某炮模拟训练系统中三维视景的设计与实现

王晓萍，刘克敏，尤 静，杨成浩，冯培伦

（1.北方信息控制研究院集团有限公司，南京 211153；2.北方自动控制技术研究所，太原 030006；3.驻太原地区第二军代室，太原 030006）

0 引言

当前，由于安全经济、可控、可重复、不受气候条件和场地空间限制、训练周期短、训练质量有保证等特点，已经越来越受到世界各军事强国的高度重视，在世界各国均得到了广泛推广［1-2］。并且模拟训练已经逐步贯穿到武器操作、单兵演练、战术演练等各种训练模式之中［3-4］。有资料显示，美军坦克飞机模拟训练费用仅为实战武器训练费的10%～12%［5-6］。

三维视景仿真是模拟训练的重要组成部分。综合利用计算机三维建模技术、三维实时渲染技术和多媒体技术，实现对作战地区地形、地物等自然地理环境和部队作战行动及效果进行三维虚拟化显示，可以营造逼真的虚拟战场，从而满足操作人员与战场环境之间的信息交互。美军已把战场可视化作为作战指挥的关键要素。目前我国在三维视景可视化仿真领域也取得了长足发展［7-13］。基于单体训练和联合训练的三维视景均发展的如火如荼，不过既能支持单体、又能支持联合的多层级模拟训练三维视景系统还比较少。

本文的三维视景仿真系统主要用于与实装武器系统同步的、专门用于室内训练的营级半实物仿真模拟训练系统［14-16］。既可以进行测距机和某炮的单体训练，也可以接收控制台命令，通过三维视景模拟营级18 门炮和测距机进行联合训练，也可以支持单体训练与联合训练的无缝切换，真正做到一套系统同时应用在多层级模拟训练系统上。

1 三维视景系统架构设计

1.1 主要功能

三维视景系统主要有大屏幕视景、便携式观察所的激光测距机视景和某炮模拟器上的周视瞄准镜视景［17-20］。大屏幕视景既可以漫游、统观模拟训练全局，又可以切换到任一视景，也可通过画中画方式同时观察全局与局部细节；测距机视景和周视瞄准镜视景分别运行在测距机和炮等半实物仿真模拟器上。当操作半实物仿真模拟器时，三维视景显示也随着操作而作出相应变化，具有逼真效果。

三维视景支持综合训练和单体训练两种模式，综合训练优先级较高，当收到综合训练命令时，可自动从单体训练切换到综合训练。其主要功能见图1 所示。

图1 三维视景功能组成图

1）训练环境模拟功能：实现三维虚拟环境的构建和渲染，包括地理、气象、武器装备以及榴弹、烟幕弹、照明弹等爆炸特效的效果模拟。

2）想定设置功能：根据接收到的想定ID，将想定中的信息加载到三维视景平台中，包括地形、气象以及训练部署设置。其中，地形包括地貌、地物、河流、植被等；气象主要包括晴、阴、雨，雪，云（云量、云底高），风（风、风向），能见度；训练部署主要包括观测点设置、敌我武器装备设置。

3）辅助显示及计算功能：实现训练过程所需的各种参数支持及显示，包括炸点与目标的碰撞检测、目标受到不同程度攻击时的多级毁伤模拟、周视景倍率放大画面模拟等。

1.2 体系架构

三维视景系统按照“平台设计一体化、功能构建模块化、建模信息资源化”的设计理念，采用平台层、数据层、应用层三层体系架构，将资源、内核和功能组件分离。

平台层为三维视景仿真平台，是仿真资源的管控中心，是模拟仿真技术的载体和功能的容器，可以快速构建专业仿真系统；数据层为视景系统提供战场地形、气象等环境数据、装备基础数据、想定数据，以及训练数据记录等数据支撑；应用层利用平台资源和数据，完成训练环境模拟、想定设置、辅助显示及计算等功能，用三维视景展示出来。其架构如图2 所示。

图2 三维视景体系架构示意图

三维视景采用C/S 结构。通过视景客户端连接不同视景服务器来支持单体或联合训练。默认情况下，三维视景系统各个视景客户端连接对应的分控台视景服务器，分控台视景服务器连接总控台视景服务器；当为单体训练时，分控台视景服务器接收分控台控制软件命令，总控台视景服务器不做任何操作；当为联合训练时，分控台视景服务器接收总控台视景命令并发送给分控台视景客户端，使其断开与分控台视景服务器的连接，而直接连上总控台视景服务器。

1.3 运行流程

在训练准备阶段，首先在二维地图上进行想定编辑，即设置训练的地理位置、气象、观测点位置/朝向设置、各火炮类型/位置/方向设置、各目标位置/移动路线/速度设置等信息，将想定ID 发送给视景软件，视景系统接收到想定ID 后读取想定数据并解析，根据想定数据初始化系统。

训练过程中，三维视景实时接收测距机的姿态和角度消息，根据测量参数在激光测距机上显示测量画面，同时把测量结果数据发送给控制台软件；当接收到武器发射指令后，在三维视景中创建相应炮弹，根据炮弹弹道参数，以平滑差值方式控制炮弹在视景中飞行。三维视景在场景中对炮弹飞行轨迹上的碰撞状态进行检测，如果碰撞到物体（目标/地面/水面等），则播放爆炸特效，并根据炮弹的杀伤能力计算其攻击半径内目标的毁伤程度，同时将爆炸结果反馈给控制台软件。

同时，三维视景实时接收过程控制指令（暂停、继续、终止等），控制训练进度。

2 主要功能模块设计与实现

2.1 训练环境模拟

训练环境模拟主要负责三维虚拟环境的构建和渲染，包括地理、气象、目标和战场特效等效果模拟。

1）地理环境模拟用来构建训练区域的三维地理环境。采用基于真实的高程、位片等地形数据对训练区域进行建模。重点区域对植被、建筑和水文进行独立建模，逼真地展示训练区域地形地貌。

2）复杂气象模拟用来构建训练区域的复杂气象环境，包括24 h 变换、云、雨、雪、雾等效果。使用动态光照技术，对24 h 不同时刻的气象环境效果进行模拟；使用粒子系统［7］来模拟雨、雪等效果。

3）攻击目标模拟：根据目标的实际尺寸和照片对攻击目标进行建模模拟，以逼真地反映目标的外观特性。

4）战场特效模拟：主要实现炮弹爆炸、目标着火等视觉特效以及炮弹发射、爆炸等听觉特效，在整个仿真过程中给人以视觉和听觉的震撼，提高仿真的逼真程度。

2.2 训练想定设置

训练想定设置功能根据接收到的想定设置参数，对场景显示以及训练部署进行设置。具体包括气象设置、观测点设置和目标设置。

其处理流程见图3 所示。

2.3 辅助显示及计算

图3 想定加载处理流程图

辅助显示及计算主要实现火炮测量发射所需的各种参数支持及显示。包括炸点碰撞检测、毁伤计算、多级毁伤模拟和观测画面模拟。

炸点碰撞检测根据炮弹当前位置及下一个位置，通过射线检测是否和物体表面有交互，从而形成碰撞。毁伤计算则是根据弹药类型、弹着点、毁伤半径及杀伤值等来进行综合解算。

其处理流程见下页图4。

其毁伤计算部分源码如下：

图4 碰撞检测及毁伤计算处理流程图

多级毁伤模拟主要实现装备被受到不同程度攻击时多级毁伤的效果。系统预置3 级毁伤状态，即完好、受伤、摧毁3 种状态训练模式支持。如图5所示。

大屏幕视景通过画中画，既可以统观全局，又可以同时查看重点区域的情况。如图6 所示。

图5 目标多级毁伤示意图

图6 大屏幕视景效果

三维视景采用国内自主三维视景平台，在Win7 64 位操作系统上，基于VisualStudio2012 进行视景软件开发。通过TCP/IP 传输控制台与视景服务器之间的监控信息，以及多台视景计算机之间的同步信息。

在三维视景中，通过init（）进行视景初始化，每帧调用update（）函数来更新显示的画面。

2.4 单体、联合训练支持

默认情况下，三维视景系统为单体训练，即各个视景客户端默认连接对应的分控台视景服务器，分控台视景服务器连接总控台视景服务器，如图7所示。

图7 三维视景初始连接图

单体训练时，各分控台视景服务器负责与其他软件进行交互，从对应分控台导调软件获取指令信息，分控台视景客户端连接视景服务器，进行视景显示。

当需要联合训练时，总控台视景服务器将收到的联合训练消息转发给分控台的视景服务器，分控台视景服务器再将其转发给分控台视景客户端。分控台视景客户端接收到联合训练消息后，断开与分控台视景服务器的连接，接入总控台视景服务器，进入到联合训练模式。此时系统连接状态如图8所示：

图8 联合训练初始化完毕连接图

在联合训练过程中，分控台服务器不需要接收任何训练相关数据。训练结束后，分控台视景显示模块断开和总控台视景服务器的连接，并自动恢复与该分控台视景服务器的连接，将系统连接恢复到默认状态。

3 结论

本文结合模拟训练需求，对三维视景的主要功能进行了说明，并分别从其体系架构和运行流程上进行了阐述；然后对环境模拟、想定加载和辅助显示及计算等功能的流程设计与实现进行了详细描述；最后对其支持联合、单体训练的解决方案进行了重点说明。

该系统已研发成功，测距机视景、瞄准镜视景和便携式观察所、自走炮等半实物模拟器相结合，拥有同实装一样的外形特点、一样的训练步骤、不受天候和地理环境影响，在静态环境下可模拟动态操作训练，三维视景逼真，可真实再现战场复杂环境，沉浸感强；可在单体、联合训练间自由切换。使用该系统，在单体训练下可快速有效地提高火炮操作手和便携观察手的操作能力，在联合训练下，可有效提高指挥、测距机和火炮的整体协作能力，为满足部队不同规模、不同层级训练需求提供支持。同时，该系统可大大节约训练经费、提高训练安全性，为部队训练提供了安全、经济、科学、高效的技术手段，具有广泛的推广应用前景。