基于EV_Globe的三維動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆魏五洲 趙海旭

基于EV_Globe的三維動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆魏五洲 趙海旭

（解放軍63850部隊(duì) 吉林 137001）

傳統(tǒng)的二維態(tài)勢(shì)可視化在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)軍事情況表達(dá)過(guò)程中存在著更新周期長(zhǎng)，作戰(zhàn)區(qū)域細(xì)節(jié)性表達(dá)能力差等缺陷。為了提高戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的可視化演示效果，借助計(jì)算機(jī)三維模擬功能，以局部區(qū)域體系作戰(zhàn)為場(chǎng)景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三維動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。將三維空間理念引入到動(dòng)態(tài)仿真戰(zhàn)場(chǎng)可視化顯示中，具體闡述了系統(tǒng)功能組成、軟件架構(gòu)、內(nèi)外接口關(guān)系，設(shè)計(jì)了地理環(huán)境模塊、仿真數(shù)據(jù)解析處理模塊、三維視景仿真模塊，直觀(guān)表達(dá)了三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真推演過(guò)程證明了該系統(tǒng)良好的可視化效果，有效地提高了三維信息感知能力。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境；地理信息系統(tǒng)；三維可視化；仿真系統(tǒng)

當(dāng)前，在為戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策提供可靠信息的各種手段中，目視顯示仍是最有效和最快捷的方式。因而，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的可視化仿真在作戰(zhàn)輔助決策支持系統(tǒng)中發(fā)揮著其重要作用[1]。研制一種可測(cè)量、多維度、充分考慮領(lǐng)域情景的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)，可用于武器系統(tǒng)性能驗(yàn)證和作戰(zhàn)方案推演，同時(shí)可有效改進(jìn)系統(tǒng)使用人員的臨場(chǎng)感覺(jué)，促進(jìn)訓(xùn)練水平、效益的不斷提高，指導(dǎo)施訓(xùn)方案的科學(xué)制定，推動(dòng)軍事作戰(zhàn)、訓(xùn)練模擬在概念和方法上產(chǎn)生新的飛躍[2]。

為了實(shí)現(xiàn)作三維可視化動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文在文獻(xiàn)[1-3]的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維仿真技術(shù)等技術(shù)手段，將反映真實(shí)地理環(huán)境的衛(wèi)星影像、航空攝影影像與精確反映地勢(shì)地貌的數(shù)字高程模型相結(jié)合，重構(gòu)三維地理環(huán)境，并集成三維建筑模型、地名要素和動(dòng)態(tài)對(duì)象等，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地球空間及空間相關(guān)事件的真實(shí)、精確的模擬和展示[1-3]。系統(tǒng)主要模擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中的實(shí)際兵力部署、武器裝備顯示、雷達(dá)探測(cè)掃描、波束及包絡(luò)、衛(wèi)星運(yùn)行和導(dǎo)彈打擊過(guò)程情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能組成

根據(jù)需求，系統(tǒng)可劃分為地理環(huán)境模塊、仿真數(shù)據(jù)解析處理模塊、三維態(tài)勢(shì)顯示三個(gè)模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用C/S架構(gòu)，各個(gè)模塊都遵守統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和運(yùn)維保障體系。系統(tǒng)采用插件機(jī)制，在插件機(jī)制框架下，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊被封裝成不同的插件，主程序統(tǒng)一對(duì)各個(gè)插件進(jìn)行管理以及分發(fā)處理消息。插件與插件之間功能相對(duì)獨(dú)立。

系統(tǒng)主要包括了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收插件邏輯插件、顯示插件、功能控制面板插件等插件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收處理、消息轉(zhuǎn)發(fā)、三維場(chǎng)景顯示、顯示控制等各部分功能的模塊化，以及系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)接口關(guān)系

（1）內(nèi)部接口

接口I/F-PTIn01：發(fā)送時(shí)間進(jìn)度等消息。

接口I/F-PTIn02：發(fā)送主界面控制消息。

接口I/F-PTIn03：將外部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、適配等轉(zhuǎn)換為三維顯示插件需要的數(shù)據(jù)，發(fā)送給顯示插件。

接口I/F-PTIn04：發(fā)送顯示插件控制消息。

接口I/F-PTIn05：功能控制面板插件，將用戶(hù)操作產(chǎn)生的控制消息發(fā)送給邏輯插件，對(duì)系統(tǒng)的顯示狀態(tài)進(jìn)行控制。

接口I/F-PTIn06：邏輯插件，將默認(rèn)設(shè)置等消息發(fā)送給功能控制面板。

接口I/F-PTIn07：接收網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)消息傳遞給邏輯插件。

接口I/F-PTIn08、09、10：發(fā)送邏輯插件控制消息。

（2）外部接口

接口I/F-PTEx01：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口，接收外部仿真數(shù)據(jù)，為仿真推演提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通信協(xié)議采用UDP組播，外部接口協(xié)議采用陸軍試驗(yàn)訓(xùn)練基地試驗(yàn)信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換協(xié)議技術(shù)規(guī)范。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 地理環(huán)境模塊

（1）三維模型標(biāo)繪

完成實(shí)體在三維數(shù)字地圖上的初始位置部署和實(shí)體基本信息的錄入。將作戰(zhàn)實(shí)體三維模型手動(dòng)部署到三維場(chǎng)景中，以可視化界面編輯部署經(jīng)緯度、高度、方位角、俯仰角、模型縮放比例信息。根據(jù)相應(yīng)軍事規(guī)則數(shù)據(jù)和編組信息，對(duì)某一作戰(zhàn)單位的所有作戰(zhàn)實(shí)體進(jìn)行整體自動(dòng)部署。

（2）標(biāo)繪對(duì)象編輯

系統(tǒng)設(shè)有對(duì)標(biāo)繪對(duì)象進(jìn)行編輯的屬性頁(yè)，用戶(hù)可方便對(duì)標(biāo)繪對(duì)象進(jìn)行編輯，如：改變標(biāo)繪對(duì)象的顏色、符號(hào)大小、空間位置、視圖范圍等信息，通過(guò)風(fēng)格的變化表示不同的戰(zhàn)場(chǎng)信息。

2.2 仿真數(shù)據(jù)解析處理模塊

（1）通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)不同數(shù)據(jù)源的接入和顯示，需確定一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)其他數(shù)據(jù)源接入后，通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊，按照接口規(guī)范自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部可以使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)動(dòng)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，包含帶時(shí)刻信息的位置、顯示信息、鏈路和命令數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收與解析

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)立的接收模塊，實(shí)時(shí)仿真驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送的仿真數(shù)據(jù)報(bào)文，為仿真推演提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)連續(xù)接收及斷點(diǎn)接收兩種模式。為提高系統(tǒng)對(duì)多種類(lèi)型及格式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)獨(dú)立可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)解析模塊，將外部數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析，將解析的數(shù)據(jù)傳到渲染模塊，進(jìn)行三維顯示。

2.3 三維視景仿真模塊

系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的不同，分別具備實(shí)時(shí)、回放兩種工作模式。其中，實(shí)時(shí)工作模式下場(chǎng)景數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)；回放模式下場(chǎng)景數(shù)據(jù)來(lái)自于本地文件數(shù)據(jù)。

3 動(dòng)態(tài)仿真推演過(guò)程

3.1 觀(guān)察階段

我方衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，并初步區(qū)分出目標(biāo)種類(lèi)和數(shù)據(jù)，將目標(biāo)回傳給載機(jī)，并通過(guò)屏幕文字打印顯示偵察結(jié)果。三維視景系統(tǒng)接收探測(cè)仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行飛機(jī)間、彈間、衛(wèi)星、與預(yù)警機(jī)間的交互過(guò)程，采用帶流動(dòng)方向的連接線(xiàn)進(jìn)行展示。并根據(jù)飛機(jī)雷達(dá)參數(shù)及飛行數(shù)據(jù)，生成飛機(jī)雷達(dá)探測(cè)波束及范圍，在三維場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)顯示搜索工作模式。特殊效果功能采用三維幾何體、模型動(dòng)畫(huà)、粒子特效進(jìn)行顯示。

3.2 調(diào)整階段

根據(jù)衛(wèi)星或者預(yù)警機(jī)回傳的目標(biāo)，載機(jī)雷達(dá)迅速完成目標(biāo)對(duì)象的截獲，并顯示截獲指示波束，并能根據(jù)仿真數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新波束指示方向。載機(jī)根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況，啟動(dòng)干擾設(shè)備，對(duì)敵目標(biāo)進(jìn)行干擾，壓制敵方偵察行動(dòng)。

3.3 決策階段

根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)信息，飛行員迅速做出決策，發(fā)射導(dǎo)彈對(duì)敵目標(biāo)進(jìn)行打擊。

3.4 行動(dòng)階段

彈機(jī)械分離過(guò)程采用模型動(dòng)畫(huà)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)動(dòng)畫(huà)過(guò)程進(jìn)行建模，三維視景軟件接收發(fā)射消息，調(diào)用相關(guān)接口，展示導(dǎo)彈機(jī)械分離過(guò)程，彈導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)、搜索、截獲過(guò)程通過(guò)波束進(jìn)行顯示，彈的運(yùn)行軌跡通過(guò)彈道數(shù)據(jù)支持，發(fā)彈過(guò)程如圖８所示。

4 結(jié)論

本文基于大型GIS 平臺(tái)EV-Globe，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維可視化動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，并在三維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，動(dòng)態(tài)仿真目標(biāo)飛行與周?chē)鷪?chǎng)景的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示目標(biāo)的位置和姿態(tài)，直觀(guān)、逼真地模擬目標(biāo)飛行與工作過(guò)程，結(jié)合三維空間場(chǎng)景信息，使觀(guān)察者能感受到近似于真實(shí)環(huán)境的各種場(chǎng)景，為系統(tǒng)驗(yàn)證分析、仿真評(píng)估與指揮決策提供更加形象、直觀(guān)、豐富的信息支撐，對(duì)于提高場(chǎng)區(qū)裝備信息化程度和指揮人員的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，具有重大意義。

[1]閆沖沖，郝永生，葛志軍.基于EV-Globe的單兵防空作戰(zhàn)三維可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（4）：38-41.

[2]楊薇，基于EV- Globe的飛行器試驗(yàn)三維動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2017，37（7）：80-83.

[3]柳玉，陳建華，文家焱.基于EV-Globe的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2016，33（4）：76-79.