迷彩伪装的三维视景仿真*

喻 钧，代 军，卢延新，胡志毅，王占峰

（1.西安工业大学计算机科学与工程学院，西安 710021；2.军委后勤部建筑工程研究所，西安 710032）

迷彩伪装的三维视景仿真*

喻 钧1，代 军1，卢延新1，胡志毅2，王占峰2

（1.西安工业大学计算机科学与工程学院，西安 710021；2.军委后勤部建筑工程研究所，西安 710032）

针对当前军事工程伪装设计中存在的以经验为主导、设计效果无法预测等问题，提出一种基于MFC的Vega Prime仿真方法用于迷彩伪装的三维视景仿真。以我国某地区的数字高程模型为基础数据，采用三维可视化仿真技术，构建了伪装场景的地形模型和地物模型。通过纹理映射技术把迷彩图案实施到模型表面，并利用实时渲染引擎Vega Prime API对模型进行渲染，建立迷彩伪装仿真场景。仿真结果表明：采用视景仿真技术对工程伪装效果进行虚拟场景再现，能够生成逼真的迷彩伪装场景。

迷彩伪装，地形建模，视景仿真，数字高程模型

0 引言

迷彩伪装作为最基本的军事伪装技术，是现代战争中对抗侦查与打击的常用手段之一［1］。目前常用的工程伪装方法是用涂料将迷彩图案喷涂在伪装目标的表面，由于它的伪装效果受环境因素的影响，通常要人工参与伪装效果的评价，因而可能消耗大量的人力和物力。随着仿真技术在军事领域的广泛应用，军事战场复杂的地理环境以及大量的地形、地物数据［2］，使得许多学者开始运用基于Vega Prime（以下简称VP）的视景仿真技术，构建军事目标的三维模型或再现真实环境，达到逼真的仿真效果。例如，文献［3］结合MFC应用程序的开发特点，给出一种基于多进程技术的三维视景开发方法，应用于某型便携式防空导弹模拟训练器软件的三维场景开发；文献［4］针对虚拟战场大地形可视化的特点，着重于大规模真实地形可视化技术的研究；文献［5］在文献［3］的基础上作了进一步改进，给出一种在VC++的MFC类库编程环境下对VP实现无缝集成的程序框架，优化了系统的结构。但上述方法均不满足真实三维空间及仿真的实时和交互性的需求，且不适用于工程伪装的仿真。

针对上述问题，本文在汲取文献［2-5］提到的三维视景仿真方法的基础上，以我国某地区的DEM（数字高程模型）为基础数据，结合实际的工程伪装环境，建立了基于MFC的Vega Prime视景仿真框架，设计出一套伪装效果仿真场景的实时漫游系统。

1 仿真系统总体设计

迷彩伪装的三维视景仿真系统包括仿真模型和仿真场景两部分。仿真模型是指仿真目标区域的所有模型，仿真场景是指为了实现工程伪装仿真效果而生成的伪装仿真虚拟场景。

针对工程伪装视景仿真系统，其设计和开发可以分以下4个步骤来完成，系统总体框架如图1所示。

1）建立地形模型。获取我国某军事地区目标区域的高精度DEM数据以及卫星正射影像数据，在Terra Vista中建立仿真场景的地形模型，从而构建出地表的海拔高度、起伏状态；

2）建立地物模型。根据仿真场景周围地物的平面布局、纹理材质等数据，在MultiGen Creator中构建地物模型，从而构建出场景的军事设备、武器装备以及仓储营房等；

3）伪装场景模型。根据仿真场景周围的背景和目标特征，采用文献［6］的迷彩设计方法获得数码迷彩图案，将迷彩图案映射到三维模型表面，并将伪装后的模型布置到整个场景中；

4）渲染与实现。利用OpenFlightAPI编程导出模型的布置信息，利用Vega Prime和visual studio编写实时调度显示程序，结合MFC框架生成实时漫游的仿真场景。

图1 系统总体框架

2 模型的建立和渲染

2.1 地形模型的建立

在军事伪装中，地形指地球表面高低起伏的自然状态。一个目标能否被侦查发现，主要取决于地形的复杂程度和目标与背景特性的差别［7］，而地形模型是对真实地形属性的一种抽象和简化的表达，因此，在战场环境视景仿真中不可避免地涉及到地理空间的三维场景显示和处理，地形视景仿真已经成为战场环境三维视景仿真研究的热点。

Terra Vista是MultiGen公司推出的复杂地形视景仿真建模的软件，用于构建三维地形仿真模型。Terra Vista以项目管理的方式管理三维地形数据，主要由地形数据源库、地形参数配置、矢量参数配置、CDB格式地形文件浏览以及模型数据库构成。它运行于Windows平台，生成MataFlight或Open-Flight格式的地形数据库可直接用于PC工作站或其他图形视景系统。Terra Vista构建三维地形仿真模型主要包括数据载入、地形参数设置、计算生成地形等3个步骤。

1）数据载入。主要包括高程数据、卫星影像数据、矢量数据等数据的导入。

首先，载入数字高程数据。以国内某地区周围60 km2的区域作为目标所处的伪装场景。DEM数据越精确，建立的地形越逼真，可以表达真实地形更细小的局部细节，对于仿真场景一般要求地形格网的精度为10 m～30 m。因此，采用文献［8］提出的一种改进的双线性内插算法，在原有DEM数据的基础上进行插值，从而提高DEM数据的精度。数据转换及插值过程如下：

①从SRTM1中获取对应区域.hgt格式的原始DEM数据，然后在ArcGIS中将.hgt格式的数据转换为ASCII格式；

②在UltraEdit中将ASCII格式DEM数据的数据体部分导出为.txt格式文件，保存文件头与文件说明；

③将导入Matlab，并利用改进的双线性内插算法将30 m精度的插值至15 m精度，并导出为.txt文件；

④在UltraEdit中，修改文件的文件头与文件说明，并将文件作为数据体，一起构成本文使用的DEM数据。

在Global Mapper中显示插值前后的DEM数据，如下页图2所示。

其次，载入卫星影像数据。使用Bing Maps Satellite获取待伪装区域的卫星影像数据，该影像是以 SPHERE RADIUS 6378137基准的 Mercator投影，而SRTM DEM所使用的为WGS84基准的Geocentric地心投影，因此，需要进行格式转换，利用Global Mapper中的投影转换工具，将卫星影像转化为WGS84基准的Geocentric地心投影格式，获得的卫星正射影像如图3所示。

图2 DEM数据效果对比图

图3 卫星正射影像图

最后，载入矢量数据，矢量数据指地形数据库中除去地形以外的其他多边形，可以是自然形成的，如湖泊与河流，也可以为人工构建的，如建筑与道路。本文根据卫星影像，在Terra Vista中制作该区域的矢量数据，主要规则为：为所占地域范围有限、位置、方向和大小不需要具体形状的物体创建点细节；为长度远远大于宽度和高度的物体创建线性细节；为所占面积较大、区域边沿需要重点定义的物体创建区域细节。

2）地形参数设置。主要包括层次细节（LOD）的级别数、可视距离、格网大小以及格网中三角网的构造方法。地形LOD技术是一种地形的绘制方法，在不影响场景视觉效果基础上，通过逐级简化地形表面的细节来减少地形场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。本文采用四叉树分层递进的方式构造LOD，每一层将地形划分为若干网格，下一层将上一层中的每个网格四分，以此类推，各层中每个网格由若干数量三角形细分。仿真场景LOD设为三级，可视距离设为5000m，地形块设为7500m×7 500 m，采用Denauley算法构造三角形网，最终生成的多分辨率几何地形，如图4所示。

3）计算生成地形。利用Gaming Area工具选取要生成的目标区域，设定输出纹理图片的格式及分辨率，确定输出的模型格式，考虑到后期在Creator中修正，本文采用OpenFlight格式。在生成地形几何模型过程中，Terra Vista生成的地形以划分网格为单元存储在OpenFlight模型文件中，最后通过外部引用节点将各个模型节点统一在文件名为master.flt文件中。图5所示为最终生成的几何地形。

图4 不同分辨率的地形几何模型

图5 地形效果

2.2 地物模型的建立

地物模型是战场环境的重要组成部分，包括自然地物、军事设备、碉堡、仓储营房等重要战场地物对象。MultiGen Creator是创建三维地物模型的可视化仿真软件。软件的基本核心是建模模块，提供了创建和编辑数据库文件的可视化环境［9］。与3DMAX、MAYA等常用建模工具不同的是，Creator用层次化结构的方式描述仿真场景，可以方便地将模型按照几何特性进行有效的组织，适合实时进行遍历操作［10］。利用Creator建模的基本步骤如下。

1）确定模型数据。对于自然地物需要位置、面积等信息；对于建筑需要平面图、剖面图、三视图等信息；

2）确定模型的层次结构。按照树状层次结构分解模型，例如建筑的地面、内墙面等；

3）采用文献［6］的仿造数码迷彩设计方法生成迷彩伪装图案，选取的典型背景以及生成的迷彩图案如下页图6所示。

图6 迷彩图案的生成

4）采用纹理映射技术，将图6（b）的迷彩图案映射至三维模型表面，通过交互式控制模块旋转物体或改变视点来得到不同视角的效果图，获得具有工程实际应用价值的伪装目标三维视图，最后将三维模型按照对应比例放置于仿真场景中，构建的地物模型如图7、图8所示。

图7 飞机伪装模型

图8 坦克伪装模型

2.3 模型的渲染与实现

实时渲染引擎是伪装仿真场景的核心，Multi-Gen公司开发的实时三维视景仿真工具Vega Prime广泛应用于军事仿真领域［11］，VP主要包括LynX Prime图形用户界面配置工具和VSG高级跨平台场景渲染API［12］。本文在MFC类库的编程环境下调用VP实现虚拟实时的仿真系统的设计，具体方法如下：

1）在应用程序中单独创建一个工作线程来运行VP的整个程序流程，包括初始化、定义、配置和帧循环。

2）然后在MFC框架的视图类中添加负责开启该线程的成员函数。

3）利用API函数 AfxBeginThread开启 VP线程，在后台进行帧循环刷新VP视景窗口。系统运行流程图如图9所示。

图9 系统运行流程图

3 仿真结果与分析

图10、图11为所开发的基于VP的工程伪装仿真场景主页面，设计出的伪装场景系统界面主要分为4个区域。其中，区域1为创建模型子面板，包括载入OpenFlight格式的地形与地物模型、生成数码迷彩，实现对地形模型与地物模型的伪装；区域2为渲染配置子面板，包括设置仿真中的观察者、运动模式以及大气环境，实现对仿真场景的控制，如平移、缩放、旋转等；区域3为仿真控制子面板，实现整个场景漫游的开始及结束；区域4为仿真场景显示子面板，显示仿真场景的全貌。使用者可以借助PC端设备在虚拟场景中任意漫游，系统将根据移动的位置，实时渲染更新，通过近景远景视角切换，从不同角度和位置查看仿真场景的布局。

图10 场景漫游正视图

从图10、图11的仿真结果可以看出，本系统建立的地形模型和地物模型符合区域目标背景的特征，伪装后的仿真场景具有很高的逼真度和真实感，达到不易被侦查和发现的目的，充分体现了视景仿真在迷彩伪装中的重要性。

图11 场景漫游侧视图

4 结论

本文通过三维视景仿真技术对传统的工程伪装方法进行了改进，搭建了基于MFC的VP视景仿真框架，实现了对目标区域地形、地物的建模和渲染，建立了立体、动态、高逼真的伪装仿真场景。结果表明：本文设计的伪装仿真场景在视觉上真实再现了实地伪装作业的效果，增强了使用者的临场感，解决了当前军事工程伪装效果的检测主要依赖于实地作业的问题，为工程伪装效果的评估提供了一种有效的辅助手段，为军事工程伪装的设计提供了很好的虚拟仿真平台。

［1］胡江华.伪装技术［M］.北京：国防工业出版社，2012：84-88.

［2］许建中.战场环境地形编辑器系统设计与实现［J］.火力与指挥控制，2016，41（1）：152-156.

［3］张乐，韩佳盈.MFC框架下的Vega Prime三维视景程序开发技术［J］.火力与指挥控制，2014，39（3）：159-162.

［4］姚凡凡，梁强.基于Vega Prime的三维虚拟战场大地形动态生成研究［J］.系统仿真学报，2012，24（9）：1900-1904.

［5］胡梓楠，于劲松.基于MFC编程框架的Vega Prime软件集成技术的研究 ［J］. 系统仿真学报，2009，21（14）：4291-4294.

［6］喻钧，双晓.仿造数码迷彩的设计方法［J］.应用科学学报，2012，33（4）：331-334.

［7］董志明，郭齐胜.战场环境建模与仿真［M］.北京：国防工业出版社，2013：153-157.

［8］喻钧，卢延新.一种改进的双线性规则格网DEM内插算法［J］.测绘科学技术学报，2015，32（5）：531-535.

［9］邵晓东.Creator建模艺术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2014：40-43.

［10］王娜娜，韩勇.基于3DS MAX和MultiGen Creator的虚拟地理信息系统建模的比较分析［J］.测绘通报，2010，11（2）：47-51.

［11］Vega Prime Programmer’s Guide（Version 2.0）［Z］.Dallas：MultiGen-Paradigm Inc.，2005：12-16.

［12］王孝平.Vega Prime实时三维虚拟现实开发技术［M］.成都：西南交通大学出版社，2012：128-133.

Dimensional Visual Simulation of Camouflage

YU Jun1，DAI Jun1，LU Yan-xin1，HU Zhi-yi2，WANG Zhan-feng2
（1.School of Computer Science and Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；2.Architectural Engineering Institute，General Logistics Department，Xi’an 710032，China）

Aiming at the problems of the design of military engineering camouflage affected by the experience and unpredictable performance，it presents a new Vega Prime simulation method based on MFC.The method can be used in the dimensional visual simulation of camouflage.As the basic data of Digital Elevation Model （DEM for short） in an area in China，the models of terrain and culture of camouflage scene are created using three-dimensional visualization simulation technology.The camouflage pattern is painted to the model surface through by texture mapping technology，as well as using real-time rendering engine Vega Prime API to render the model，finally camouflage simulation scenario is established.The experimental results show that，the realistic camouflage scenery can be generated using the visual simulation technology for engineering camouflage effect of virtual scene.

camouflage，terrain modeling，visual simulation，digital elevation model

1002-0640（2017）10-0157-05

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.10.033

2016-09-01

2016-10-08

全军后勤重大科研项目（AY2112001）；中国博士后科学基金特别资助项目（2015T81085）

喻 钧（1970- ），女，重庆人，教授。研究方向：图像处理与军事伪装。