作戰(zhàn)試驗三維可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計

魏五洲 趙海旭

摘要：在以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)的三維可視化基礎(chǔ)上，設(shè)計了作戰(zhàn)試驗三維可視化仿真系統(tǒng)。將三維空間理念引入到作戰(zhàn)試驗可視化顯示中，具體闡述了作戰(zhàn)標繪的三維模型構(gòu)建、實時數(shù)據(jù)接收及解析、三維態(tài)勢顯示、雷達仿真分析，直觀具體的表達了作戰(zhàn)試驗三維態(tài)勢。通過大數(shù)據(jù)加載顯示策略、粒子特效關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了良好的可視化效果，有效地提高了作戰(zhàn)試驗三維信息感知能力。

關(guān)鍵詞：作戰(zhàn)試驗;三維可視化;仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0288-02

對戰(zhàn)場態(tài)勢及戰(zhàn)場環(huán)境的可視化仿真在作戰(zhàn)輔助決策支持系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。。研制一種可測量、多維度、充分考慮領(lǐng)域情景的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)，可用于武器系統(tǒng)性能驗證和作戰(zhàn)方案推演，同時可有效改進系統(tǒng)使用人員的臨場感覺，促進訓(xùn)練水平、效益的不斷提高，指導(dǎo)施訓(xùn)方案的科學(xué)制定，推動軍事作戰(zhàn)、訓(xùn)練模擬在概念和方法上產(chǎn)生新的飛躍。

1系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)作戰(zhàn)試驗需求，三維顯示系統(tǒng)可劃分為三維數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)、三維基礎(chǔ)功能模塊、實時數(shù)據(jù)接收與處理、三維態(tài)勢顯示模塊和雷達分析功能模塊，系統(tǒng)組成如圖1所示。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1作戰(zhàn)標繪

1）三維模型標繪

通過實體在三維數(shù)字地圖上的初始位置部署和實體基本信息的錄人，將作戰(zhàn)實體三維模型手動部署到三維場景中，以可視化界面編輯部署經(jīng)緯度、高度、方位角、俯仰角、模型縮放比例信息。

2）標繪對象編輯

改變標繪對象的顏色、符號大小、空間位置、視圖范圍等信息，通過風格的變化表示不同的戰(zhàn)場信息。

2.2實時數(shù)據(jù)接收及解析

1）通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)不同數(shù)據(jù)源的接人和顯示，需確定一套獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當其他數(shù)據(jù)源接入后，通過自動轉(zhuǎn)換模塊，按照接口規(guī)范自動將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部可以使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。以動態(tài)目標位置幀為例，主要描述動態(tài)目標的實時位置和姿態(tài)。

2）實時數(shù)據(jù)接收與解析

系統(tǒng)通過設(shè)計獨立的接收模塊，實時仿真驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送的仿真數(shù)據(jù)報文，為仿真推演提供數(shù)據(jù)驅(qū)動。實現(xiàn)連續(xù)接收及斷點接收兩種模式。

2.3三維態(tài)勢顯示

1）推演控制

對于回放模式，通過播放控制面板控制播放的開始、暫停、停止、繼續(xù)。設(shè)置播放速率，實現(xiàn)播放進程的后退、快進。

2）目標顯示控制

根據(jù)文件數(shù)據(jù)或者實時數(shù)據(jù)，通過對離散控制點的插值平滑，生成無人機等目標飛行航線，并在地球窗口顯示飛行航線、航線立柱、飄帶。通過對目標進行分類管理，靈活對目標進行顯示控制。

3）參數(shù)曲線顯示

選定某飛行目標，在屏幕上顯示參數(shù)曲線窗口，繪制飛行目標的時間—高度曲線、攻擊角—攻擊距離曲線、飛行時間—航程曲線。

4）標牌定制與顯示

在無人機飛行仿真中，以標牌形式顯示無人機、發(fā)射導(dǎo)彈的基本屬性信息和實時狀態(tài)信息。控制標牌的顯隱及標牌顯示位置，定制標牌顯示內(nèi)容及標牌字體顏色。

5）波束顯示控制

根據(jù)無人機雷達參數(shù)及飛行數(shù)據(jù)，生成無人機雷達探測波束及范圍，在地球窗口中動態(tài)顯示。能夠設(shè)置波束的顏色、透明度、線型等顯示方式。

6）偵察過程顯示

根據(jù)預(yù)警機載荷參數(shù)及飛行數(shù)據(jù)，生成預(yù)警機偵察探測波束及范圍，在地球窗口中動態(tài)顯示。

7）導(dǎo)彈飛行過程可視化

根據(jù)接收的導(dǎo)彈飛行狀態(tài)參數(shù)，包括飛行姿態(tài)、控制信息，得到不同時刻導(dǎo)彈的位置、速度、姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用其位置信息繪制當前幀場景，同時能夠顯示導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引段各個交班時刻動作，逼真的模擬導(dǎo)彈從發(fā)射、飛行到擊中目標的全過程。

2.4雷達仿真分析

1）雷達機動部署

實現(xiàn)在地球上指定位置布設(shè)不同型號的雷達，以相應(yīng)的三維模型進行展示，并可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)。。

2）雷達動態(tài)掃描

基于三維地形模型，利用三維繪圖技術(shù)對雷達包絡(luò)圖、波瓣圖進行模擬再現(xiàn)，利用空間分析算法，對雷達跟蹤結(jié)果在三維空間中進行可視化表現(xiàn)。實現(xiàn)雷達動態(tài)掃描，并可選擇是否顯示雷達波瓣、掃描軌跡、包絡(luò)體、網(wǎng)格等。

3）雷達與地形遮蔽

根據(jù)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)對雷達垂直威力進行修正，并在三維空間中顯示與地形遮蔽后的雷達包絡(luò)，顯示雷達掃描瞬時波束受到地形遮擋后的實時效果，顯示雷達波束瞬時覆蓋情況。

4）雷達高度層切片

設(shè)定典型高度層，水平切割雷達的探測包絡(luò)，顯示該典型高度層的探測范圍切片。可對多個典型高度層切片進行融合計算，并顯示融合結(jié)果。

5）多部雷達融合

利用幾何體交并的算法實現(xiàn)對多部雷達的包絡(luò)的融合計算，并實時在三維地球中顯示出包絡(luò)融合后的威力效果。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1大數(shù)據(jù)加載顯示策略

由于三維對象的渲染要消耗很多的系統(tǒng)資源，所以對大量精細三維對象的渲染速度會比較慢，為了解決這一困難，采用了細節(jié)層次模型技術(shù)，即對三維對象進行分層管理，在遠端觀察對象時較多采用顆粒度較大的粗糙模型，在近端觀察對象時較少采用顆粒度較小的精細模型，這樣既能滿足從遠至近從模糊到清晰的視覺效果，又能極大地提高系統(tǒng)的效率。

為了進一步提高客戶端的性能，采用客戶端緩存技術(shù)，這樣下次再瀏覽這一區(qū)域時就可以直接使用緩存中的數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)往返的時間，從而極大地提高了效率。

3.2粒子特效技術(shù)

粒子特效的原理是將無數(shù)的單個粒子組合使其呈現(xiàn)出固定形態(tài)，借由控制器，腳本來控制其整體或單個的運動，模擬出現(xiàn)真實的效果隨著虛擬世界時間的流逝，每個粒子都要在虛擬世界經(jīng)歷“產(chǎn)生”“活動”和“消亡”三個階段。

4應(yīng)用效果

系統(tǒng)利用接收到的實時測量數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運動，在三維場景中實時繪制實際彈道飛行軌跡，同時顯示實際測試數(shù)據(jù)。通過對實時測量數(shù)據(jù)的記錄和回放，實現(xiàn)對作戰(zhàn)試驗過程的事后分析。作戰(zhàn)試驗三維可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計為試驗主持人提供了一個動態(tài)、可交互的虛擬試驗環(huán)境，方便主持人了解掌握各個點位地形特征，提高試驗指揮決策的科學(xué)化、可視化和遠程化。

5結(jié)論

本文設(shè)計了作戰(zhàn)試驗三維可視化仿真系統(tǒng)，并在三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境下，實現(xiàn)動態(tài)仿真目標飛行與周圍場景的變化。為系統(tǒng)驗證分析、仿真評估與指揮決策提供了更加形象、直觀、豐富的信息支撐，對于提高場區(qū)裝備信息化程度和指揮人員的戰(zhàn)場感知能力，具有重大意義。