基于UE4 的航空影像判讀數字沙盤系統研制

趙育良，劉建東，李明珠

（海軍航空大學青島校區，山東青島 266041）

數字沙盤系統研發的目的是為航空偵察情報專業學員施訓提供一套能夠完整還原典型目標航空影像（機場、港口等）的訓練系統。通過數字化訓練的模式，提高訓練效率，減少訓練成本，增加訓練的逼真度和可靠性，為學員訓練成果的展示提供全新的平臺。為了更好地適應教學訓練要求，數字沙盤不僅能夠逼真地展示機場、港口目標的地理現實影像，而且還需準確顯示碼頭、陣地、機場跑道、營房及油庫等相關設施，根據用戶權限，用戶還可對典型武器裝備根據態勢研判的需求進行布設，對節氣、時間及天氣進行動態調整，并可調整視角進行垂直或傾斜狀態下的判讀、標注，生成判讀報告，以便針對性地開展不同的航空影像判讀科目訓練。影像判讀數字沙盤系統基于UE4 游戲引擎實現典型軍事目標三維場景的構建和模擬，制作過程包括系統總體設計、數據分析與準備、模型制作與導入、場景優化和系統實現等階段。

1 系統總體設計

1.1 系統功能設計

1）構建典型目標的場景模型

一是甲軍某港口場景，包含場景內部的碼頭、防波堤、司令部、防空導彈陣地等；二是乙軍某機場場景，包含場景內部的機場跑道、洞庫、半地下庫、高速公路、停機坪、飛指揮通信設施、導航臺、塔樓、油庫、彈藥庫、營房等。

根據軍用港口和機場目標的環境布設要求，主要需要完成如表1 所示建筑物模型構建。

表1 典型目標的場景模型

2）構建典型目標的武器裝備模型

一是艦艇，主要包括甲軍、乙軍、丙軍主力水面艦艇和水下潛艇建模。二是飛機，主要包括乙軍、丙軍主力戰斗機、運輸機、預警機等機型建模。

需要完成的主力艦艇以及戰機模型如表2所示。

表2 典型目標的武器裝備模型

3）沙盤自定義功能設計

沙盤自定義為用戶提供自主編輯數字沙盤的功能。一是自定義沙盤核心建筑設施位置，系統提供瀏覽和建造兩種模式，在建造模式下系統支持建筑、武器裝備的自定義擺放、朝向的自定義設置。二是自定義沙盤節氣、時間（精確到年月日時）的功能，支持春、夏、秋、冬太陽位置切換、支持年月日時，時間定位；三是自定義天氣功能，包含基本的云、霧、雨。可設置體積云的密度、厚度、烏云白云、霧天天氣、雨天等。通過上述功能設計，可由教員動態布設不同的武器及建筑分布場景，靈活提供圖像判讀及航空觀察的影像素材。圖1為艦船及戰機創建示意圖。

圖1 艦船及戰機創建示意圖

4）航拍仿真設計

航拍仿真為學員提供通過調節相關參數，模擬不同條件下的航空偵察影像的功能。一是調整航拍高度。學員可以通過下方的height 工具和Len 工具調整視角高度位置；二是調整航拍角度。支持航拍角度微調功能，通過按住Ctrl+W 和Ctrl+S 鍵，調整視角；三是調整航拍位置。支持航拍位置微調功能，通過按住WASD 鍵，調整位置。通過上述航拍高度、相機傾斜角度及相機鏡頭焦距長度的調整，可模擬產生在不同參數條件下的航拍效果。圖2 為航拍仿真功能示意圖。

圖2 航拍仿真功能示意圖

5）目標判讀仿真設計

該功能提供學員訓練過程中的目標判讀及整編功能。一是目標判別標繪，在完成對航空拍照影像的判別后，對其進行標注；二是對目標進行標注后，可以輸入注釋文字，方便判別完成之后進行判別結果比對。

1.2 系統硬件設計

為了便于學員觀察訓練，影像判讀數字沙盤系統需要展示的場景較大，需要通過多臺投影儀協同投影實現大場景展示。該系統使用投影矩陣，利用計算機拼接技術實現雙屏投影的統一調度，能夠輸入教員機、學員機等多路信號，為便于訓練，可將任何一路輸入信號實時投射在投影屏上，并能將多臺計算機信號進行拼接，實現信號整合。

1.3 系統軟件設計

系統用戶界面分為傳統的主控界面和三維空間中的功能界面。主控圖形化界面布局為頂部和左側為菜單欄，主要包括訓練開始、場景選擇、沙盤自定義及退出等功能按鈕，其余大部分為三維虛擬空間顯示區域。功能界面則實現模式切換（建造模式和瀏覽模式），在建造模式中可實現建設、武器裝備及道路的創建等操作。軟件系統還具備一定的開放性設計，支持用戶按約定的格式導入新建地圖、模型等后續開發資源。系統主控及功能界面如圖3 所示。

圖3 系統主控及功能界面

在瀏覽模式下，還可利用快捷鍵或鼠標完成以下操作。

水平移動地圖：通過WASD 鍵進行鏡頭在水平面的上、下、左、右四個方向的移動。

垂直移動地圖：通過QE 鍵進行升高和降低。

水平旋轉鏡頭：按住Ctrl 鍵，+A 鍵向左方向旋轉，+D 鍵向右方向旋轉。

垂直旋轉鏡頭：按住Ctrl 鍵，+W 鍵向上方向旋轉，+S 鍵向下方向旋轉鏡頭。

小地圖拖動：鼠標單擊小地圖，鏡頭將跳轉到小地圖對應的沙盤位置[1-5]。

2 系統實現

系統主要開發工具為UE4，UE4 為當今市面上頂級的游戲引擎，是完全開源的，并且支持用C++進行開發，內置了種類齊全、功能強大的工具鏈，提供了完善的骨骼動畫系統、物理學碰撞系統、可視化的編輯器、完善的材質編輯器等，能夠為VR 項目開發提供完整的支持，其地形貼圖質量好、真實性高、交互能力強，經過材質渲染后道路、軍事建筑、軍事裝備及場景更加真實，加之其世界組合、LOD 渲染等功能，可較好地適用于大地形的管理與渲染，在視景展現細膩程度、交互體驗上效果突出。為此，數字沙盤以相關典型目標的地形數據及目標分布數據為基礎，計算UE4 場景坐標與實際典型目標坐標系統對應關系，導入UE4 引擎生成道路、地形，配置相關建筑設施及武器裝備，搭建并管理典型軍事目標場景。

2.1 模型制作

系統采用DEM 數據并利用World Machine 處理地形高程數據，采用3ds Max 實現武器裝備及建筑建模與紋理貼圖，將地形、裝備及建筑模型導人UE4 引擎后，再利用VC++實現數字沙盤的實際功能。

1）場景搭建

數字沙盤場景以典型目標環境高精度DEM 數據為基礎，利用UE4 導入相應的紋理數據生成三維地形環境。但由于UE4 無法直接解析DEM 數據格式，故還需利用World Machine 工具處理地形高程數據以及建筑紋理貼圖，通過該工具設置地形構建分辨率，調整設置地形的長寬尺寸，并注意地形的高度值需大于地形的最大高度，且為512 的倍數。UE4 引擎在導入創建地形時，還需關注DEM 即實際地形單位與UE4 之間的單位轉換。

式中，lx、ly、hz分別是仿真場景下對應的長度、寬度和高度三個方向上的像素數；Lx、Ly、Hz分別為DEM地形長度、寬度和高度三個方向上的數值，單位為m；而Rx、Ry為地形構建分辨率；UE4 場景以笛卡爾坐標系z軸正向為上方向，并運用式（3）進坐標轉換。為使仿真環境更加逼真生動，在環境中還加入了植被模型并輔以動態設計。圖4 為系統搭建的港口環境模型場景效果。

圖4 港口環境模型

2）建筑和武器模型構建

數字沙盤和武器模型由3ds Max 構建，3ds Max制作的模型（fbx 文件）可直接導入UE4 平臺，模型主要包括港口、機場的建筑模型和典型艦船、飛機的武器裝備模型。3ds Max 具有強大的建模和貼圖功能，為了增加系統的流暢性，在建模及優化的過程中，在不影響外形的情況下用盡量少模型的面片數。圖5為系統構建的部分武器裝備模型。

圖5 武器裝備模型

2.2 基于UE4的仿真交互實現

確定好場景大小后，將地形導入系統，并按位置關系布設建筑及武器模型，為了增加場景的逼真度，設置光照、云、雨、星光等相關參數，提升不同光照及天氣下的航拍仿真效果。完成上述環境構建后，即可利用UE4 藍圖或C++編程，圍繞上述功能進行交互設計。利用藍圖技術，實現武器設備等模型的添加、調整以及環境參數調整等交互操作。圖6 為武器模型姿態及位置調整的部分藍圖。另外，UE4 引擎對C++有較好的支持，系統通過C++腳本拓展實現比如自主添加導入新建武器裝備類型及模型、用戶及訓練管理等開放性設計。

圖6 武器模型姿態及位置調整的部分藍圖

2.3 系統集成及測試

按照上述功能設計及實現方法，完成影像判讀電子海航系統的構建，最后打包輸出成可獨立運行的可執行文件。用戶按照系統測試大綱，對技術方案中涉及的設計功能進行了逐一測試，并依托該系統組織學員開展了垂直、傾斜及不同高度下的影像判讀訓練，結果表明，該系統利用UE4 游戲引擎，能夠逼真的呈現不同環境條件下的航空遙測場景，實現了沙盤自定義等諸多功能，可完成航拍動態仿真及影像判讀所涉及的功能。系統運行流暢、操作簡便，結合一些特定的開放性設計，可較好地滿足情報判讀類理論[6-16]。

3 結論

該文基于UE4 游戲引擎構建了航空影像判讀數字沙盤系統，為航空影像情報判讀提供了一套能夠完逼真還原典型目標航空影像（機場、港口等）的訓練系統，解決了學員在訓練中手段單一的不足。該系統首次利用游戲引擎構建三維實景用于航空影像判讀訓練，對于空中戰勤和地面影像情報判讀兩個方向，訓練手段建設是重要的探索和突破，經測試，系統模擬場景逼真，運行流暢，功能符合設計。