基于虛擬現實技術的海上區域作戰平臺研究＊

郭 暉 史蓓蕾 昂朝群

（海軍工程大學計算機工程系 武漢 430033）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展帶來戰爭的規模和形式不斷變化，并且越來越復雜，因此對作戰模擬和戰場可視化的要求也越來越高［1］。而虛擬現實技術的發展為對作戰模擬方法的研究提供了必要的技術手段，使得作戰模擬的應用范圍不斷擴大。虛擬現實技術可以在很大程度上解決真實作戰訓練中的許多實際問題，例如費用過高、危險、受真實環境的限制等，并且可以使相距幾千公里的士兵與作戰指揮人員在網絡上進行對抗作戰演習和訓練，效果如同在真實的戰場上一樣，因此從一開始便倍受各國軍方的青睞。

2 海上虛擬作戰平臺需求分析

海上虛擬作戰平臺可通過相應的三維海上戰場環境圖形圖像庫，包括作戰背景、作戰場景、各種武器裝備和作戰人員等，通過背景生成與圖像合成創造一種險象環生、幾近真實的立體戰場環境，使作戰指揮人員和演練者“真正”進入形象逼真的戰場［2］，從而可以增強受訓者的臨場感受，大大提高訓練質量。目前國內虛擬現實平臺市場尚未大幅開發，軍方對此研究也還是剛剛起步，而國外的相關研究早已展開，為增強我國海軍的戰斗力和競爭力，加強虛擬戰場平臺的研究迫在眉睫。

在虛擬作戰平臺的國外研究方面，美國國防部最早開發了一個典型項目SIMNET，供軍事訓練用的、低價格的、聯網的分布式軍用虛擬環境，為后來的虛擬戰場環境奠定了基礎；美國海軍開發的“虛擬艦艇作戰指揮中心”能逼真模擬艦艇作戰指揮中心的環境，使受訓軍官沉浸于“真實”戰場之中；美軍在加利福尼亞、洛杉磯和德國的賀漢弗爾斯等地建立起作戰演練中心，拉開了在“準戰場”打現代高技術戰爭的正規化、系統化、規模化建設序幕；還有美國海軍研究院開發的NPSNET、瑞典計算機科學研究所的DIVE、新加坡國立大學的BrickNet／NetEffet等等［3］。在國內研究方面，杜陽華等研究了海上區域作戰虛擬訓練系統設計及關鍵技術［4］；李玉陽等研究了水下戰場環境虛擬仿真系統，實現對海洋地理環境、水文環境以及水聲環境的綜合仿真和可視化分析［5］；北京航空航天大學等四家單位聯合開發的“颶風平臺”演練環境中陸戰部分的戰術演練，四家單位的仿真實體能夠相互開火交互，完成一定的戰術演練任務［6］。

綜合國內外的研究現狀，我軍對海上虛擬作戰平臺的研究還處于起步階段，研究虛擬作戰平臺對于海軍的建設和發展有著很大的技術價值和現實意義。

3 海上虛擬戰場環境構建

虛擬戰場環境是戰場可視化仿真的運行基礎，可以將數字化技術引入部隊和戰場，將所有相關功能系統通過網絡聯結成一個有機整體，以達到整個作戰范圍內的信息資源共享，最終實現部隊和戰場的指揮、控制、通信和情報（即C3I）高度一體化［7～8］。虛擬戰場環境的生成主要包括場景建模和場景驅動兩個步驟。海上虛擬戰場環境主要由戰場海面模型、戰場海體模型、戰場海底模型、武器模型、士兵模型等三維模型組成，可以使用以3DMAX和DirectX三維圖形開發庫及其相關插件來完成［9］，虛擬場景驅動則可以通過Vega渲染引擎來實現［10］。

由于海上作戰環境復雜，需要構建的模型比較多，并且針對海上作戰的特殊性要求，即實時、準確、動態。因此總體設計應該具有潛艇、艦艇、風浪、海面、海體等等很多模型。一個小的模型與整體系統的比例相差很大，不可能將所有模型都在整個系統模型中進行建模。因此，按照靜態實體的位置和重要程度確定建模順序，依次對每個模型分別構建，最后再將構建完畢的每個區域內的靜態實體模型進行集成。

海上區域作戰場景的構建是虛擬平臺仿真效果的核心，主要按照作戰地域進行片區劃分，同時考慮每片區域的地理位置與功能，包括海上、海底、空中等領域及其附屬作戰載體。場景的總體層次主要包括海上、海底、空中等單個區域及其附屬的魚雷、艦群、機群等。整個海上區域作戰戰場環境的層次結構圖如圖1所示。

圖1 海上區域作戰戰場環境的層次結構圖

為給訓練和決策人員創建一個能沉浸其中的環境，系統必須能根據需要準確、逼真地顯示客觀世界中的對象，在此前提下還需要保證指揮人員和虛擬環境交互的實時性。主要通過以下技術實現：

1）單元分割（Cell Segmentation）技術：將虛擬場景（或模型）分割成較小的單元，只有在當前場景（或模型）中的實體才被渲染，因此極大地減少了處理場景（或模型）的復雜度。這種分割法對于地形模型和大型建筑物是非常適用的，因為在人的視野中所見的物體只是整個虛擬環境中的很小的一部分，只處理當前所見的物體大大提高了系統的速度。海上模型分成若干區塊，場景調度時可以只輸出其中的幾個單元區塊，而不必導入所有的模型。

2）紋理映射（Texture Mapping）技術：將二維圖像映射到三維幾何形狀表面，使其產生特殊效果或真實感的一種技術。使用紋理映射技術可以避免對場景的每個細節都使用多邊形來表示，進而可以大大減少場景模型的多邊形數目，同時節省了系統的渲染時間。

3）自由度DOF（Degree Of Freedom）技術：通過設置模型自由度實現物體伸展、彎曲等動態特性使模型對象具有活動能力。

4）細節層次技術：對同一個場景或物體，使用不同細節描述的方法得到一組模型，繪制時根據物體在屏幕上所占區域大小及用戶視點等實時選擇不同的LOD模型，在保證視覺效果的前提下最大程度地提高系統實時性。

5）模型數據庫優化技術：采用樹狀結構層次來組織管理場景數據。對于三維模型數據庫集合層的劃分是模型數據庫優化的關鍵。按照物體尺度大小選擇邏輯或者空間位置劃分集合層。對于建造特征尺度較小的物體，按照邏輯（物體本身具有的功能屬性）劃分，有利于從功能和屬性方面對模型進行管理；對于尺度較大的物體，使用空間位置的方式劃分，系統將更為高效。

虛擬訓練系統三維模型庫部分模型如圖2、3所示。

圖2 艦載模型

圖3 天空模型

為了使海上區域作戰的各個運動更加逼真，要對現實海上環境信息進行分析，內部因素和外部因素都要考慮進來。影響海上戰場的內部因素主要包括：標準水動力系數／靜水屬性、航道條件、風浪、與其他船只相互作用（距離、領航）、艦船遭破壞的條件、艦船操作限制等等。海上戰場同時也受到外部因素的影響，主要包括：指揮員決策、發射武器、損傷條件／事件等等。這些因素在一定程度上影響了仿真的真實性。

4 海上區域作戰虛擬現實平臺的實現

4.1 海上區域作戰虛擬現實平臺模型

海上區域作戰虛擬現實平臺是基于組件化的C／S體系結構進行構建，可以保證系統的開放性、分布性，有利于系統的無縫集成和擴充，能確保分布應用，減輕系統的維護壓力，達到效能最大和消耗最小。實現從全系統軟件頂層支持各層次模擬子系統的互聯、互通和互操作，并建立全系統的通用數據環境，提高了系統的管理功能和運行效率，從而實現真正可信的海上區域作戰模擬。

海上區域作戰虛擬現實平臺分為四個層次：基礎層、仿真層、表示層和應用層，如圖4所示。

圖4 海上區域作戰虛擬現實平臺結構圖

基礎層主要包括作戰需求層、戰場環境模型、武器模型、艦載系統模型和功能模型等。主要是對戰場環境、戰區地圖、部署作戰實體及其屬性、任務、航路、指揮權歸屬、時域和空域控制等進行模型構建，采用合理結構存入數據庫，根據不同的作戰需求模型，進行上層調用。

仿真層主要包括計算機兵力生成、武器子系統、導航系統、探測偵查系統、指揮控制系統、破壞系統、電子對抗系統、雷達系統和運動系統等。主要是依據作戰需求，對基礎層數據庫中模型進行調用，自動模擬真實作戰環境。指揮者可以作出不同的決策，動態的改變作戰方針。

表示層主要是通過不同的3D引擎對仿真層進行模擬輸出，實現三維場景的數據管理、合理渲染、與外部軟件的交互等功能。

應用層，由于平臺靈活性強，除了可以進行潛艇、艦艇和未來航母作戰進行模擬之外，還可以進行其他擴展應用。

4.2 關鍵技術

1）動態視點控制

視點是仿真系統用戶觀察虛擬場景的唯一接口，一方面要縱觀作戰戰場全局給用戶特別是指戰員提供一個視野寬廣的虛擬環境，另一方面又要考慮能夠以與動態仿真實體相一致的視角來觀察虛擬作戰環境，從而獲得更好的沉浸感。一般而言，虛擬戰場環境范圍較大、仿真實體數量多且運動狀態復雜多變，所以視點應該能夠盡可能地進行多角度、多模式觀察，可以采用多觀察者方案，即一個主要觀察者和若干個輔助觀察者。一般要提供多種觀察者定位方式，包括跟隨、綁定、旋轉、固定路徑、觀望等多種模式及其混合模式，使用者可以通過彈出菜單或快捷鍵在多個觀察者之間進行實時切換和組合，以滿足使用者的不同需求。

2）實時路徑導航

導航路徑的生成有兩種方式，一種是非實時的，即使用路徑工具（PathTool）預先定義，另一種則是實時的生成導航路徑。戰前期編隊行進、對戰過程中的以制導導彈為代表的火炮武器炮彈的路徑都需要進行導航。以導彈飛行路徑生成為例，由于在發射導彈的位置和時間是隨機的，不可能事先預知導彈的運動軌跡，所以必須在仿真應用程序中實時的生成導航路徑。

3）戰場特殊效果

在虛擬戰場模擬仿真應用中，需模擬出一些特殊的三維視覺效果來增強整個虛擬戰場環境的感染力和真實性，比如各種火炮武器的開火效果、直各種炸彈的爆炸效果、直升機螺旋槳的旋轉效果、導彈發射后飛行時產生的尾氣痕跡等。通常這些效果很難用傳統的多邊形建模技術來實現，一般的解決方案是應用高級的紋理技術或者使用復雜的粒子系統。粒子系統的基本思想是，采用大量的、具有一定生命和各種屬性的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規則對象。粒子系統中的每一個粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運動速度、運動方向、生命周期等相關的屬性。一般而言，創建特定的粒子系統是一個比較復雜的過程，一方面要考慮真實的物理模型和相應的動力學規律，另一方面需要對粒子的大量屬性分別進行設置。

4.3 仿真實驗

以海軍合同戰術為例，主要包括以下多個行動：遂行偵察、巡邏、炮火校射、電磁干擾、目標指示、攻擊、掩護等等。同時，還包括行動之間的邏輯關系仿真系統運行流程圖如圖5所示。

仿真實驗結果表明，所建仿真系統可擴展性強，作戰過程仿真逼真度高，作戰場景具有互操作性，可視化效果好，減少了演習的成本，提高了作戰效率，滿足虛擬海上作戰的需要，具有較高實用價值。

圖5 仿真運行流程圖

5 結語

本文探討了基于虛擬現實技術的海上區域作戰平臺構建的關鍵技術，建立了平臺的模型并進行了仿真，取得了較好的使用效果。但是海戰作戰樣式繁多、涉及的兵種多，系統要適用廣泛的虛擬作戰，必須要有全面的數據和模型支撐；同時平臺在作戰方案評估、人機交互等方面仍存在不足，需逐步豐富完善，提高海上區域虛擬作戰的仿真效果。

［1］Zheng Chuang－ming，Zhang Sheng－hua.Analysis and Design Method for 220CRouting Protocol of American Military Standard［J］.Journal of Military Communications Technology，2006（1）：68－71.

［2］Chen Pei.Security Analysis of Military Computer Network［J］.Value Engineering，2011（23）：160－163.

［3］Hu Yu.Research of Management Principles and Methods of Network Information Security［J］.Science ＆ Information，2011（33）：16.

［4］Shi Yan－qing.Research and Implementation of Diversity Based Computer Security Technology［D］.Changsha：National University of Defense and Technology，2009：14－25.

［5］Vorapong Suppakitpaisarn，Masato Edahiro，Hiroshi Imai.Proceedings of the Tenth Australasian Information Security Conference［C］.Melbourne，Australia，2012（2）：15－19.

［6］Heuberger，C.，Muir，J.A..Unbalanced Digitsets and the Closest Choice Strategy for Minimal Weight Integer Representations［J］.Designs，Codes and Cryptography，2009，52（2）：185－208.

［7］Ian Blake，Gadiel Seroussi，Nigel Smart.Elliptic Curvesin Cryptography［M］.Mathematical Society Lecture Note Series.Cambridge UniversityPress，1999：43－68.

［8］Andreas Tolk.Common Data Administration，Data Management，and Data Alignment Systems as a Necessary Requirement for Coupling C4ISR Systems and M＆S［J］.Information and Security，2004（12）：102－103.

［9］Smith，Alvy Ray.Color Gamut Transform Pairs［J］.SIGGRAPH 78，1978：12－19.

［10］YE Cong－huan，SUN Shi－xin.Analysis of key grid computing technology［J］.Journal of Chengdu University of Information Technology，2004（04）：32－33.