基于OpenGL的反艦導彈攻擊態(tài)勢三維視景仿真研究與實現(xiàn)

摘 ?要：本文主要論述了OpenGL圖形化標準的工作流程、開發(fā)過程，海洋環(huán)境態(tài)勢的構(gòu)建，反艦導彈的飛行控制及命中效果，提供了一種將末制導雷達特征參數(shù)與反艦導彈的飛行控制結(jié)合起來，并在模擬的復雜海洋環(huán)境態(tài)勢中進行顯示的三維視景實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：OpenGL;反艦導彈;視景仿真;攻擊態(tài)勢

中圖分類號：TP391.9;TP391.41 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）05-0107-02

Abstract：This paper mainly discusses the work flow and development process of OpenGL graphical standard，the construction of marine environment situation，the flight control and hitting effect of anti-ship missile，and provides a three-dimensional visual realization method which combines the characteristic parameters of terminal guidance radar with the flight control of anti-ship missile and displays them in the simulated complex marine environment situation.

Keywords：OpenGL;anti-ship missile;visual simulation;attack situation

0 ?引 ?言

隨著計算機圖形學的發(fā)展使三維可視化表現(xiàn)技術(shù)得以形成，可視化技術(shù)能夠使用三維形體來顯示復雜不易辨析的信息，使我們能夠更清晰地感受三維世界中的物體形態(tài)和變化，可視化技術(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進行操作、融合、處理、加工和存儲，與計算機進行直接交流。機械工程師將點線組成的二維平面圖轉(zhuǎn)換成立體直觀的三維圖形世界，細節(jié)處理也更加精細，從而能夠輕而易舉地設(shè)計出自己需要的三維機械零件模型，極大地提高了工作效率。軍事戰(zhàn)斗指揮員可以從用三維圖形技術(shù)生成的戰(zhàn)場地形環(huán)境、信息統(tǒng)一態(tài)勢中獲得敵我行動企圖和輔助決策信息，指揮具有真實感、逼真度的三維航空母艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、戰(zhàn)斗機、直升機、補給艦等向目標航行，通過多次的戰(zhàn)斗模擬仿真分析、評估和評定戰(zhàn)斗方案的綜合效能，達到提升訓練部隊戰(zhàn)斗力的目標。

在艦艇反導訓練任務(wù)中，末制導雷達輸出的特征參數(shù)是艦艇反導效果評估的重要依據(jù)。在真實的戰(zhàn)爭環(huán)境中，末制導雷達安裝在反艦導彈，因此把末制導雷達的特征參數(shù)與反艦導彈的飛行過程聯(lián)系起來成為靶場研究的難點。由于制造導彈的價格因素，靶場不可能大量進行實彈射擊，越來越成熟的可視化技術(shù)提供了一個很好的解決方案。我們可以通過可視化技術(shù)模擬生成一個復雜的海洋環(huán)境態(tài)勢，包括天空、海面、反艦導彈、艦船、飛機、雷達等，在這個態(tài)勢中以末制導雷達的特征參數(shù)為基礎(chǔ)控制反艦導彈的發(fā)射、飛行，并根據(jù)評判準則判斷反艦導彈的攻擊效果。

1 ?OpenGL工作原理

OpenGL三維圖形標準是一個與硬件圖形發(fā)生器的軟件接口，系統(tǒng)軟件開發(fā)者可以利用100多個函數(shù)構(gòu)建各種所需的三維立體景物模型，進行三維圖形交互軟件系統(tǒng)的開發(fā)、研制和應用。

幾何頂點數(shù)據(jù)經(jīng)過流程圖的上部進行運算器、逐個頂點操作，圖像數(shù)據(jù)像素數(shù)據(jù)經(jīng)過光柵化、逐個片元處理直至把最后的光柵數(shù)據(jù)寫入幀緩沖器。在OpenGL中的所有數(shù)據(jù)，包括幾何頂點數(shù)據(jù)和圖像像素數(shù)據(jù)都可以被存儲在顯示列表中，或者可以立即得到處理。OpenGL要求把所有的幾何圖形單元都用頂點進行描述，這樣運算器和逐個頂點計算操作都可以針對每個頂點進行計算和操作，然后進行光柵化形成圖形碎片。對于像素數(shù)據(jù)，像素操作結(jié)果被存儲在紋理組裝用的內(nèi)存中，再像幾何頂點操作一樣光柵化形成圖形片元。最后，圖形片元要進行一系列的逐個片元操作，最后的像素值送入幀緩沖器，實現(xiàn)圖形的顯示。

2 ?總體設(shè)計方案

總體方案的流程為生產(chǎn)海洋環(huán)境態(tài)勢、顯示導彈和目標艦模型、接收網(wǎng)絡(luò)上的末制導雷達參數(shù)、解析參數(shù)并進行坐標轉(zhuǎn)換來控制導彈運動、依據(jù)導彈運動態(tài)勢和參數(shù)數(shù)據(jù)判斷導彈的攻擊效果、根據(jù)導彈命中和未命中效果顯示不同的可視化態(tài)勢。

首先，繪制一個立方體構(gòu)建海平面、天空環(huán)境，在立方體平面上進行貼圖處理形成天空盒，以天空盒為基礎(chǔ)生成海洋環(huán)境態(tài)勢，將導彈和目標艦模型放置在生成好的海洋環(huán)境態(tài)勢中;其次，數(shù)據(jù)采集線程實時偵收網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)實時判斷，當導彈發(fā)射命令下達后，導彈依據(jù)獲得的參數(shù)開始運動，為了方便觀察導彈的運動過程，可以任意切換四種顯示模式，從不同的距離、角度觀察導彈的飛行態(tài)勢，四種顯示模式包括跟隨模式、側(cè)視模式、俯視模式和自由模式;最后，依據(jù)相關(guān)標準詳細地制定評判準則，并根據(jù)評判準則判斷導彈攻擊目標艦艇的效果，命中時增加目標艦爆炸，并燃燒特效，增加火焰特效和爆碎裂片場景顯示，未命中時導彈直接飛入海水，不做其他顯示。

主要實現(xiàn)的功能為：以天空盒為基礎(chǔ)生成海洋環(huán)境態(tài)勢，用3DMAX制作導彈和艦船模型，用專用函數(shù)將導彈和艦船模型調(diào)入程序并顯示在態(tài)勢中，具有全屏顯示功能和四種顯示模式，具有一鍵重置的功能，接收、解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文，將報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導彈運動的參數(shù)，控制導彈運動，從不同的角度觀察導彈運動態(tài)勢、導彈命中效果的評判、以及導彈的尾焰和爆炸特效，實時顯示導彈的態(tài)勢信息和末制導雷達的特征參數(shù)。

3 ?建立海洋環(huán)境態(tài)勢和創(chuàng)建模型

海洋環(huán)境態(tài)勢的模擬以天空盒為基礎(chǔ)。天空盒是一個上面表示天空，下面表示海平面，四面代表東南西北四方位的長方體，在它的六個面上貼有具有特殊要求的圖片，形成海洋環(huán)境態(tài)勢。這就要求四面圖的邊與頂圖的邊相連，四面圖前后相連。

導彈和艦船的模型由軟件3DMAX 8.0制作而成，導出成后綴為3ds的文件。VC專用函數(shù)調(diào)用3ds文件，并把模型顯示在模擬的海洋環(huán)境態(tài)勢中。

4 ?導彈運動軌跡

4.1 ?顯示模式

導彈運行的顯示模式有四種，包括跟隨模式、側(cè)視模式、俯視模式和自由模式，可以控制鍵盤任意在這四種模式之間進行切換。

跟隨模式是在屏幕的中央一直以導彈為中心顯示，屏幕的視角隨著導彈的運動而變化。這種模式方便觀察導彈的飛行狀態(tài)，能直觀地觀察導彈的攻擊效果;側(cè)視模式和俯視模式在一個固定視角中，能夠同時顯示導彈和目標艦，這兩種模式顯示由導彈的軌跡點連接而成的平滑曲線可以實時觀察導彈的軌跡變化，在同一畫面同時顯示整個攻擊過程;自由模式下可以實現(xiàn)類似于手持攝像機的功能，當我們想拍攝某一物體時，就移動攝像機對準該物體，并調(diào)整與物體的距離。自由模式通過操作鍵盤的方向鍵控制視角的前后移動和左右旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)自己的需要從不同的角度來觀察導彈的飛行態(tài)勢。

4.2 ?導彈命中的評判

反導訓練效果的評判準則以國軍標為基礎(chǔ)。在試驗過程中，利用紅外攝像頭監(jiān)視目標艦，控制轉(zhuǎn)臺，使末制導雷達的機械軸始終對準目標艦，因此末制導雷達輸出的方位角成為判斷末制導雷達跟蹤效果的最主要依據(jù)。根據(jù)末制導雷達的試驗方法制定的評判準則是在穩(wěn)定跟蹤情況下，當末制導雷達輸出的方位角小于設(shè)定值時，判定導彈命中目標，反之導彈未命中目標。

5 ?導彈的效果

為了增強導彈的逼真效果，增加了對導彈的尾焰和命中效果的特效顯示。導彈的尾焰采用OpenGL的混合技術(shù)。OpenGL有很多特效由各種參數(shù)混合完成，混合的原理是把屏幕上已知的顏色與新的顏色進行合成，合成處理后形成新的效果，并周期性地顯示在設(shè)定的態(tài)勢中。導彈命中效果采用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)，粒子系統(tǒng)能夠模擬一些導彈爆炸后的特定景象，從而實現(xiàn)具有真實感的爆炸碎片狂飛效果，依據(jù)火焰特性，模擬燃燒效果，對目標艦造成的燃燒進行三維圖形化顯示。

6 ?結(jié) ?論

隨著可視化技術(shù)的成熟，我們應用可視化技術(shù)創(chuàng)建三維立體的武器裝備模型，模擬復雜的戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢能夠立體全方位地展示整個作戰(zhàn)過程。在試驗任務(wù)中，將兩者結(jié)合起來，可以實時觀察和監(jiān)控試驗態(tài)勢。本文實現(xiàn)了將末制導雷達的特征參數(shù)與反艦導彈的飛行控制結(jié)合在一起，實時顯示反艦導彈的攻擊態(tài)勢，已在研練任務(wù)中應用。三維圖形技術(shù)是實現(xiàn)參數(shù)可視化的重要途徑，隨著硬件軟件水平的提高，在國防軍事領(lǐng)域也必將發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1] Dave Shreiner，Mason Woo，JackieNeider等.OpenGL編程指南（第四版）[M].鄧鄭祥，譯.北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 向世明.OpenGL編程與實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

作者簡介：劉硯山（1983-），男，漢族，天津人，學士學位，工程師，主要研究方向：艦載作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)試驗。