基于虚拟现实技术的海上区域作战平台研究＊

郭 晖 史蓓蕾 昂朝群

（海军工程大学计算机工程系 武汉 430033）

1 引言

随着科学技术的不断发展带来战争的规模和形式不断变化，并且越来越复杂，因此对作战模拟和战场可视化的要求也越来越高［1］。而虚拟现实技术的发展为对作战模拟方法的研究提供了必要的技术手段，使得作战模拟的应用范围不断扩大。虚拟现实技术可以在很大程度上解决真实作战训练中的许多实际问题，例如费用过高、危险、受真实环境的限制等，并且可以使相距几千公里的士兵与作战指挥人员在网络上进行对抗作战演习和训练，效果如同在真实的战场上一样，因此从一开始便倍受各国军方的青睐。

2 海上虚拟作战平台需求分析

海上虚拟作战平台可通过相应的三维海上战场环境图形图像库，包括作战背景、作战场景、各种武器装备和作战人员等，通过背景生成与图像合成创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境，使作战指挥人员和演练者“真正”进入形象逼真的战场［2］，从而可以增强受训者的临场感受，大大提高训练质量。目前国内虚拟现实平台市场尚未大幅开发，军方对此研究也还是刚刚起步，而国外的相关研究早已展开，为增强我国海军的战斗力和竞争力，加强虚拟战场平台的研究迫在眉睫。

在虚拟作战平台的国外研究方面，美国国防部最早开发了一个典型项目SIMNET，供军事训练用的、低价格的、联网的分布式军用虚拟环境，为后来的虚拟战场环境奠定了基础；美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”能逼真模拟舰艇作战指挥中心的环境，使受训军官沉浸于“真实”战场之中；美军在加利福尼亚、洛杉矶和德国的贺汉弗尔斯等地建立起作战演练中心，拉开了在“准战场”打现代高技术战争的正规化、系统化、规模化建设序幕；还有美国海军研究院开发的NPSNET、瑞典计算机科学研究所的DIVE、新加坡国立大学的BrickNet／NetEffet等等［3］。在国内研究方面，杜阳华等研究了海上区域作战虚拟训练系统设计及关键技术［4］；李玉阳等研究了水下战场环境虚拟仿真系统，实现对海洋地理环境、水文环境以及水声环境的综合仿真和可视化分析［5］；北京航空航天大学等四家单位联合开发的“飓风平台”演练环境中陆战部分的战术演练，四家单位的仿真实体能够相互开火交互，完成一定的战术演练任务［6］。

综合国内外的研究现状，我军对海上虚拟作战平台的研究还处于起步阶段，研究虚拟作战平台对于海军的建设和发展有着很大的技术价值和现实意义。

3 海上虚拟战场环境构建

虚拟战场环境是战场可视化仿真的运行基础，可以将数字化技术引入部队和战场，将所有相关功能系统通过网络联结成一个有机整体，以达到整个作战范围内的信息资源共享，最终实现部队和战场的指挥、控制、通信和情报（即C3I）高度一体化［7～8］。虚拟战场环境的生成主要包括场景建模和场景驱动两个步骤。海上虚拟战场环境主要由战场海面模型、战场海体模型、战场海底模型、武器模型、士兵模型等三维模型组成，可以使用以3DMAX和DirectX三维图形开发库及其相关插件来完成［9］，虚拟场景驱动则可以通过Vega渲染引擎来实现［10］。

由于海上作战环境复杂，需要构建的模型比较多，并且针对海上作战的特殊性要求，即实时、准确、动态。因此总体设计应该具有潜艇、舰艇、风浪、海面、海体等等很多模型。一个小的模型与整体系统的比例相差很大，不可能将所有模型都在整个系统模型中进行建模。因此，按照静态实体的位置和重要程度确定建模顺序，依次对每个模型分别构建，最后再将构建完毕的每个区域内的静态实体模型进行集成。

海上区域作战场景的构建是虚拟平台仿真效果的核心，主要按照作战地域进行片区划分，同时考虑每片区域的地理位置与功能，包括海上、海底、空中等领域及其附属作战载体。场景的总体层次主要包括海上、海底、空中等单个区域及其附属的鱼雷、舰群、机群等。整个海上区域作战战场环境的层次结构图如图1所示。

图1 海上区域作战战场环境的层次结构图

为给训练和决策人员创建一个能沉浸其中的环境，系统必须能根据需要准确、逼真地显示客观世界中的对象，在此前提下还需要保证指挥人员和虚拟环境交互的实时性。主要通过以下技术实现：

1）单元分割（Cell Segmentation）技术：将虚拟场景（或模型）分割成较小的单元，只有在当前场景（或模型）中的实体才被渲染，因此极大地减少了处理场景（或模型）的复杂度。这种分割法对于地形模型和大型建筑物是非常适用的，因为在人的视野中所见的物体只是整个虚拟环境中的很小的一部分，只处理当前所见的物体大大提高了系统的速度。海上模型分成若干区块，场景调度时可以只输出其中的几个单元区块，而不必导入所有的模型。

2）纹理映射（Texture Mapping）技术：将二维图像映射到三维几何形状表面，使其产生特殊效果或真实感的一种技术。使用纹理映射技术可以避免对场景的每个细节都使用多边形来表示，进而可以大大减少场景模型的多边形数目，同时节省了系统的渲染时间。

3）自由度DOF（Degree Of Freedom）技术：通过设置模型自由度实现物体伸展、弯曲等动态特性使模型对象具有活动能力。

4）细节层次技术：对同一个场景或物体，使用不同细节描述的方法得到一组模型，绘制时根据物体在屏幕上所占区域大小及用户视点等实时选择不同的LOD模型，在保证视觉效果的前提下最大程度地提高系统实时性。

5）模型数据库优化技术：采用树状结构层次来组织管理场景数据。对于三维模型数据库集合层的划分是模型数据库优化的关键。按照物体尺度大小选择逻辑或者空间位置划分集合层。对于建造特征尺度较小的物体，按照逻辑（物体本身具有的功能属性）划分，有利于从功能和属性方面对模型进行管理；对于尺度较大的物体，使用空间位置的方式划分，系统将更为高效。

虚拟训练系统三维模型库部分模型如图2、3所示。

图2 舰载模型

图3 天空模型

为了使海上区域作战的各个运动更加逼真，要对现实海上环境信息进行分析，内部因素和外部因素都要考虑进来。影响海上战场的内部因素主要包括：标准水动力系数／静水属性、航道条件、风浪、与其他船只相互作用（距离、领航）、舰船遭破坏的条件、舰船操作限制等等。海上战场同时也受到外部因素的影响，主要包括：指挥员决策、发射武器、损伤条件／事件等等。这些因素在一定程度上影响了仿真的真实性。

4 海上区域作战虚拟现实平台的实现

4.1 海上区域作战虚拟现实平台模型

海上区域作战虚拟现实平台是基于组件化的C／S体系结构进行构建，可以保证系统的开放性、分布性，有利于系统的无缝集成和扩充，能确保分布应用，减轻系统的维护压力，达到效能最大和消耗最小。实现从全系统软件顶层支持各层次模拟子系统的互联、互通和互操作，并建立全系统的通用数据环境，提高了系统的管理功能和运行效率，从而实现真正可信的海上区域作战模拟。

海上区域作战虚拟现实平台分为四个层次：基础层、仿真层、表示层和应用层，如图4所示。

图4 海上区域作战虚拟现实平台结构图

基础层主要包括作战需求层、战场环境模型、武器模型、舰载系统模型和功能模型等。主要是对战场环境、战区地图、部署作战实体及其属性、任务、航路、指挥权归属、时域和空域控制等进行模型构建，采用合理结构存入数据库，根据不同的作战需求模型，进行上层调用。

仿真层主要包括计算机兵力生成、武器子系统、导航系统、探测侦查系统、指挥控制系统、破坏系统、电子对抗系统、雷达系统和运动系统等。主要是依据作战需求，对基础层数据库中模型进行调用，自动模拟真实作战环境。指挥者可以作出不同的决策，动态的改变作战方针。

表示层主要是通过不同的3D引擎对仿真层进行模拟输出，实现三维场景的数据管理、合理渲染、与外部软件的交互等功能。

应用层，由于平台灵活性强，除了可以进行潜艇、舰艇和未来航母作战进行模拟之外，还可以进行其他扩展应用。

4.2 关键技术

1）动态视点控制

视点是仿真系统用户观察虚拟场景的唯一接口，一方面要纵观作战战场全局给用户特别是指战员提供一个视野宽广的虚拟环境，另一方面又要考虑能够以与动态仿真实体相一致的视角来观察虚拟作战环境，从而获得更好的沉浸感。一般而言，虚拟战场环境范围较大、仿真实体数量多且运动状态复杂多变，所以视点应该能够尽可能地进行多角度、多模式观察，可以采用多观察者方案，即一个主要观察者和若干个辅助观察者。一般要提供多种观察者定位方式，包括跟随、绑定、旋转、固定路径、观望等多种模式及其混合模式，使用者可以通过弹出菜单或快捷键在多个观察者之间进行实时切换和组合，以满足使用者的不同需求。

2）实时路径导航

导航路径的生成有两种方式，一种是非实时的，即使用路径工具（PathTool）预先定义，另一种则是实时的生成导航路径。战前期编队行进、对战过程中的以制导导弹为代表的火炮武器炮弹的路径都需要进行导航。以导弹飞行路径生成为例，由于在发射导弹的位置和时间是随机的，不可能事先预知导弹的运动轨迹，所以必须在仿真应用程序中实时的生成导航路径。

3）战场特殊效果

在虚拟战场模拟仿真应用中，需模拟出一些特殊的三维视觉效果来增强整个虚拟战场环境的感染力和真实性，比如各种火炮武器的开火效果、直各种炸弹的爆炸效果、直升机螺旋桨的旋转效果、导弹发射后飞行时产生的尾气痕迹等。通常这些效果很难用传统的多边形建模技术来实现，一般的解决方案是应用高级的纹理技术或者使用复杂的粒子系统。粒子系统的基本思想是，采用大量的、具有一定生命和各种属性的微小粒子图元作为基本元素来描述不规则对象。粒子系统中的每一个粒子都具有形状、大小、颜色、透明度、运动速度、运动方向、生命周期等相关的属性。一般而言，创建特定的粒子系统是一个比较复杂的过程，一方面要考虑真实的物理模型和相应的动力学规律，另一方面需要对粒子的大量属性分别进行设置。

4.3 仿真实验

以海军合同战术为例，主要包括以下多个行动：遂行侦察、巡逻、炮火校射、电磁干扰、目标指示、攻击、掩护等等。同时，还包括行动之间的逻辑关系仿真系统运行流程图如图5所示。

仿真实验结果表明，所建仿真系统可扩展性强，作战过程仿真逼真度高，作战场景具有互操作性，可视化效果好，减少了演习的成本，提高了作战效率，满足虚拟海上作战的需要，具有较高实用价值。

图5 仿真运行流程图

5 结语

本文探讨了基于虚拟现实技术的海上区域作战平台构建的关键技术，建立了平台的模型并进行了仿真，取得了较好的使用效果。但是海战作战样式繁多、涉及的兵种多，系统要适用广泛的虚拟作战，必须要有全面的数据和模型支撑；同时平台在作战方案评估、人机交互等方面仍存在不足，需逐步丰富完善，提高海上区域虚拟作战的仿真效果。

［1］Zheng Chuang－ming，Zhang Sheng－hua.Analysis and Design Method for 220CRouting Protocol of American Military Standard［J］.Journal of Military Communications Technology，2006（1）：68－71.

［2］Chen Pei.Security Analysis of Military Computer Network［J］.Value Engineering，2011（23）：160－163.

［3］Hu Yu.Research of Management Principles and Methods of Network Information Security［J］.Science ＆ Information，2011（33）：16.

［4］Shi Yan－qing.Research and Implementation of Diversity Based Computer Security Technology［D］.Changsha：National University of Defense and Technology，2009：14－25.

［5］Vorapong Suppakitpaisarn，Masato Edahiro，Hiroshi Imai.Proceedings of the Tenth Australasian Information Security Conference［C］.Melbourne，Australia，2012（2）：15－19.

［6］Heuberger，C.，Muir，J.A..Unbalanced Digitsets and the Closest Choice Strategy for Minimal Weight Integer Representations［J］.Designs，Codes and Cryptography，2009，52（2）：185－208.

［7］Ian Blake，Gadiel Seroussi，Nigel Smart.Elliptic Curvesin Cryptography［M］.Mathematical Society Lecture Note Series.Cambridge UniversityPress，1999：43－68.

［8］Andreas Tolk.Common Data Administration，Data Management，and Data Alignment Systems as a Necessary Requirement for Coupling C4ISR Systems and M＆S［J］.Information and Security，2004（12）：102－103.

［9］Smith，Alvy Ray.Color Gamut Transform Pairs［J］.SIGGRAPH 78，1978：12－19.

［10］YE Cong－huan，SUN Shi－xin.Analysis of key grid computing technology［J］.Journal of Chengdu University of Information Technology，2004（04）：32－33.