基于先進可視化引擎的態勢展示系統研究與實現

李艷 方娟 董帥

摘 ? 要：基于先進可視化引擎的態勢展示系統是完成體系仿真評估系統的可視化仿真基礎。文章以研究與實現體系態勢展示系統為目標，深入分析了該系統的組成和功能劃分，梳理了關鍵技術，闡述了系統在體系仿真與評估環境下的典型應用，并介紹了系統在以航天任務為核心中的促進作用。

關鍵詞：先進可視化引擎;體系態勢展示;可視化;仿真評估

隨著計算機技術的快速發展，態勢展示技術，特別是面向大場景的體系態勢展示技術也在飛速發展和應用。目前國內體系態勢展示技術領域取得了較大進步，但主要使用開源可視化仿真軟件進行開發，這些軟件與國外成熟的商用可視化仿真軟件相比，在功能和性能上都有較大的差距。目前，國內面臨的主要問題是針對特定的仿真需求往往要編寫特定的程序來實現，不能由一個通用平臺來完成大多數復雜場景的態勢展示，造成了不必要的資源浪費。根據體系仿真的實際需要，建立基于先進可視化引擎的體系態勢展示系統，是完成體系仿真評估特別是以航天任務為核心的可視化仿真基礎，可應用于多裝備聯合的大場景、大空域、多層次的三維可視化應用中。該系統具有運行效率高、顯示效果好、交互功能全、表現方式多、細節逼真度高、應用范圍廣的特點，能夠實現裝備體系仿真場景的快速模擬與展現。不僅能夠提高仿真系統的靈活性及通用性，也有利于資源的重復利用。

1 ? ?系統方案

基于先進可視化引擎的體系態勢展示系統通過業務集成、數據集成、功能集成等實現了航天業務方面的需求，該系統主要由應用程序層、通用數據接口、數據層、先進可視化引擎、視景和多媒體資源管理組成，這些模塊相輔相成，使系統達到靈活性及通用性要求。該系統的架構如圖1所示。

1.1 ?應用程序層

應用程序層主要是系統前端顯示的態勢展示仿真應用，將系統的所有功能通過一個可視的三維渲染界面提供給用戶使用，與用戶進行直接交互。視景仿真應用是與用戶進行直接交互的窗口，體系態勢展示系統采用編輯界面與態勢展示界面并行的方式：在用戶進行編輯時，編輯界面操作方便，編輯界面的優點是使用方便、功能塊劃分明顯、功能擴展性較強。在進行態勢展示過程中切換到演示界面，演示界面主要用于在非編輯操作時使用，界面簡潔、美觀、展現性較強。

1.2 ?視景資源管理

視景資源管理工具提供對視景資源的創建、裝配、瀏覽、編輯、導入以及導出等功能，作為輔助三維視景仿真的資源配置工具，生產和管理數據模型，并采用描述性文件來構建適合當前系統的模型配置節點，模型配置節點從不同維度合并和分離數字模型，滿足從單一到復雜組合模型的結構。視景資源管理工具既可以作為獨立的工具存在，同時可以作為系統的功能組件存在。視景資源管理工具最終輸出的是描述性結構文件，其中包含了模型描述的基本信息，比如路徑、名稱、類型以及簡要說明等。這些描述性的文件會作為渲染系統以及系統構建場景結點的依據。

1.3 ?先進可視化引擎

先進可視化引擎是包括二、三維地理信息系統在內的基礎組件平臺，為系統提供數字地球可視化、地理信息系統（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）數據管理、掛件工具集、特效處理和場景管理等功能。其中，數字地球可視化封裝了可視化功能，主要加載和渲染底層支持數據完成三維數字地球的展示，并集成了對數字場景的交互操作，用戶可以通過鼠標及其他操作設備和場景進行交互。

GIS數據管理包括海量數據集成配置、地形矢量分析和用戶矢量加載等。海量數據集成配置是通過系統提供的預配置文件，啟動并解析預配置文件，讀取需要加載的衛星影像數據、數字高程數據、矢量數據、疊加數據等文件，加載以及渲染到場景中。地形矢量分析是系統的基本功能，提供基本的GIS分析功能，包括高度、距離、面積、坡度、地表距離、矢量查詢和矢量定位等分析功能。系統不僅支持海量數據的預配置，同時提供實時加載矢量數據和覆蓋數據的接口，可以隨時加載和卸載數據，方便隨時展示不同格式和用途的數據，從而實現用戶矢量加載功能。

1.4 ?多媒體資源管理

多媒體模塊主要是文字、聲音、視頻等的顯示，該模塊的作用主要是在系統運行過程中提供一些除三維之外的文字效果、聲音效果、視頻效果等的多媒體信息，如在仿真的數據驅動的過程中，可以實時對當前的步驟進行文字說明、語音講解，在發生爆炸效果時，可以提供爆炸的聲音效果，在某一動作執行時，如果存在真實的視頻錄像，可以插放這段視頻，使整個仿真過程變得更真實、更豐富。

1.5 ?通用數據接口

通用數據接口是外部數據對場景進行驅動的主要接口，接收符合統一協議的數據，將其解析、提取出可用的信息然后應用到系統場景中去，實現數據的實時驅動。主要包括數據讀取、數據解析兩部分。數據讀取主要是通過共享內存或其他方式從指定位置讀取符合統一協議的數據。然后交給數據解析模塊進行數據分析，并提取出有用數據，應用到系統的場景中，實現數據驅動場景。

1.6 ?數據源層

數據源層主要是為系統驅動提供數據源，該數據源包括網絡數據和本地的配置數據，這些數據遵循一個標準的數據格式，為通用數據接口提供一個完整的、標準的、可解析的數據源，提高了數據驅動模塊的可復用性、可靠性。

2 ? ?關鍵技術

2.1 ?體系態勢展示系統與仿真平臺互聯互通技術

體系態勢展示系統接收仿真平臺推送的數據后，對數據進行時間校準、經緯高姿態處理、添加刪除對象處理、傳感器數據處理等一系列操作后，就可以不斷地接收并更新系統中模型的各項屬性和姿態，實現系統與仿真平臺的互聯互通。

2.2 ?基于仿真事件同步的視頻加載技術

在體系態勢展示系統中，除了要推送動態對象數據，還應該顯示一些輔助信息，幫助用戶更直觀地理解當前想定的狀態，通過通用數據接口，發送加載本地視頻文件消息，當體系態勢展示系統收到消息后，在三維數字地球指定位置播放該段視頻[1]，實現了基于仿真事件同步的視頻加載技術。

2.3 ?體系態勢展示腳本編輯與切換技術

體系態勢展示系統還包含切換到特定視野的功能[2]，視野模型中包含時間、三維視角參數、是否為跟隨狀態等信息。切換視點模型時，系統根據配置的參數調用三維組件的接口，實現攝像機定位到特定視點，進而實現體系態勢展示腳本編輯與切換技術。

3 ? ?典型應用

根據上述系統方案，開發了基于先進可視化引擎的態勢展示系統。系統集成了應用程序層、通用數據接、數據層、先進可視化引擎、視景和多媒體資源管理等模塊。允許用戶根據自身需求，快速建立仿真想定，開展相應仿真實驗應用[3]。在體系仿真評估的典型應用下，通過與仿真平臺交互，實時獲取仿真數據，展示整個復雜系統的仿真過程。仿真結果如圖2所示。

4 ? ?結語

本文提出了基于先進可視化引擎的態勢展示系統的基本概念，并簡要分析了當前視景仿真系統存在的問題及現狀。在此基礎上，闡述了建設基于先進可視化引擎的態勢展示系統的必要性，提出了系統基本方案，梳理了系統關鍵技術。結合系統基本功能，開展了體系仿真場景下的典型應用，并給出了仿真展示效果[4]。

通過態勢展示可視化系統對體系仿真進行可視化演示，通過直觀的表現形式，從宏觀和關鍵細節上更真實地模擬、觀察和判斷飛行器的飛行狀態，對飛行器發射和飛行過程的動態特性進行模擬和提前預示，可以彌補地面試驗的不足。

[參考文獻]

[1]陳波，任清華，楊化斌.基于OSGEARTH的三維數字地球平臺設計與實現[J].電子科技，2015（10）：65.

[2]MACHOVER C.The business of computer graphics[J].IEEE Computer Graphics and Application，2000（1）：44-45.

[3]杜彪.分布式虛擬現實平臺關鍵技術研究與實現[D]成都：電子科技大學，2016.

[4]趙博.航空航天虛擬裝配和虛擬維修進展綜述[J].導彈與航天運載技術，2016（5）：53-57.