基于EV-Globe的單兵防空作戰(zhàn)三維可視化仿真系統設計

閆沖沖，郝永生，葛志軍

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

基于EV-Globe的單兵防空作戰(zhàn)三維可視化仿真系統設計

閆沖沖，郝永生，葛志軍

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

傳統的二維態(tài)勢可視化在對戰(zhàn)場軍事情況表達過程中存在著更新周期長，作戰(zhàn)區(qū)域細節(jié)性表達能力差等缺陷。針對這一缺陷，在以計算機圖形學為基礎的三維可視化基礎上，設計了基于EV-Globe的單兵防空作戰(zhàn)可視化仿真系統，將三維空間理念引入到單兵終端防空作戰(zhàn)的空域戰(zhàn)場可視化顯示中，具體闡述了軍事標號的三維模型構建和戰(zhàn)場環(huán)境的三維渲染，直觀具體的表達了防空作戰(zhàn)中的空域態(tài)勢，通過實例證明了該系統良好的可視化效果，有效地提高了單兵防空作戰(zhàn)的信息感知能力。

單兵防空作戰(zhàn)；三維可視化；仿真系統；粒子系統；EV-Globe

當前，在為戰(zhàn)場指揮決策提供可靠信息的各種手段中，目視顯示仍是最有效和最快的方式[1]。因而，對戰(zhàn)場態(tài)勢及戰(zhàn)場環(huán)境的可視化仿真在作戰(zhàn)輔助決策支持系統中發(fā)揮著其重要作用。傳統的二維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化方法固然有很多優(yōu)點，諸如二維軍標號的體系完整，使用規(guī)定明確，方向固定，便于理解等，但是隨著現代戰(zhàn)爭對于可視化的要求不斷提高，二維態(tài)勢顯示也暴露出越來越多的缺陷。例如二維態(tài)勢顯示由于無法直觀表現第三維信息而使得其對于作戰(zhàn)區(qū)域細節(jié)性表達不夠，再者二維矢量地圖對于戰(zhàn)場軍事情況信息的表達的更新周期較長，時效性差，特別是新建的建筑物及橋梁工事，難以在二維矢量圖上及時體現，這樣一來，會對指揮決策精確性分析產生較大影響[2]。

相比較而言，以計算機圖形學為基礎的三維戰(zhàn)場態(tài)勢可視化具有很多優(yōu)點[3]。首先三維可視化表達直觀明了，符合人體固有的視覺習慣，大大縮短了大腦對于戰(zhàn)場部分信息的解釋過程，便于人們理解。其次，它可以實現對于軍標符號的多角度觀察，方便指揮員從多個方向觀察戰(zhàn)場態(tài)勢，提高軍事指揮人員熟悉戰(zhàn)場的效率。再者對于高空目標，三維可視化可以將其表示在相應的Z方向位置上，從而很好的避免了軍標符號的重疊現象。

鑒于三維可視化對于空中作戰(zhàn)目標和其他態(tài)勢的表達有著較好的可行性，所以三維可視化已經逐漸取代二維態(tài)勢顯示成為可視化仿真系統的主流表達方式。

1 EV-Globe平臺簡介

EV-Globe系列三維海量空間信息服務平臺是北京國遙新天地信息技術有限公司自主研發(fā)的三維信息服務平臺。EV-Globe將三維影像和矢量顯示技術與主流GIS平臺無縫的集成在一起，實現了全球影像3D高速瀏覽，矢量/柵格數據一體化管理，二、三維矢量聯動，地理標注和三維分析等功能，如今已成功應用在數字油田、土地利用監(jiān)測、電信、地礦、數字海洋、軍事等領域。

2 系統功能模塊結構

出于對空作戰(zhàn)對于防空作戰(zhàn)三維可視化系統在功能、使用靈活性和操作簡便性等方面的高要求，文中將防空三維可視化仿真系統劃分為數據管理、軍標管理、態(tài)勢管理、場景顯示四個功能模塊，其總體功能結構如圖1所示。

圖1 三維可視化仿真系統總體功能Fig.1 Three-dimensional viewing simulation system collectivity function

各模塊的具體功能[4]如下：

1）數據管理模塊

①地圖數據輸入。將多源、多比例尺地圖數據調入顯示并作為作戰(zhàn)態(tài)勢標繪的底圖。

②標繪要圖管理。在連接地圖數據的基礎上，完成作戰(zhàn)態(tài)勢要圖的創(chuàng)建、打開和保存等功能。

數據管理模塊是三維信息可視化系統的基礎，地圖是作戰(zhàn)態(tài)勢要圖的背景。

2）軍標管理模塊

①軍標屬性編輯。利用軍標屬性編輯菜單，對于所要標繪的軍標屬性進行編輯，包括軍標的放大、縮小、旋轉角度、閃爍、坐標位置等操作。

②軍標動態(tài)推演。針對選中的軍隊標號，給定推演路線，進行實時的軍隊標號動態(tài)推演。

3）態(tài)勢管理模塊

①態(tài)勢標繪。以交互的方式將三維軍事標號配置到三維場景中，包括對軍標的標繪和編輯功能。標繪是將從標號集中選定的標號設定一定的參數，根據獲得的三維坐標配置在三維場景中的過程。

②態(tài)勢推演。利用標繪的軍標對敵我雙方的部署和戰(zhàn)斗進程，或者敵我雙方軍事局勢的發(fā)展態(tài)勢，進行閃爍、出現、移動等動態(tài)的顯示，并能夠對推演態(tài)勢進行編輯和修改。

③態(tài)勢保存與顯示。保存三維場景的設置和場景中所有標號的信息，以便于交互顯示或者存入磁盤，方便調用和編輯。

4）場景顯示模塊

①縮放場景。利用鼠標或者鍵盤等操作，來對所顯示的地圖界面進行有目的性的縮小、放大、旋轉等操作。

②設置顯示屬性。根據操作者的實際需求，設置顯示的相關屬性，譬如是否全屏顯示、色彩對比度、環(huán)境特效等屬性。

③信息查詢。對任意目標點的坐標、兩點間距離及是否通視等情況的查詢與分析。

3 系統設計

3.1 三維軍標的構建與標繪

三維軍標的構建是一個比較復雜的問題，每一種類型軍標的建立都是一個建模的過程，總結起來，大致可分為紋理軍標的構建、矢量軍標的構建、實體軍標的構建等幾類。

1）紋理軍標的構建 紋理軍標是采用紋理映射技術在三維空間中表達相關的軍標內容，其主要用來在三維空間中表達點狀的軍標符號和無具體方向性的符號[5]。紋理軍標構建的基本過程為：首先在三維空間中建立一個具有各向同性的面；然后將二維軍標作為紋理映射到該面上形成三維空間中的軍標符號。公告板技術就是一種紋理映射的特效技術，其基本原理是：通常是一個多邊形，空間物體通過合適的算法，形成二維紋理，通過紋理映射，粘貼到這個多邊形上，從而從觀察者的角度看，就仿佛看到了真實的三維空間物體，它是使平面物體產生立體感的有效方法。

紋理軍標的標繪效果如圖2所示，圖中印有“國遙新天地”字樣的標繪就是利用公告板技術設計的紋理軍標，可以根據所要標繪的實際對象進行相關的命名編輯。如“指揮所”“地面工事”等。

圖2 紋理軍標效果圖Fig.2 Texture martial marker chart

2）矢量軍標的構建 矢量軍標主要是采用一定的計算機圖形算法來實現線狀軍標符號和具有方向的軍標符號在三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的組合表達。這種軍標只要獲得它的屬性信息就可以進行軍標的構建和繪制。構建和繪制主要有兩種方式：一種可以通過直接讀取數據庫存儲的信息進行構建；另一種是用戶直接通過鼠標在屏幕上點擊確定控制點來進行繪制[6]。

以表達進攻方向的箭頭為例，在繪制時首先要給定箭頭的突破口，然后在箭頭方向上給出若干個定位點和箭頭的頂點，最后按照箭頭的比例要求，應用曲線擬合函數繪制出表示進攻方向的曲線和箭頭，標繪效果如圖3所示。

圖3 進攻方向的矢量箭頭圖Fig.3 Aggression direction vector arrowhead chart

因為矢量軍標具有明確的方向性，所以它對于部隊的行進、進攻方向等一系列戰(zhàn)場態(tài)勢的趨勢具有很好的表達效果。

3）實體軍標的構建 三維實體軍標主要是針對空間對象以及用算法等難以建立的不規(guī)則實體等對象，通過加載其構建好的三維軟件模型來表征其戰(zhàn)場角色。目前許多商品化的建模軟件如 3DMaX、Multigen、Softimage、Lightwave 等均提供了強大的制作三維實體的功能，借助此類建模工具建模是多數仿真系統首選的3D建模方法，當然也可以使用DirectX技術編寫自己的建模工具軟件，通過這些方式使用三維實體模型來構建相應的武器模型，然后在場景中進行顯示[7]。

本系統所使用的軟件平臺提供了強大的接收三維模型文件導入的功能，包括X模型、dae模型、obj模型、3ds等模型文件，而且對于導入的一些模型仍可以與直接建模的符號一樣進行編輯和修改，如圖4所示為一架戰(zhàn)斗機的三維模型標繪效果。

圖4 三維實體軍標模型圖Fig.4 Three-dimensional entity martial marker chart

三維實體模型標繪的方式能夠形象、直觀的表示抽象軍標符號所包含的內容，便于理解，但是無法表達某些軍標符號的含義，如進攻方向等，因此在標繪中常常與矢量軍標結合起來使用。

3.2 三維戰(zhàn)場環(huán)境的構建與標繪

戰(zhàn)場環(huán)境仿真通常情況下采用過程建模的思想來進行仿真。過程建模的基本思想就是通過程序算法和其參數來表現物體，是一種利用各種計算過程生成模型中各個要素的建模技術。因為它易于模擬傳統三維數據結構和CAD工具軟件難以表現的不規(guī)則對象，所以最初主要被用來模擬自然景物。常用的過程模型有分形（fractal）迭代的算法模型，還有基于語法規(guī)則的算法模型和基于動態(tài)隨機生長原理的算法模型等，Reeves提出的粒子系統也是一種過程模型。目前，三維噪聲函數算法模型、湍流函數算法模型、基于Fourier合成原理的算法模型等一些新算法也被不斷地推出和應用。

在所有戰(zhàn)場自然環(huán)境因素中，氣象環(huán)境對軍事行動的影響最大，因此往往成為決定軍事行動勝負的關鍵因素[8]。氣象環(huán)境對軍事行動的影響可以通過兩個方面體現出來：一是通過影響作戰(zhàn)單元的效能從而直接影響作戰(zhàn)行動，如雨、雪、霧等天氣可以直接影響戰(zhàn)斗人員的判斷以及所攜帶的武器系統的射擊精度，從而影響戰(zhàn)斗效果；二是通過影響地理環(huán)境因素的改變來間接影響作戰(zhàn)行動，如雨、雪等天氣會導致地面濕滑，通過限制部隊的機動性來影響戰(zhàn)場態(tài)勢。氣象環(huán)境的軍事重要性決定了它在可視化環(huán)境仿真中的重要地位。通常對于風、云、雨、雪等具有非剛性外形和特殊視覺效果的這類元素，采用過程模型中的粒子系統來進行描述。

粒子系統是由Reeves于1983年先提出的，其基本思想是：采用大量不規(guī)則的圖元作為基本元素來描述不規(guī)則的模糊物體。每一個粒子系統都是由大量的稱為粒子的簡單元素構成，而每一個粒子圖元都有一組屬性，包括位置、形狀、速度、顏色和生命周期等屬性，所有這些屬性都是時間t的函數。粒子系統實際上是一個隨機的過程，在空間的某個位置產生粒子源，然后粒子按照一定的路徑完成其生命周期。粒子系統的建模主要可分為以下4個步驟[9]：

1）粒子源產生新粒子 產生任意數目的新粒子，其初始屬性受隨機過程控制，每個粒子都有一個生命周期，如果某些粒子不應該刪除，則可以賦予期更長的生命周期。

2）更新粒子屬性 更新現存的粒子屬性，在該步驟中，粒子的生命周期遞減一個時間步。

3）刪除“死”粒子 檢查粒子的生命周期，若為0則將粒子從系統中刪除。

4）繪制粒子 顯示粒子系統中的所有粒子。

應用粒子系統可以通過簡單的體素來表現復雜物體，且容易實現、易于顯示，渲染速度較高。如圖5所示為利用粒子系統模擬的雨雪效果圖中的下雪場景。

4 系統實現

系統主要是基于EV-Globe SDK進行開發(fā)的，EV-Globe SDK是EV-Globe的二次開發(fā)包，基于EV-Globe提供的開發(fā)接口。SDK以.NET環(huán)境將EV-Globe的相關接口封裝在動態(tài)鏈接庫（dll）中，具體結構如圖6所示。用戶只需要搭建好開發(fā)環(huán)境，引用相關的dll，就可以開發(fā)出自己想要的應用系統。

圖5 雨雪效果示意圖Fig.5 Rain and snow effect sketch map

圖6 EV-Globe SDK結構圖Fig.6 Structure diagram of EV-Globe SDK

圖6是系統基于戰(zhàn)術導彈防空信息化的一個實例“某防空旅地面作戰(zhàn)部隊與敵方空中戰(zhàn)斗小組對于保衛(wèi)目標的實時行進態(tài)勢顯示”所完成的態(tài)勢仿真圖，可以看出，它在三維可視化的基礎上很好的反映了敵我雙方的戰(zhàn)斗力量構成和行進路線以及周邊的戰(zhàn)場環(huán)境。

圖7 戰(zhàn)場態(tài)勢圖Fig.7 Battlefield situation drawing

5 結束語

基于大型GIS平臺EV-Globe，設計并實現了單兵防空作戰(zhàn)三維可視化仿真系統。由于三維可視化對于與戰(zhàn)場態(tài)勢相關的軍事標繪符號，戰(zhàn)場氣象環(huán)境以及戰(zhàn)斗實體等元素的顯示有著良好的可行性，使得對于戰(zhàn)場態(tài)勢信息的表達更加直觀具體，增強了使用者對于戰(zhàn)場態(tài)勢的理解，方便于其針對戰(zhàn)場態(tài)勢及時做出正確的判斷，對于提高我軍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。

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Design of solo-soldier 3D visualization simulation in aerial defense system based on EV-Globe

YAN Chong-chong， HAO Yong-sheng， GE Zhi-jun
（Missile Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang050003，China）

In traditional two-dimensional（2D） situation， the battlefield visualization process of the military situation face problems in long expression update cycle，and poor skills in describing the details of the operational area.To solving these problems， designed solo-soldier in aerial defense visual simulation system based on EV-Globe， which depends on the threedimensional（3D） computer graphics visualization.Introduce the 3D concept to the terminal of aerial defense visual display of the battlefield airspace， specifically addressed the military grade construction and 3D model of the battlefield environment，3D rendering，visual expression of a specific air defense operations in the airspace situation， demonstrated by the example of the visualization system is good，effective improved the perception of solo-soldier in aerial defense capability.

solo-soldier in aerial defense；3D visualization；simulation system；particle system；EV-Globe

TP319

A

1674－6236（2012）04-0038-04

2011-12-06 稿件編號：201112026

閆沖沖（1987—）男，河南靈寶人，碩士研究生。研究方向：檢測技術與自動化裝置。