基于先进可视化引擎的态势展示系统研究与实现

李艳 方娟 董帅

摘   要：基于先進可视化引擎的态势展示系统是完成体系仿真评估系统的可视化仿真基础。文章以研究与实现体系态势展示系统为目标，深入分析了该系统的组成和功能划分，梳理了关键技术，阐述了系统在体系仿真与评估环境下的典型应用，并介绍了系统在以航天任务为核心中的促进作用。

关键词：先进可视化引擎;体系态势展示;可视化;仿真评估

随着计算机技术的快速发展，态势展示技术，特别是面向大场景的体系态势展示技术也在飞速发展和应用。目前国内体系态势展示技术领域取得了较大进步，但主要使用开源可视化仿真软件进行开发，这些软件与国外成熟的商用可视化仿真软件相比，在功能和性能上都有较大的差距。目前，国内面临的主要问题是针对特定的仿真需求往往要编写特定的程序来实现，不能由一个通用平台来完成大多数复杂场景的态势展示，造成了不必要的资源浪费。根据体系仿真的实际需要，建立基于先进可视化引擎的体系态势展示系统，是完成体系仿真评估特别是以航天任务为核心的可视化仿真基础，可应用于多装备联合的大场景、大空域、多层次的三维可视化应用中。该系统具有运行效率高、显示效果好、交互功能全、表现方式多、细节逼真度高、应用范围广的特点，能够实现装备体系仿真场景的快速模拟与展现。不仅能够提高仿真系统的灵活性及通用性，也有利于资源的重复利用。

1    系统方案

基于先进可视化引擎的体系态势展示系统通过业务集成、数据集成、功能集成等实现了航天业务方面的需求，该系统主要由应用程序层、通用数据接口、数据层、先进可视化引擎、视景和多媒体资源管理组成，这些模块相辅相成，使系统达到灵活性及通用性要求。该系统的架构如图1所示。

1.1  应用程序层

应用程序层主要是系统前端显示的态势展示仿真应用，将系统的所有功能通过一个可视的三维渲染界面提供给用户使用，与用户进行直接交互。视景仿真应用是与用户进行直接交互的窗口，体系态势展示系统采用编辑界面与态势展示界面并行的方式：在用户进行编辑时，编辑界面操作方便，编辑界面的优点是使用方便、功能块划分明显、功能扩展性较强。在进行态势展示过程中切换到演示界面，演示界面主要用于在非编辑操作时使用，界面简洁、美观、展现性较强。

1.2  视景资源管理

视景资源管理工具提供对视景资源的创建、装配、浏览、编辑、导入以及导出等功能，作为辅助三维视景仿真的资源配置工具，生产和管理数据模型，并采用描述性文件来构建适合当前系统的模型配置节点，模型配置节点从不同维度合并和分离数字模型，满足从单一到复杂组合模型的结构。视景资源管理工具既可以作为独立的工具存在，同时可以作为系统的功能组件存在。视景资源管理工具最终输出的是描述性结构文件，其中包含了模型描述的基本信息，比如路径、名称、类型以及简要说明等。这些描述性的文件会作为渲染系统以及系统构建场景结点的依据。

1.3  先进可视化引擎

先进可视化引擎是包括二、三维地理信息系统在内的基础组件平台，为系统提供数字地球可视化、地理信息系统（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）数据管理、挂件工具集、特效处理和场景管理等功能。其中，数字地球可视化封装了可视化功能，主要加载和渲染底层支持数据完成三维数字地球的展示，并集成了对数字场景的交互操作，用户可以通过鼠标及其他操作设备和场景进行交互。

GIS数据管理包括海量数据集成配置、地形矢量分析和用户矢量加载等。海量数据集成配置是通过系统提供的预配置文件，启动并解析预配置文件，读取需要加载的卫星影像数据、数字高程数据、矢量数据、叠加数据等文件，加载以及渲染到场景中。地形矢量分析是系统的基本功能，提供基本的GIS分析功能，包括高度、距离、面积、坡度、地表距离、矢量查询和矢量定位等分析功能。系统不仅支持海量数据的预配置，同时提供实时加载矢量数据和覆盖数据的接口，可以随时加载和卸载数据，方便随时展示不同格式和用途的数据，从而实现用户矢量加载功能。

1.4  多媒体资源管理

多媒体模块主要是文字、声音、视频等的显示，该模块的作用主要是在系统运行过程中提供一些除三维之外的文字效果、声音效果、视频效果等的多媒体信息，如在仿真的数据驱动的过程中，可以实时对当前的步骤进行文字说明、语音讲解，在发生爆炸效果时，可以提供爆炸的声音效果，在某一动作执行时，如果存在真实的视频录像，可以插放这段视频，使整个仿真过程变得更真实、更丰富。

1.5  通用数据接口

通用数据接口是外部数据对场景进行驱动的主要接口，接收符合统一协议的数据，将其解析、提取出可用的信息然后应用到系统场景中去，实现数据的实时驱动。主要包括数据读取、数据解析两部分。数据读取主要是通过共享内存或其他方式从指定位置读取符合统一协议的数据。然后交给数据解析模块进行数据分析，并提取出有用数据，应用到系统的场景中，实现数据驱动场景。

1.6  数据源层

数据源层主要是为系统驱动提供数据源，该数据源包括网络数据和本地的配置数据，这些数据遵循一个标准的数据格式，为通用数据接口提供一个完整的、标准的、可解析的数据源，提高了数据驱动模块的可复用性、可靠性。

2    关键技术

2.1  体系态势展示系统与仿真平台互联互通技术

体系态势展示系统接收仿真平台推送的数据后，对数据进行时间校准、经纬高姿态处理、添加删除对象处理、传感器数据处理等一系列操作后，就可以不断地接收并更新系统中模型的各项属性和姿态，实现系统与仿真平台的互联互通。

2.2  基于仿真事件同步的视频加载技术

在体系态势展示系统中，除了要推送动态对象数据，还应该显示一些辅助信息，帮助用户更直观地理解当前想定的状态，通过通用数据接口，发送加载本地视频文件消息，当体系态势展示系统收到消息后，在三维数字地球指定位置播放该段视频[1]，实现了基于仿真事件同步的视频加载技术。

2.3  体系态势展示脚本编辑与切换技术

体系态势展示系统还包含切换到特定视野的功能[2]，视野模型中包含时间、三维视角参数、是否为跟随状态等信息。切换视点模型时，系统根据配置的参数调用三维组件的接口，实现摄像机定位到特定视点，进而实现体系态势展示脚本编辑与切换技术。

3    典型应用

根据上述系统方案，开发了基于先进可视化引擎的态势展示系统。系统集成了应用程序层、通用数据接、数据层、先进可视化引擎、视景和多媒體资源管理等模块。允许用户根据自身需求，快速建立仿真想定，开展相应仿真实验应用[3]。在体系仿真评估的典型应用下，通过与仿真平台交互，实时获取仿真数据，展示整个复杂系统的仿真过程。仿真结果如图2所示。

4    结语

本文提出了基于先进可视化引擎的态势展示系统的基本概念，并简要分析了当前视景仿真系统存在的问题及现状。在此基础上，阐述了建设基于先进可视化引擎的态势展示系统的必要性，提出了系统基本方案，梳理了系统关键技术。结合系统基本功能，开展了体系仿真场景下的典型应用，并给出了仿真展示效果[4]。

通过态势展示可视化系统对体系仿真进行可视化演示，通过直观的表现形式，从宏观和关键细节上更真实地模拟、观察和判断飞行器的飞行状态，对飞行器发射和飞行过程的动态特性进行模拟和提前预示，可以弥补地面试验的不足。

[参考文献]

[1]陈波，任清华，杨化斌.基于OSGEARTH的三维数字地球平台设计与实现[J].电子科技，2015（10）：65.

[2]MACHOVER C.The business of computer graphics[J].IEEE Computer Graphics and Application，2000（1）：44-45.

[3]杜彪.分布式虚拟现实平台关键技术研究与实现[D]成都：电子科技大学，2016.

[4]赵博.航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述[J].导弹与航天运载技术，2016（5）：53-57.