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）

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）

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。

单兵防空作战；三维可视化；仿真系统；粒子系统；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。

1 EV-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、数字海洋、军事等领域。

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。

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）数据管理模块

①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。

②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

①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。

②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

①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。

②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。

③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

①缩放场景。利用鼠标或者键盘等操作，来对所显示的地图界面进行有目的性的缩小、放大、旋转等操作。

②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。

③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。

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，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2 纹理军标效果图Fig.2 Texture martial marker chart

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出表示进攻方向的曲线和箭头，标绘效果如图3所示。

图3 进攻方向的矢量箭头图Fig.3 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Fig.4 Three-dimensional entity martial marker chart

三维实体模型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。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）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。

4 系统实现

系统主要是基于EV-Globe SDK进行开发的，EV-Globe SDK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

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 drawing

5 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。

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Design of solo-soldier 3D visualization simulation in aerial defense system based on EV-Globe

YAN Chong-chong， HAO Yong-sheng， GE Zhi-jun
（Missile Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang050003，China）

In traditional two-dimensional（2D） situation， the battlefield visualization process of the military situation face problems in long expression update cycle，and poor skills in describing the details of the operational area.To solving these problems， designed solo-soldier in aerial defense visual simulation system based on EV-Globe， which depends on the threedimensional（3D） computer graphics visualization.Introduce the 3D concept to the terminal of aerial defense visual display of the battlefield 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 perception of solo-soldier in aerial defense capability.

solo-soldier in aerial defense；3D visualization；simulation system；particle system；EV-Globe

TP319

A

1674－6236（2012）04-0038-04

2011-12-06 稿件编号：201112026

闫冲冲（1987—）男，河南灵宝人，硕士研究生。研究方向：检测技术与自动化装置。