基于三維建模的坦克假目標示假性能仿真技術

馮海潮， 王羽羽， 劉偉， 曾永興， 吳克南

(1.32215部隊， 河北 張家口 075421；2.63966部隊， 北京 100072)

0 引言

當前，假目標可見光示假性能的效果評估主要通過真假目標對比試驗完成，試驗中需要調動真目標，將假目標和真目標布設在同一背景下。為提高試驗效率、降低試驗風險，利用仿真目標代替真目標開展假目標示假性能的效果評估試驗是有效途徑。隨著科技的不斷進步，三維建模技術和仿真技術在試驗效果評估中的應用條件日益成熟。三維建模技術可以精確地描繪實物以實現三維物體的真實再現[1-3]，將三維建模技術應用于設計與制造，可以有效降低成本、提高效率[4-7]。仿真技術是根據相似原理、以仿真系統形式來體現的，其在裝備試驗上的應用能夠提高試驗效果評估的層次和質量[8-10]。

本文以假坦克可見光示假性能試驗為研究背景，以實現試驗中用仿真坦克取代真坦克的目的。本文中仿真坦克是根據真坦克光學幾何特征建模得到的仿真坦克模型，假坦克是根據真坦克特征制作的坦克假目標。通過采集真坦克的三維點云數據進行模型部件編輯，得到坦克三維幾何模型；將數碼迷彩圖案以貼圖方式加載到坦克三維幾何模型上，從而建立仿真坦克模型。利用坐標變換得到仿真坦克的二維圖像，將其與布設有真坦克的二維試驗圖像進行融合，得到仿真坦克與真坦克在同一視場的仿真實驗圖像，通過對圖像中仿真坦克與真坦克特征的相似度量化指標計算及判讀員實際判讀，驗證仿真坦克的仿真效果。本文仿真實驗流程如圖1所示。

圖1 示假性能仿真實驗流程Fig.1 Flow chart of simulation experiment of false performance

1 坦克三維建模

坦克的三維建模技術路線如圖2所示。

圖2 三維建模技術路線Fig.2 Technical route of 3D modeling

1.1 三維點云數據

利用非接觸式地面三維激光掃描系統測量獲得坦克的點云數據。通過自定義坐標系統，計算出掃描得到的目標表面P點坐標P(xP，yP，zP)。掃描點坐標計算原理如圖3所示。圖3中，Oxyz為三維點云坐標系，α為掃描的橫向角度，β為掃描的縱向角度，P點的坐標計算如(1)式所示：

圖3 三維點云坐標計算Fig.3 Coordinate calculation of 3D point cloud

(1)

式中：S為P點到O點的距離。

采集完整目標后，將數據進行拼接、坐標轉換、檢查整理，進一步將目標部件的點云分割并進行模型的封裝，為三維模型部件構建做準備。

1.2 模型部件編輯

由于掃描的坦克比較復雜，對復雜的整體構件進行識別并全部自動建模，到目前為止還沒有很好的解決方法[11-13]。在對坦克部件模型進行編輯時，以三維點云數據為依據，對坦克各主要部件進行建模，建模精度設置為0.1 m，可滿足本文需求。建模時可將坦克的每一個部件分離，并將其分為規則部件和不規則部件。規則部件的建模方法有線性回歸和分段線性擬合等多種方法；不規則部件的建模方法主要是先對曲面進行特征點和特征線的提取，然后通過旋轉、放樣等方法實現模型構建。對上述兩種情況以外的部件或需要保留現狀的部件，通常可采用三角網模型。坦克部件模型分為坦克炮塔、炮管、車體、履帶及車輪等部分分別進行建模，然后將各部件組合成坦克三維模型，如圖4所示。

圖4 坦克三維模型Fig.4 3D model of tank

1.3 數碼迷彩圖案

由于真坦克表面涂覆了數碼迷彩圖案，仿真坦克表面考慮同樣以數碼迷彩貼圖形式進行模型構建。數碼迷彩圖案根據四色迷彩色(見圖5)進行設計并制作。

圖5 4種迷彩色Fig.5 Four kinds of camouflage

按照相關規定，設計出坦克的數碼迷彩圖案，數碼迷彩圖案如圖6所示。

圖6 數碼迷彩圖案Fig.6 Digital camouflage pattern

1.4 三維仿真模型構建

將數碼迷彩圖案作為坦克三維模型表面數碼迷彩，以貼圖形式加載到三維仿真模型上。坦克模型具有復雜幾何外形和多個組成部件，如果采用單一的紋理映射方法，則會造成迷彩色塊變形，難以保證較好的仿真效果。

經研究發現，對于坦克的各個組成部件分別采用以下映射方法能夠達到較好的貼圖效果：炮臺采用Box映射、炮管采用圓柱映射、底盤采用Box映射、支持輪組采用球面映射等，這種靈活的貼圖方法保證了迷彩圖案在模型表面渲染效果的真實性，能夠最大程度地模擬真坦克狀態。構建的三維仿真坦克模型如圖7所示。

圖7 三維仿真坦克模型Fig.7 3D simulated tank model

2 仿真圖像生成

2.1 坐標變換

自然界中物體的幾何模型是三維的，可用三維模型顯示及處理物體模型，模型的原始坐標一般用(x，y，z)表示。在原始坐標系中物體的水平坐標一般用x、y表示，高度坐標一般用z表示。從數據處理的維度角度，三維目標模型的顯示過程本質上是一種高維數據到低維數據的數學映射過程[14-15]，即可以通過三維模型坐標的數學變換得到需要顯示的圖像。

在三維仿真系統中，仿真實現最核心和最基礎的功能即為坐標變換。坐標變換能夠保證三維數據的高精度解算。本文涉及的三維圖形處理側重于數據解算的精度，在排除基礎數據系統誤差的前提下，應盡可能保證坦克的幾何特征，以保證后續仿真應用構建特征集合的準確度。

在計算機處理時，實際場景通過剪裁處理后轉換到視空間中，最終投影到視口上顯示出來。另外，為了使物理顯示坐標系和屏幕坐標系之間相統一，還需要定義一個坐標系，即屏幕物理坐標系。在OpenGL軟件中，投影函數glPerspective可用于本文中設置透視投影變換的參數，從而建立透視投影矩陣F，具體如(2)式、(3)式所示：

(2)

(3)

式中：n為距離視點近的距離；f為距離視點遠的距離；t、b、l、r為透視視體近裁減面角點坐標的上、下、左、右參數；A、B、C、D分別為計算過程參數。

綜上所示，通過一系列數學變換，三維坦克模型最終被顯示在二維的圖像坐標系內。

2.2 三維坦克模型與二維背景合成

二維背景是事先在試驗現場采集的所需圖像，只能顯示在一個平面上，這個平面必須與虛擬三維環境中的成像平面平行，或者與虛擬相機光軸垂直，稱之為背景平面。因此，可以把背景平面和三維坦克模型放置在統一的三維坐標系OXYZ下進行渲染，條件是背景平面需要遠離三維坦克模型。

由于虛擬相機具有兩個裁剪平面，即近裁剪平面和遠裁剪平面。超過遠裁剪平面的對象將被圖形系統自動裁剪而不被渲染。因此，可以把背景平面放置在接近遠裁剪平面的位置，而三維坦克模型則放置兩個裁剪平面中部，從而可以自然地將三維坦克模型渲染在背景前方，從而實現正確合成，如圖8所示。

圖8 三維坦克模型與二維背景合成Fig.8 3D tank model and 2D background synthesis

利用OpenGL軟件將試驗參數作用于三維坦克模型，通過透視變換完成對模型的渲染和二維仿真圖像的生成。在OpenGL軟件渲染中，裝有Windows系統計算機設備的聯系機制能夠將描述表存入OpenGL圖像渲染信息，同時可以將描述表輸出。因此，對于Windows系統，通過更新OpenGL軟件中描述表即可改變一個窗口圖形的狀態。在圖像處理過程中，可利用計算機后臺模式完成三維坦克模型的渲染，繪制出結果，實現仿真圖像的生成，仿真圖像效果如圖9所示。

圖9 仿真圖像效果Fig.9 Effect of simulated image

3 仿真實驗效果驗證

采集布設有兩輛真坦克的試驗圖像作為背景圖像，將兩個仿真坦克與背景圖像融合得到仿真圖像，根據現階段假目標示假性能試驗指標要求調整仿真圖像分辨率，得到判讀圖像，通過相似度量化指標及人工判讀的評價方式，實現仿真坦克在試驗中的有效性驗證。

3.1 相似度量化指標驗證

在判讀圖像中截取真坦克及仿真坦克圖像，分別提取各自圖像特征，為保證圖像處理過程中減少信息損失，圖像調整過程中均采用無壓縮的bmp格式圖像文件。在對圖像進行截取時，連同坦克的陰影一起截取，以實現二者特征的全面比較。圖10所示為兩輛真坦克和兩個仿真坦克的截圖。

圖10 坦克目標截圖Fig.10 Screenshot of tank target

為實現對仿真坦克仿真效果的量化評價，本文利用文獻[16]中圖像特征提取及相似度計算方法進行驗證，計算結果如表1所示。

通過觀察表1中的數據發現，仿真坦克1、仿真坦克2與真坦克的相似度結果不同，表明坦克在背景圖像中布置差異會對仿真結果造成一定影響；真坦克1、真坦克2與仿真坦克相似度均值不同，表明兩個真坦克的特征也存在一定的差異；仿真坦克相似度結果均在80%以上，最小值由仿真坦克1與真坦克2計算得出，為81.751%，最大值由仿真坦克2與真坦克1計算得出，為91.018%，均值為87.507%，相似度均在較高水平。

表1 仿真坦克與真坦克間相似度

3.2 判讀員判讀驗證

根據軍事情報部門的要求對判讀圖像進行判讀。選取20名判讀員進行獨立判讀，判讀時標出圖像中坦克的位置，并識別仿真坦克與真坦克，在真坦克下打“√”，在仿真坦克下畫“×”，判讀完成后統計結果。圖11所示為某名判讀員判讀結果。

圖11 某名判讀員判讀結果Fig.11 Interpretation results of an interpreter

對20名判讀員結果進行統計，對坦克類型判讀真坦克則統計為1，反之統計為0，統計結果如表2所示。

表2 圖像判讀結果

對真坦克和仿真坦克的統計結果進行處理，計算真坦克和仿真坦克被認為是真坦克的概率，如表3所示。

表3 示假性能結果概率統計

通過表3中的數據可以看出：對于仿真坦克，在此可以其具有真坦克特征為評判依據。認定真坦克具有自身100%特征，將仿真坦克認為真坦克概率除以真坦克被確認概率，即為仿真坦克具有真坦克特征概率，計算結果為96.3%.

4 結論

本文將三維建模技術及仿真技術引入假目標可見光示假性能試驗工作中，初步探索了其在偽裝裝備試驗中的應用。利用三維建模技術對真坦克進行建模，利用坐標變換及圖像合成技術得到仿真實驗圖像，該仿真方法為假目標可見光示假性能對比試驗提供了理論和實踐參考。通過量化指標計算和實踐應用，得到如下主要結論：

1)通過計算仿真實驗圖像中仿真坦克和真坦克相似度量化指標，得到二者綜合相似度均值為87.507%.

2)根據判讀員對仿真實驗圖像的判讀統計，仿真坦克具有真坦克特征的概率達到了96.3%.

下一步，將結合假目標示假性能試驗中熱紅外和雷達等實驗內容開展仿真實驗研究，實現仿真技術在假目標實驗中的綜合運用。