基于EVGlobe的单兵防空作战三维可视化仿真系统设计.doc

《基于EVGlobe的单兵防空作战三维可视化仿真系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于EVGlobe的单兵防空作战三维可视化仿真系统设计.doc（4页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第 20 卷第 4 期2012 年 2 月电子设计工程 Vol.20 No.4 Electronic Design Engineering Feb. 2012 基于 EV-Globe 的单兵防空作战三维可视化仿真系统设计闫冲冲， 郝永生， 葛志军（军械工程学院 导弹工程系， 河北 石家庄 050003）摘要： 传统的二维态势可视化在对战场军事情况表达过程中存在着更新周期长， 作战区域细节性表达能力差等缺陷。 针对这一缺陷，在以计算机图形学为基础的三维可视化基础上，设计了基于 EV-Globe 的单兵防空作战可视化仿 真系统，将三维空间理念引入到单兵终端防空作战的空域战场可视化显示中，具体阐述了

2、军事标号的三维模型构建 和战场环境的三维渲染，直观具体的表达了防空作战中的空域态势，通过实例证明了该系统良好的可视化效果，有效 地提高了单兵防空作战的信息感知能力。关键词： 单兵防空作战； 三维可视化； 仿真系统； 粒子系统； EV-Globe中图分类号： TP319文献标识码： A文章编号：16746236（2012）04-0038-04Design of solo-soldier 3D visualization simulation in aerialdefense system based on EV-GlobeYAN Chong-chong， HAO Yong-sheng， GE Z

3、hi-jun（Missile Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）Abstract: In traditional two-dimensional （2D ） situation ， the battlefield visualization process of the military situation faceproblems in long expression update cycle， and poor skills in describing the details of t

4、he operational area. To solving these problems， designed solo-soldier in aerial defense visual simulation system based on EV-Globe， which depends on the three- dimensional （ 3D ） computer graphics visualization. Introduce the 3D concept to the terminal of aerial defense visual display of the battlef

5、ield airspace， specifically addressed the military grade construction and 3D model of the battlefield environment，3D rendering， visual expression of a specific air defense operations in the airspace situation， demonstrated by the example of the visualization system is good， effective improved the pe

6、rception of solo-soldier in aerial defense capability.Key words: solo-soldier in aerial defense； 3D visualization； simulation system； particle system； EV-Globe当前， 在为战场指挥决策提供可靠信息的各种手段中，目视显示仍是最有效和最快的方式1。 因而，对战场态势及战 场环 境 的 可视 化 仿 真在 作 战 辅助 决 策 支持 系 统 中 发 挥 着 其 重 要 作 用。 传 统 的 二维 战 场 态势 可 视 化方 法 固 然 有 很

7、多 优 点， 诸 如 二维 军 标 号的 体 系 完整 ， 使 用 规定 明 确 ， 方向 固 定 ， 便于 理 解 等， 但 是 随 着现 代 战 争对 于 可 视化 的 要 求 不 断 提 高，二维态势显示也暴露出越来越多的缺陷。 例如二维态势 显示 由 于 无法 直 观 表现 第 三 维信 息 而 使得 其 对 于 作 战 区 域 细节性表达不够，再者二维矢量地图对于战场军事情况信息 的 表 达的 更 新 周期 较 长 ， 时效 性 差 ， 特别 是 新 建的 建 筑 物 及 桥梁工事，难以在二维矢量图上及时体现，这样一来，会对指 挥决策精确性分析产生较大影响2。相比较而言，以计算机图形

8、学为基础的三维战场态势可 视化具有很多优点3。 首先三维可视化表达直观明了，符合人 体固有的视觉习惯，大大缩短了大脑对于战场部分信息的解释过程，便于人们理解。 其次，它可以实现对于军标符号的多角度 观 察 ， 方便 指 挥 员从 多 个 方向 观 察 战场 态 势 ， 提 高 军 事 指挥人员熟悉战场的效率。 再者对于高空目标，三维可视化 可以将其表示在相应的 Z 方向位置上，从而很好的避免了军 标符号的重叠现象。鉴于 三 维 可视 化 对 于空 中 作 战 目 标 和 其 他 态 势 的 表 达 有着较好的可行性，所以三维可视化已经逐渐取代二维态势 显示成为可视化仿真系统的主流表达方式。1E

9、V-Globe 平台简介EV-Globe 系列三维海量空间信息服务平台 是 北京 国 遥 新 天 地 信 息 技 术 有 限 公 司 自 主 研 发 的 三 维 信 息 服 务 平 台 。 EV-Globe 将三维影像和矢量显示技术与主流 GIS 平 台无 缝 的集 成 在一 起 ， 实 现 了 全 球 影 像 3D 高 速 浏 览 ， 矢 量/栅 格 数 据一体化管理，二、三维矢量联动，地理标注和三维分析等功 能，如今已成功应用在数字油田、土地利用监测、电信、地矿、收稿日期：2011-12-06稿件编号：201112026作者简介：闫冲冲（1987 ）男，河南灵宝人，硕士研究生。 研究方向：

10、检测技术与自动化装置。38数字海洋、军事等领域。地图界面进行有目的性的缩小、放大、旋转等操作。设置显示属性。 根据操作者的实际需求，设置显示的相关属性，譬如是否全屏显示、色彩对比度、环境特效等属性。信息查询。 对任意目标点的坐标、两点间距离及是否 通视等情况的查询与分析。2系统功能模块结构出于对空作战对于防空作战三维可视化系统在功能、使用灵活性和操作简便性等方面的高要求，文中将防空三维可视化仿真系统划分为数据管理、军标管理、态势管理、场景显示四个功能模块，其总体功能结构如图 1 所示。3系统设计3.1 三维军标的构建与标绘三维军标的构建是一个比较复杂的问题，每一种类型军 标的 建 立 都是 一

11、 个 建模 的 过 程， 总 结 起 来， 大 致 可 分 为 纹 理 军标的构建、矢量军标的构建、实体军标的构建等几类。1） 纹理军标的构建 纹理军标是采用纹理映射技术在 三维空间中表达相关的军标内容，其主要用来在三维空间中 表达点状的军标符号和无具体方向性的符号5。 纹理军标构 建的基本过程为：首先在三维空间中建立一个具有各向同性 的面；然后将二维军标作为纹理映射到该面上形成三维空间 中的军标符号。 公告板技术就是一种纹理映射的特效技术， 其 基 本 原理 是 ： 通 常是 一 个 多边 形 ， 空 间物 体 通 过合 适 的 算 法 ， 形 成 二维 纹 理 ， 通过 纹 理 映射 ，

12、粘 贴 到这 个 多 边形 上 ， 从 而从观察者的角度看， 就仿佛看到了真实的三维空间物体， 它是使平面物体产生立体感的有效方法。纹理 军 标的 标 绘 效果 如 图 2 所 示 ， 图 中 印 有 “ 国 遥 新 天 地 ” 字 样的 标 绘 就是 利 用 公告 板 技 术设 计 的 纹理 军 标 ， 可 以 根据所要标绘的实际对象进行相关的命名编辑。 如“指挥所” “地面工事”等。图 1 三维可视化仿真系统总体功能Fig. 1 Three-dimensional viewing simulation system collectivity function各模块的具体功能4如下：1）数据

13、管理模块地图数据输入。 将多源、多比例尺地图数据调入显示 并作为作战态势标绘的底图。标绘要图管理。 在连接地图数据的基础上，完成作战态势要图的创建、打开和保存等功能。数据管理模块是三维信息可视化系统的基础，地图是作战态势要图的背景。2）军标管理模块军标属性编辑。 利用军标属性编辑菜单，对于所要标 绘 的军 标 属 性进 行 编 辑， 包 括 军 标的 放 大 、 缩小 、 旋 转 角度 、 闪烁、坐标位置等操作。军标动态推演。 针对选中的军队标号，给定推演路线，进行实时的军队标号动态推演。3）态势管理模块态势标绘。 以交互的方式将三维军事标号配置到三维 场景中，包括对军标的标绘和编辑功能。 标

14、绘是将从标号集 中选定的标号设定一定的参数，根据获得的三维坐标配置在 三维场景中的过程。态势推演。 利用标绘的军标对敌我双方的部署和战斗 进程 ， 或 者敌 我 双 方军 事 局 势的 发 展 态势 ， 进 行 闪烁 、 出 现 、 移动等动态的显示，并能够对推演态势进行编辑和修改。态势保存与显示。 保存三维场景的设置和场景中所有 标 号 的 信 息 ， 以 便 于 交 互 显 示 或 者 存 入 磁 盘 ， 方 便 调 用 和 编 辑 。4）场景显示模块缩放场景。 利用鼠标或者键盘等操作，来对所显示的图 2 纹理军标效果图Fig. 2 Texture martial marker chart

15、2）矢量军标的构建 矢量军标主要是采用一定的计算机 图 形算 法 来 实现 线 状 军标 符 号 和具 有 方 向的 军 标 符 号 在 三 维虚拟战场环境中的组合表达。 这种军标只要获得它的属性 信息就可以进行军标的构建和绘制。 构建和绘制主要有两种 方式： 一种可以通过直接读取数据库存储的信息进行构建； 另 一 种 是用 户 直 接通 过 鼠 标在 屏 幕 上点 击 确 定 控 制 点 来 进 行绘制6。以表达进攻方向的箭头为例，在绘制时首先要给定箭头 的突破口，然后在箭头方向上给出若干个定位点和箭头的顶 点 ， 最 后 按照 箭 头 的比 例 要 求， 应 用 曲 线拟 合 函 数绘 制

16、 出 表电子设计工程2012 年第 4 期示进攻方向的曲线和箭头，标绘效果如图 3 所示。现物体，是一种利用各种计算过程生成模型中各个要素的建模技术。 因为它易于模拟传统三维数据结构和 CAD 工具软 件难以表现的不规则对象，所以最初主要被用来模拟自然景 物。 常用的过程模型有分形（fractal）迭代的算法模型，还有基 于语 法 规 则的 算 法 模型 和 基 于动 态 随 机生 长 原 理 的 算 法 模 型等，Reeves 提出的粒子系统也是一种过程模型。 目前，三维 噪声函数算法模型、湍流函数算法模型、基于 Fourier 合 成 原 理的算法模型等一些新算法也被不断地推出和应用。在所

17、有战场自然环境因素中，气象环境对军事行动的影 响最大，因此往往成为决定军事行动胜负的关键因素8。 气象 环境对军事行动的影响可以通过两个方面体现出来：一是通 过影响作战单元的效能从而直接影响作战行动，如雨、雪、雾 等 天 气 可以 直 接 影响 战 斗 人员 的 判 断以 及 所 携 带 的 武 器 系 统 的 射击 精 度 ， 从而 影 响 战斗 效 果 ； 二是 通 过 影响 地 理 环 境 因 素 的改 变 来 间接 影 响 作战 行 动 ， 如雨 、 雪 等 天气 会 导 致 地 面湿滑，通过限制部队的机动性来影响战场态势。 气象环境 的军事重要性决定了它在可视化环境仿真中的重要地位。

18、 通 常对于风、云、雨、雪等具有非刚性外形和特殊视觉效果的这 类元素，采用过程模型中的粒子系统来进行描述。粒子系统是由 Reeves 于 1983 年先提出的， 其基本思想 是：采用大量不规则的图元作为基本元素来描述不规则的模 糊物体。 每一个粒子系统都是由大量的称为粒子的简单元素 构成 ， 而 每 一个 粒 子 图元 都 有 一组 属 性 ， 包括 位 置 、 形状 、 速 度、 颜色和生命周期等属性， 所有这些属性都是时间 t 的函 数。 粒子系统实际上是一个随机的过程，在空间的某个位置 产生粒子源，然后粒子按照一定的路径完成其生命周期。 粒 子系统的建模主要可分为以下 4 个步骤9：1）

19、粒子源产生新粒子 产生任意数目的新粒子，其初始属 性 受 随机 过 程 控制 ， 每 个 粒子 都 有 一个 生 命 周期 ， 如 果 某 些粒子不应该删除，则可以赋予期更长的生命周期。2） 更新 粒 子 属性 更 新 现存 的 粒 子 属 性 ， 在 该 步 骤 中 ，粒子的生命周期递减一个时间步。3）删除“死”粒子 检查粒子的生命周期，若为 0 则将粒子从系统中删除。4）绘制粒子 显示粒子系统中的所有粒子。应用粒子系统可以通过简单的体素来表现复杂物体，且 容易实现、易于显示，渲染速度较高。 如图 5 所示为利用粒子 系统模拟的雨雪效果图中的下雪场景。图 3 进攻方向的矢量箭头图Fig. 3

20、Aggression direction vector arrowhead chart因为矢量军标具有明确的方向性，所以它对于部队的行 进、进攻方向等一系列战场态势的趋势具有很好的表达效果。3）实体军标的构建 三维实体军标主要是针对空间对象 以及用算法等难以建立的不规则实体等对象，通过加载其构 建好的三维软件模型来表征其战场角色。 目前许多商品化的 建 模 软 件 如 3DMaX、Multigen、Softimage、Lightwave 等 均 提 供 了强大的制作三维实体的功能，借助此类建模工具建模是多 数仿真系统首选的 3D 建模方法，当然也可以使用 DirectX 技 术编写自己的建模工

21、具软件，通过这些方式使用三维实体模 型来构建相应的武器模型，然后在场景中进行显示7。本系 统 所 使用 的 软 件平 台 提 供 了 强 大 的 接 收 三 维 模 型 文件导入的功能，包括 X 模型、dae 模型、obj 模型、3ds 等模型 文件，而且对于导入的一些模型仍可以与直接建模的符号一 样进行编辑和修改，如图 4 所示为一架战斗机的三维模型标 绘效果。图 4三维实体军标模型图4系统实现系统 主 要是 基 于 EV-Globe SDK 进行 开 发 的，EV-GlobeFig. 4 Three-dimensional entity martial marker chart三维实体模型

22、标绘的方式能够形象、直观的表示抽象军 标 符号 所 包 含的 内 容 ， 便于 理 解 ， 但是 无 法 表达 某 些 军 标 符 号 的含 义 ， 如 进攻 方 向 等， 因 此 在 标绘 中 常 常与 矢 量 军 标 结 合起来使用。3.2 三维战场环境的构建与标绘战场 环 境 仿真 通 常 情况 下 采 用 过 程 建 模 的 思 想 来 进 行仿真。 过程建模的基本思想就是通过程序算法和其参数来表40SDK 是 EV-Globe 的二次开发包，基于 EV-Globe 提供的开发接口。 SDK 以.NET 环境将 EV-Globe 的相关接口封装在动态 链接库（dll）中，具体结构如图

23、6 所示。 用户只需要搭建好开 发环境，引用相关的 dll，就可以开发出自己想要的应用系统。 图 6 是系统基于战术导弹防空信息化的一个实例“某防 空 旅地 面 作 战部 队 与 敌方 空 中 战斗 小 组 对于 保 卫 目 标 的 实参考文献：1 胡世 功 ， 申黎 平. 国 外陆 军 战 术C3I手 册M. 北 京 ： 兵 器 工 业出版社，1990.2 曾安里，张建康，王国宏，等. 军用三维实景仿真引擎研究J. 指挥信息系统与技术2010（10）:17-20.ZENG An-li，ZHANG Jian-kang，WANG Guo-hong，et al. Research of the V

24、VP-3D military visual simulation engineJ. Command Information System & Technology，2010（10）:17-20.3 吴玲 达 ， 宋汉 辰. 三 维 数 字 化 战 场 环 境 构 建 技 术 研 究J.系统仿真学报，2009（10）:91-94.WU Ling-da，SONG Han-chen. Research on the construction technology of 3D digital battlefield environmentJ. Journal of System Simulation，

25、2009（10）:91-94.4 彭颖 ， 沈 怀荣. 防 空 作 战 态 势 可 视 化 设 计 与 实 现J. 装 备指挥技术学院学报，2007（6）:104-107.PENG Ying，SHEN Huai-rong. Design and impiementation of visualization for air defence campaign situationJ. Journal of the Academy of Equipment Command & Technology，2007（6）:104-107.5 冯屹朝，陈亢 ， 周 新. 战场 环 境 视景 仿 真 与可 视

26、化 实现J.大众科技，2010（3）:55-73.FENG Yi - chao ， CHEN Kang ， ZHOU Xin . Battlefield environment simulation and visualization realization J. Commonalty Science and Technology，2010（3）:55-73.6 管宁，王明孝. 战场地理空间信息可视化系统设计与研究J. 地理空间信息，2007（8）:51-54.GUAN Ning，WANG Ming-xiao. Design of the geography space information

27、 visual system of the battlefieldJ. Geospatial Information，2007（8）:51-54.7 赵斌. 分布式仿真中的虚拟战场态势可视化J. 计算机应用，2006（12）:276-279.ZHAO Bin. Dummy battlefield environment visualization in distributing simulation system J. Computer Applications，2006（12）:276-279.8 李艳 ， 黄 柯棣. 分 布 是 战 场 态 势 可 视 化 系 统 研 究J. 系 统仿真学

28、报，2008（9）:316-319.LI Yan，HUANG Ke-di. Studies on distributed battlefield situation visualization systemJ. Journal of System Simulation，2008（9）:316-319.9 李景 荣 ， 施晓 红 ， 华 祖耀. 虚 拟 三 维 战 场 环 境 生 成 系 统 的 设计与实现J.计算机时代，2008（10）:32-34.LI Jing - rong ， SHI Xiao - hong ， HUA Zu - yao . Design and realization

29、of dummy 3D battlefield environment buildingsystemJ. Computer Era，2008（10）:32-34.图 5 雨雪效果示意图Fig. 5 Rain and snow effect sketch map图 6 EV-Globe SDK 结构图Fig. 6 Structure diagram of EV-Globe SDK时行进态势显示”所完成的态势仿真图，可以看出，它在三维可视 化 的 基础 上 很 好的 反 映 了敌 我 双 方的 战 斗 力 量 构 成 和行进路线以及周边的战场环境。图 7 战场态势图Fig. 7 Battlefield situation drawing5结束语基于大型 GIS 平台 EV-Globe，设计并实现了单兵防空作战三维可视化仿真系统。 由于三维可视化对于与战场态势相关的军事标绘符号，战场气象环境以及战斗实体等元素的显 示有着良好的可行性，使得对于战场态势信息的表达更加直 观 具体 ， 增 强 了使 用 者 对于 战 场 态势 的 理 解， 方 便 于 其 针 对 战场态势及时做出正确的判断，对于提高我军装备信息化程 度和指挥人员的战场感知能力，具有重大意义。