COP顯示系統中三維技術的缺陷及改進研究＊

周偉祝 宦 婧

（海軍航空工程學院 煙臺 264001）

1 引言

通用作戰圖（Common Operation Picture，COP）是數字化戰場信息的集成平臺和可視化顯示系統，它可以對軍事地形、資源與環境等空間信息以及我軍、友軍和敵軍戰場態勢數據進行融合、分析和輸出，特定地理空間內的所有軍事力量和行動都將以一致的形式展現出來，以增強作戰人員對態勢的感知和理解［1～2］。通過將作戰計劃、作戰力量、戰區天氣、戰區地形等各種信息與地理信息系統相結合，可以更好的理解這些因素對作戰行動的影響。

目前COP顯示系統設計的流行方法是以最真實最自然的方式顯示信息。這種方法構建在這樣一個假設的基礎上，即越真實的顯示戰場情況，用戶越能發揮自己天生的觀察能力，從而毫不費力的形成對態勢的感知和理解［3］。這種思想最直接的表現就是使用三維技術來顯示態勢圖像。本質上，COP就是一個三維戰場空間的顯示系統。

三維顯示系統是一個低角度的立體投影系統，典型方法是采用與水平面呈20°～45°的視角來表現場景［4］。它能給用戶帶來強烈的真實感和視覺沖擊力，使用戶獲得沉浸式的體驗，因此獲得越來越多用戶的喜愛。然而，態勢涉及到非常多的信息，這就要求用戶能夠從顯示系統中獲得支持他們完成任務最需要的信息，而有些任務對空間上的精確程度要求很高，比如視線檢測和碰撞預測。在實際使用中我們發現，在精確判定相對位置和精確的物體識別方面，三維顯示系統和三維圖標系統存在缺陷，其精確程度和判定效率甚至不如二維視圖和二維圖標系統。更為嚴重的是，三維顯示系統實際上更容易使用戶出現判斷失誤的情況。本文深入研究了三維顯示系統和三維圖標系統存在的缺陷以及缺陷形成的原因，并提出了相應的改進措施。

2 三維視圖的局限及其原因

2.1 三維視圖的局限

三維視圖將三個維度的信息綜合在一個縱深感強烈的圖形中，因而在形狀識別方面顯得更加優秀［5］。而當把三維視圖中的長度還原成空間中的長度時，用戶通常沒有正確的認識到在三維視圖中寬度方向上和縱深方向上有著不同的壓縮比例，而只是本能的采用了同樣的壓縮比來還原三維視圖中的場景［6］，這樣簡單的認知，最終導致了用戶在使用三維視圖判斷相對位置時非常容易出現誤解。我們構建了一個視覺比例誤差模型來解釋用戶在縱深方向上出現的錯誤，如圖1所示。

寬度方向上：式中，Sh為寬度方向上的壓縮比，Xi表示現實世界中寬度方向上的長度，Xw表示顯示系統中寬度方向上的長度。

縱深方向上：

式中，Sz為縱深方向上的壓縮比，Yi表示現實世界中縱深方向上的距離，Yw表示顯示系統中縱深方向上的距離，VA為用戶視角。

對于同一次觀察而言，式（1）和式（2）中d／D為一個常量，我們用K 來表示，于是可以得到式（3）、（4）、（5）：

圖1 視覺比例誤差模型

式（3）、（4）中的K ＝d／D。

從模型中可以看出，寬度方向上和縱深方向上壓縮比的不同隨著觀察角度的降低而增加，其增加規律近似符合正弦曲線的變化規律，所以在低角度的觀察視角下，誤解的情況會更加嚴重。視覺比例誤差模型也解釋了為什么二維視圖在相對位置判斷方面優于三維視圖，因為90°的觀察視角是唯一不會帶來誤解的視角。

2.2 對三維視圖缺陷的修正方法

三維視圖存在固有的易誤解性，但是很顯然，放棄三維視圖不是明智的選擇，因此，我們必須找到一個方法來限制這種誤解，引導用戶采用更好的觀察視角獲取信息。在平面上增加網格是一個通常容易想到的辦法，但是增加網格讓視圖看起來很雜亂，而且網格間的空間仍然會給人們帶來誤解［7］。同時，采用網格帶來了另外的問題，即什么時候顯示網格？以什么樣的粒度顯示網格？所以網格并非是一個合適的解決方案。

本文中，我們提出了一個新的解決方案，該方案引入了上文所述的視覺誤差比例模型，在三維視圖中構建視角誤差預測提示系統，提供視覺誤差預測和提醒功能，如圖2所示。

圖2 視覺誤差預測提示系統

視角誤差預測提示系統設置了視角指示線（黃色相機表示）以及誤差警告區域，視角指示線表示了當前用戶視角，警告區域（魚鰭形）表明在每個視角下，感知的尺寸與實際尺寸之間的誤差，誤差區域的寬度表示了在每個視角下的誤差程度。在90°的視角下（也就是二維俯視圖），誤差區域寬度為零，即沒有誤差，而在視角比較低的區域，誤差增長很快。該系統不僅提醒用戶在通常的視角下他們在縱深方向上可能出現的錯誤，而且顯示了在不同的視角下這些錯誤的嚴重程度。圖3顯示了一個在近岸防空領域應用視角誤差預測提示系統的情況，在22.5°視角下，圖3中中間的防空設施看起來明顯更加靠近后面的一個，而實際上，三個防空設施之間是等間距的。視角誤差預測提示系統提醒用戶在顯示系統中，圖像的后部可能出現的視覺誤差，并且顯示了通過提高觀察角度，用戶可以獲得更精確的感知。

圖3 視覺誤差預測提示系統的應用

實際應用表明，該視覺誤差提示系統能有效的減少三維視圖中相對位置判定誤差的發生，提高用戶判定精度和效率。

3 COP顯示系統中的三維圖標

3.1 三維圖標的局限

3.1.1 目標識別上的缺陷

戰場空間中存在各種軍事力量和軍事設施，在COP顯示系統中，這些物體必須被清晰的顯示出來，通常我們采用的方法是用某種圖標來表示軍事力量和設施［8］，如圖4所示。

圖4 表示軍事力量的圖標

在各種圖標中，三維圖標倍受歡迎，部分是因為它們用一種縮微的直觀的具有視覺仿真效果的圖標來描述艦艇或是飛機，而二維圖標通常采用的是抽象的軍用符號［8］。研究發現，盡管人們更喜歡使用三維圖標，但是實際上對應的軍用圖標在物體識別方面效果更好。仿真的三維圖標實際上削弱了它們在完成任務時的用途，原因之一恰恰是三維圖標和它表示的實際事物保持了類似的視覺外觀，由于很多軍事裝備的外觀看起來是很類似的（如很多艦艇或者很多飛機），用戶在利用三維圖標區別它們時效率較低，甚至會出現誤識別的可能。軍用二維圖標則不存在這個問題，因為設計軍用二維圖標的目的之一，就是為了作戰人員能夠順利的根據圖標來區分不同的戰場實體和設施［9］。

3.1.2 準確度和效率上的缺陷

使用三維圖標帶來的問題實際上還不止容易誤識別這一個。表示高度的線條，其長度受到距離的影響，因為在三維視圖中，高度方向上跟縱深方向上一樣，在三維視圖的后面部分都會被壓縮。為了正確的顯示高度信息，用戶必須根據縱深比例重構高度線的長度，但是，在三維視圖中，縱深比例是未知的。更麻煩的是，在三維視圖中，飛機的飛行方向很難判斷［10］。

如圖5所示，從飛機前面的航向線上看起來兩架飛機的航向是一樣的，而實際上，其中一架的航向是東南，而另一架的航向是東。我們已經發現，在三維視圖中，用戶正確獲得飛機的航向、高度等信息所需要的時間要比在二維視圖中多得多。這就否定了人們在三維視圖下會工作得更好的認識。實際情況是，用戶從三維視圖中獲取信息的難度更大，尤其是需要精確信息的時候。

3.2 對三維圖標的改進

從上文可以看出，三維圖標在表現某些特性時更具有優勢，因為他們比二維圖標以更加直觀的方式來表現物體。二維圖標在物體識別和關系判定方面表現得更好，因為二維圖標以更加具有辨識性的方式來表現物體。我們綜合了上述兩種方式的優點，構建了一個新的混合式的表現方式，如圖6所示。該混合表現方式使用了符號編碼的方式來表示平臺（例如用F來表示戰斗機），用顏色來表示關系信息，利用整個圖標的旋轉角度來表示方向信息，用簡單的外形來表示分類信息。在實際使用中，我們驗證了這種新的表現方式在各個方面均具有較強的優越性，同時，我們也發現使用這種表現方式，更加有利于用戶對整個態勢的理解。

圖5 三維視圖下航向的判別

圖6 一種混合式的表現方式

總得來說，COP用戶需要精確地、快速的定位和識別軍事設施，二維和三維的混合表現方式相比傳統的二維圖標和三維圖標來說，更新，更具有吸引力，這種表現方式使用但同時又簡化了真實性，給用戶提供了一個可分辨的、易于接受的表現方式，使得和任務相關的信息能夠被很快的提取出來。

4 結語

三維視圖無疑非常具有視覺效果，然而，考慮到顯示系統結構和功能的細節以及任務對信息需求的詳細情況，三維視圖的顯示方式具有很多優點的同時也存在著很多的缺陷，具體表現在：

1）三維視圖在理解物體形狀和判斷物體布局方面更具有優勢，而在精確判定相對位置時容易產生誤解。

2）三維圖標更加直觀，但是識別度不高，在需要精確信息時，甚至容易產生錯誤。

目前國內COP研究尚處于起步階段，研究工作主要集中在數據集成與數據管理方面，而對COP顯示系統的研究則相對較少。本文對COP顯示系統中三維視圖的缺陷作了一系列的研究，深入探討了造成三維視圖缺陷的原因，并根據COP顯示系統的實際需要，針對三維視圖的缺陷提出了改進措施，對更好地開發我國通用作戰圖系統具有重要的意義。

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