移動(dòng)平臺(tái)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

摘 要虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真對(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練、指揮決策等具有重要意義。隨著智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展，使戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)進(jìn)一步小型化成為可能。分析了基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，闡明了進(jìn)一步的研究方向；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)平臺(tái) 虛擬戰(zhàn)場(chǎng) 仿真

1 引言

虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)仿真領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，對(duì)指揮控制、作戰(zhàn)推演、輔助決策等具有重要意義。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真以計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、真實(shí)感圖形建模等技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合聲、光、電、觸等特效，產(chǎn)生身臨其境的逼真環(huán)境。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛行模擬、單兵對(duì)抗、兵棋推演等領(lǐng)域。

虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真以三維場(chǎng)景的建模與繪制技術(shù)為核心，對(duì)三維圖形生成與處理的能力有較高要求。傳統(tǒng)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)通常需要專業(yè)的圖形工作站支持，用以建立三維真實(shí)感戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，輔以頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，完成沉浸式仿真環(huán)境的生成及人機(jī)交互。隨著電子信息與計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備的處理能力日趨強(qiáng)大，已能夠較好地支持相對(duì)復(fù)雜的三維場(chǎng)景生成，使得基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)仿真成為可能。由于移動(dòng)平臺(tái)集成化程度高，其顯示、計(jì)算、存儲(chǔ)、交互等功能均集成在一體化設(shè)備上，可使戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)小巧而靈活，特別適合單兵大規(guī)模對(duì)抗演練，因此成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

本文以戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的便攜和小型化為背景，分析基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)，其研究現(xiàn)狀主要集中在場(chǎng)景建模與組織、模型簡(jiǎn)化與快速繪制、移動(dòng)平臺(tái)下的戰(zhàn)場(chǎng)交互等方面。

2.1 場(chǎng)景建模與組織

移動(dòng)平臺(tái)屬于資源有限型計(jì)算平臺(tái)，因此必須對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行高效組織。場(chǎng)景組織按其目的可分為面向交互與面向性能兩類，前者主要釆用場(chǎng)景圖來(lái)描述和組織虛擬場(chǎng)景，優(yōu)勢(shì)是將場(chǎng)景中的物體按照?qǐng)鼍霸O(shè)計(jì)者根據(jù)其在現(xiàn)實(shí)世界的邏輯結(jié)構(gòu)抽象為對(duì)象并以層次結(jié)構(gòu)來(lái)組織，這樣設(shè)計(jì)者以后能更方便對(duì)其進(jìn)行更新修改；后者主要采用空間分割技術(shù)作為組織方式，包括二叉空間分割樹(shù)、八叉空間分割樹(shù)和包圍體層次樹(shù)等方法。

2.2 模型簡(jiǎn)化與快速繪制

目前已經(jīng)提出了許多模型簡(jiǎn)化算法，例如基于頂點(diǎn)聚類的網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法和基于邊折疊的網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法等，但對(duì)于某些復(fù)雜的模型，簡(jiǎn)化效果還是不能令人滿意，往往需要手工簡(jiǎn)化，而手工簡(jiǎn)化的工作量是非常巨大的?？焖倮L制主要在模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，依賴LOD、視點(diǎn)相關(guān)的模型調(diào)度等技術(shù)。

2.3 移動(dòng)平臺(tái)下的戰(zhàn)場(chǎng)交互

目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)交互功能的實(shí)現(xiàn)一般是依賴外部交互設(shè)備以及硬件平臺(tái)的內(nèi)置傳感器。外部交互設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、操縱桿、空間定位設(shè)備等；內(nèi)置傳感器包括方向傳感器、加速度傳感器、距離傳感器等。傳統(tǒng)的交互主要以PC為支撐平臺(tái)，以鼠標(biāo)、觸摸板、鍵盤等為基礎(chǔ)，而移動(dòng)平臺(tái)則主要以多點(diǎn)觸控為基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控為主要模式的戰(zhàn)場(chǎng)交互仍有必要進(jìn)行深入研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)平臺(tái)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 移動(dòng)平臺(tái)三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)組織方法

三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，包括地理、水文氣象、電磁等環(huán)境信息，以及飛機(jī)、坦克、雷達(dá)等目標(biāo)信息，其數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)類型多種多樣。移動(dòng)平臺(tái)受限于硬件資源，其存儲(chǔ)和計(jì)算能力相對(duì)較弱，必須對(duì)傳統(tǒng)的工作站模式進(jìn)行改進(jìn)，從戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的專題化、模型簡(jiǎn)化、場(chǎng)景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)組織等方面提出新的方法。

3.2 移動(dòng)平臺(tái)三維場(chǎng)景的快速調(diào)度方法

三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)調(diào)度是提高繪制效率的重要方法，其主要思路是依據(jù)視點(diǎn)和觀察范圍確定需要處理的場(chǎng)景數(shù)據(jù)，并依據(jù)時(shí)間序列和重要性實(shí)時(shí)調(diào)入內(nèi)存。鑒于移動(dòng)平臺(tái)的操作系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)和圖形工作站有較大區(qū)別，需要研究與此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的場(chǎng)景調(diào)度方法，確定調(diào)度流程，并依據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的計(jì)算資源確定場(chǎng)景的精細(xì)程度。

3.3 移動(dòng)平臺(tái)戰(zhàn)場(chǎng)仿真的多模態(tài)交互方法

移動(dòng)平臺(tái)如智能手機(jī)、平板電腦等以觸摸式交互為主體，進(jìn)行場(chǎng)景編輯與路徑規(guī)劃時(shí)其方便程度較鼠標(biāo)方式有一定的差距，探索適合多點(diǎn)觸控的交互方式，與新設(shè)備相適應(yīng)，也是一個(gè)非常必要的任務(wù)。

3.4 移動(dòng)平臺(tái)立體視差模型的建立及計(jì)算

建立立體視差模型的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何生成立體圖像對(duì)，生成立體圖像的主要方式有以下四種：旋轉(zhuǎn)透視投影法、平行投影旋轉(zhuǎn)法、平行投影剪切法和雙中心投影法。四種方法各有優(yōu)劣，針對(duì)不同的系統(tǒng)需求以及硬件能力，需要采用不同的立體圖像對(duì)生成算法。

3.5 嵌入式三維編程

目前主流的移動(dòng)平臺(tái)操作系統(tǒng)為Android、iOS等，相應(yīng)的三維圖形庫(kù)為OpenGL ES，雖然OpenGL ES足夠強(qiáng)大，但相對(duì)于經(jīng)典的OpenGL而言，其功能仍有一定的裁剪和定制，因此需要對(duì)移動(dòng)平臺(tái)戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行功能界定，使之和編程環(huán)境相匹配。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

移動(dòng)平臺(tái)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動(dòng)平臺(tái)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別是場(chǎng)景建模系統(tǒng)、硬件平臺(tái)、實(shí)時(shí)繪制系統(tǒng)，其中，場(chǎng)景建模系統(tǒng)和實(shí)時(shí)繪制系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)，前者完成場(chǎng)景建模，后者完成實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的基本功能如下：

4.1 場(chǎng)景建模系統(tǒng)

完成戰(zhàn)場(chǎng)要素建模，如地理、環(huán)境、目標(biāo)、態(tài)勢(shì)等；完成場(chǎng)景編輯，根據(jù)仿真任務(wù)需求，將各戰(zhàn)場(chǎng)要素組合成一個(gè)特定場(chǎng)景；路徑規(guī)劃則完成仿真過(guò)程的設(shè)定，通常，依據(jù)時(shí)間線進(jìn)行仿真任務(wù)推進(jìn)。

4.2 硬件平臺(tái)

該平臺(tái)是戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的硬件支撐平臺(tái)，通常包括智能手機(jī)加頭盔、或者立體投影加VR眼鏡兩種方式；交互則通過(guò)手柄、操縱桿、方向舵等以Wi-Fi（需保證在同一網(wǎng)段）或藍(lán)牙方式進(jìn)行連接。

4.3 實(shí)時(shí)繪制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要完成場(chǎng)景的調(diào)度與快速繪制，依據(jù)場(chǎng)景變換的需求，如視點(diǎn)移動(dòng)、觀察方位的變化、以及硬件交互設(shè)備的輸入等實(shí)時(shí)計(jì)算新的場(chǎng)景。

系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖2所示。

系統(tǒng)運(yùn)行分為兩個(gè)階段，即仿真準(zhǔn)備階段和仿真運(yùn)行階段。仿真準(zhǔn)備階段完成戰(zhàn)場(chǎng)要素建模、仿真場(chǎng)景生成、仿真任務(wù)規(guī)劃等。該階段可在移動(dòng)平臺(tái)上完成，作為過(guò)渡方案，也可在PC或圖形工作站上完成；仿真運(yùn)行階段完成硬件平臺(tái)注入，即將規(guī)劃好的仿真場(chǎng)景及任務(wù)數(shù)據(jù)注入到移動(dòng)平臺(tái)，然后依據(jù)交互要求和交互參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介

陳敏（1969-），女，江西省南昌市人。博士。副教授。主要研究方向?yàn)?計(jì)算機(jī)應(yīng)用、圖形圖像處理。

作者單位

湖南信息學(xué)院 湖南省長(zhǎng)沙市 410151