基于EV-Globe的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

柳 玉 陳建華 文家焱

基于EV-Globe的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

柳 玉 陳建華 文家焱

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院科研部 廣東 廣州 510430)

現(xiàn)代戰(zhàn)場仿真對象、領(lǐng)域不斷延伸、精細化層次要求不斷提高，傳統(tǒng)開發(fā)方法已經(jīng)無法滿足大規(guī)模虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜程度和開發(fā)效率的客觀需求。針對這種情況，提出基于EV-Globe的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法。通過分析確定系統(tǒng)的功能需求和性能指標，建立系統(tǒng)的功能、對象和動態(tài)模型，充分利用EV-Globe三維空間信息集成管理優(yōu)勢，減少了建模的范圍和復(fù)雜度，改進了分析、設(shè)計質(zhì)量；以EV-Globe作為二次開發(fā)接口，實施功能定制，縮短了虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴充性。

戰(zhàn)場環(huán)境 地理信息系統(tǒng) 功能模型 對象模型 動態(tài)模型

0 引 言

隨著三維地理信息系統(tǒng)(GIS)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的快速發(fā)展，針對軍用仿真領(lǐng)域復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的虛擬化建模已成為可能[1,2]。研制一種可測量、可體驗、多維度、充分考慮領(lǐng)域情景的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)，一方面可用于武器系統(tǒng)性能驗證和作戰(zhàn)方案推演；同時聯(lián)合交互式傳感設(shè)備可有效改進系統(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。

目前，虛擬戰(zhàn)場仿真相關(guān)技術(shù)在國外得到了廣泛的應(yīng)用，并且出現(xiàn)了一些比較成熟的產(chǎn)品，如：新加坡國立大學(xué)計算機系研制的BrickNefNetEfet、瑞典計算機科學(xué)研究所的DIVE、美國海軍研究院的NPSNET等[3]；相比之下，國內(nèi)的研究主要從20世紀90年代開始，在大戰(zhàn)場實時仿真[4，5]、特效模擬[6，7]、地形生成[8，9]、態(tài)勢顯示[10，11]等方面取得了一定的研究結(jié)果。總的來說，隨著仿真對象、領(lǐng)域的不斷延伸，粒度、層次要求的不斷提高，在滿足虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)有效、實時性能指標的基礎(chǔ)上，必須解決以往方法難以適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜程度和開發(fā)效率要求急劇提升的客觀趨勢。因此，需要研究一種快速的、面向視景的、高度模塊化的三維戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計方法。

EV-Globe是一種可擴展、具有最新地理信息的三維空間系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺。運用先進建模技術(shù)和數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)大區(qū)域、多數(shù)據(jù)源、海量、多存儲格式的一體化管理，支持三維空間查詢、分析、運算，以及快速三維實時漫游功能，提供了多種開發(fā)接口供用戶進行功能定制，可以方便快速地構(gòu)建三維空間信息服務(wù)系統(tǒng)[12]。本文以軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)模擬、軍事演習(xí)等活動對戰(zhàn)場環(huán)境的實際需求為背景，論述利用統(tǒng)一建模技術(shù)實現(xiàn)基于EV-Globe的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的具體流程、側(cè)重點。并給出一種快速建立兵力實體模型、特效模型的方法，幫助開發(fā)人員更好地、更快地建立三維場景，提高軟件的開發(fā)效率和可靠性。

1 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)功能分析

1.1 戰(zhàn)場地理環(huán)境

從影響戰(zhàn)爭進程的客觀因素來分析，戰(zhàn)場環(huán)境不僅包括傳統(tǒng)的自然環(huán)境，更主要的是涉及到裝備、軍用設(shè)施、電磁、網(wǎng)絡(luò)、核化、聲音和特殊效果等人工環(huán)境[3]。地理屬性中地形和位置是其他一切環(huán)境的存在空間，是進行空間定位和作戰(zhàn)態(tài)勢顯示的依據(jù)。戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)需要具備對包括地球表面、地下、水下、天空、太空在內(nèi)的全空間三維可視化能力，可以準確地顯示地球空間系統(tǒng)內(nèi)的自然地物、人工設(shè)施、天氣現(xiàn)象、人類活動，如表1所示。

表1 戰(zhàn)場環(huán)境中地理環(huán)境的功能需求

由于電磁、核化和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭呈現(xiàn)出的基本特點，但不具有視覺上的可見性，一般研究時不將其列入虛擬戰(zhàn)場環(huán)境平臺。在工程中，作為基礎(chǔ)平臺的戰(zhàn)場地理環(huán)境一般考慮：(1)位置、形狀等地理屬性；(2)山巒、道路、河流、橋梁、樹木等地貌屬性；(3)日照、煙、霧、雨、雪、冰雹等自然現(xiàn)象。

1.2 戰(zhàn)場作戰(zhàn)實體

戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)實體狀態(tài)可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)實體一般只提供空間位置信息，其自身的物理特征，如體積、容量、質(zhì)量等不隨時間而發(fā)生變化，例如：營房、發(fā)射井、掩體等固定設(shè)施；而動態(tài)實體會隨著時間的變化，不斷改變自己的屬性，例如運動中的一切武器裝備、人員及天氣狀況等。

根據(jù)對外界輸入的響應(yīng)，兵力實體可進一步分為反應(yīng)型實體和智能型實體。前者只能根據(jù)設(shè)定的規(guī)則對外界刺激做出反應(yīng)，而后者具有智能性，在虛擬戰(zhàn)場中不需要交互就能自主地對戰(zhàn)場環(huán)境中發(fā)生的事件和當(dāng)前狀態(tài)做出反應(yīng)。戰(zhàn)場環(huán)境虛擬平臺需要根據(jù)客體狀態(tài)及屬性提供不同的功能服務(wù)，如表2所示。

表2 戰(zhàn)場環(huán)境中客體功能需求

注：表中符號√表示需要 ○表示不需要

1.3 特殊視景及聲效

要使虛擬戰(zhàn)場環(huán)境更加真實生動，更接近現(xiàn)實，需要虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中添加視景、動畫和聲音等特殊效果模型，主要包括：(1) 能夠提高戰(zhàn)場真實度的場特效模型，比如煙火、云霧、光芒等形狀變化多樣的動態(tài)模型；(2) 反映武器裝備及人員行為的響應(yīng)模型，如運動裝備的轟鳴聲、開火聲、彈藥爆炸聲、戰(zhàn)士口令等；(3) 反映虛擬戰(zhàn)場的天氣狀況，如風(fēng)、云、霧、雨、雪、雹、雷電等。

特殊視景及聲效的逼真和自然顯示能夠為受訓(xùn)者提供一種真實的氛圍，直接影響著訓(xùn)練的效果，另外考慮到設(shè)備的計算性能，需要仿真模型渲染速度快、資源利用率高，并具有較強的實時性。

2 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)建模

統(tǒng)一建模語言UML是一種用于描述、說明、可視化的構(gòu)建軟件開發(fā)各個階段所產(chǎn)生的中間結(jié)果語言，可以指導(dǎo)軟件開發(fā)各階段相關(guān)人員更好地理解消化整個業(yè)務(wù)流程、組織關(guān)系，建立更可靠，更完善的系統(tǒng)原模[13]。選擇UML作為虛擬戰(zhàn)場環(huán)境分析設(shè)計工具，可以加深用戶和開發(fā)人員對問題域的消化程度，以減少語義鴻溝，保障需求分析及系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

2.1 功能模型

用例模型是UML建模的基礎(chǔ)，用來表達系統(tǒng)的功能需求或行為。根據(jù)上文功能分析結(jié)果，可確定系統(tǒng)所包含的主要參與者有用戶、EV-Globe軟件系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘，以及它們涉及的用例，如表3所示。

通過從表3中抽取公共信息作為一個單獨用例，選擇使用包含(include)、擴展(extend)和泛化(generalization)重用該公共用例，可以減少模型維護的工作量，提高需求分析的質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)用例模型

參與者用例描述用戶人機交互提供信息的輸入/出接口,例如對話框、菜單、快捷鍵、聲音等戰(zhàn)場漫游實現(xiàn)對數(shù)字地球的六自由度操作武器裝備主動控制實現(xiàn)武器裝備支持的操作,如槍炮裝彈、開火,導(dǎo)彈發(fā)射車升起發(fā)射架等自然環(huán)境管理允許用戶在當(dāng)前地理環(huán)境基礎(chǔ)上建立人工戰(zhàn)場,可自定義地形、地貌、植被等環(huán)境屬性人工建筑物管理允許用戶在指定位置構(gòu)建人工建筑物,如軍營、陣地標識、城市等武器裝備響應(yīng)操作當(dāng)接收武器裝備的操作指令后,及時響應(yīng)并更新內(nèi)部狀態(tài)、環(huán)境的影響等EVGlobe軟件系統(tǒng)數(shù)字地球提供一個與物理地球相似的虛擬空間三維空間資源服務(wù)提供全球矢量地理信息、衛(wèi)星遙感影像、地形地貌等數(shù)據(jù)信息三維地形服務(wù)具有快速、逼真地生成三維地形的功能氣象模擬提供對海陸戰(zhàn)場中天空、云、霧、雨、雪、閃電等氣象的模擬煙霧模擬提供對海陸戰(zhàn)場中硝煙、爆炸、尾焰、尾跡等現(xiàn)象的模擬系統(tǒng)時鐘自然環(huán)境實時渲染實現(xiàn)視覺范圍內(nèi)戰(zhàn)場自然環(huán)境的實時渲染實體運動軌跡更新動態(tài)更新運動裝備的位置及軌跡信息武器裝備屬性更新由于外在環(huán)境變化,武器裝備自動調(diào)整自身狀態(tài),如受到火力打擊后實體斷裂,輪式裝備行動受阻后車輪、排煙、燃料變化等特效更新實現(xiàn)戰(zhàn)場上一切特殊場景效果的實時渲染

2.2 對象模型

為捕獲完整、準確的系統(tǒng)功能需求，還需進一步分析與設(shè)計虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和外在行為特征，從而建立不同實體之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，主要包括類圖、對象圖、包圖等。

虛擬戰(zhàn)場的主要場景包括天空、地形、地物地貌、人造物、作戰(zhàn)實體等對象，同時還要進一步考慮控制對象及信息對象存在的必要性，以便為地形建模與顯示、漫游控制及碰撞檢測等基礎(chǔ)功能提供服務(wù)。

根據(jù)上述分析結(jié)論，組織上述對象構(gòu)造可漫游虛擬戰(zhàn)場場景的一般步驟如下：

(1) 構(gòu)造三維地理空間，繪制三維地形；

(2) 構(gòu)造地球空間布局，實現(xiàn)三維漫游控制；

(3) 建立人工制品及地貌特征；

(4) 增加雨、雪、霧等自然現(xiàn)象，以及火焰、沖擊波、尾跡等環(huán)境反應(yīng)；

(5) 建立武器裝備、人員、車輛等兵力實體；

(6) 實時場景實時渲染。

EV-Globe作為三維空間信息平臺，已經(jīng)具備全空間三維可視化、海量多元數(shù)據(jù)集成、三維分析、三維模型渲染與分析、三維特效、海水渲染等能力。將其作為虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，可大大縮減建模過程中場景對象的數(shù)量，減少建模的工作量，從而將需求設(shè)計重心轉(zhuǎn)移到兵力實體這一虛擬戰(zhàn)場中最重要的對象以及基礎(chǔ)平臺的綜合運用兩個方面。

根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)場的局部性、全維度特點，結(jié)合作戰(zhàn)模擬的軍事需求，建立虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的武器裝備實體類圖，如圖2所示。

圖2 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)兵力實體類圖

將兵力結(jié)構(gòu)節(jié)點抽象成兵力基類，用于組織和管理虛擬戰(zhàn)場上的所有武器裝備，同時提供相應(yīng)方法完成對下轄節(jié)點的建立、去除、索引等操作。充分利用索引信息快速獲取子節(jié)點對應(yīng)實體對象并可對其進行動態(tài)更新，包括空間位置、武器行為、環(huán)境影響等信息，其他一切武器裝備對象均通過繼承該類成為裝備兵力樹的子節(jié)點。

2.3 動態(tài)模型

動態(tài)模型的任務(wù)就是展示系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流動，獲取各個對象成員以及對象之間的通信操作，以增強和完善對象模型，主要包括順序圖、活動圖和狀態(tài)圖。下面以戰(zhàn)場兵力對象實體管理的序列圖和特殊效果場景模擬的活動圖為例，說明虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)中涉及到的動態(tài)模型建立過程。

1) 兵力實體管理

該部分包括兵力創(chuàng)建、兵力管理、兵力三維視景模型繪制與剔除等環(huán)節(jié)，同時也包括兵力與指揮所的交互，該功能是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的核心模塊，其管理效率直接影響系統(tǒng)性能和用戶體驗。

在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，兵力不僅需要不斷地接收來自指揮所的位置、操作等行為指令，而且還要根據(jù)系統(tǒng)時鐘不停地更新自己的內(nèi)部狀態(tài)以及對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，如圖3所示。因此，兵力實體管理主要涉及想定方案、兵力、指揮所、地理環(huán)境、系統(tǒng)時鐘等對象，其中兵力對象會根據(jù)作戰(zhàn)想定或指揮所命令選擇具體的實現(xiàn)接口。

圖3 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)兵力實體序列圖

2) 特殊效果模擬

由于雨、雪、霧等自然現(xiàn)象和爆炸產(chǎn)生的火光、煙霧、碎片、火焰、導(dǎo)彈尾焰等特殊效果具有外觀形狀極不規(guī)則，表面不光滑，構(gòu)造復(fù)雜隨意，隨時間變化等特點，傳統(tǒng)建模方法難以實現(xiàn)，但其逼真度直接影響了整個戰(zhàn)場仿真的效果。粒子系統(tǒng)主要解決由眾多按一定規(guī)律運動的微小元素組成的對象在計算機上的產(chǎn)生與表示問題[6]，使用基本的簡單質(zhì)點來構(gòu)建物體模型，利用最基本的幾何元素來構(gòu)造復(fù)雜的實體，代替了以往使用多邊形甚至使用取現(xiàn)來表示物體的方法，從試驗情況來看，處理效果很好。

基于粒子系統(tǒng)的特殊效果模擬基本原理是通過產(chǎn)生若干個形狀簡單且賦予一定生命周期的微小粒子作為基本元素。把需要繪制的特殊效果看成是若干上述隨機分布粒子的組合，隨著時間的推移，舊的粒子不斷消失，新的粒子不斷產(chǎn)生，并且通過賦予相關(guān)的粒子紋理，來達到模擬效果。圖4給出了該功能的活動圖，主要包括四個環(huán)節(jié)：① 描述粒子的初始特征屬性及其變化的動態(tài)特征；② 產(chǎn)生具有初始特征屬性的新粒子；③ 實時更新粒子的狀態(tài)，不斷產(chǎn)生新粒子；④ 去除不活動粒子。

圖4 基于粒子系統(tǒng)的特殊效果活動圖

3 實 例

經(jīng)過功能分析和系統(tǒng)建模之后，選擇使用Visual Studio 2010作為開發(fā)平臺，基于EV-Globe 3.2 實現(xiàn)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)，能夠快速生成滿足用戶要求的三維海、陸戰(zhàn)場環(huán)境，逼真地模擬戰(zhàn)場工事和兵力等實體，實時顯示戰(zhàn)場綜合態(tài)勢，從而達到作戰(zhàn)、訓(xùn)練、演示對虛擬戰(zhàn)場真實性的要求。

(1) 戰(zhàn)場綜合環(huán)境示例，實現(xiàn)了軍事系統(tǒng)所處的包括地形、海洋、大氣和空間四個領(lǐng)域以及它們之間內(nèi)部動態(tài)的物理環(huán)境在計算機中的表示，包括陸戰(zhàn)場、海戰(zhàn)場及空戰(zhàn)場，如圖5所示。

(2) 兵力實體管理示例，兵力實體模擬主要體現(xiàn)在兩個方面：一是建立實體的三維視景模型；二是讓實體在場景中運動起來，從外觀和行為上達到對實際裝備的近似映射，增強虛擬戰(zhàn)場的沉浸感，如圖6(a)、(b)所示。

(3) 實時態(tài)勢顯示示例，戰(zhàn)場態(tài)勢主要包括自然環(huán)境、與空間密切相關(guān)的人文環(huán)境、軍事目標和作戰(zhàn)集團以及作戰(zhàn)行動的位置、狀態(tài)和進展等信息，從而達到準確實時顯示戰(zhàn)場態(tài)勢信息的現(xiàn)實需求，如圖6(c)、(d)所示。

圖5 戰(zhàn)場綜合環(huán)境仿真效果

圖6 戰(zhàn)場綜合態(tài)勢仿真效果

4 結(jié) 語

本文從軍事實際需求出發(fā)，分析了虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)需要完成的功能，重點就虛擬戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)的UML建模方法進行了研究。從應(yīng)用效果來看，本文給出的兵力實體建模方法和特效生成算法是可行且有效的。下一步工作考慮從以下幾個方面展開：(1)建立完善的實力兵力模型庫；(2)實現(xiàn)聲音效果的多通道模擬；(3)引入頭盔、手套等人機交互接口，增加系統(tǒng)的逼真度和操作員的沉浸感。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF VIRTUAL BATTLEFIELD ENVIRONMENT SYSTEM BASED ON EV-GLOBE

Liu Yu Chen Jianhua Wen Jiayan

(TheScientificResearchDepartment,NavalMarineAcademy,Guangzhou510430,Guangdong,China)

We presented the design and implementation method for virtual battlefield environment system, which is based on EV-Globe platform, aimed at the situation that traditional development method can no longer meet the objective demands of large-scale virtual battlefield environment system in complexity and development efficiency due to the constant extension in modern battlefield simulation object and scale and the constant enhancement in refinement hierarchy requirement. By analysing the determining system’s functional requirements and performance indexes, we built the function, object and dynamic models of the system, with the full use of the advantage of three-dimensional space information integration management of EV-Globe, we decreased the scope and complexity of modelling, improved the qualities of analysis and design. Finally, taking EV-Globe as the secondary development interface, we implemented the functions customisation, this shortened the cycle of virtual battlefield environment system development, and improved the reliability and scalability of the system.

Battlefield environment Geographical information system Function model Object model Dynamic model

2014-08-30。軍隊院校實驗室建設(shè)與管理重點課題(SYSLXH-2013035)。柳玉，講師，主研領(lǐng)域：軟件體系結(jié)構(gòu)，戰(zhàn)術(shù)建模與仿真等。陳建華，教授。文家焱，副教授。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.018