基于OSG的軍用電子沙盤系統的設計與實現

趙 睿

（北京航空航天大學虛擬現實國家實驗室,100061）

0 引言

利用計算機模擬戰場地形地貌，展示敵我雙方軍隊部署、戰術運動態勢等，為模擬訓練和作戰指揮提供快捷、準確、直觀的戰場影像。軍用電子沙盤于傳統指揮沙盤相比，利用衛星圖片或航空遙感影像，使用高程地形和地面紋理合成三維地形，可以實時準確的反應地形地貌特征，并且能夠表現作戰行動對地形地貌所造成的影響。在軍用電子沙盤上，帶有動態效果的三維軍標可以直觀地表現包括載具、人員、武器裝備等作戰單元，并可實時查詢各個作戰單元的即時屬性，比如：毀傷、位置、人員等。系統通過信息網絡和數據鏈路不斷收集整個戰場的實時數據，準確反映戰場實時態勢和兵力對比情況，結合三維地形地貌進行各種作戰輔助分析和戰術推演。

本文針對軍用電子沙盤提出設計方案并編程實現，采用三維圖形渲染引擎生成戰場全景，并且在三維地形的基礎上顯示敵我雙方的態勢演變，讓軍事專家和指戰員全面直觀的觀察分析戰場地理以及敵我雙方的兵力部署和戰場態勢變化，判斷敵情預估戰果，制定作戰方案，觀察戰斗演化。

1 系統設計

1.1 系統功能概述

軍用電子沙盤是將戰場地形地貌作為基礎數據，依托計算機圖形圖像技術，生成形象逼真的三維立體透視場景。指戰員和軍事專家利用軍用電子沙盤所展示的戰場地形地貌、敵我雙方作戰態勢等，快速、準確、直觀的判斷敵情，制定作戰方案，并觀察戰斗進展情況。

1.2 開發方案

軍用電子沙盤系統采用 Visual Studio C++ 2010開發，基于 OpenSceneGraph 場景圖形組織引擎，編程完成三維地形加載、場景視點切換，動態漫游等功能，設計實現軍事單元運動軌跡分析和軍事目標多分辨率顯示控制等軍事需求。在該系統中，地形模型文件二進制存儲的IVE格式。

1.3 核心開發工具介紹

1.3.1 VirtualPlanetBuilder 大規模地形建模工具

VirtualPlanetBuilder （VPB）是從 OpenSceneGraph（OSG） 中發展出來的一種地形模型創建工具，能夠加載各種地理影像和高程數據，并構建小面積乃至大規模地形模型。VirtualPlanetBuilder本身是一個基于 OpenSceneGraph 的實時圖形工具箱，可以創建基于 OpenSceneGraph 的二進制高效率地形數據庫。

1.3.2 OpenSceneGraph 三維渲染引擎

OpenSceneGraph（OSG）是一個基于 OpenGL 的三維渲染引擎，由一系列圖形學相關的功能模塊組成，為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化的功能。OSG 處于連接上層應用程序和底層 OpenGL 代碼的中間位置。OSG引擎的組成部分包括一系列動態鏈接庫、插件、供開發者使用的靜態連接庫，可執行的工具程序和示例。

2 關鍵技術

2.1 場景結構的管理與組織

場景圖形（Scene Graph）是一種經常用于計算機游戲和圖形學相關軟件的數據結構設計方法。大規模場景管理一般使用途結構或者樹結構來組織節點集。OSG和目前大多數渲染引擎同樣采用自頂向下、分層的樹狀數據結構來組織管理空間數據，提升渲染效率。

OSG 定義了多種節點類型，場景的根節點一般使用組節點（Group），在組結點的基礎上通過指定父子節點，確定場景從上到下的層次結構；讀取外部文件使用文件讀取節點（ReadNodeFile）；場景的繪制、漫游、輸出使用觀察器節點（Viewer）。基于軍用電子沙盤系統的整體功能需求，場景整體組織結構如圖1所示。

圖1 軍用電子沙盤系統場景組織結構

2.2 三維大地形建模

本系統利用 VPB 完成大規模地形建模，利用數字高程模型（DEM）數據，疊加紋理數據，生成包含細節層次節點的ive地形模型。

大規模地形模型文件一般采用細節層次節點技術（LOD）,以提高實時繪制效率。模型的精度隨視點距離遠近而發生變化，符合實際觀察規律，降低場景繪制復雜度，加速場景繪制。

VPB采用OSG特有的分頁細節層次節點（PagedLOD）生成的地形模型，每個節點既可以是單獨的模型文件也可以合并成為一個統一的文件。地形模型是一組按特定規律明明的不同分辨率的許多個模型數據文件，每個模型數據可以分別加載、顯示或漫游。地形的根節點只提供索引其他子節點的作用，模型文件按照統一的命名規則存放于磁盤。通過OSG的分頁細節層次結點，軍用電子沙盤實現了地形數據的分頁動態加載，OSG引擎采用多線程來進行場景渲染，并有線程負責分頁細節地形文件的實時調度，有效提高場景渲染效率。

圖2 PagedLOD結構

2.3 軍事單元運動軌跡分析

戰場上，“看不見摸不著”的武器裝備起著非常重要的作用，軍用電子沙盤對這些虛擬軍事裝備要給予充分的表現，如飛機航行軌跡、雷達探測范圍、狙擊手視野范圍、導彈射程及毀傷范圍等。

軍事單元運動軌跡主要是指在電子沙盤推演以及回放過程中，以簡單明晰的線條方式展示軍事單元的運動路徑軌跡，比如飛機航行線路、坦克推進路途等，讓指揮員以及電子沙盤的參與者有更為直觀的印象。同時，也可以進行演習或軍事行動后的戰術學習、戰法研究和戰略改進。

2.4 軍事目標多分辨率顯示控制

對于單個軍事目標，可以采取推拉鏡頭的智能顯示控制方法，達到局部放大的視覺效果，適應人眼攝取信息的能力。

3 系統實現和結果

OSG目前最新的版本為 3.2.0,“軍用電子沙盤系統”按照前述方案采用OSG結合MFC,在Windows7 + Visual Studio 2010環境下開發完成的，以北京周邊100km*70km 的地形數據為基礎數據。從實際運行情況來看，沙盤渲染效果逼真，運行速度快，可以滿足軍用沙盤的各種業務需求。系統完成情況如下圖，左圖為平視沙盤的效果，右圖為俯視沙盤的效果。

圖3 軍用電子沙盤系統俯視效果圖

4 結束語

基于OSG編程實現的軍用電子沙盤系統具有生動直觀實時等特點，并且具備一定的可編輯性，相對于傳統的實物軍用沙盤有很多優勢；當前，現代戰爭已經是電子化信息化的戰爭，軍用電子沙盤無疑將成為軍隊建設過程中的重要組成部分。基于 OSG開發的軍用電子沙盤系統方案切實可行，其開源特性帶來一系列的優勢，包括代碼安全等，與目前軍用核心軟件國產化的目標一致。與此同時，OSG 也帶來了一些限制，需要在地形渲染效率、戰場態勢實時動態顯示等實際使用的細節做更多的研究和學習。

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