一种远程标绘指挥方法

郝利云，　冉　达，　邓　维，　吴玲达

(1. 装备学院 复杂电子系统仿真实验室, 北京 101416；　2. 装备学院 光电装备系, 北京 101416)



一种远程标绘指挥方法

郝利云1，冉达2，邓维1，吴玲达1

(1. 装备学院 复杂电子系统仿真实验室, 北京 101416；2. 装备学院 光电装备系, 北京 101416)

在山区林地等地区的抢险救灾过程中，后方指挥与前方行动端之间，用语言文字沟通易发生理解的偏差，延缓救援行动，甚至产生不可挽回的后果。为解决该问题，研究了基于远程标绘的抢险救灾远程指挥方法——指挥人员在指挥平台绘制精确的行动信息，行动人员依据行动端同步显示的行动指令开展救援。为此，通过采用基于模糊形状模型(BSM)特征的图符识别手绘标绘方法、基于TCP协议的多客户端通信机制和三维态势显示技术，建立了原型系统。经实验验证，该方法可有效解决远程指挥问题。

手绘标绘；态势显示；远程标绘；模糊形状模型

我国是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一[1]。频发的自然灾害，对人民的生命财产带来了重大威胁。抢险救灾是挽救生命、减少损失的必要途径。但地震、泥石流等发生在山区的自然灾害让救援队伍难以到达。直升机由于具有机动灵活的特点，在抢险救灾任务中发挥着不可替代的作用[2]。直升机深入灾区后，与指挥所间只能通过语音和文字进行通信，不利于指挥所对直升机上的救援小队进行准确的指挥。地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和网络技术的发展为增强指挥所和救援小队通信能力，有效保障救援任务顺利完成提供了条件。

通过在指挥端建立标绘指挥系统，对救灾任务进行指挥控制；在行动端建立态势展示系统，通过传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)将指挥端的指挥信息传送到行动端，以可视化的方式展现出来。这样行动端的执行人员可以直观准确的理解指挥端的意图，进而有效完成救灾任务。

1　指挥端手绘标绘方法

指挥端综合处理各种情报信息后，对救援行动进行指挥。需要标绘的信息有：救援目标、救援力量、集结位置、行动方向以及危险区域。救援目标、救援力量与集结位置为点状信息，是规则图符；行动方向为线状信息，危险区域为面状信息，为非规则图符。前者不依比例尺标绘，其外观形状、线画构成以及各图元比例关系保持不变，图符只会发生整体的缩放或旋转变化。后者为半依赖比例尺标绘的线状图符和依比例尺标绘的面状图符[3]。

为使标绘指挥方法简便快捷，参照军事行动态势图的标绘方法，基于二维的地理信息显示平台，设定特殊符号进行标绘。采用基于方向BSM特征的图符识别方法进行图符的识别。

BSM特征是一种基于轮廓的全局形状描述方法，最初由Escalera等[4]提出并用于二值图像识别，后被Almazan等[5]用于手绘图符识别。其基本思想是对形状轮廓采样点的概率分布进行描述，计算过程主要含有2个步骤：网格划分和BSM特征计算。

原始的BSM特征仅考虑了图符采样点的空间分布，通过模拟采样点分布密度来描述图符。将采样点的局部方向信息加入BSM特征，有助于提高图符描述能力[6]。方向BSM特征的基本思想是：利用采样点的局部方向信息，将原始图符分解成多个方向相关子图，然后对每一个子图计算一个BSM特征，最后将所有子图的BSM特征矢量进行联合，即为原始图符的方向BSM特征矢量。主要步骤为：

1) 预处理。预处理主要包括规范化和重采样。规范化是为了保证算法的尺度不变性和平移不变性。先将图符坐标点重心平移到原点，然后对图符进行缩放使二阶原点矩等于预设定的常量。重采样的采样方式有等间隔采样和等时间采样2种，经重采样后的笔画坐标点等距离分布，有利于提取稳定的图符特征。

2) 方向分解。方向分解的主要步骤是：计算每一个采样点的局部方向向量；采用平行四边形法则，将局部方向向量分解到4个标准方向，即0°、45°、90°和135°，并得到4个子图符。

3) 计算BSM特征。计算方法是：首先对图符进行网格划分，计算每个网格的几何中心；然后分别计算每个子图符中每个采样点的BSM特征；最后对计算结果进行归一化处理，合并为原始图符采样点的BSM特征。

通过手绘的方式，指挥官的行动指令以图形符号的形式表示出来，通过方向BSM特征图符识别方法，这些符号转化为标准化的图符。图1～图3为部分图形符号的手绘识别示例。

图1　点状信息绘制示例

图2　线状信息绘制示例

图3　面状信息绘制示例

2　基于TCP的标绘指挥通信机制

指挥端通过手绘标绘的方式，将指挥端的行动意图表示在了指挥平台。进而，需要通过网络的方式，将这些行动信息传送到行动端。Qt中的传输控制协议(TCP)通信机制提供了一种可行的方法。TCP是一个用于数据传输的、可靠的，基于IP底层的网络协议[7]。Qt将网络编程相关的函数和数据结构封装成类，使得网络编程简洁、清晰、高效。Qt中与TCP有关的类主要有QTcpSocket、 QTcpServer。

QTcpSocket类继承自QAbstractsocket，为TCP提供了一个接口。QTcpSocket用于实现POP3、SMTP等标准网络协议，或者其他的自定义的网络协议。由于QTcpSocket传输的是连续的数据流，因此适合连续的数据传输。其工作模式为：(1)调用connectToHost连接服务器；(2)调用waitForConnected判断是否连接成功；(3)连接信号readyRead槽函数，异步读取数据；(4)调用waitForReadyRead，阻塞读取数据。

QTcpServer类直接继承于QObject基类，用于处理到来的TCP连接。其工作模式为：(1)调用listen()设置服务器，监听某一地址和端口；(2)关联newConnection()信号，当收到客户端连接请求时就发射该信号；(3)在槽中，调用nextPendingConnection()来接受这个连接；(4)创建一个QTcpSocket对象与客户端进行通信。

Qt的TCP通信，分为服务器端和客户端。在抢险救灾中，需要多个行动小队的协同配合，需要单服务器多客户端的通信机制。因此，将指挥端设置为服务器，在行动端布置多个客户端。单服务器多客户端的通信机制如图4所示。

图4　单服务器多客户端的通信原理

服务器端的实现方式为：(1)调用Socket()函数来创建TCP套接口；(2)调用Bind函数将Socket与主机信息进行绑定；(3)调用Listen()函数监听客户端的连接；(4)接受客户端的连接后进行数据处理，读入并输出服务器的应答。

客户端的实现方式为：(1)调用Socket()函数创建TCP套接口；(2)指定服务器IP地址和端口；(3)调用Connect()函数与服务器取得连接；(4)进行数据处理，读入并输出客户端的应答。

指挥端行动指令的图形符号，需要转化标准的指令进行传输。点状图符主要表示救援力量分布、威胁目标分布等情报，需要传输的描述数据格式化为：图符编号、图符种类、身份信息(友方/威胁)、坐标位置。线状图符和面状图符形状不定，需要多个控制点描述形状，描述数据较多，包括：图符编号、图符种类、身份信息、控制点数量和每个控制点的坐标。将这些信息完整的传输到行动端的显示平台，行动端就可以绘制出同指挥端相同的图符。

3　行动端显示方法

行动端设置态势显示，实时同步显示指挥端的指挥意图。行动人员参照指挥图进行救援。为增强显示效果，在行动端的显示平台上，采用三维地形场景进行标绘[8]。本文采用OSGEarth进行标绘信息的绘制。通过在OSGEarth上添加不同的绘制节点，显示不同的行动信息。对应指挥端的标绘信息，行动端的标绘信息如图5所示。

a) 指挥端显示效果

b) 行动端显示效果图5　指挥端与行动端显示效果对比

三维显示模式，不仅可以显示指挥平台发布的行动命令，同时还可以帮助救援队伍根据周围地形，确定自己的位置和行进线路。图6为舱外视角示意图。

图6　行动端显示的三维效果

三维显示增强了态势显示的真实性，但是当行动端需要观察全局时，拉远视点后，标绘三维模型反而会看不清楚。因此，本文采用了基于视点的二维三维切换显示方法。通过设定阈值，当视点距离小于该阈值时，采用三维模型，清晰逼真;当视点距离大于该阈值后，采用二维图片的方法显示，同时该二维信息不随场景的缩放而缩放，便于远距离观察。显示效果对比如图7所示。

a) 直升机二维显示效果

b) 直升机三维显示效果图7　直升机二维与三维显示效果对比

4　结 束 语

针对当前抢险救灾过程中指挥不畅的问题，提出了基于TCP协议的远程标绘指挥方法。通过采用基于BSM特征的手绘识别技术、基于TCP的远程通信技术和基于OSGEarth的态势标绘技术，解决了指挥端与行动端，指挥命令通过语音文字传递不准确的问题。实验表明，借助于Qt的TCP通信机制，行动端可以近实时的准确显示指挥端绘制的命令符号，满足任务执行实时性的需求。指挥端命令符号的绘制简单快捷，正确识别率高；行动端的显示逼真清晰，满足任务需要。

References)

[1]赵宏,黎涛,何亚文.灾害应急空间信息标绘技术[J].地理空间信息,2011,9(5):32-34.

[2]吴希明 ,陈国华 ,陈平剑.从四川抗震救灾谈我国重型直升机的发展[J].直升机技术,2008(4):59-64.

[3]陈鸿,汤晓安,杨耀明,等.基于位移映射的非规则军队标号绘制算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2011,23(5): 797-804.

[4]ESCALERA S,FORNES A,PUJOL O,et al.Blurred shape model for binary and grey-level symbol recognition [J].Pattern Recognition Letters,2009,30(15):1424-1433.

[5]ALMAZAN J,FORNES A,VALVENY E.A non-rigid appearance model for shape description and recognition [J].Pattern Recognition,2012,45(9): 3105-3113.

[6]DENG W,WU L D,YU R H,et al.On-line sketch recognition using direction feature[C]//14th IFIP TC 13 International Conference.Cape Town：Springer Berlin Heidelberg,2013: 259-266.

[7]黄翩，张琼，祝婷.基于Qt的一个服务器多个客户端的TCP通信[J].电子科技,2015,28(3):76-78.

[8]HAO L Y,JIAO Y,WU L D,et al.A novel terrain rending method for visual navigation[C]//10th Chinese Conference,IGTA 2015.Beijing: Springer Berlin Heidelberg,2015:308-316.

(编辑：李江涛)

A Remote Command Plotting Method

HAO Liyun1，RAN Da2，DENG Wei1，WU Lingda1

(1. Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416,China；2. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416,China)

In the process of rescue and disaster relief in areas like mountain woodlands, in the communication process between rear command post and frontline action unit, voice and text communication is easy to cause deviation of understanding, delay the rescue operation, and even bring irreversible consequences. To solve this issue, the paper studies on rescue and disaster relief command method based on remote plotting: the command crew draws accurate action instruction on command platform and the operational staff carry out the rescue based on the action instructions synchronously displayed at action side. Therefore, through using hand plotting method based on characteristics of blurred shape model (BSM), multi-client communication mechanism and three dimensional display technology, a prototype system has been established. The experimental result shows that, this method can effectively solve the issues of the remote command.

hand plotting; situation display; remote plotting; blurred shape model (BSM)

2016-04-14

国家级资助项目(2013ZX01045-004)

郝利云(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向为军事信息处理。haoliyun2006@sina.com

TP391.9

2095-3828(2016)05-0090-04

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.019