態勢回放多形式顯示方法的設計與實現

孟凡躍，聶　穎

（華北計算算技術研究所 地理信息與圖形圖像技術研發中心 北京　100083）

態勢回放多形式顯示方法的設計與實現

孟凡躍，聶穎

（華北計算算技術研究所 地理信息與圖形圖像技術研發中心 北京100083）

態勢回放是模擬演練仿真系統的重要組成部分，可以協助參演人員進行分析和評估?，F有的態勢回放系統只是簡單的將參與模擬演練的實體軌跡按時間軸進行展示，表現形式比較單一，可視化效果不夠明顯。針對這些特點，本文提出將態勢回放數據按照普通數據、事件數據、特效數據進行邏輯區分的觀點，同時設計并實現按三種形式將態勢回放數據進行展示。實驗結果表明，該系統表現態勢豐富清晰，能夠滿足模擬演練系統的態勢回放需求。

態勢；回放；軌跡；時間軸；特效數據

本文著錄格式：孟凡躍，聶穎. 孟凡躍態勢回放多形式顯示方法的設計與實現[J]. 軟件，2016，37（8）：99-103

0　引言

現代模擬演練仿真系統[1]，是作戰訓練的重要方式之一，能夠在戰略布局方面對戰爭的整體和局部進行接近實戰的演練模擬，并最終對作戰經驗進行總結、提煉。因此，模擬演練后，對演練的過程進行記錄和回放是十分必要的。

態勢回放系統，與通用作戰圖及實時演練態勢仿真系統在仿真內容與仿真方法上相似，同時具有自身的特點?，F有的支持態勢回放的系統，目前多見于武器平臺仿真系統或戰術訓練系統，一般將態勢回放作為事后回顧/分析（After Action Review，AAR）[2][3]的基礎內容，只是簡單的將參演目標的軌跡或者演練過程按照時間順序進行展示，不能將多種不同的數據進行融合展示，區分度、效果不夠明顯，功能和智能還比較有限。

針對上述情況，本文將多源態勢回放數據進行邏輯區分，提出普通數據回放、事件數據回放和特效數據回放三種回放顯示形式，將回放數據融合表現，達到直觀、逼真的可視化回放效果[4]。

1　態勢回放數據介紹

1.1態勢回放數據

態勢回放數據大體可以分為兩類，回放模型數據和回放輔助數據[5]。模型數據比較豐富，參與模擬演練的實體[6]以及模擬演練過程中產生的數據，對于分析演練過程均有價值，均可看作回放模型數據。模型數據又可以細分為兩類，即環境數據、普通數據。而回放輔助數據是為了方便態勢回放應用而對模型輸出數據的補充、轉換和加工，把它分為事件數據和特效數據。

環境數據：一般來講，環境主要指模擬發生的時空范圍[7]，也包括與特定時空環境相聯系的氣象水文等其它地理環境。環境可以影響模擬結果，但多數環境在模擬過程中并不變化，因此環境數據通常以背景地圖的形式單獨存儲。

普通數據：簡單地說，普通數據主要由參與模擬演練的實體組成。實體是處于一定環境之中具有某些屬性的對象，如各類部隊、目標等。戰場中一切行為都是由實體發出，而行為的效果又通過對于實體狀態的改變來得以體現，通過實體、實體的行為以及實體間的交互[8]便可以完成各種情況的模擬，因此態勢回放的基本內容就是展現實體狀態的演變。

事件數據：事件是模擬實體狀態發生變化以及實體關聯[9]的各種信息。變化由實體間的交互引起，通常情況下實體狀態變化可由實體屬性值的變化得以體現，但是有時為了強調引發實體狀態變化的原因或者某些具有共同屬性的實體關聯相應的信息，我們把這種實體狀態變化原因或相應的關聯信息稱作事件信息。例如實體A1、A2、A3…An共同參與某重大事件，回放時則以該重大事件為參考，展現該事件的發生過程。這對于情況判斷和事后分析都具有特殊的作用。事件一般由時間、地域、相關實體及狀態改變組成，在回放時可作為一類被時間檢索的附加信息實體對待，作為一種新的回放形式。

特效數據：態勢回放時，為了使態勢變化更加直觀，需要增加一些輔助信息。如，相同的實體在不同角色下觀察會有不同的感知態勢[10]，這需要為實體附加不同的感知信息，例如為實體附加如高亮、閃爍、放縮、軌跡變色等特殊顯示效果，把這類添加特殊效果的普通數據定義為特效數據。特殊效果展示在態勢回放時可以單獨作為實體的附加屬性處理，作為一種新的展現回放效果的形式。

1.2態勢回放的基本要求

按照上述態勢數據的邏輯區分，態勢回放要求按以下三種形式展示:

1）對于普通數據，能夠全面重現演練實體狀態的變化過程并能靈活控制回放的過程；

2）對于事件數據，展現相互關聯的實體共同參與的事件發生過程，各實體間的狀態變化；

3）對于特效數據，能夠在回放前對普通數據進行編輯，添加諸如旋轉、閃爍等特殊效果，并且虛擬相應的“軌跡點”，完成回放。

2　系統結構設計及分析

根據對態勢回放的基本要求，本態勢回放系統結構采用自底向上的設計思想，把系統劃分為四層結構：數據層、支撐層、應用層和表現層。態勢回放系統結構圖如圖1所示。

圖1　態勢回放系統結構圖Fig.1　Situation Replay System Structure

數據層：數據層提供系統運行所需的原始數據，存儲于數據庫和本地中，主要包括上述介紹的環境數據、實體數據和事件數據。具體為存于本地的地圖數據、存于數據庫的演練實體所處的位置數據、時刻數據和某一事件信息以及該信息關聯的實體編號數據等。

支撐層：支撐層為回放系統運行提供數據處理過程。數據處理將數據庫中的原始數據采集整理為回放系統能夠高效識別的回放數據。根據實際回放要求處理后的回放數據分為三種：普通回放數據、關聯事件回放數據和特效回放數據。關聯事件回放數據和特效回放數據是兩種不同角度展示的回放過程，所以在數據采集和處理階段，終歸是要獲取能真正用于回放的數據，即回放系統能夠識別的時間軸，某時刻實體所處的軌跡點位置等。

應用層：應用層在數據層和支撐層的基礎上實現系統的具體應用，完成對整個回放過程的管理與控制，基于用戶易用性考慮，提供較為靈活操作控制，包括三種回放形式的選擇，控制繪制內容的更新、暫停、回退、加速、跳轉等。

表現層：表現層為演練態勢的繪制與表現，即在地圖上繪制重演出整個演練過程、事件關聯以及特效處理效果。

3　關鍵技術

這里重點介紹將回放數據邏輯區分后的獲取以及處理、事件數據的處理和特效數據回放過程中的“虛擬數據”的相關實現。

3.1數據的獲取及處理

模擬演練系統的數據量大，不論普通數據、事件數據還是特效數據回放演練過程，都要從數據庫中獲取原始的存儲數據，并處理成系統是識別的回放數據，若一次性的獲取所有的數據會導致系統卡頓，無法滿足態勢回放的基本要求。景民[11]等提出了大數據量下的數據存儲形式，并沒有在數據獲取效率上深度研究，為節省數據準備時間，在從數據庫中獲取數據時采用分頁查詢的方式，處理數據時采用分批的方式進行：

1）根據查詢條件獲取所需回放的實體數量M;

2）記N為每次處理查詢的實際實體數量，N=min(M,1000)，若實際實體數量M<1000，則最多查詢M個實體數據；

3）每次查詢完成，記錄實體軌跡的起始時間TimeStart, TimeEnd，解析并將每個實體的軌跡信息相應讀取到內存，M遞減N；

4）循環執行3），直到待處理的實體數據小于0,則進入5)；

5）完成所有查詢后，利用快速排序[12]，獲取所有實體的回放時間軸;

實現如下：

分析：參與模擬演練的實體數量龐大，采用分頁查詢、分批處理數據的方式，可以加快數據獲取的速度，在完成獲取數據后利用快速排序算法完成時間軸的整合，大大縮短數據準備的時間。

3.2事件數據處理

事件數據中的事件信息與原始數據相同，存儲于數據庫中?？紤]到時間、空間以及效率問題，事件信息與原始數據只存在一種映射關系。在添加事件信息時，只將該事件關聯的實體編號加入映射。同一事件可能關聯很多實體；同一實體也可能參與很多事件；事件信息結構間記如下：

在以事件形式回放時，首先要選定已有事件或創建新的事件，處理事件數據的具體過程如圖2。

圖2　事件數據處理過程Fig.2　Process of Event Data Handling

在步驟根據關聯實體編號獲取數據詳細信息時，同樣采用3.1中提出的分批處理方法，這樣不會因為回放顯示方式的不同，增加額外的處理開銷。

3.3特效數據回放軌跡中的線性插值

在系統回放中，要求演練實體按照時間軸，逐步繪制出其軌跡變化。然而演練實體的軌跡點并不是連續分布的，在某時刻或某時間段添加特效時，并不一定保證確實存一個時刻或時段有軌跡的數據，如圖3所示。

圖3　時間軸Fig.3　Time Axis

在Ti-1和Ti+1時刻均存在某實體實際的軌跡點，在Ti時刻設置了高亮顯示特效，但Ti時刻沒有實際數據，所以需要將該點通過插值計算“虛擬出來”，在地圖上，該實體的實際軌跡線中并沒有這個“虛擬”點。

關于插值算法有很多種方式，例如三次多項式插值、線性插值等。由于態勢數據的實時性很強、數據量大，考慮到效率因素，在軌跡的變化中，“虛擬點”采用線性插值方式。將軌跡點的數據結構簡記如下：

通過上面的計算，時刻Ti的軌跡數據即可獲得，在特效數據回放中，可以根據設置的特效數據時間，相應的虛擬出軌跡點，完成特殊效果的展示。

4　實驗結果

對是否采用3.1的分批處理方式，在普通PC機上進行了性能測試，其對比效果如表1。

表1　消耗時間對比Tab.1　Contrast of Time Consumption

在沒有采用分批處理方式的原始方式，實體數量級達到萬以上后，系統出現卡頓，數據處理時間消耗很長，改進后性能提升明顯。

選取某模擬演練數據，作為原始數據對三種形式的回放效果進行測試，對比圖如圖4和圖5，其中圖4（b）中展示對演練實體A、B采用高亮特效顯示；圖5展示針對某演習事件進行回放，展現演習過程中關聯目標的狀態變化。

5　結束語

本文將態勢回放數據進行邏輯區分，設計并實現按照三種表現形式進行回放，適合在模擬演練戰場態勢后的數據回放工作，且能夠靈活控制回放過程，不僅能真實地再現整個模擬演練過程，而且支持回放過程中添加各種效果，彌補模擬演練過程中不完善之處。但對于事件數據和特效數據的回放結合上，還有提升擴展的空間，在其它回放形式的展示上，如回放角度的選擇、按信息分類回放等還可以進一步研究。

圖4　普通回放數據和特效回放數據展示Fig.4　Display of Common Data and Special Data Replay

圖5　事件數據回放效果展示Fig.5　Display of Event Data Replay

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Design and Implementation of different Display Styles for Situation Replay

MENG Fan-yue, NIE Ying
(Geographic information and graphics technology research Center, North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

The situation replay is an important part of the drill simulation system, which can assist the players to execute warfare analysis and evaluating. The existing situation replay system can simply display the trajectory of the target participating the drill by time series, with the performance flat and the visual effect not obvious. Aimed at these characters, this paper put forward the viewpoint that distinguished the situation replay data according to logic, also designed and implemented to display the situation replay data as common data、incident data and special data in three ways. The experiment showed that the system performed well and efficiently. It can satisfy the requirement of replay after the simulation drill.

Situation; Replay; Trajectory; Time series; Special data

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.022

孟凡躍(1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：計算機圖形應用；聶穎，女，研究員級高級工程師，主要研究方向：計算機圖形圖像處理與應用技術。