基于Vega Prime的虛擬海洋戰場技術的研究

劉生學

虛擬海洋戰場環境是指海軍軍事領域中應用虛擬技術仿真出來的一種戰場環境。海軍部隊為提高作戰水平，需要進行持續性的軍事訓練，但實地訓練存在人力財力耗費大、周期長、操作危險等問題。針對以上問題，可應用虛擬現實技術，通過模擬海洋戰場，以鍛煉海軍人員操作設備、演練戰技術等能力。虛擬海洋戰場建設的目的在于使用戶如同“走上”真正的戰場，去身臨其境的感受硝煙彌漫和戰火紛飛。這個虛擬的戰場需包含完整的作戰要素、作戰過程、戰場信息、自然環境等，最后通過仿真建模以達到良好交互性，從而提高虛擬戰場訓練效果。

美國軍隊是虛擬戰場上的第一位投資者，并且一直對此充滿熱情。早在1980年代中期至后期，美國陸軍開發并設計了SIMNET系統，在這個系統中，可以將每個主要武器得模擬器進行相互聯網，并可以以小組為單位展開訓練。從那個時候開始，美國軍方就基于SIMNET系統和當時美國得工業制造領域就一同倡導并創建了一種DIS系統，具體表述為：反異構網絡互連的分布式系統交互式仿真系統。后來美國陸軍在DIS的基礎上開發并設計了各種服務的訓練系統，并在1990年代后期明確提出了STOW系統，STOW系統適用于每一種協同演習和戰略演習的演習效果，培訓科目和不同的指揮員，并能夠提高了對戰斗計劃發表評論的可能性；在此基礎上，英國軍隊陸續也開發了用于戰爭演習的新一代仿真系統，例如WARSIlVI 2000，其在輔助設備設計、分部并行處理及應用研究方面處于歐洲領先；歐洲還有德國、荷蘭、瑞典等也積極研發虛擬戰場技術，德國將其用于新生產設備前提高人員操作水平；荷蘭的物理電子實驗室在此基礎上開發訓練和模擬系統，通過改進人機界面和改善系統本身的特性，基本上可以實現用戶達到沉浸式的逼真模擬環境；瑞典DIVE分布式虛擬交互環境，可在不同節點上實現同一視界多個進程異質分布式系統。

在中國，根據我國的863計劃，自1996年起，北京航空航天大學數據可視化新技術應用實驗室被確定位系統集成企業，同國防科技大學，浙江大學中國科學院軟件研究所以及北京航空航天大學模擬研究所等擁有核心技術的單位，共同研發了分布式系統虛擬戰場環境DVENET。分布式系統虛擬戰場環境是通過計算機網絡與適用于DVENET進行科學研究和應用的各種規范以及開發環境和基本信息數據信息組成的。現階段，根據DVENET，已經成功開發和設計了分布式系統虛擬戰場自然環境。目前，借助DVENET，可以在同一個真實環境下使用數十種用于武器和設備的虛擬服務平臺來開展協作工作或抵抗的演習，不同的用戶也可以通過不同的交互技術來控制和操縱現實和虛擬的武器平臺，進而可以在虛擬的戰場的環境中進行野外協作和攻防演習。

基于建模軟件的模型，我們很容易通過軟件在仿真系統中建立多種多樣不同的虛擬對象。然而，虛擬戰場環境要想達到最真實的效果則需要盡可能多的更接近于實物的模型，所示說，仿真系統效果的好壞，也通常取決于是否擁有一個好的建模軟件。目前，運行軟件的硬件設備和電子計算機圖像處理的基本理論得到了迅速發展，而且升級非常快，比較常見的三種應用的是3D建模軟件AutoCAD、3D MAX和Maya。其中，AutoCAD主要用于工程項目的模型，例如機械零件的圖紙； 3D MAX和Maya主要用于制作動畫和其他模型。但是作為虛擬海洋戰場環境，涉及到的要素一定要做到細致和逼真，所以需要建模軟件的渲染器3D渲染的光影效果一定要好，能夠渲染出細致逼真的造型和圖片。通過實際試驗，3D MAX和Maya這兩款軟件設計的模型，現場的3D渲染通常需要幾天時間，時間較長，同時看不到3D MAX和Maya制作的物理模型的組織結構，并且無法進行數據庫優化。所以3D MAX和Maya這兩種工具制作的實體模型不適用于實時仿真。那么要對虛擬海洋戰場環境進行仿真并能夠實現實時數據的可視化，則需要建立一個與之對應的具有各種真實物理模型的數據庫，且這個數據庫要能夠充分的進行自我篩選和更新存儲。現階段，最新的Vega Prime視景仿真技術已經能夠做到全數據實時驅動和全三維戰場態勢仿真，可以系統的利用三維視圖與虛擬現實技術相結合，實現戰場態勢與環境可視化，系統還支持多樣二維電子地圖，包含海圖、軍用地圖等，能夠放大縮小地圖，囊括全部軍事對象，實現各層面的大規模聯合作戰模擬，取得了很好地訓練效果。

（一）數據庫創建

仿真模擬海戰場系統需建立實體逼真模型，再在程序內載入模型數據，顯示在三維場景中，其作為三維視景仿真基石，模型創建方法較為豐富，本仿真設計選擇最新全數據實施驅動仿真技術，應用Multigen Creator軟件，構建數據庫，其均以OpenFlight格式構成。OpenFlight為數據庫創建的根基，數據庫查詢包括多種，分別是多關鍵點級別（LOD）、約束、聲音、實例、再生成操作、動畫編碼序列、氣象特征、界面轉換痕跡、紋理投影、畫面清晰度、實物材料特性和一些其他方面的特性。OpenFlight數據庫查詢的簡單應用程序能完成數據庫查詢的非空子集。這樣的應用程序能夠檢索color調色板，臉部和眩暈，但其可以忽略其他復雜功能。 OpenFlight數據庫查詢將數據庫查詢機制劃分為一個邏輯組，通過對邏輯組的操作，在機制運行條件下，可以提高實時功能的效率，進而使數據交互變得通暢，特別實在視野去除、案例和多關鍵點級別轉換方面。OpenFlight數據庫查詢是通過樹結構組織實現的，而數據庫查詢的樹結構又是由節點組成，而節點又包括子節點和兄弟節點，不同的節點也具有不同的屬性。根據節點屬性的不同，節點可以分為如下基本類型：

1. 頭節點

數據結構中，在單鏈表開始節點之前附設一個類型相同的節點，稱之為頭結點。因為每個文檔都有一個頭節點，所以它顯示的是數據庫查詢級別和樹結構頂部的第一個文檔。

2. 組節點

組節點是將數據庫查詢劃分為若干邏輯非空子集。組節點可以具有任意類型的子節點與兄弟節點。

3. 對象節點

對象節點是一個包含三維圖形的邏輯組合。它可以被視為較低級別的組節點，因此對象節點可以引入和組節點完全不同的屬性。

4. 面部節點

面部節點是表示三維圖形中的不規則圖形。它的子節點僅僅指示為點，線和不規則圖形的端點的組合。表面節點的屬性包括顏色，紋理，材質及其定義。

5.頂點節點

頂點節點表示頂點數據信息。它包括諸如端點坐標、法線向量、色相、紋理投影信息之類的屬性。其中，坐標數據信息是必須包括并可以選擇的其他類型的數據信息。

根據以上節點的特性，結合Multigen Creator軟件的主要功能，以 OpenFlight為數據庫創建的根基，能夠有效的建立其包含三位實體模型和仿真模型的數據庫，且方便存儲和調用。

（二）程序設計

Vega Prime它可以通過和實際操作系統進行交互，來實現視覺上的模擬。但要實現視覺模擬，則需Vega Prime在應用之前，對其進行初始化，在應用之后，需要釋放資源來清除典型的Vega Prime程序流程。清除典型流程的操作如下：

1. 初始化

初始化的關鍵是初始化每個控制模塊的套接字以及初始化鍵類，包括初始化靜態變量與零件目標，初始化內存分配器，初始化場景圖片，初始化3D渲染庫，初始化ACF文檔在線分析等，最終達到初始化Vega Prime。

2. 定義

在此鏈接中，建立了操作所需的許多目標。可以基于編碼或在ACF文檔中定義此類目標。在此鏈接中，通過基于vpKerneldefine方法分析ACF文檔來建立它們。在大多數情況下，這是一種基于外部Nx建立ACF文檔，然后將其引入仿真程序流程的方法。

3. 配置

該鏈接配備了一個基于定義鏈接中設置的值的系統。由于Vega Prime是建立在Opengl庫的基礎上，因此對話框是必不可少的。在此鏈接中，我們可以繼續基于ACF文檔中提供的對話框屬性來構建3D渲染對話框。

4.運行循環

初始化系統，加載ACF文件并完成相關配置后，將啟動幀循環系統鏈接。此鏈接分為五個過程。在里面每個過程都與3D渲染場景配合。在此鏈接中，應用程序軟件還可以對3D場景進行更改，例如將實體模型加載到場景中，移動焦點或移動實體模型等。

（三）系統實現

此種類型的海洋戰場模擬數據可視化系統，是將分布式系統仿真模擬系統的網絡服務器計算出的海洋戰場模型模擬數據信息，在三維模擬場景中的各種虛擬自然環境變化和虛擬物理現象。這種數據可視化系統包含戰場數據可視化程序流程和管理程序兩個裝配程序。其中管理程序的作用是控制在數據可視化程序流中觀察到的物理目標的轉換，自熱環境的轉換以及各種動畫特殊效果的應用。戰場數據可視化程序流程的作用是將由分布式系統仿真模擬系統服務器發送到本地海洋戰場模型模擬數據信息轉換為三維世界中的場景。戰場模擬數據可視化程序流程可以分解為三個控制模塊：

3D渲染過程控制模塊。控制模塊是系統的關鍵模塊，其作用是根據服務器發送到本地的戰場物理模型數據來驅動本地3D場景更改；

通信網絡過程控制模塊。控制模塊的功能是選擇UDP方法來接受服務器發送到數據可視化程序流的模擬數據信息，并強調將其移交給3D渲染過程控制模塊；

MFC主線任務程序控制模塊。控制模塊鍵用于接受并響應系統的鼠標和鍵盤的鍵入。

通過數據庫的建立和程序涉及，并把戰場數據可視化程序流程和管理程序有效結合起來，并通過3D渲染過程控制模塊、MFC主線任務程序控制模塊、通信網絡過程控制模塊實現虛擬海洋戰場環境的高度逼真和良好的交互性能，達到我們實現模擬訓練演練的任務。

綜上所述，虛擬海洋戰場能夠使軍事訓練大幅度降低訓練周期，武器均為建模所得，不會造成人員或設備損傷，有效提高了訓練效果。但仍然存在無法完全模擬突發情況，營造戰火紛飛壓迫感的情況，本文基于Vega Prime研究虛擬海洋戰場技術，可提高虛擬戰場真實性，為軍隊訓練提供更為精準、高效的模擬場景。但是，實際效果仍然存在一定程度的幀丟失，仍需加強虛擬仿真方面技術研究。

作者單位：海軍工程大學