一种基于虚拟仿真技术的三维态势显示系统设计

2018-06-01杜召平

舰船科学技术 2018年5期

杜召平，杜艳

(1. 中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022；2. 中国人民解放军 91269部队，广东湛江 524022)

0 引言

虚拟仿真技术是在虚拟现实技术、多媒体技术与网络通信技术等基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。虚拟仿真技术以构建全系统统一完整的虚拟环境为典型特征，并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征，可以营造逼真的虚拟战场，并能满足操作者与战场环境之间的信息交互，在多个领域有巨大的应用前景。

当前，靶场所用的态势显示系统的处理显示和研究判断多采用文字标注和二维图形等形式实现，人机交互不够直观，传递的信息量有限，将真实复杂的环境、目标及实时态势信息投影微缩到二维平面上，将会丢失一些重要信息，态势展示不直观准确，指挥人员和观察、控制人员难以全面地掌握态势、关键过程及重要事件。本文针对上述问题开展态势显示系统设计与研究，主要采用三维实体建模、OSG与MFC的混合编程、虚拟仿真等技术对海洋环境、目标、各类平台等信息进行逼真的三维模拟，通过实时接收各种探测器传送来的目标位置、姿态、水下深度等实测数据，驱动目标三维模型在虚拟场景中运动，实现三维场景的实时更新，以三维视景的形式全面表现目标实体的运动状态和对抗过程，形成“数字化”、“视景化”的综合态势图，使原本不可见的水声对抗过程变为可见，使指挥人员及观察、控制人员沉浸在逼真、虚拟的环境中对仿真或回放进程进行交互或干预，增强了仿真的现实性、逼真性和透明性。同时，利用三通道显示技术丰富的表现手法，用户可以分别从不同的视点观察现场，直观深入地观察进程、分析态势、评估效果，具有十分显著的效益。

1 系统组成及功能

1.1 系统组成

系统主要由硬件设备及软件系统组成，系统硬件主要由视景主控计算机、通道显示计算机、数据录入与管理终端、通用数据接口以及辅助设备（投影设备、音响系统、交换机等）组成，如图1所示。

系统软件主要由信息融合处理模块、方案仿真预演模块、数据管理模块、电子海图标会显示模块、三维视景显示模块、过程复现模块等组成，如图2所示。

1.2 系统主要功能

1）按照实际需求和比例，完成相关装备及环境的三维模型制作，装备主要包括舰船、潜艇、鱼雷、潜标、浮标等，环境是根据不同海况及天气，制作典型条件下不同海况的海洋模型，包括水面及海底等。

2）把各种不同内测、外测设备的数据转化为统一的数据格式，进行奇异点剔除、平滑等数据预处理后送至主控计算机。

3）根据内测、外测数据及历史轨迹推测，以平滑的三维多媒体动画的形式近似实时的再现水下现场态势，并且可以控制播放速度：快进、快退、暂停、继续等。

4）实现3个投影通道的独立和融合显示。3个投影通道可以独立设定视点、视线，分别观察不同的参试实体，也可以把3个通道的显示画面拼接在一起，形成宽幅大场景的效果。

5）系统具有方案仿真预演、实时显示过程、回放过程3种工作模式。一是方案仿真预演：可预先设定方案通过展示三维模型进行演示，可从不同角度、不同距离来观察，审视检查预定方案的可行性及可操行。二是实时过程显示：实时接受各种探测设备传送过来的数据，统一转化为合理的数据格式后，近乎实时生成场景显示在大屏幕上。三是回放再现模式。实施过程中实时地把内测、外测数据文件一次性导入内存，同时将实时过程显示资料存入硬盘，进行较为精细的预处理（处理参数可人为干预，进行模糊及平滑等处理），确保回放过程的真实流畅，然后以三维视景的形式再现水下现场。

1.3 系统的软件实现

系统的软件实现较为复杂，主要是完成以下功能：

1）构建涉及到的实体三维建模构建：通过Creator，对如各种水面、水下目标（舰船、潜艇、鱼水雷等）、环境模型、测量设备（潜标、浮标等）等进行三维模型构建。

2）编程设计实现实时逼真海洋场景的渲染：基于Phillips海浪谱和GPU实现的FFT方法生成海面高度图和法线图，利用投影网格模型生成海面网格，并在片元着色器中基于纹理映射技术实现反射、折射等海面光照效果；实现海底的光束、浮帘粒子和模糊效果；然后通过后续渲染技术模拟场景的HDR效果。

3）设计实现自由视点，攻击方、防御方三类常用视点：综合利用OSG的漫游器和相机机制，实现自由视点，攻击方、防御方三类的自由切换，视点之间可通过控制面板按钮自由切换，当仿真过程中某些热点事件发生时，视点会自动切换，例如：武器发射时，视点要立即切换到武器跟踪视点；通过OSG的事件回调机制，实时处理键盘和鼠标对视点的平移、转动控制。

4）实现系统所需的多种OSG声音类产生及融合：基于FMOD的API，将其与OSG节点类结合，实现系统需要的多种OSG声音类并能实现融合。如背景声音类用来播放海浪等连续不变的2D声音；物体声音类用来播放引擎等随物体位置变化的3D声音；单次声音类用来播放各种一次性触发的事件旁白2D声音。

5）研究并实现三通道融合显示技术。采用技术手段实现3个子通道节点既可单独显示，完成多角度同时观察虚拟环境的要求；又可一起拼接显示，使整个虚拟环境显示更广阔，态势显示更逼真。

2 关键技术

2.1 虚拟仿真技术

本文通过虚拟现实技术和计算机仿真等技术，较为真实的来模拟目标在真实海战场环境中的运动特征，通过实时接收由无线网络或其他手段传送的测量装备所测的目标位置、姿态、水下深度等实测数据，驱动目标三维模型在虚拟场景中运动，实现三维场景的实时更新，以三维视景的形式全面表现目标实体的运动状态和对抗过程，以及整个态势变化和效果。

海洋环境及目标实体建模与仿真涉及的关键技术包括场景建模、场景更新、交互控制等。场景建模是将所要仿真的场景与对象通过数学方法表达成存储在计算机内的三维图形对象的集合，包括纹理的获取和处理。需要建模的目标包含各类实体；此外还包括海洋环境特征参数，动目标尾流，目标运动的六自由度参数等特效。场景更新主要完成场景数据处理、碰撞检测与响应和目标模型的实时数据驱动。

2.2 三维实体建模技术

本系统主要采用Multigen Creator来进行建模。Multigen Creator是专门用于创建视景仿真中实时三维模型的工具软件，它功能专业、使用方便。模型建造的基本过程就是由“点”连接成“面”，由“面”变化为“体”，然后赋予材质，贴上纹理，选择光照。

在采用Creator建模过程中存在需要注意的地方：一是模型的大小：在Creator下要求物体在几何建模的时候就要求按照真实尺度建造。二是模型的方向：要求众多模型在建造时放置方向就要一致，还要求必须考虑模型在OSG场景中运动时的方向角问题。三是模型的中心点：因为仿真实体的运动数据是作用在模型的中心点上，这直接影响着模型相互间的位置关系。四是灵活运用模型的DOF技术。DOF（Degrees of Freedom自由度）技术适合于描述模型的运动部件，要通过DOF技术在模型建造时设置在节点上。

2.3 基于OSG的混合编程技术

本系统主要采用基于 OSG（Open Scene Graph）混合编程技术来进行三维渲染。OSG（Open Scene Graph）是一个基于工业图形标准OpenGL的高层次三维渲染引擎，OSG汇集当今最先进的软件设计思想，包括Observer模式、Visitor模式等。开发者不需要实现、优化底层图形功能调用，因此他同时具备了跨平台特性和较高的渲染效率。OSG是基于场景图方式来管理和绘制三维场景，采用一种自顶向下的分层树形结构来组织数据，以提升绘制的效率。此外，OSG还提供了一系列OpenGL不具备的功能接口，包括基于动态加载插件技术的2D、3D数据文件加载、纹理字体支持、细节层次（LOD）控制、多线程数据分页处理等。

2.4 基于Phillips海浪谱的海洋场景构建技术

海面和海底场景一般会占整个仿真场景50%以上的画面，所以它们的绘制效果和效率直接影响着整个视景仿真效果。海面的波动是一种十分复杂的自然现象，会受到风力、重力、地形等多种因素的影响，无论在时间还是空间上，它的形状都具有不规则性和不重复性，而且其范围一般比较广。动态海面用完全的物理模型模拟很难达到实时，但其统计特性是稳定的，利用海浪谱描述海浪更为科学，也更适合于本视景系统。随着显卡性能和GPU可编程能力越来越强，与图形有关的处理自然而然地从CPU向GPU转移。本系统基于GPU编程，设计实现了实时逼真海洋场景的渲染：基于Phillips海浪谱和GPU实现的FFT方法生成海面高度图和法线图，利用投影网格模型生成海面网格，并在片元着色器中基于纹理映射技术实现反射、折射等海面光照效果；并实现了海底的光束、浮帘粒子和模糊效果；然后通过后续渲染技术模拟了场景的HDR效果。

2.5 信息融合处理技术

态势显示的基础是数据融合技术，本系统涉及的目标种类较多，态势处理显示软件需根据现场实际，对各类对象进行动态配置管理，解决各类目标的动态添加、修改和删除问题，以支持至少多批目标信息同时显示，并且可以控制任一要素在海图上的显示状态。各目标数据由不同设备提供，多源信息来自于不同类型的传感器、不同级别的装备和系统，为了实现整个态势综合显示，必须对各设备入网数据按照统一的数据协议进行规范化处理，提高数据处理效率。针对态势显示的实时性、准确性要求较高，需制定数据传输协议时须遵循规范、安全、精简的设计原则，实现对已有设备的兼容和新研装备的接入，在保证数据传输安全的前提下，精简化设计可减少数据传输开销，以保证系统收到目标数据包后能快速、准确地提取目标信息，提高态势显示的实时性。