COP显示系统中三维技术的缺陷及改进研究＊

周伟祝 宦 婧

（海军航空工程学院 烟台 264001）

1 引言

通用作战图（Common Operation Picture，COP）是数字化战场信息的集成平台和可视化显示系统，它可以对军事地形、资源与环境等空间信息以及我军、友军和敌军战场态势数据进行融合、分析和输出，特定地理空间内的所有军事力量和行动都将以一致的形式展现出来，以增强作战人员对态势的感知和理解［1～2］。通过将作战计划、作战力量、战区天气、战区地形等各种信息与地理信息系统相结合，可以更好的理解这些因素对作战行动的影响。

目前COP显示系统设计的流行方法是以最真实最自然的方式显示信息。这种方法构建在这样一个假设的基础上，即越真实的显示战场情况，用户越能发挥自己天生的观察能力，从而毫不费力的形成对态势的感知和理解［3］。这种思想最直接的表现就是使用三维技术来显示态势图像。本质上，COP就是一个三维战场空间的显示系统。

三维显示系统是一个低角度的立体投影系统，典型方法是采用与水平面呈20°～45°的视角来表现场景［4］。它能给用户带来强烈的真实感和视觉冲击力，使用户获得沉浸式的体验，因此获得越来越多用户的喜爱。然而，态势涉及到非常多的信息，这就要求用户能够从显示系统中获得支持他们完成任务最需要的信息，而有些任务对空间上的精确程度要求很高，比如视线检测和碰撞预测。在实际使用中我们发现，在精确判定相对位置和精确的物体识别方面，三维显示系统和三维图标系统存在缺陷，其精确程度和判定效率甚至不如二维视图和二维图标系统。更为严重的是，三维显示系统实际上更容易使用户出现判断失误的情况。本文深入研究了三维显示系统和三维图标系统存在的缺陷以及缺陷形成的原因，并提出了相应的改进措施。

2 三维视图的局限及其原因

2.1 三维视图的局限

三维视图将三个维度的信息综合在一个纵深感强烈的图形中，因而在形状识别方面显得更加优秀［5］。而当把三维视图中的长度还原成空间中的长度时，用户通常没有正确的认识到在三维视图中宽度方向上和纵深方向上有着不同的压缩比例，而只是本能的采用了同样的压缩比来还原三维视图中的场景［6］，这样简单的认知，最终导致了用户在使用三维视图判断相对位置时非常容易出现误解。我们构建了一个视觉比例误差模型来解释用户在纵深方向上出现的错误，如图1所示。

宽度方向上：式中，Sh为宽度方向上的压缩比，Xi表示现实世界中宽度方向上的长度，Xw表示显示系统中宽度方向上的长度。

纵深方向上：

式中，Sz为纵深方向上的压缩比，Yi表示现实世界中纵深方向上的距离，Yw表示显示系统中纵深方向上的距离，VA为用户视角。

对于同一次观察而言，式（1）和式（2）中d／D为一个常量，我们用K 来表示，于是可以得到式（3）、（4）、（5）：

图1 视觉比例误差模型

式（3）、（4）中的K ＝d／D。

从模型中可以看出，宽度方向上和纵深方向上压缩比的不同随着观察角度的降低而增加，其增加规律近似符合正弦曲线的变化规律，所以在低角度的观察视角下，误解的情况会更加严重。视觉比例误差模型也解释了为什么二维视图在相对位置判断方面优于三维视图，因为90°的观察视角是唯一不会带来误解的视角。

2.2 对三维视图缺陷的修正方法

三维视图存在固有的易误解性，但是很显然，放弃三维视图不是明智的选择，因此，我们必须找到一个方法来限制这种误解，引导用户采用更好的观察视角获取信息。在平面上增加网格是一个通常容易想到的办法，但是增加网格让视图看起来很杂乱，而且网格间的空间仍然会给人们带来误解［7］。同时，采用网格带来了另外的问题，即什么时候显示网格？以什么样的粒度显示网格？所以网格并非是一个合适的解决方案。

本文中，我们提出了一个新的解决方案，该方案引入了上文所述的视觉误差比例模型，在三维视图中构建视角误差预测提示系统，提供视觉误差预测和提醒功能，如图2所示。

图2 视觉误差预测提示系统

视角误差预测提示系统设置了视角指示线（黄色相机表示）以及误差警告区域，视角指示线表示了当前用户视角，警告区域（鱼鳍形）表明在每个视角下，感知的尺寸与实际尺寸之间的误差，误差区域的宽度表示了在每个视角下的误差程度。在90°的视角下（也就是二维俯视图），误差区域宽度为零，即没有误差，而在视角比较低的区域，误差增长很快。该系统不仅提醒用户在通常的视角下他们在纵深方向上可能出现的错误，而且显示了在不同的视角下这些错误的严重程度。图3显示了一个在近岸防空领域应用视角误差预测提示系统的情况，在22.5°视角下，图3中中间的防空设施看起来明显更加靠近后面的一个，而实际上，三个防空设施之间是等间距的。视角误差预测提示系统提醒用户在显示系统中，图像的后部可能出现的视觉误差，并且显示了通过提高观察角度，用户可以获得更精确的感知。

图3 视觉误差预测提示系统的应用

实际应用表明，该视觉误差提示系统能有效的减少三维视图中相对位置判定误差的发生，提高用户判定精度和效率。

3 COP显示系统中的三维图标

3.1 三维图标的局限

3.1.1 目标识别上的缺陷

战场空间中存在各种军事力量和军事设施，在COP显示系统中，这些物体必须被清晰的显示出来，通常我们采用的方法是用某种图标来表示军事力量和设施［8］，如图4所示。

图4 表示军事力量的图标

在各种图标中，三维图标倍受欢迎，部分是因为它们用一种缩微的直观的具有视觉仿真效果的图标来描述舰艇或是飞机，而二维图标通常采用的是抽象的军用符号［8］。研究发现，尽管人们更喜欢使用三维图标，但是实际上对应的军用图标在物体识别方面效果更好。仿真的三维图标实际上削弱了它们在完成任务时的用途，原因之一恰恰是三维图标和它表示的实际事物保持了类似的视觉外观，由于很多军事装备的外观看起来是很类似的（如很多舰艇或者很多飞机），用户在利用三维图标区别它们时效率较低，甚至会出现误识别的可能。军用二维图标则不存在这个问题，因为设计军用二维图标的目的之一，就是为了作战人员能够顺利的根据图标来区分不同的战场实体和设施［9］。

3.1.2 准确度和效率上的缺陷

使用三维图标带来的问题实际上还不止容易误识别这一个。表示高度的线条，其长度受到距离的影响，因为在三维视图中，高度方向上跟纵深方向上一样，在三维视图的后面部分都会被压缩。为了正确的显示高度信息，用户必须根据纵深比例重构高度线的长度，但是，在三维视图中，纵深比例是未知的。更麻烦的是，在三维视图中，飞机的飞行方向很难判断［10］。

如图5所示，从飞机前面的航向线上看起来两架飞机的航向是一样的，而实际上，其中一架的航向是东南，而另一架的航向是东。我们已经发现，在三维视图中，用户正确获得飞机的航向、高度等信息所需要的时间要比在二维视图中多得多。这就否定了人们在三维视图下会工作得更好的认识。实际情况是，用户从三维视图中获取信息的难度更大，尤其是需要精确信息的时候。

3.2 对三维图标的改进

从上文可以看出，三维图标在表现某些特性时更具有优势，因为他们比二维图标以更加直观的方式来表现物体。二维图标在物体识别和关系判定方面表现得更好，因为二维图标以更加具有辨识性的方式来表现物体。我们综合了上述两种方式的优点，构建了一个新的混合式的表现方式，如图6所示。该混合表现方式使用了符号编码的方式来表示平台（例如用F来表示战斗机），用颜色来表示关系信息，利用整个图标的旋转角度来表示方向信息，用简单的外形来表示分类信息。在实际使用中，我们验证了这种新的表现方式在各个方面均具有较强的优越性，同时，我们也发现使用这种表现方式，更加有利于用户对整个态势的理解。

图5 三维视图下航向的判别

图6 一种混合式的表现方式

总得来说，COP用户需要精确地、快速的定位和识别军事设施，二维和三维的混合表现方式相比传统的二维图标和三维图标来说，更新，更具有吸引力，这种表现方式使用但同时又简化了真实性，给用户提供了一个可分辨的、易于接受的表现方式，使得和任务相关的信息能够被很快的提取出来。

4 结语

三维视图无疑非常具有视觉效果，然而，考虑到显示系统结构和功能的细节以及任务对信息需求的详细情况，三维视图的显示方式具有很多优点的同时也存在着很多的缺陷，具体表现在：

1）三维视图在理解物体形状和判断物体布局方面更具有优势，而在精确判定相对位置时容易产生误解。

2）三维图标更加直观，但是识别度不高，在需要精确信息时，甚至容易产生错误。

目前国内COP研究尚处于起步阶段，研究工作主要集中在数据集成与数据管理方面，而对COP显示系统的研究则相对较少。本文对COP显示系统中三维视图的缺陷作了一系列的研究，深入探讨了造成三维视图缺陷的原因，并根据COP显示系统的实际需要，针对三维视图的缺陷提出了改进措施，对更好地开发我国通用作战图系统具有重要的意义。

［1］D.Gouin，M.Gauvin，E.Woodliffe.COP 21TD-Towards a Situational Awareness Knowledge Portal［C］／／Proceedings of SPIE 2003Aerosense Defence Sensing Simulation and Controls，2003：21-25.

［2］M.Gauvin，A.-C.Boury-Brisset，F.Garnier-Waddell.Contextual User-Centric，Mission-Oriented Knowledge Portal：Principles，Framework and Illustration［C］／／7th International Command and Control Research Technology Symposium，2002：16-20.

［3］P.Cavanagh.Guest editorial：vision is getting easier every day［J］.Perception，1995，10（24）：1227-1232.

［4］蔡士杰，等.计算机图形学［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［5］A.D.Andre，C.D.Wickens.When users want what’s not best for them［J］.Ergonomics in Design，1995（4）：10-14.

［6］M.T.Dennehy，D.W.Nesbitt，R.A.Sumey.Real-time threedimensional graphics display for antiair warfare command and control［J］.Johns Hopkins APL Technical Digest，1994，15（2）：110-119.

［7］J.DiVita，R.Obermayer，W.Nugent，J.M.Linville.Verification of the change blindness phenomenon while managing critical events on a combat information display［J］.Human Factors，2004，46（2）：205-218.

［8］杨强，陈敏，汤晓安，等.三维静态军标的实时生成与标绘［J］.计算机工程与设计，2007，14（28）：194-199.

［9］博伟伟.基于ArcMap的地图符号设计与研究［J］.地理空间信息，2006，2（4）：71-72.

［10］J.Keillor，L.Thompson.H.S.Smallman，M.B.Cowen.Detection of Heading Changes in Tactical Displays：A comparison of two symbol sets［C］／／Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society，2003：1610-1614.