空基電子系統三維顯控框架設計與實現

靳慧亮，高文琦，劉立輝

(中國電子科學研究院,北京 100041)

空基電子系統三維顯控框架設計與實現

靳慧亮，高文琦，劉立輝

(中國電子科學研究院,北京 100041)

當前廣泛用于空基任務電子系統的二維態勢顯示只能顯示單一維度信息，并且當態勢中存在大批量目標時，無法表達目標在高程空間的分布，目標重疊嚴重，不能有效識別目標。三維場景渲染技術已經廣泛用于場景仿真、商業游戲、虛擬現實等領域，但針對空基系統態勢顯示的研究卻顯得滯后。為此，在對比論述三維態勢顯示相對于二維優點以及研究開源三維引擎OpenSceneGraph的基礎上，針對空基任務電子系統的特點，設計了一套三維地理信息渲染引擎和態勢顯控框架。該引擎支持三維地理信息渲染、矢量和高程數據解析、模型加載、場景漫游，三維基礎圖元繪制、軍標繪制、航線規劃、三維量算、三維交互等，能夠支撐三維顯示控制系統的開發。該框架突破了項目中三維只能用來仿真演示的現狀，實現了對空基任務電子系統各平臺業務的實時消息驅動、情報顯示和交互響應，實現了態勢顯控從二維向三維的轉變。

空基平臺；三維GIS；顯控系統；三維態勢

0 引 言

顯示控制系統是空基電子信息的重要組成部分之一，承擔著信息的收發、呈現和交互等功能。當前空基信息系統采用二維態勢顯示和標繪方式，圖元經過Lambert投影變換繪制到二維地圖上。二維態勢的本質是對三維世界目標的抽象，操作員需要在獲取到二維信息后，大腦將其轉換為可理解的三維場景，而三維場景省略了這樣的過程，提高了情報處理速度[1]。隨著信息量的增大，空基任務系統需要應對的態勢愈發復雜，二維態勢圖已經不足以應對大批量、多目標、多維度的需要。比如二維態勢圖上雷達的威力范圍被抽象為一個標準的圓形，雷達探測到的目標用二維圖標標繪在態勢圖上。隨著目標的增多，會出現目標重合的現象，難以分辨在同一空域內處于不同高度的目標。此外，地形起伏、海洋和水域的反射以及干擾機[2]等會改變雷達的掃描波束，從而影響雷達威力范圍。當前的三維顯示(如Synthesis ToolKit等)主要目的是仿真演示[2]，缺少面向實際裝備的研究[3-4]。

針對空基信息系統的特點，基于開源三維渲染引擎OpenSceneGraph(以下簡稱OSG)，設計了一套跨平臺的三維顯控框架，具備了三維地理信息加載、三維標繪和航線規劃、多視圖、二三維切換等功能，支撐空基電子系統業務的開發，并成功在預研項目中得到了應用。

1 系統結構

OSG是在OpenGL的基礎上使用標準C++開發的一個跨平臺開源三維引擎，OSG基于底層的接口實現了一套易于使用的三維渲染模式，使得開發人員專注于三維場景的開發，不必關注底層實現[5]。OSG采用了包圍體的形式實現場景的管理，場景的組織形式是一棵自頂向下的結構樹，能夠提高渲染效率[6]。節點Node是所有場景的最小單元形式，節點可以代表矩陣換算、可繪制的對象等。

顯控框架是空基電子系統的中間件，接收從傳感器的數據，進行計算并將情報信息繪制到屏幕。同時接收用戶的交互指令，做出顯示反饋。顯控框架使用了OSG作為三維場景渲染引擎。空基系統結構如圖1所示。

圖1 空基電子系統框圖

2 三維地理信息引擎

當前的二維態勢地圖采取了瓦片式的地圖加載方式，裁剪特定區域的shapefile格式地圖，并在態勢圖初始化時一次以瓦片的形式逐步加載到內存中并且顯示。在地圖瓦片的邊界處，會出現地圖的失真，且無法 顯示所裁剪地圖區域外的信息[7]。OSG地理信息系統開發的SDK和地形渲染引擎osgEarth實現了全球地圖，支持開放標準的地圖數據服務(TMS,WMS)，能夠集成本地存儲的數據和網絡服務器提供的圖像[8]。在osgEarth的基礎上建立了空基平臺三維地理信息引擎(Aero-3dGIS)。Aero-3dGIS通過加載earth文件載入地圖，earth文件是用XML語言定義的osgEarth地圖文件格式，指明GIS所用的地圖類型、三面圖、矢量和模型數據的存放位置等信息。地圖類型分為兩種：Geocentric和Projected[9]。Geocentric是將地圖呈現為一個在地心坐標系中的完整地球，采用了Geocentric類型的地圖。

Aero-3dGIS包括圖形層、高度層以及模型層，地圖作為osg根節點加入到場景。圖形層是按照幾何坐標疊加到地圖上的經過柵格化處理的圖片，通常是一些表征地形紋理的圖片。高度層提供了包含高層數據的高度地圖網格。模型層渲染地形無關的數據，如外部的3D模型、矢量特征等。圖層能夠設置開啟或關閉以適應場景渲染的需要。

使用了由CGIAR-CSI提供的免費全球地理信息數據實現了全球地理顯示[10]。CGIAR-CSI的SRTM數據是由NASA提供的、覆蓋全球所有國家的數字高程數據。

地形紋理依據細節層次(Levels of Details，LoD)依次加載,從而降低了計算機的負載[11]。OSG的LoD節點定義了最大最小值的距離范圍，根據當前視點與場景的距離來決定加載哪些子節點。如圖2所示，按照視點高度的不同，加載不同細節的模型。

實驗中發現，使用鼠標進行三維場景的漫游效率低、不夠準確，操作員難以迅速找到當前場景的理想觀察視角。通過繼承osgGA::MatrixManipulator接口，編寫了自定義的場景漫游操作器，實現了場景視角的快捷鍵切換。當操作員點擊選取當前視圖中的一個場景，通過切換預先定義好的快捷鍵，就可以以當前選中模型的物體坐標系為參考，切換到俯視、側視、前45°俯視等視角。

3 三維顯控框架

Aero-3dGIS支持三維態勢的渲染，態勢圖是三維顯控框架的核心，空基態勢圖的主要組成要素包括[12-13]：

圖2 不同視角高度的紋理數據顯示

(1)地理信息，包括包含的政區、邊界、地名、河流、海岸線、經緯柵格等矢量數據，三維高程信息，以及反映地表特征的紋理圖片。

(2)戰場信息，包括空中、地面、海面的固定設施三維模型，如雷達站、導彈發射井、海上雷達平臺等，以及移動目標三維模型，包括艦船、飛機、飛艇、戰車等。此外，雷達作為獨立類別，針對不同元素，應體現出雷達掃描波束、范圍的區別。

(3)標繪信息，包括航線、航跡、引導線、作戰線、軍標、標牌等信息，是對戰場信息的必要補充和信息擴展。

(4)交互信息，包括場景的漫游、視圖快捷切換、目標常規操作，以及模型的相交運算。

根據三維態勢的組成要素圖，抽象出面向對象的三維顯控框架類圖，如圖3所示。

圖3 三維顯控框架主要類視圖

三維顯控框架抽象出了四個負責不同功能的類，四類又根據具體功能派生出不同的子類，覆蓋三維態勢圖所涉及到的功能模塊。如軍標類3DMSymbols繼承標繪信息類3DBattleFieldInfo，主要功能是用軍標標記態勢圖中的特定目標。3DBattleFieldInfo繼承osg::BillBoard和osg::Drawable。

osg::BillBoard是OSG中的布告板節點，能夠將圖形繪制在朝向視點的多邊形表面上，多邊形的朝向隨著觀察角度的變化而變化，布告板技術適合在三維態勢中顯示軍標、標牌等二維元素，使得觀察者在任何角度都可以看到布告板中的內容。三維框架封裝了顯控系統的對外開發接口，使用OSG避免了直接對底層的調用。同時OSG從上而下的樹形場景管理結構，優化了場景的組織，提高了場景的渲染效率。

三維顯控框架主視圖包含多個場景。利用OSG的場景結構樹建立了若干個特定的場景，開發人員可以在場景中調用接口添加模型，不必直接關注模型在OSG場景樹中的組織形式。

三維顯控框架在Red Hat Linux系統下基于Qt開發，開發語言為C++。框架采取C++動態鏈接庫插件集成的形式，子系統所需功能以插件的形式集成到框架中[14]。

框架提供模型加載、消息通信、窗口管理、菜單控制接口。框架啟動后的態勢界面如圖4所示。

圖4 三維顯控框架人機界面

框架模型庫中提供了常用的三維模型，3dMax,Maya等軟件生成的三維模型也可以通過模型導入接口導入到指定場景。圖5左圖顯示將飛機三維模型導入到三維態勢圖，右圖是根據空基平臺雷達的數學模型建立的三維雷達模型疊加到飛機模型上的效果圖。圖中能夠看出雷達的掃描波束特征、威力覆蓋范圍等二維視圖無法展示的信息。

圖5 空基平臺雷達三維模型

4 結束語

針對空基任務電子系統的特點，設計了一套三維地理信息渲染引擎和態勢顯控框架。

通過與二維態勢的實際對比，三維態勢圖的優點可以總結為：三維可以展示全球地圖，顯示效果優于二維且量算更精確；三維態勢解決了二維態勢的目標疊加問題，可以從高程維度觀察接近的目標；三維態勢能夠真實展示武器威力范圍在空間的分布，結合目標在空間中的位置，為指揮引導提供了更精確的數據。

三維的優點明顯，同時也存在一些問題，如現有的 交互設備(鼠標、鍵盤)在三維場景漫游時經會出錯，三維目標過多時計算機特別是國產計算機卡頓明顯等。后續工作將繼續對這些問題展開研究，實現國產平臺上的自主可控三維態勢引擎。

[1]BrantW.Mentalimageryandcreativity:cognition,observationandrealization[M].Germany:Springer,2013:227-228.

[2]HujsakR,WoodburnJW,SeagoJH.TheOrbitDeterminationToolKit(ODTK)-Version5[J].AdvancesintheAstronauticalSciences,2007,127:381-400.

[3] 蒲 瑋，李 雄，吳成海.三維戰場態勢顯示標繪技術[J].科技導報,2014，32(34)：62-68.

[4] 呂 慶，孟劍萍.基于場景圖形管理技術的三維空中態勢引擎設計與實現[J].指揮控制與仿真，2011,33(6):58-64.

[5]OpenSceneGraphreferencemanualV.2.2[M].[s.l.]:[s.n.],2007:36-43.

[6]HagedornJ.Highperformancevisualization[M]//Mathematicalandcomputationalsciencesdivision.[s.l.]:[s.n.],2007:56-71.

[7] 王 琪.網絡二維地圖與三維虛擬場景集成探討[J].測繪科學,2008,33(2):124-126.

[8] 吳曉雪,任鴻翔,張顯庫,等.基于osgEarth三維數字地球建設的研究[J].大眾科技,2015(1):1-3.

[9] 王寶山,武繼軍,羅建元.大地坐標轉換模型與精度研究[J].河南理工大學學報：自然科學版，2006,25(2):111-115.

[10] 吳運金,趙玉國,張甘霖.基于SRTM數據的中國1:100萬SOTER地形體的構建[J].土壤,2010,42(1):123-130.

[11] 徐智勇,吳小芳.LOD技術在電子地圖顯示中的應用研究[J].測繪信息與工程,2004,29(5):19-21.

[12] 韓桂明，韓傳久，莫建文,等.基于OSG的雷達三維雷達信息顯示系統仿真[J].微計算機信息，2008,24(13):247-249.

[13] 韓曉寧，陳 希，王嬌艷.三維海戰場雷達探測可視化研究與實現[J].計算機科學，2013,40(3):147-150.

[14] 劉立輝，孟慶鑫.基于動態鏈接庫的復雜信息系統分層框架設計[J].計算機與信息技術,2009(5):39-41.

Design and Implementation of 3D Aero Display and Control System for OSG

JIN Hui-liang,GAO Wen-qi,LIU Li-hui

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

2D display and control is used to be main way of presenting air situation,but when there exists plenty of overlapping items,it’s difficult to clearly distinguish useful targets.3D graph rendering technology is widely applied in scenario emulation,business games,virtual reality and so on,but few research has been conducted in aero dis-ctrl system.Therefore,on the basis of discussion of advantages of 3D dis-ctrl system compared with 2D method and research of OpenSceneGraph,in order to implement 3D aero dis-ctrl system,a 3D dis-ctrl framework based on OSG has been designed.It supports 3D geography rendering,vector and elevation data parsing,model loading and scene roaming,graph and symbols painting as well as 3D airline plotting,3D manipulation,3D measurement and interaction.By this framework,3D-tech can not only be used for emulation,but also be available for constructing actual data-driven aero 3D dis-ctrl systems.

aero dis-ctrl platform;3D GIS;display and control system;3D situation

2016-05-16

2016-09-08

時間：2017-03-07

國家工信部基金項目(2012ZX01041-005)

靳慧亮(1987-)，男，工程師，研究方向為人機交互與顯示控制。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.034.html

TP302

A

1673-629X(2017)04-0161-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.036