基于三维模型库的战场想定配置软件∗

谢晓方刘青松袁琨曹建

基于三维模型库的战场想定配置软件∗

谢晓方1刘青松1袁琨2曹建1

（1.海军航空工程学院兵器科学与技术系烟台264001）（2.91395部队北京100000）

针对图像制导炸弹半实物仿真系统中战场想定配置的问题，设计了基于三维模型库的战场想定配置软件。该软件通过三维模型库对视景仿真的各类模型文件进行组织和管理，通过视景配置软件完成战场想定视景的配置以及配置信息的记录，通过战场想定数据库的数据访问接口，使得视景仿真程序能够读取战场想定配置信息，并完成不同仿真场景的生成。该软件能够提高三维模型的重用率和检索效率，使仿真程序能够按照想定生成不同的仿真战场环境，用于图像制导炸弹的性能评估。经过实验表明，该软件能够较好地实现上述功能。

模型库；战场想定配置；视景仿真

Class NumberTP391

1引言

在制导炸弹的红外/电视导引头半实物仿真系统中，视景仿真软件提供的仿真图像，能够用于导引头的性能评估［1～2］，通过多样性的仿真视景能够模拟制导炸弹各种条件下的作战场景［3～4］。为了能够快速有效地生成不同条件下的战场环境和敌我态势，需要设计战场想定配置软件完成战场配置工作。

战场想定配置中涉及到对模型文件的索引和参数配置，因此合理有效的管理三维模型对于战场配置信息的获取和提高视景仿真效率都有很大的帮助。关于三维模型库，存在两种保存方法，一是将三维模型数据直接存储在数据库中，另一种方法是数据库中仅存储三维模型的位置及相关属性信息，模型数据以模型文件的形式进行存储。因为在半实物仿真中设计到的仿真模型数量较多，采用第二种方法灵活性较好。关于三维模型库管理软件技术，文献［5］采用Multigen Creator的插件技术用于三维模型库管理软件的开发，可以在Creator启动的时候自动调用相应的模型管理界面。但是Multigen Creator的插件对MFC兼容性较差，程序开发难度较大。文献［6～7］给出了模型库结构和管理软件的设计，能够完成三维模型的管理工作，但是在进行模型查询过程中，模型信息显示并不直观，显示的是模型的属性信息，使得用户不能对模型有一个直观的认识。本文采用MFC进行三维模型管理软件的开发，采用缩略图结合模型属性表的形式进行模型信息的存储，在模型查询和管理的时候，用户可以通过模型缩略图对模型有一个最直观的印象，也方便了后续的战场配置。

关于战场想定配置，文献［8～11］给出了战场想定的配置界面设计和想定文件的定义形式，但未给出和视景仿真的接口调用关系。文献［12～14］提出了基于XML文件的战场想定配置方法，并详细阐述了XML文件的具体定义方法，但在如何生成XML和相关数据获取方面没有涉及。

本文在三维模型数据库的基础上设计了战场想定配置软件，能够利用三维模型库获取和查询模型相关信息，并利用战场想定配置软件配置想定数据并存入到数据库中，视景仿真程序通过数据库访问接口类进行仿真数据的访问，并进行视景的配置，从而完成不同战场想定仿真视景的生成。

2总体设计

战场想定配置系统的结构如图1所示，三维模型数据库用于组织三维实体和地形模型，采用的模型格式是flt格式［15］。战场想定数据库用来存储用户进行配置的战场想定数据。战场想定配置模块完成三维模型库和战场想定库的管理工作，同时完成战场想定配置功能。应用程序接口提供视景仿真程序调用战场想定数据库的接口类。视景仿真程序通过接口类来读取战场想定信息，并进行生成不同的仿真场景。

图1 三维模型库系统组成结构

3三维模型库设计

创建三维模型库首先要进行模型的分类，并设计数据表的结构，同时还需要进行模型文件的标准化。

3.1三维模型分类

为了有效地管理众多的三维模型，需要对模型进行分类。模型从大类上可以分为红外模型和可见光模型。再按照类别可以分为实体模型和地形模型，具体的分类情况如图2所示。

图2 模型分类

3.2模型库表结构设计

三位模型数据库中主要包括三个数据表，分别是三维模型属性表，三维模型库结构表以及用户信息表。具体的E-R图如图3所示。

1）三位模型属性表

三维模型属性表存储了三维模型的主要属性信息，通过这些信息可以对模型的基本信息进行描述，并且可以根据这些信息来完成对模型的检索，从而获取模型的位置信息。同时，属性表中还存储了模型缩略图的属性信息，缩略图与模型文件存放在统一文件路径下。

2）三维模型库结构表

三维模型库结构表存储了三维模型的分类信息，可以根据分类表，来查询某一类型的模型，还可以利用结构表创建，维护三维模型库的文件目录结构。

3）用户信息表

用户信息表中存储用户的信息和权限，用于对系统的访问用户进行管理。

图3 数据库ER图

3.3数据库的标准化

为了对模型数据库中的模型进行有效地检索和使用，需要对数据库中各类存储的数据和文件进行标准化［16］。

1）统一的命名规则

模型的flt文件以及缩略图都需要按照统一的命名标准进行命名。本文采用的方法是采用编码方式进行命名，编码采用分级编码的形式，具体的编码方式为红外/可见光分类码+实物/地形分类码+类型分类码+种类分类码+数量编码。例如美国朱姆沃尔特级驱逐舰（DDG-1000）的可见光模型在本文中的标号为211001001。

2）统一的LOD（LevelOf Detail）分级标准

因为本文重点仿真制导炸弹不同战场条件下的攻击过程，所以仿真视景会从几公里的高空飞至低海拔区域。所以在这个过程中，需要为模型文件设置LOD级别，用以提高视景仿真的效率。根据制导炸弹通常的飞行高度，对各类模型设置3级LOD分级。

3）统一的尺寸比例

为了减少视景仿真程序中对模型尺寸的调整操作，本文的数据库中，所有的模型和地形都按照与实物1∶1的尺寸建造。

4）统一的坐标系

统一模型坐标系对于模型姿态信息的配置具有很大的帮助。例如对于舰艇目标，中心应位于几何中心，X轴方向指向宽度方向，Y轴指向舰首方向，Z轴指向高度方向。并构成右手坐标系。

4战场想定配置软件设计

4.1软件功能划分

为了实现战场想定配置功能，需要该软件具有模型管理功能，能够实现模型的添加和删除，用于扩展模型种类。能够实现模型查询，从而得到模型的属性信息。为此，划分软件的功能如图4所示。其中最重要的功能是战场想定配置功能。

图4 战场想定配置软件功能框图

4.2战场想定功能设计

1）功能流程

为了理清战场想定配置过程中的信息交互关系，画出战场想定配置数据流图如图5所示。首先用户通过场景配置界面配置战场环境，敌方目标种类，数量，位置，模型缩放比例等信息，我方制导炸弹的投放点，姿态等初始位置信息。并把想定信息存入想定库中。这时存储的信息并不包含模型的位置信息，只是模型的编号和状态信息。软件通过模型检索找到模型编号对应的模型的路径位置信息，并填入想定库当中。这时，想定库中的信息即可以作为战场想定的配置信息了。

图5 战场想定配置数据流图

2）战场想定库结构

为了记录战场想定配置信息，需要设计战场信息表。具体的表结构如表1所示。

4.3视景仿真程序调用接口设计

1）接口类设计

为了使得战场想定库中的数据信息能够被视景仿真程序调用，需要想定配置软件提供相应的应用程序接口，供视景仿真程序调用。其中主要包含了对想定库中数据的获取函数和数据库的连接、关闭等配置函数。这些函数可以以类的形式给出。

表1 战场想定表

本文采用ADO进行Access数据库的读写操作。所以在编写应用程序接口类的时候，需要把ADO的连接数据库，获取数据，关闭连接等相关操作进行封装［17］。对于视景仿真程序，只能读取想定库中的数据，不能进行修改和删除操作。所以提供的接口类中，只应该具有查询的相关操作。所以定义类接口如下。

定义接口类如下。

Class CADO

｛

public：

vector＜DataReturn＞m_data_cn

//用于记录想定库中的模型配置信息

public：

CADO（）；

～CADO（）；

BOOL OpenDB（）；//打开数据库。

void Close（）；//关闭数据库。

void GetModelSettingData（intModelID）；

//获得模型配置信息。

protected：

_RecordsetPtr m_pRecordset；

//ADO记录集

private：

_RecordsetPtr search（const

void initConnection（）；

void initRecordSet（）；

void initCommand（）；

BOOL CommandIsValid（）；

BOOL RecordSetIsValid（）；

BOOL ConnectionIsValid（）；

_CommandPtr m_pCommand；

_ConnectionPtr m_Pconnection；

｝；

其中，OpenDB（），Close（），GetModelSettingDa⁃ta（intModelID）这三个函数为接口类提供给视景仿真程序的调用函数。并且，视景仿真程序可以根据data_collection中的数据进行场景配置。其余的私有函数为提高程序的模块化设计而设计的供内部函数实现用。

m_data_cn为结果记录的vector变量，其数据结构DataReturn定义如下：

struct DataReturn

｛

char SceneModelName［50］；

double ModelPositionX；

double ModelPositionY；

double ModelPositionZ；

double ModelOrientationH；

double ModelOrientationP；

double ModelOrientationR；

int ModelScaleRatio；

char ModelFilePath［200］；

char ModelFileName［50］；

｝；

2）仿真程序调用方法

本文使用Vega Prime编写视景仿真软件，在利用Vega prime进行视景开发的流程如图6所示。其中initialize（）函数在完成vega prime运行控制的初始化。define（）函数对系统运行所需的类实例进行创建和初始化。configure（）根据定义阶段的设置对系统进行配置。run（）函数中完成视景仿真的帧循环。unref（）函数用于释放申请的类实例。shut⁃down（）函数用于清楚并推出Vega prime仿真程序。

图6 视景驱动程序流程图

在上述流程中，模型实例的创建和初始化工作是在define（）函数中完成的。在define（）函数中加入访问战场想定库的代码，并用得到的数据进行模型初始化，即可实现作战场景的配置。

利用vega prime的define函数，在其中进行模型的。读取表结构返回结构体，用结构体的数据进行模型实例的初始化。其中动态添加模型的函数定义为

vpObject*addObject（DataReturn data）。

在define中的具体实现中的关键的代码为：

CAOD ado；

ado.GetModelSettingData（ModelID）；

for（inti=0；i＜ado.m_data_collection.size（）；i++）

addObject（ado.m_data_collection［i］）；

这样就可以完成战场场景的地形和敌我初始态势配置。在仿真过程的帧循环中，通过仿真计算机解算出制导炸弹和目标的实时运动状态，并把数据传送给视景仿真计算机，从而可以完成仿真场景的更新。

5实现效果

本软件采用的数据库软件是ACCESS2007，在Visual Studio2010集成开发环境下进行开发基于MFC的战场想定配置软件，采用ADO方式进行数据库操作。其中添加模型的操作界面如图7所示。

图7 模型添加界面

战场想定配置界面如图8所示。其中模型的检索可以使用左侧的目录结构进行手工查询和选定，也可以在模型查找组合框中通过模型编码进行查找。查找出的模型信息和缩略图会在界面中的模型信息组合框中显示。在选定模型后，通过界面下侧的参数配置功能区进行模型参数的配置，具体参数包括模型实例在仿真场景中的名字（统一模型可能在场景中出现多次）、位置坐标、姿态信息和缩放比例。配置完成后，点击添加按钮，即可在界面中间的ListControl空间中看到一条记录。通过配置参数功能可以添加多条记录，也可以删除指定记录，从而完成战场想定的配置。

图8 战场想定配置界面

利用战场想定软件，结合视景仿真程序Vega Prime可以快速便捷的生成各类战场场景，具体的仿真场景如图9所示，其中包括了港口、海洋和岛屿等环境，同时能够完成红外和可见光场景的仿真。

图9 根据战场想定配置生成的仿真场景

6结语

本文通过三维模型库完成三维模型的组织工作。通过战场想定配置软件记录和管理战场配置信息，并提供接口给视景仿真程序，通过实验表明，该软件系统能够完成战场想定的配置工作。通过三维模型库的建立，提高了三维模型的重用率和检索效率。并且使得仿真程序能够按照想定生成不同的仿真战场环境，用于图像制导炸弹的性能评估。并且战场想定数据库可以对战场想定数据进行有效的保存，其中典型的战场配置可以作为导引头性能评估的标准题目使用。

［1］单家元，孟秀云，丁艳，等.半实物仿真［M］.北京：国防工业出版社，2013：326-328.

SHAN Jiayuan，MENG Xiuyun，DING Yan，et al.Hard⁃ware in the loop Simulation［M］.Beijing：Nationgal De⁃fense Industry Press，2013：326-328.

［2］陶声祥，王书宇，沈欢.基于虚拟场景的捷联图像制导半实物仿真关键技术［J］.弹箭与制导学报，2011，31（3）：22-24.

TAO Shengxiang，WANG Shuyu，SHEN Huan.Key Tech⁃nology Research in Hardware in the loop Simulation Sys⁃tem of Strap Image Guidance Based on Virtual Scene［J］. Journal of Projectiles，Rockets，Missles and Guidance，2011，31（3）：22-24.

［3］范晋祥，岳艳军.实时红外成像场景生成技术的发展及应用［J］.红外与激光工程，2011，40（9）：1601-1608.

FAN Jinxiang，QIU Yanjun.Developmentand applications of real-time infrared imaging scene generation technology［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（9）：1601-1608.

［4］董敏周.用于红外成像系统抗干扰性能评估的红外图像仿真［D］.西安：西北工业大学，2004：20-24.

DONG Minzhou.Infrared Image Simulation for Anti Jam⁃ming Performance Evaluation of Infrared Imaging System［D］.Xi'an：Northwestern Polytechnical University，2004：20-24.

［5］褚彦军，康凤举，高立娥，等.视景仿真的三维模型库管理系统的研究与开发［J］.计算机仿真，2004，21（5）：174-176.

CHU Yanjun，KANG Fengju，GAO Li'e，et al.Research and Development of 3D Model Base Management System in Visual Simulation［J］.Computer Simulation，2004，21（5）：174-176.

［6］张金涛，蔡继红，高立娥，等.大战场环境三维模型管理平台的应用开发［J］.系统仿真学报，2005，17（2）：392-395.

ZHANG Jintao，CAIJihong，GAO Li'e，etal.Development of Management Platform of 3D Model of Large Battlefield Environment［J］.Journal of System Simulation，2005，17（2）：392-395.

［7］冯军，毕义明，王丽丽，等.模型库管理系统的开发研究［J］.兵工自动化，2010，29（5）：89-92.

FENG Jun，BIYiming，WANG Lili，etal.Development Re⁃search on Model Base Managemnt System［J］.Ordance In⁃dustry Automation，2010，29（5）：89-92.

［8］柯宏发，张军奇，赵继广，等.作战试验想定设计问题思考［J］.装备学院学报，2016，27（2）：111-116.

KE Hongfa，ZHANG Junqi，ZHAO Jiguang，et al.Discus⁃ sion on Scenario Design of Operational Tests［J］.Journal of Equipment Academy，2016，27（2）：111-116.

［9］滕宗平，俞一鸣，熊焰，等.作战模拟系统中可视化想定编辑器的设计与实现［J］.火力与指挥控制，2006，31（11）：107-110.

TENG Zongping，YU Yiming，XIONG Yan，et al.Design and Implementation of Visualized Scenario Editor of Oper⁃ation Simulation System［J］.Fire Control and Command Control，2006，31（11）：107-110.

［10］李成辉，陈英武.装甲仿真概念模型及作战想定编辑系统实现［J］.计算机仿真，2004，21（11）：17-19.

LI Chenghui，CHEN Yingwu.Conceptual Models of Ar⁃mor Simulation and Implementation of Scenarios Edit System［J］.Computer Simulation，2004，21（11）：17-19.

［11］彭建雄，辛登松.海战场态势分析作战想定生成技术研究［J］.指挥控制与仿真，2011，33（3）：39-42.

PENG Jianxiong，XIN Dengsong.Research on Operation⁃al Scenario Generation Technique for Naval Battlefiled Situation Analysis［J］.Command Control&Simulation，2011，33（3）：39-42.

［12］刘良，毕义明，吴瑕.XML仿真想定的Vega可视化研究［J］.系统仿真学报，2008，20（1）：337-340.

LIU Liang，BI Yiming，WU Xia.Vega-based Visualiza⁃tion for XML-based Simulation Scenario［J］.Journal of System Simulation，2008，20（1）：337-340.

［13］张磊，许腾，李伟波.基于XML的海军作战仿真想定设计方法［J］.火力与指挥控制，2010，35（1）：73-76.

ZHANG Lei，XU Teng，LI Weibo.The Design Method of Naval Operation Simulation Scenario based on XML［J］. Fire Control&Command Control，2010，35（1）：73-76.

［14］姚青锋，冯少冲，邸彦强，等.仿真想定规范化开发方法［J］.电光与控制，2013，20（7）：82-86.

YAO Qingfeng，FENG Shaochong，DI Yanqiang，et al.A Standardized Method for Simulation Scenario Develop⁃ment［J］.Electronics Optics&Control，2013，20（7）：82-86.

［15］孟晓梅，刘文庆.Multigen Creator教程［M］.北京：国防工业出版社，2005：45-47.

MENG Xiaomei，LIU Wenqing.Tutorial of Multigen Cre⁃ator［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005：45-47.

［16］梁波.基于Creator的三维场景模型优化技术研究［D］.武汉：华中师范大学，2009：12-15.

LIANG Bo.Research on Optimization Technology of 3D Scene Model Based on Creator［D］.Wuhan：Central Chi⁃na Normal University，2009：12-15.

［17］唐蔚南，何源.C++数据库访问层的设计［J］.成都大学学报（自然科学版），2006，25（3）：195-197.

TANG Weinan，HE Yuan.Design of C++Database Ac⁃cess Layer［J］.Journal of Chengdu University（Natural Science），2006，25（3）：195-197.

Battlefield Scenario Configuration Software Based on 3D Models Database

XIE Xiaofang1LIU Qingsong1YUAN Kun2CAO Jian1
（1.Departmentof Ordnance Science and Technology，Naval Aeronauticaland Astronautical University，Yantai 264001）（2.No.91395 Troops of PLA，Beijing 100000）

Aiming atthe problem of battlefield configuration in the hardwaree-in-the-lood simulation system ofimage guided bomb，this paper designs a battlefield configuration software based on 3D modelbase.The modelfiles intthis software are organized and managed by the 3D modeldatabase.By using the battlefield scenario configuration module，this software can complete the con⁃figuration of the battlefield scenario and the storage ofconfiguration information.By using the data access interface of the battlefield scenario database，the visual simulation program can read the configuration information of the battlefield scenario and complete the generation ofdifferentsimulation scenarios.The software can improve the reuse rate and retrievalefficiency ofthe three-dimensional model，and help the simulation program generate different simulation battlefield environment according to the scenarios，which can be used to carry the performance evaluation of image guided bomb.and the performance evaluation of image guided bomb.Experi⁃ments show thatthe software can achieve the above functions well.

modeldatabase，battlefield scenario configuration，visualsimulation

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.030

2017年2月3日，

2017年3月29日

谢晓方，男，教授，博士研究生导师，研究方向：武器系统与运用。刘青松，男，硕士研究生，研究方向：虚拟现实。袁琨，女，研究方向：软件工程，无线电。曹建，男，讲师，研究方向：虚拟现实、计算机视觉。