基于EV-Globe的虚拟战场环境系统设计与实现

柳 玉 陈建华 文家焱

基于EV-Globe的虚拟战场环境系统设计与实现

柳 玉 陈建华 文家焱

(海军陆战学院科研部 广东 广州 510430)

现代战场仿真对象、领域不断延伸、精细化层次要求不断提高，传统开发方法已经无法满足大规模虚拟战场环境系统复杂程度和开发效率的客观需求。针对这种情况，提出基于EV-Globe的虚拟战场环境系统设计与实现方法。通过分析确定系统的功能需求和性能指标，建立系统的功能、对象和动态模型，充分利用EV-Globe三维空间信息集成管理优势，减少了建模的范围和复杂度，改进了分析、设计质量；以EV-Globe作为二次开发接口，实施功能定制，缩短了虚拟战场环境系统的开发周期，提高了系统的可靠性和可扩充性。

战场环境 地理信息系统 功能模型 对象模型 动态模型

0 引 言

随着三维地理信息系统(GIS)和虚拟现实技术(VR)的快速发展，针对军用仿真领域复杂战场环境的虚拟化建模已成为可能[1,2]。研制一种可测量、可体验、多维度、充分考虑领域情景的虚拟战场环境系统，一方面可用于武器系统性能验证和作战方案推演；同时联合交互式传感设备可有效改进系统使用人员的临场感觉，促进训练水平、效益的不断提高，指导施训方案的科学制定，推动军事作战、训练模拟在概念和方法上产生新的飞跃。

目前，虚拟战场仿真相关技术在国外得到了广泛的应用，并且出现了一些比较成熟的产品，如：新加坡国立大学计算机系研制的BrickNefNetEfet、瑞典计算机科学研究所的DIVE、美国海军研究院的NPSNET等[3]；相比之下，国内的研究主要从20世纪90年代开始，在大战场实时仿真[4，5]、特效模拟[6，7]、地形生成[8，9]、态势显示[10，11]等方面取得了一定的研究结果。总的来说，随着仿真对象、领域的不断延伸，粒度、层次要求的不断提高，在满足虚拟战场环境系统有效、实时性能指标的基础上，必须解决以往方法难以适应系统复杂程度和开发效率要求急剧提升的客观趋势。因此，需要研究一种快速的、面向视景的、高度模块化的三维战场环境系统设计方法。

EV-Globe是一种可扩展、具有最新地理信息的三维空间系统基础平台。运用先进建模技术和数据管理方法，实现大区域、多数据源、海量、多存储格式的一体化管理，支持三维空间查询、分析、运算，以及快速三维实时漫游功能，提供了多种开发接口供用户进行功能定制，可以方便快速地构建三维空间信息服务系统[12]。本文以军事训练、作战模拟、军事演习等活动对战场环境的实际需求为背景，论述利用统一建模技术实现基于EV-Globe的虚拟战场环境系统的具体流程、侧重点。并给出一种快速建立兵力实体模型、特效模型的方法，帮助开发人员更好地、更快地建立三维场景，提高软件的开发效率和可靠性。

1 虚拟战场环境系统功能分析

1.1 战场地理环境

从影响战争进程的客观因素来分析，战场环境不仅包括传统的自然环境，更主要的是涉及到装备、军用设施、电磁、网络、核化、声音和特殊效果等人工环境[3]。地理属性中地形和位置是其他一切环境的存在空间，是进行空间定位和作战态势显示的依据。战场环境系统需要具备对包括地球表面、地下、水下、天空、太空在内的全空间三维可视化能力，可以准确地显示地球空间系统内的自然地物、人工设施、天气现象、人类活动，如表1所示。

表1 战场环境中地理环境的功能需求

由于电磁、核化和网络环境是现代军事战争呈现出的基本特点，但不具有视觉上的可见性，一般研究时不将其列入虚拟战场环境平台。在工程中，作为基础平台的战场地理环境一般考虑：(1)位置、形状等地理属性；(2)山峦、道路、河流、桥梁、树木等地貌属性；(3)日照、烟、雾、雨、雪、冰雹等自然现象。

1.2 战场作战实体

战场环境中的作战实体状态可分为静态和动态两种，静态实体一般只提供空间位置信息，其自身的物理特征，如体积、容量、质量等不随时间而发生变化，例如：营房、发射井、掩体等固定设施；而动态实体会随着时间的变化，不断改变自己的属性，例如运动中的一切武器装备、人员及天气状况等。

根据对外界输入的响应，兵力实体可进一步分为反应型实体和智能型实体。前者只能根据设定的规则对外界刺激做出反应，而后者具有智能性，在虚拟战场中不需要交互就能自主地对战场环境中发生的事件和当前状态做出反应。战场环境虚拟平台需要根据客体状态及属性提供不同的功能服务，如表2所示。

表2 战场环境中客体功能需求

注：表中符号√表示需要 ○表示不需要

1.3 特殊视景及声效

要使虚拟战场环境更加真实生动，更接近现实，需要虚拟战场环境中添加视景、动画和声音等特殊效果模型，主要包括：(1) 能够提高战场真实度的场特效模型，比如烟火、云雾、光芒等形状变化多样的动态模型；(2) 反映武器装备及人员行为的响应模型，如运动装备的轰鸣声、开火声、弹药爆炸声、战士口令等；(3) 反映虚拟战场的天气状况，如风、云、雾、雨、雪、雹、雷电等。

特殊视景及声效的逼真和自然显示能够为受训者提供一种真实的氛围，直接影响着训练的效果，另外考虑到设备的计算性能，需要仿真模型渲染速度快、资源利用率高，并具有较强的实时性。

2 虚拟战场环境系统建模

统一建模语言UML是一种用于描述、说明、可视化的构建软件开发各个阶段所产生的中间结果语言，可以指导软件开发各阶段相关人员更好地理解消化整个业务流程、组织关系，建立更可靠，更完善的系统原模[13]。选择UML作为虚拟战场环境分析设计工具，可以加深用户和开发人员对问题域的消化程度，以减少语义鸿沟，保障需求分析及系统设计的正确性。

2.1 功能模型

用例模型是UML建模的基础，用来表达系统的功能需求或行为。根据上文功能分析结果，可确定系统所包含的主要参与者有用户、EV-Globe软件系统、系统时钟，以及它们涉及的用例，如表3所示。

通过从表3中抽取公共信息作为一个单独用例，选择使用包含(include)、扩展(extend)和泛化(generalization)重用该公共用例，可以减少模型维护的工作量，提高需求分析的质量，如图1所示。

图1 虚拟战场环境系统用例模型

参与者用例描述用户人机交互提供信息的输入/出接口,例如对话框、菜单、快捷键、声音等战场漫游实现对数字地球的六自由度操作武器装备主动控制实现武器装备支持的操作,如枪炮装弹、开火,导弹发射车升起发射架等自然环境管理允许用户在当前地理环境基础上建立人工战场,可自定义地形、地貌、植被等环境属性人工建筑物管理允许用户在指定位置构建人工建筑物,如军营、阵地标识、城市等武器装备响应操作当接收武器装备的操作指令后,及时响应并更新内部状态、环境的影响等EVGlobe软件系统数字地球提供一个与物理地球相似的虚拟空间三维空间资源服务提供全球矢量地理信息、卫星遥感影像、地形地貌等数据信息三维地形服务具有快速、逼真地生成三维地形的功能气象模拟提供对海陆战场中天空、云、雾、雨、雪、闪电等气象的模拟烟雾模拟提供对海陆战场中硝烟、爆炸、尾焰、尾迹等现象的模拟系统时钟自然环境实时渲染实现视觉范围内战场自然环境的实时渲染实体运动轨迹更新动态更新运动装备的位置及轨迹信息武器装备属性更新由于外在环境变化,武器装备自动调整自身状态,如受到火力打击后实体断裂,轮式装备行动受阻后车轮、排烟、燃料变化等特效更新实现战场上一切特殊场景效果的实时渲染

2.2 对象模型

为捕获完整、准确的系统功能需求，还需进一步分析与设计虚拟战场环境系统的内部组成结构和外在行为特征，从而建立不同实体之间的内在关联，主要包括类图、对象图、包图等。

虚拟战场的主要场景包括天空、地形、地物地貌、人造物、作战实体等对象，同时还要进一步考虑控制对象及信息对象存在的必要性，以便为地形建模与显示、漫游控制及碰撞检测等基础功能提供服务。

根据上述分析结论，组织上述对象构造可漫游虚拟战场场景的一般步骤如下：

(1) 构造三维地理空间，绘制三维地形；

(2) 构造地球空间布局，实现三维漫游控制；

(3) 建立人工制品及地貌特征；

(4) 增加雨、雪、雾等自然现象，以及火焰、冲击波、尾迹等环境反应；

(5) 建立武器装备、人员、车辆等兵力实体；

(6) 实时场景实时渲染。

EV-Globe作为三维空间信息平台，已经具备全空间三维可视化、海量多元数据集成、三维分析、三维模型渲染与分析、三维特效、海水渲染等能力。将其作为虚拟战场环境系统的基础平台，可大大缩减建模过程中场景对象的数量，减少建模的工作量，从而将需求设计重心转移到兵力实体这一虚拟战场中最重要的对象以及基础平台的综合运用两个方面。

根据现代战场的局部性、全维度特点，结合作战模拟的军事需求，建立虚拟战场环境系统的武器装备实体类图，如图2所示。

图2 虚拟战场环境系统兵力实体类图

将兵力结构节点抽象成兵力基类，用于组织和管理虚拟战场上的所有武器装备，同时提供相应方法完成对下辖节点的建立、去除、索引等操作。充分利用索引信息快速获取子节点对应实体对象并可对其进行动态更新，包括空间位置、武器行为、环境影响等信息，其他一切武器装备对象均通过继承该类成为装备兵力树的子节点。

2.3 动态模型

动态模型的任务就是展示系统内部的数据流动，获取各个对象成员以及对象之间的通信操作，以增强和完善对象模型，主要包括顺序图、活动图和状态图。下面以战场兵力对象实体管理的序列图和特殊效果场景模拟的活动图为例，说明虚拟战场环境系统中涉及到的动态模型建立过程。

1) 兵力实体管理

该部分包括兵力创建、兵力管理、兵力三维视景模型绘制与剔除等环节，同时也包括兵力与指挥所的交互，该功能是虚拟战场环境系统的核心模块，其管理效率直接影响系统性能和用户体验。

在虚拟战场环境中，兵力不仅需要不断地接收来自指挥所的位置、操作等行为指令，而且还要根据系统时钟不停地更新自己的内部状态以及对周围环境产生的影响，如图3所示。因此，兵力实体管理主要涉及想定方案、兵力、指挥所、地理环境、系统时钟等对象，其中兵力对象会根据作战想定或指挥所命令选择具体的实现接口。

图3 虚拟战场环境系统兵力实体序列图

2) 特殊效果模拟

由于雨、雪、雾等自然现象和爆炸产生的火光、烟雾、碎片、火焰、导弹尾焰等特殊效果具有外观形状极不规则，表面不光滑，构造复杂随意，随时间变化等特点，传统建模方法难以实现，但其逼真度直接影响了整个战场仿真的效果。粒子系统主要解决由众多按一定规律运动的微小元素组成的对象在计算机上的产生与表示问题[6]，使用基本的简单质点来构建物体模型，利用最基本的几何元素来构造复杂的实体，代替了以往使用多边形甚至使用取现来表示物体的方法，从试验情况来看，处理效果很好。

基于粒子系统的特殊效果模拟基本原理是通过产生若干个形状简单且赋予一定生命周期的微小粒子作为基本元素。把需要绘制的特殊效果看成是若干上述随机分布粒子的组合，随着时间的推移，旧的粒子不断消失，新的粒子不断产生，并且通过赋予相关的粒子纹理，来达到模拟效果。图4给出了该功能的活动图，主要包括四个环节：① 描述粒子的初始特征属性及其变化的动态特征；② 产生具有初始特征属性的新粒子；③ 实时更新粒子的状态，不断产生新粒子；④ 去除不活动粒子。

图4 基于粒子系统的特殊效果活动图

3 实 例

经过功能分析和系统建模之后，选择使用Visual Studio 2010作为开发平台，基于EV-Globe 3.2 实现虚拟战场环境系统，能够快速生成满足用户要求的三维海、陆战场环境，逼真地模拟战场工事和兵力等实体，实时显示战场综合态势，从而达到作战、训练、演示对虚拟战场真实性的要求。

(1) 战场综合环境示例，实现了军事系统所处的包括地形、海洋、大气和空间四个领域以及它们之间内部动态的物理环境在计算机中的表示，包括陆战场、海战场及空战场，如图5所示。

(2) 兵力实体管理示例，兵力实体模拟主要体现在两个方面：一是建立实体的三维视景模型；二是让实体在场景中运动起来，从外观和行为上达到对实际装备的近似映射，增强虚拟战场的沉浸感，如图6(a)、(b)所示。

(3) 实时态势显示示例，战场态势主要包括自然环境、与空间密切相关的人文环境、军事目标和作战集团以及作战行动的位置、状态和进展等信息，从而达到准确实时显示战场态势信息的现实需求，如图6(c)、(d)所示。

图5 战场综合环境仿真效果

图6 战场综合态势仿真效果

4 结 语

本文从军事实际需求出发，分析了虚拟战场环境系统需要完成的功能，重点就虚拟战场环境系统的UML建模方法进行了研究。从应用效果来看，本文给出的兵力实体建模方法和特效生成算法是可行且有效的。下一步工作考虑从以下几个方面展开：(1)建立完善的实力兵力模型库；(2)实现声音效果的多通道模拟；(3)引入头盔、手套等人机交互接口，增加系统的逼真度和操作员的沉浸感。

[1] Yoh Myeung Sook. The Reality of Virtual Reality[C]//Proceedings Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia．Washington：IEEE Computer Society，2001：666-674．

[2] Just C，Meinert K．Open source virtual reality[C]//Proceedings of the IEEE Virtual Reality．Washington： IEEE Computer Society，2002：306-310．

[3] 冯俊杰，孙晓鹏，李翠芳.基于UML的虚拟战场环境的设计与实现[J].计算机工程与设计，2010,31(22)：4920-4924.

[4] 周明，徐晓刚，朱涛.大规模海战场环境实时仿真[J].兵工学报，2006，27(3)：558-554.

[5] 管莉，张胜超，宫文，等.基于Direct 3D大规模虚拟战场系统的仿真技术研究[J].弹箭与制导学报，2008，28(4)：219-223.

[6] 蒋道琛，汪继文.基于粒子系统的虚拟战场环境特殊效果模拟[J].计算机技术与发展，2012，22(9)：62-66.

[7] 孙少斌，李大鹏，陈璐. 虚拟战场环境特殊效果仿真[J].火力与指挥控制,2010，35(12)：177-182.

[8] 左平基，陈虎. 虚拟战场三维大地形生成方法研究[J].计算机与数字工程，2011，39(7)：136-149.

[9] 杜君，梁强，姚凡凡.虚拟战场环境程序化地形细节生成方法[J].装甲兵工程学院学报，2013，27(4)：80-86.

[10] 高颖，王阿敏，姜涛，等.基于信息融合的战场态势显示技术[J].弹箭与制导学报，2013，33(4)：40-45.

[11] 王浩，邵高平，胡泽明.基于SQLite的战场态势信息快速存取研究[J].计算机工程与设计，2013，34(8)：2733-2740.

[12] 国遥新天地.EV-Globe全平台三维空间产品说明[EB/OL].(2008-12-19)[2012-04-15]http://www.ev-image.com.

[13] RussMiles，KimHamilton．UML2．0学习指南[M]．汪青青，译．北京：清华大学出版社，2007.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF VIRTUAL BATTLEFIELD ENVIRONMENT SYSTEM BASED ON EV-GLOBE

Liu Yu Chen Jianhua Wen Jiayan

(TheScientificResearchDepartment,NavalMarineAcademy,Guangzhou510430,Guangdong,China)

We presented the design and implementation method for virtual battlefield environment system, which is based on EV-Globe platform, aimed at the situation that traditional development method can no longer meet the objective demands of large-scale virtual battlefield environment system in complexity and development efficiency due to the constant extension in modern battlefield simulation object and scale and the constant enhancement in refinement hierarchy requirement. By analysing the determining system’s functional requirements and performance indexes, we built the function, object and dynamic models of the system, with the full use of the advantage of three-dimensional space information integration management of EV-Globe, we decreased the scope and complexity of modelling, improved the qualities of analysis and design. Finally, taking EV-Globe as the secondary development interface, we implemented the functions customisation, this shortened the cycle of virtual battlefield environment system development, and improved the reliability and scalability of the system.

Battlefield environment Geographical information system Function model Object model Dynamic model

2014-08-30。军队院校实验室建设与管理重点课题(SYSLXH-2013035)。柳玉，讲师，主研领域：软件体系结构，战术建模与仿真等。陈建华，教授。文家焱，副教授。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.018