基于OpenGL的反舰导弹攻击态势三维视景仿真研究与实现

摘  要：本文主要论述了OpenGL图形化标准的工作流程、开发过程，海洋环境态势的构建，反舰导弹的飞行控制及命中效果，提供了一種将末制导雷达特征参数与反舰导弹的飞行控制结合起来，并在模拟的复杂海洋环境态势中进行显示的三维视景实现方法。

关键词：OpenGL;反舰导弹;视景仿真;攻击态势

中图分类号：TP391.9;TP391.41      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）05-0107-02

Abstract：This paper mainly discusses the work flow and development process of OpenGL graphical standard，the construction of marine environment situation，the flight control and hitting effect of anti-ship missile，and provides a three-dimensional visual realization method which combines the characteristic parameters of terminal guidance radar with the flight control of anti-ship missile and displays them in the simulated complex marine environment situation.

Keywords：OpenGL;anti-ship missile;visual simulation;attack situation

0  引  言

随着计算机图形学的发展使三维可视化表现技术得以形成，可视化技术能够使用三维形体来显示复杂不易辨析的信息，使我们能够更清晰地感受三维世界中的物体形态和变化，可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作、融合、处理、加工和存储，与计算机进行直接交流。机械工程师将点线组成的二维平面图转换成立体直观的三维图形世界，细节处理也更加精细，从而能够轻而易举地设计出自己需要的三维机械零件模型，极大地提高了工作效率。军事战斗指挥员可以从用三维图形技术生成的战场地形环境、信息统一态势中获得敌我行动企图和辅助决策信息，指挥具有真实感、逼真度的三维航空母舰、驱逐舰、护卫舰、战斗机、直升机、补给舰等向目标航行，通过多次的战斗模拟仿真分析、评估和评定战斗方案的综合效能，达到提升训练部队战斗力的目标。

在舰艇反导训练任务中，末制导雷达输出的特征参数是舰艇反导效果评估的重要依据。在真实的战争环境中，末制导雷达安装在反舰导弹，因此把末制导雷达的特征参数与反舰导弹的飞行过程联系起来成为靶场研究的难点。由于制造导弹的价格因素，靶场不可能大量进行实弹射击，越来越成熟的可视化技术提供了一个很好的解决方案。我们可以通过可视化技术模拟生成一个复杂的海洋环境态势，包括天空、海面、反舰导弹、舰船、飞机、雷达等，在这个态势中以末制导雷达的特征参数为基础控制反舰导弹的发射、飞行，并根据评判准则判断反舰导弹的攻击效果。

1  OpenGL工作原理

OpenGL三维图形标准是一个与硬件图形发生器的软件接口，系统软件开发者可以利用100多个函数构建各种所需的三维立体景物模型，进行三维图形交互软件系统的开发、研制和应用。

几何顶点数据经过流程图的上部进行运算器、逐个顶点操作，图像数据像素数据经过光栅化、逐个片元处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器。在OpenGL中的所有数据，包括几何顶点数据和图像像素数据都可以被存储在显示列表中，或者可以立即得到处理。OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点进行描述，这样运算器和逐个顶点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎片。对于像素数据，像素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再像几何顶点操作一样光栅化形成图形片元。最后，图形片元要进行一系列的逐个片元操作，最后的像素值送入帧缓冲器，实现图形的显示。

2  总体设计方案

总体方案的流程为生产海洋环境态势、显示导弹和目标舰模型、接收网络上的末制导雷达参数、解析参数并进行坐标转换来控制导弹运动、依据导弹运动态势和参数数据判断导弹的攻击效果、根据导弹命中和未命中效果显示不同的可视化态势。

首先，绘制一个立方体构建海平面、天空环境，在立方体平面上进行贴图处理形成天空盒，以天空盒为基础生成海洋环境态势，将导弹和目标舰模型放置在生成好的海洋环境态势中;其次，数据采集线程实时侦收网络上的数据，解析数据实时判断，当导弹发射命令下达后，导弹依据获得的参数开始运动，为了方便观察导弹的运动过程，可以任意切换四种显示模式，从不同的距离、角度观察导弹的飞行态势，四种显示模式包括跟随模式、侧视模式、俯视模式和自由模式;最后，依据相关标准详细地制定评判准则，并根据评判准则判断导弹攻击目标舰艇的效果，命中时增加目标舰爆炸，并燃烧特效，增加火焰特效和爆碎裂片场景显示，未命中时导弹直接飞入海水，不做其他显示。

主要实现的功能为：以天空盒为基础生成海洋环境态势，用3DMAX制作导弹和舰船模型，用专用函数将导弹和舰船模型调入程序并显示在态势中，具有全屏显示功能和四种显示模式，具有一键重置的功能，接收、解析网络数据报文，将报文数据转换为导弹运动的参数，控制导弹运动，从不同的角度观察导弹运动态势、导弹命中效果的评判、以及导弹的尾焰和爆炸特效，实时显示导弹的态势信息和末制导雷达的特征参数。

3  建立海洋环境态势和创建模型

海洋环境态势的模拟以天空盒为基础。天空盒是一个上面表示天空，下面表示海平面，四面代表东南西北四方位的长方体，在它的六个面上贴有具有特殊要求的图片，形成海洋环境态势。这就要求四面图的边与顶图的边相连，四面图前后相连。

导弹和舰船的模型由软件3DMAX 8.0制作而成，导出成后缀为3ds的文件。VC专用函数调用3ds文件，并把模型显示在模拟的海洋环境态势中。

4  导弹运动轨迹

4.1  显示模式

导弹运行的显示模式有四种，包括跟随模式、侧視模式、俯视模式和自由模式，可以控制键盘任意在这四种模式之间进行切换。

跟随模式是在屏幕的中央一直以导弹为中心显示，屏幕的视角随着导弹的运动而变化。这种模式方便观察导弹的飞行状态，能直观地观察导弹的攻击效果;侧视模式和俯视模式在一个固定视角中，能够同时显示导弹和目标舰，这两种模式显示由导弹的轨迹点连接而成的平滑曲线可以实时观察导弹的轨迹变化，在同一画面同时显示整个攻击过程;自由模式下可以实现类似于手持摄像机的功能，当我们想拍摄某一物体时，就移动摄像机对准该物体，并调整与物体的距离。自由模式通过操作键盘的方向键控制视角的前后移动和左右旋转，并根据自己的需要从不同的角度来观察导弹的飞行态势。

4.2  导弹命中的评判

反导训练效果的评判准则以国军标为基础。在试验过程中，利用红外摄像头监视目标舰，控制转台，使末制导雷达的机械轴始终对准目标舰，因此末制导雷达输出的方位角成为判断末制导雷达跟踪效果的最主要依据。根据末制导雷达的试验方法制定的评判准则是在稳定跟踪情况下，当末制导雷达输出的方位角小于设定值时，判定导弹命中目标，反之导弹未命中目标。

5  导弹的效果

为了增强导弹的逼真效果，增加了对导弹的尾焰和命中效果的特效显示。导弹的尾焰采用OpenGL的混合技术。OpenGL有很多特效由各种参数混合完成，混合的原理是把屏幕上已知的颜色与新的颜色进行合成，合成处理后形成新的效果，并周期性地显示在设定的态势中。导弹命中效果采用粒子系统实现，粒子系统能够模拟一些导弹爆炸后的特定景象，从而实现具有真实感的爆炸碎片狂飞效果，依据火焰特性，模拟燃烧效果，对目标舰造成的燃烧进行三维图形化显示。

6  结  论

随着可视化技术的成熟，我们应用可视化技术创建三维立体的武器装备模型，模拟复杂的战场环境态势能够立体全方位地展示整个作战过程。在试验任务中，将两者结合起来，可以实时观察和监控试验态势。本文实现了将末制导雷达的特征参数与反舰导弹的飞行控制结合在一起，实时显示反舰导弹的攻击态势，已在研练任务中应用。三维图形技术是实现参数可视化的重要途径，随着硬件软件水平的提高，在国防军事领域也必将发挥重要作用。

参考文献：

[1] Dave Shreiner，Mason Woo，JackieNeider等.OpenGL编程指南（第四版）[M].邓郑祥，译.北京：人民邮电出版社，2005.

[2] 向世明.OpenGL编程与实例[M].北京：电子工业出版社，1999.

作者简介：刘砚山（1983-），男，汉族，天津人，学士学位，工程师，主要研究方向：舰载作战指挥系统试验。