences. To solve this issue, the paper studies on rescue and disaster relief command method based on remote plotting: the command crew draws accurate action instruction on command platform and the operational staff carry out the rescue based on the action instructions synchronously displayed at action side. Therefore, through using hand plotting method based on characteristics of blurred shape model (BSM), multi-client communication mechanism and three dimensional display technology, a prototype system has been established. The experimental result shows that, this method can effectively solve the issues of the remote command.

hand plotting; situation display; remote plotting; blurred shape model (BSM)

2016-04-14

國家級資助項目(2013ZX01045-004)

郝利云(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向為軍事信息處理。haoliyun2006@sina.com

TP391.9

2095-3828(2016)05-0090-04

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.019