空基電子系統(tǒng)三維顯控框架設(shè)計與實現(xiàn)

靳慧亮，高文琦，劉立輝

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

空基電子系統(tǒng)三維顯控框架設(shè)計與實現(xiàn)

靳慧亮，高文琦，劉立輝

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

當(dāng)前廣泛用于空基任務(wù)電子系統(tǒng)的二維態(tài)勢顯示只能顯示單一維度信息，并且當(dāng)態(tài)勢中存在大批量目標(biāo)時，無法表達目標(biāo)在高程空間的分布，目標(biāo)重疊嚴(yán)重，不能有效識別目標(biāo)。三維場景渲染技術(shù)已經(jīng)廣泛用于場景仿真、商業(yè)游戲、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，但針對空基系統(tǒng)態(tài)勢顯示的研究卻顯得滯后。為此，在對比論述三維態(tài)勢顯示相對于二維優(yōu)點以及研究開源三維引擎OpenSceneGraph的基礎(chǔ)上，針對空基任務(wù)電子系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一套三維地理信息渲染引擎和態(tài)勢顯控框架。該引擎支持三維地理信息渲染、矢量和高程數(shù)據(jù)解析、模型加載、場景漫游，三維基礎(chǔ)圖元繪制、軍標(biāo)繪制、航線規(guī)劃、三維量算、三維交互等，能夠支撐三維顯示控制系統(tǒng)的開發(fā)。該框架突破了項目中三維只能用來仿真演示的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了對空基任務(wù)電子系統(tǒng)各平臺業(yè)務(wù)的實時消息驅(qū)動、情報顯示和交互響應(yīng)，實現(xiàn)了態(tài)勢顯控從二維向三維的轉(zhuǎn)變。

空基平臺；三維GIS；顯控系統(tǒng)；三維態(tài)勢

0 引 言

顯示控制系統(tǒng)是空基電子信息的重要組成部分之一，承擔(dān)著信息的收發(fā)、呈現(xiàn)和交互等功能。當(dāng)前空基信息系統(tǒng)采用二維態(tài)勢顯示和標(biāo)繪方式，圖元經(jīng)過Lambert投影變換繪制到二維地圖上。二維態(tài)勢的本質(zhì)是對三維世界目標(biāo)的抽象，操作員需要在獲取到二維信息后，大腦將其轉(zhuǎn)換為可理解的三維場景，而三維場景省略了這樣的過程，提高了情報處理速度[1]。隨著信息量的增大，空基任務(wù)系統(tǒng)需要應(yīng)對的態(tài)勢愈發(fā)復(fù)雜，二維態(tài)勢圖已經(jīng)不足以應(yīng)對大批量、多目標(biāo)、多維度的需要。比如二維態(tài)勢圖上雷達的威力范圍被抽象為一個標(biāo)準(zhǔn)的圓形，雷達探測到的目標(biāo)用二維圖標(biāo)標(biāo)繪在態(tài)勢圖上。隨著目標(biāo)的增多，會出現(xiàn)目標(biāo)重合的現(xiàn)象，難以分辨在同一空域內(nèi)處于不同高度的目標(biāo)。此外，地形起伏、海洋和水域的反射以及干擾機[2]等會改變雷達的掃描波束，從而影響雷達威力范圍。當(dāng)前的三維顯示(如Synthesis ToolKit等)主要目的是仿真演示[2]，缺少面向?qū)嶋H裝備的研究[3-4]。

針對空基信息系統(tǒng)的特點，基于開源三維渲染引擎OpenSceneGraph(以下簡稱OSG)，設(shè)計了一套跨平臺的三維顯控框架，具備了三維地理信息加載、三維標(biāo)繪和航線規(guī)劃、多視圖、二三維切換等功能，支撐空基電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)的開發(fā)，并成功在預(yù)研項目中得到了應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OSG是在OpenGL的基礎(chǔ)上使用標(biāo)準(zhǔn)C++開發(fā)的一個跨平臺開源三維引擎，OSG基于底層的接口實現(xiàn)了一套易于使用的三維渲染模式，使得開發(fā)人員專注于三維場景的開發(fā)，不必關(guān)注底層實現(xiàn)[5]。OSG采用了包圍體的形式實現(xiàn)場景的管理，場景的組織形式是一棵自頂向下的結(jié)構(gòu)樹，能夠提高渲染效率[6]。節(jié)點Node是所有場景的最小單元形式，節(jié)點可以代表矩陣換算、可繪制的對象等。

顯控框架是空基電子系統(tǒng)的中間件，接收從傳感器的數(shù)據(jù)，進行計算并將情報信息繪制到屏幕。同時接收用戶的交互指令，做出顯示反饋。顯控框架使用了OSG作為三維場景渲染引擎?？栈到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空基電子系統(tǒng)框圖

2 三維地理信息引擎

當(dāng)前的二維態(tài)勢地圖采取了瓦片式的地圖加載方式，裁剪特定區(qū)域的shapefile格式地圖，并在態(tài)勢圖初始化時一次以瓦片的形式逐步加載到內(nèi)存中并且顯示。在地圖瓦片的邊界處，會出現(xiàn)地圖的失真，且無法 顯示所裁剪地圖區(qū)域外的信息[7]。OSG地理信息系統(tǒng)開發(fā)的SDK和地形渲染引擎osgEarth實現(xiàn)了全球地圖，支持開放標(biāo)準(zhǔn)的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)(TMS,WMS)，能夠集成本地存儲的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的圖像[8]。在osgEarth的基礎(chǔ)上建立了空基平臺三維地理信息引擎(Aero-3dGIS)。Aero-3dGIS通過加載earth文件載入地圖，earth文件是用XML語言定義的osgEarth地圖文件格式，指明GIS所用的地圖類型、三面圖、矢量和模型數(shù)據(jù)的存放位置等信息。地圖類型分為兩種：Geocentric和Projected[9]。Geocentric是將地圖呈現(xiàn)為一個在地心坐標(biāo)系中的完整地球，采用了Geocentric類型的地圖。

Aero-3dGIS包括圖形層、高度層以及模型層，地圖作為osg根節(jié)點加入到場景。圖形層是按照幾何坐標(biāo)疊加到地圖上的經(jīng)過柵格化處理的圖片，通常是一些表征地形紋理的圖片。高度層提供了包含高層數(shù)據(jù)的高度地圖網(wǎng)格。模型層渲染地形無關(guān)的數(shù)據(jù)，如外部的3D模型、矢量特征等。圖層能夠設(shè)置開啟或關(guān)閉以適應(yīng)場景渲染的需要。

使用了由CGIAR-CSI提供的免費全球地理信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)了全球地理顯示[10]。CGIAR-CSI的SRTM數(shù)據(jù)是由NASA提供的、覆蓋全球所有國家的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

地形紋理依據(jù)細(xì)節(jié)層次(Levels of Details，LoD)依次加載,從而降低了計算機的負(fù)載[11]。OSG的LoD節(jié)點定義了最大最小值的距離范圍，根據(jù)當(dāng)前視點與場景的距離來決定加載哪些子節(jié)點。如圖2所示，按照視點高度的不同，加載不同細(xì)節(jié)的模型。

實驗中發(fā)現(xiàn)，使用鼠標(biāo)進行三維場景的漫游效率低、不夠準(zhǔn)確，操作員難以迅速找到當(dāng)前場景的理想觀察視角。通過繼承osgGA::MatrixManipulator接口，編寫了自定義的場景漫游操作器，實現(xiàn)了場景視角的快捷鍵切換。當(dāng)操作員點擊選取當(dāng)前視圖中的一個場景，通過切換預(yù)先定義好的快捷鍵，就可以以當(dāng)前選中模型的物體坐標(biāo)系為參考，切換到俯視、側(cè)視、前45°俯視等視角。

3 三維顯控框架

Aero-3dGIS支持三維態(tài)勢的渲染，態(tài)勢圖是三維顯控框架的核心，空基態(tài)勢圖的主要組成要素包括[12-13]：

圖2 不同視角高度的紋理數(shù)據(jù)顯示

(1)地理信息，包括包含的政區(qū)、邊界、地名、河流、海岸線、經(jīng)緯柵格等矢量數(shù)據(jù)，三維高程信息，以及反映地表特征的紋理圖片。

(2)戰(zhàn)場信息，包括空中、地面、海面的固定設(shè)施三維模型，如雷達站、導(dǎo)彈發(fā)射井、海上雷達平臺等，以及移動目標(biāo)三維模型，包括艦船、飛機、飛艇、戰(zhàn)車等。此外，雷達作為獨立類別，針對不同元素，應(yīng)體現(xiàn)出雷達掃描波束、范圍的區(qū)別。

(3)標(biāo)繪信息，包括航線、航跡、引導(dǎo)線、作戰(zhàn)線、軍標(biāo)、標(biāo)牌等信息，是對戰(zhàn)場信息的必要補充和信息擴展。

(4)交互信息，包括場景的漫游、視圖快捷切換、目標(biāo)常規(guī)操作，以及模型的相交運算。

根據(jù)三維態(tài)勢的組成要素圖，抽象出面向?qū)ο蟮娜S顯控框架類圖，如圖3所示。

圖3 三維顯控框架主要類視圖

三維顯控框架抽象出了四個負(fù)責(zé)不同功能的類，四類又根據(jù)具體功能派生出不同的子類，覆蓋三維態(tài)勢圖所涉及到的功能模塊。如軍標(biāo)類3DMSymbols繼承標(biāo)繪信息類3DBattleFieldInfo，主要功能是用軍標(biāo)標(biāo)記態(tài)勢圖中的特定目標(biāo)。3DBattleFieldInfo繼承osg::BillBoard和osg::Drawable。

osg::BillBoard是OSG中的布告板節(jié)點，能夠?qū)D形繪制在朝向視點的多邊形表面上，多邊形的朝向隨著觀察角度的變化而變化，布告板技術(shù)適合在三維態(tài)勢中顯示軍標(biāo)、標(biāo)牌等二維元素，使得觀察者在任何角度都可以看到布告板中的內(nèi)容。三維框架封裝了顯控系統(tǒng)的對外開發(fā)接口，使用OSG避免了直接對底層的調(diào)用。同時OSG從上而下的樹形場景管理結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了場景的組織，提高了場景的渲染效率。

三維顯控框架主視圖包含多個場景。利用OSG的場景結(jié)構(gòu)樹建立了若干個特定的場景，開發(fā)人員可以在場景中調(diào)用接口添加模型，不必直接關(guān)注模型在OSG場景樹中的組織形式。

三維顯控框架在Red Hat Linux系統(tǒng)下基于Qt開發(fā)，開發(fā)語言為C++。框架采取C++動態(tài)鏈接庫插件集成的形式，子系統(tǒng)所需功能以插件的形式集成到框架中[14]。

框架提供模型加載、消息通信、窗口管理、菜單控制接口?？蚣軉雍蟮膽B(tài)勢界面如圖4所示。

圖4 三維顯控框架人機界面

框架模型庫中提供了常用的三維模型，3dMax,Maya等軟件生成的三維模型也可以通過模型導(dǎo)入接口導(dǎo)入到指定場景。圖5左圖顯示將飛機三維模型導(dǎo)入到三維態(tài)勢圖，右圖是根據(jù)空基平臺雷達的數(shù)學(xué)模型建立的三維雷達模型疊加到飛機模型上的效果圖。圖中能夠看出雷達的掃描波束特征、威力覆蓋范圍等二維視圖無法展示的信息。

圖5 空基平臺雷達三維模型

4 結(jié)束語

針對空基任務(wù)電子系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一套三維地理信息渲染引擎和態(tài)勢顯控框架。

通過與二維態(tài)勢的實際對比，三維態(tài)勢圖的優(yōu)點可以總結(jié)為：三維可以展示全球地圖，顯示效果優(yōu)于二維且量算更精確；三維態(tài)勢解決了二維態(tài)勢的目標(biāo)疊加問題，可以從高程維度觀察接近的目標(biāo)；三維態(tài)勢能夠真實展示武器威力范圍在空間的分布，結(jié)合目標(biāo)在空間中的位置，為指揮引導(dǎo)提供了更精確的數(shù)據(jù)。

三維的優(yōu)點明顯，同時也存在一些問題，如現(xiàn)有的 交互設(shè)備(鼠標(biāo)、鍵盤)在三維場景漫游時經(jīng)會出錯，三維目標(biāo)過多時計算機特別是國產(chǎn)計算機卡頓明顯等。后續(xù)工作將繼續(xù)對這些問題展開研究，實現(xiàn)國產(chǎn)平臺上的自主可控三維態(tài)勢引擎。

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Design and Implementation of 3D Aero Display and Control System for OSG

JIN Hui-liang,GAO Wen-qi,LIU Li-hui

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

2D display and control is used to be main way of presenting air situation,but when there exists plenty of overlapping items,it’s difficult to clearly distinguish useful targets.3D graph rendering technology is widely applied in scenario emulation,business games,virtual reality and so on,but few research has been conducted in aero dis-ctrl system.Therefore,on the basis of discussion of advantages of 3D dis-ctrl system compared with 2D method and research of OpenSceneGraph,in order to implement 3D aero dis-ctrl system,a 3D dis-ctrl framework based on OSG has been designed.It supports 3D geography rendering,vector and elevation data parsing,model loading and scene roaming,graph and symbols painting as well as 3D airline plotting,3D manipulation,3D measurement and interaction.By this framework,3D-tech can not only be used for emulation,but also be available for constructing actual data-driven aero 3D dis-ctrl systems.

aero dis-ctrl platform;3D GIS;display and control system;3D situation

2016-05-16

2016-09-08

時間：2017-03-07

國家工信部基金項目(2012ZX01041-005)

靳慧亮(1987-)，男，工程師，研究方向為人機交互與顯示控制。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.034.html

TP302

A

1673-629X(2017)04-0161-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.036