移動平臺虛擬戰場仿真系統關鍵技術

摘 要虛擬戰場仿真對作戰訓練、指揮決策等具有重要意義。隨著智能手機、平板電腦等移動設備的快速發展，使戰場仿真系統進一步小型化成為可能。分析了基于移動平臺實現虛擬戰場仿真系統的國內外現狀及關鍵技術，闡明了進一步的研究方向；設計了系統實現方案，給出了系統的總體結構和運行流程。

【關鍵詞】移動平臺 虛擬戰場 仿真

1 引言

虛擬戰場仿真是虛擬現實技術在戰場仿真領域中的具體應用，對指揮控制、作戰推演、輔助決策等具有重要意義。虛擬戰場仿真以計算機圖形圖像處理、真實感圖形建模等技術為基礎，結合聲、光、電、觸等特效，產生身臨其境的逼真環境。虛擬戰場仿真技術廣泛應用于飛行模擬、單兵對抗、兵棋推演等領域。

虛擬戰場仿真以三維場景的建模與繪制技術為核心，對三維圖形生成與處理的能力有較高要求。傳統的虛擬戰場仿真系統通常需要專業的圖形工作站支持，用以建立三維真實感戰場環境，輔以頭盔、立體眼鏡、數據手套等交互設備，完成沉浸式仿真環境的生成及人機交互。隨著電子信息與計算機等技術的飛速發展，智能手機、平板電腦等智能設備的處理能力日趨強大，已能夠較好地支持相對復雜的三維場景生成，使得基于移動平臺實現戰場仿真成為可能。由于移動平臺集成化程度高，其顯示、計算、存儲、交互等功能均集成在一體化設備上，可使戰場仿真系統小巧而靈活，特別適合單兵大規模對抗演練，因此成為當前的研究熱點。

本文以戰場仿真系統的便攜和小型化為背景，分析基于移動平臺實虛擬戰場仿真系統的關鍵技術，設計系統實現方案，給出系統總體結構和運行流程。

2 國內外研究現狀

基于移動平臺實現虛擬戰場仿真系統，其研究現狀主要集中在場景建模與組織、模型簡化與快速繪制、移動平臺下的戰場交互等方面。

2.1 場景建模與組織

移動平臺屬于資源有限型計算平臺，因此必須對場景進行高效組織。場景組織按其目的可分為面向交互與面向性能兩類，前者主要釆用場景圖來描述和組織虛擬場景，優勢是將場景中的物體按照場景設計者根據其在現實世界的邏輯結構抽象為對象并以層次結構來組織，這樣設計者以后能更方便對其進行更新修改；后者主要采用空間分割技術作為組織方式，包括二叉空間分割樹、八叉空間分割樹和包圍體層次樹等方法。

2.2 模型簡化與快速繪制

目前已經提出了許多模型簡化算法，例如基于頂點聚類的網格簡化算法和基于邊折疊的網格簡化算法等，但對于某些復雜的模型，簡化效果還是不能令人滿意，往往需要手工簡化，而手工簡化的工作量是非常巨大的。快速繪制主要在模型簡化的基礎上，依賴LOD、視點相關的模型調度等技術。

2.3 移動平臺下的戰場交互

目前虛擬現實系統交互功能的實現一般是依賴外部交互設備以及硬件平臺的內置傳感器。外部交互設備主要包括數據手套、數據衣、操縱桿、空間定位設備等；內置傳感器包括方向傳感器、加速度傳感器、距離傳感器等。傳統的交互主要以PC為支撐平臺，以鼠標、觸摸板、鍵盤等為基礎，而移動平臺則主要以多點觸控為基礎，如何實現多點觸控為主要模式的戰場交互仍有必要進行深入研究。

3 關鍵技術

移動平臺虛擬戰場仿真系統的關鍵技術主要體現在以下幾個方面：

3.1 移動平臺三維場景的動態組織方法

三維戰場環境錯綜復雜，包括地理、水文氣象、電磁等環境信息，以及飛機、坦克、雷達等目標信息，其數據量巨大、數據類型多種多樣。移動平臺受限于硬件資源，其存儲和計算能力相對較弱，必須對傳統的工作站模式進行改進，從戰場場景的專題化、模型簡化、場景數據的動態組織等方面提出新的方法。

3.2 移動平臺三維場景的快速調度方法

三維場景的動態調度是提高繪制效率的重要方法，其主要思路是依據視點和觀察范圍確定需要處理的場景數據，并依據時間序列和重要性實時調入內存。鑒于移動平臺的操作系統及硬件結構和圖形工作站有較大區別，需要研究與此類系統結構相適應的場景調度方法，確定調度流程，并依據移動平臺的計算資源確定場景的精細程度。

3.3 移動平臺戰場仿真的多模態交互方法

移動平臺如智能手機、平板電腦等以觸摸式交互為主體，進行場景編輯與路徑規劃時其方便程度較鼠標方式有一定的差距，探索適合多點觸控的交互方式，與新設備相適應，也是一個非常必要的任務。

3.4 移動平臺立體視差模型的建立及計算

建立立體視差模型的關鍵點在于如何生成立體圖像對，生成立體圖像的主要方式有以下四種：旋轉透視投影法、平行投影旋轉法、平行投影剪切法和雙中心投影法。四種方法各有優劣，針對不同的系統需求以及硬件能力，需要采用不同的立體圖像對生成算法。

3.5 嵌入式三維編程

目前主流的移動平臺操作系統為Android、iOS等，相應的三維圖形庫為OpenGL ES，雖然OpenGL ES足夠強大，但相對于經典的OpenGL而言，其功能仍有一定的裁剪和定制，因此需要對移動平臺戰場仿真系統進行功能界定，使之和編程環境相匹配。

4 系統實現方案

移動平臺虛擬戰場仿真系統的總體結構如圖1所示。

移動平臺虛擬戰場仿真系統由三部分構成，分別是場景建模系統、硬件平臺、實時繪制系統，其中，場景建模系統和實時繪制系統是軟件系統，前者完成場景建模，后者完成實時驅動。移動平臺虛擬戰場仿真系統的基本功能如下：

4.1 場景建模系統

完成戰場要素建模，如地理、環境、目標、態勢等；完成場景編輯，根據仿真任務需求，將各戰場要素組合成一個特定場景；路徑規劃則完成仿真過程的設定，通常，依據時間線進行仿真任務推進。

4.2 硬件平臺

該平臺是戰場仿真系統的硬件支撐平臺，通常包括智能手機加頭盔、或者立體投影加VR眼鏡兩種方式；交互則通過手柄、操縱桿、方向舵等以Wi-Fi（需保證在同一網段）或藍牙方式進行連接。

4.3 實時繪制系統

該系統主要完成場景的調度與快速繪制，依據場景變換的需求，如視點移動、觀察方位的變化、以及硬件交互設備的輸入等實時計算新的場景。

系統的運行流程如圖2所示。

系統運行分為兩個階段，即仿真準備階段和仿真運行階段。仿真準備階段完成戰場要素建模、仿真場景生成、仿真任務規劃等。該階段可在移動平臺上完成，作為過渡方案，也可在PC或圖形工作站上完成；仿真運行階段完成硬件平臺注入，即將規劃好的仿真場景及任務數據注入到移動平臺，然后依據交互要求和交互參數，實現仿真過程的實時驅動。

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作者簡介

陳敏（1969-），女，江西省南昌市人。博士。副教授。主要研究方向為 計算機應用、圖形圖像處理。

作者單位

湖南信息學院 湖南省長沙市 410151