面向復雜戰場環境的三維作戰概念圖仿真系統設計與實現

馬寧 蕢露超

摘 ?要：在傳統的二維戰場態勢可視化中，對作戰場景的表達存在著細節表達能力差、無法多視角展示等問題。針對這一問題，在以計算機圖形學為基礎的三維可視化的前提下，開發了一套三維作戰概念圖可視化仿真系統，能夠實現概念圖在三維地理空間中快速生成、實時交互編輯、多視角展現，通過實例證明了該系統良好的可視化效果，有效地為指揮信息系統態勢顯示提供了支撐。

關鍵詞：虛擬仿真;三維態勢;場景編輯

引言

目視顯示作為最直觀的展示方式，在戰場指揮決策中能夠提供最有效和最可靠的信息[1]。因而，可視化戰場環境仿真在作戰決策系統中有著重要的作用。而傳統的二維戰場態勢可視化方法雖然有著完整的軍標符號體系，易于理解等很多優點[2];但隨著需求的不斷提高，二維態勢顯示的方式就顯得不足了，比如二維態勢顯示中的無法展現第三維的信息，從而無法充分表達作戰區域中的細節，同時二維矢量地圖無法及時跟新戰場軍事情況信息，時效性差，這樣就會對指揮決策精確性分析造成較大的影響[3]。與之相比，三維戰場態勢可視化具有很多優點[4]。首先三維可視化符合人體固有的視覺習慣，表達直觀明了，便于人們理解[5];其次，它可以實現對戰場環境的多角度觀察，方便從多個方向觀察戰場態勢;最后對于高空目標，三維可視化可以有效的避免軍標符號的重疊現象[6]。鑒于三維可視化對于態勢信息的表達有著較好的可行性，所以三維可視化已經逐漸取代二維作戰態勢顯示成為可視化仿真系統的主流顯示方式[7]。

有鑒于此，本系統緊扣三維作戰概念圖編輯軟件應用需求，圍繞高可靠、智能化要求，密切跟蹤新技術、新方法等發展動向，參照業界先進技術，結合現有研究基礎，重點研究作戰概念圖在三維地理空間場景中的快速生成、交互編輯、能力展現、管理維護等方面的技術實現。

1.系統體系架構

作戰概念圖編輯軟件圍繞核心構件、插件集成框架和數據通信服務，構建靈活、可擴展的軟件體系結構。核心構件主要包括三維數字地球、消息監聽系統和三維圖形引擎，數據通信包括中轉服務器、網絡傳輸服務、數據發送和數據接收子模塊，插件集成框架用于管理系統中的動態庫。三維作戰概念編輯系統分為業務邏輯和界面兩層，業務邏輯層主要調用核心構件提供的外部接口實現，界面層是整個系統的UI層。作戰概念圖編輯軟件體系架構如圖 1所示。

1.1基礎支撐層

基礎支撐層是用于支撐三維顯示軟件產品研制、運行的基礎軟件環境，包括地理信息服務、網絡通信、空間數據庫、數據服務等，該層還描述了場景的基礎地理數據、三維模型數據。基礎影像數據和DEM數據通過數據服務與管理模塊組織、調度和加載，數據服務與管理模塊提供訪問地理信息服務和各類數據文件的接口，完成對遙感圖像、地形高程、矢量地圖等空間數據的訪問，并同時支持本地文件、網絡影像服務等數據源接入類型。三維模型數據是作戰概念元素可視化的數據基礎，數據中不僅存儲了模型數據，還存儲了模型之間的組織關系。

1.2集成框架層

集成框架層是用于集成、組織、調度三維顯示軟件各產品和插件的框架，包括插件集成框架和界面集成框架，前者通過支持插件的動態加載和調度管理，形成低耦合、可擴展的軟件結構框架，后者通過統一的界面框架、元素、容器，為應用軟件和插件提供一致的表現層開發支持。

1.3核心構件層

核心構件層包括三維數字地球、系統監聽和圖形引擎，該模塊提供了系統開發的底層算法和邏輯框架，是整個系統開發的核心。

三維數字地球是系統搭載的場景，三維作戰概念圖元素均以該場景為基礎實時繪制。數據服務與管理模塊實現三維地理數據的加載和渲染，數字地球調度與仿真負責區域三維實體場景的加載和繪制，多源影像則為作戰概念圖呈現背景信息，特效動畫能夠更好的展現作戰的過程變化。

消息監聽系統實現了系統中不同模塊之間的通信與事態監聽。它分為注冊中心、狀態監聽、回調監聽和狀態更新子模塊，各個模塊相互協作完成事件的監聽和消息處理。

圖形引擎實現作戰概念元素的抽象、模擬、組織、編輯和渲染，是業務邏輯的基礎。圖形渲染引擎負責三維作戰概念元素抽象化的渲染，是三維概念圖節點繪制的實體;三維圖形標繪實現三維作戰概念元素的標注與繪制，提供交互方式搭建各個元素;圖元拾取模塊是元素編輯的基礎，以鼠標交互方式確定興趣元素;模型加載與組織是場景仿真的需要，實體模型是作戰概念圖元素信息表達最直接、最形象的方式;圖形編輯能夠為作戰圖的搭建提供諸多便利;作戰概念圖元素的保存和加載依賴于圖形序列化模塊。

1.4數據通信層

數據通信模塊是實現三維作戰概念圖元素協同標繪的基礎，該模塊負責報文的發送與接收。數據分發的實現依賴于中轉服務器的控制，網絡傳輸服務定義了數據通信的標準和協議。

1.5界面交互層

從系統邏輯的角度，作戰概念編輯系統分為業務邏輯和UI界面兩層。業務邏輯模塊依賴于核心構件、數據通信和集成框架，該模塊提供系統功能實現的算法和核心技術;UI界面層與用戶交互。

2.系統設計

2.1能力模型可視化

作戰概念圖中能力模型涉及通信、探測、打擊、干擾、偵察等表示作戰能力、狀態的對象元素，如何可視化及快速創建能力模型是本系統研究的一個重點。

針對能力模型的可視化，首先需要人為提取能力模型的關鍵特征信息，然后對關鍵信息抽象化，最后按照關鍵特征創建三維圖形。通信傳輸能力模型需要借助動態紋理技術表現信息流的傳輸過程;結合三維動畫繪制技術可以很好的仿真一次對象打擊過程;運用視覺投影方法可以繪制始終面向用戶的圖標對象。

2.2元素標繪

軟件系統中作戰概念圖元素的創建是通過鼠標標繪的方式完成，標繪方式根據元素特征分為單點標繪和多點標繪。單點標繪的操作對象包括模型、點圖標、標簽、雷達、雷達RO、導彈作用區等，多點標繪包括圓弧、折線、規則簡模型、動態傳輸等。元素標繪具體實現方法如下圖所示。

2.3元素可視化編輯

系統提供可視化編輯方式修改元素的位置、旋轉、放縮、關鍵點和屬性信息，其中屬性信息的編輯采用界面修改的方式，位置和形態（旋轉、放縮、關鍵點）信息的編輯采用三維數字地球鼠標交互的可視化編輯方式。用戶可以按照意愿修改元素的坐標位置、旋轉方向、放縮比例或者組成元素的關鍵點，并且響應過程是實時的，元素可視化編輯的實現方法如下圖所示。

點對象以及大部分體對象采用位置形態的編輯模式，該編輯模式下可以按照鼠標操作切換成位置、旋轉、放縮三種不同的編輯方式，每種編輯方式繪制不同操作方式的可視化編輯軸;線、多點的面對象采用關鍵點編輯模式，該模式下首先獲取當前對象狀態下的關鍵點，并采用圖標的方式可視化，其次鼠標更新圖標位置，最后將圖標新位置傳遞給對象;同時，注冊監聽對象監聽圖形編輯信息的變化。可視化編輯如圖 所示。更新圖形的位置和形態信息，并同步返回信息給監聽實體，監聽實體捕獲到底層傳遞的信息后，反饋結果到界面，更新界面的相關位置和形態信息。

2.4協同標繪與編輯

大場景作戰概念圖需要多終端共同編輯完成，沒有合適的處理方法很難保證多終端共享同一成果。因此，迫切需要一種多終端編輯成果共享的協同機制，實現“一臺編輯多臺呈現，多臺編輯成果單一”的協同操作方式。協同標繪與編輯的原理如圖所示。

3.應用效果

圖為該系統下的仿真效果圖，（a）是局部場景下的仿真效果，（b）為大場景下的仿真效果。通過該圖可以看到，該仿真系統能夠有效的解決二維態勢下無法表達地形信息，同時也解決了多視角、全方位的展示的問題。該系統可以實現三維作戰概念圖的快速生成，可將研究論證的軍事需求進行可視化立體多維呈現，實現對作戰概念的邏輯演示和沖突查找，提升協同性、可行性分析的水平能夠有效指導指揮信息系統研制建設和作戰推演論證。

4.結束語

三維作戰概念圖主要展示在三維作戰場景下，參加作戰的各要素在作戰過程中的組織策略、作戰關系和作戰模式。本仿真系統圍繞核心構件、插件集成框架和數據通信服務，構建靈了活、可擴展的軟件體系結構，實現了三維概念圖的快速構建，有效的解決了二維中無法展示細節及無法多視角展示等問題，為作戰可視化提供了有效的支撐。

參考文獻

[1] ?汪躍，唐志軍，車德朝，劉格. 戰場態勢一張圖技術綜述[J]. 指揮信息系統與技術，2020，2.

[2] ?胡世功，申黎平. 國外陸軍戰術C3I手冊[M]. 北京：兵器工 業出版社，1990.

[3] ?張維明;黃松平;黃金才;朱承;丁兆云.多域作戰及其指揮控制問題探析[J]. 指揮信息系統與技術，2020，3.

[4] ?曾安里，張建康，王國宏，等. 軍用三維實景仿真引擎研究[J]. 指揮信息系統與技術2010（10）：17-20.

[5] ?吳玲達，宋漢辰. 三維數字化戰場環境構建技術研究[J].系統仿真學報，2009（10）：91-94.

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[7] ?鄧克波;左毅;趙捷;王世忠. 指揮信息系統軍事需求要素與分析流程[J]. 指揮信息系統與技術，2016，9.