面向复杂战场环境的三维作战概念图仿真系统设计与实现

马宁 蒉露超

摘  要：在传统的二维战场态势可视化中，对作战场景的表达存在着细节表达能力差、无法多视角展示等问题。针对这一问题，在以计算机图形学为基础的三维可视化的前提下，开发了一套三维作战概念图可视化仿真系统，能够实现概念图在三维地理空间中快速生成、实时交互编辑、多视角展现，通过实例证明了该系统良好的可视化效果，有效地为指挥信息系统态势显示提供了支撑。

关键词：虚拟仿真;三维态势;场景编辑

引言

目视显示作为最直观的展示方式，在战场指挥决策中能够提供最有效和最可靠的信息[1]。因而，可视化战场环境仿真在作战决策系统中有着重要的作用。而传统的二维战场态势可视化方法虽然有着完整的军标符号体系，易于理解等很多优点[2];但随着需求的不断提高，二维态势显示的方式就显得不足了，比如二维态势显示中的无法展现第三维的信息，从而无法充分表达作战区域中的细节，同时二维矢量地图无法及时跟新战场军事情况信息，时效性差，这样就会对指挥决策精确性分析造成较大的影响[3]。与之相比，三维战场态势可视化具有很多优点[4]。首先三维可视化符合人体固有的视觉习惯，表达直观明了，便于人们理解[5];其次，它可以实现对战场环境的多角度观察，方便从多个方向观察战场态势;最后对于高空目标，三维可视化可以有效的避免军标符号的重叠现象[6]。鉴于三维可视化对于态势信息的表达有着较好的可行性，所以三维可视化已经逐渐取代二维作战态势显示成为可视化仿真系统的主流显示方式[7]。

有鉴于此，本系统紧扣三维作战概念图编辑软件应用需求，围绕高可靠、智能化要求，密切跟踪新技术、新方法等发展动向，参照业界先进技术，结合现有研究基础，重点研究作战概念图在三维地理空间场景中的快速生成、交互编辑、能力展现、管理维护等方面的技术实现。

1.系统体系架构

作战概念图编辑软件围绕核心构件、插件集成框架和数据通信服务，构建灵活、可扩展的软件体系结构。核心构件主要包括三维数字地球、消息监听系统和三维图形引擎，数据通信包括中转服务器、网络传输服务、数据发送和数据接收子模块，插件集成框架用于管理系统中的动态库。三维作战概念编辑系统分为业务逻辑和界面两层，业务逻辑层主要调用核心构件提供的外部接口实现，界面层是整个系统的UI层。作战概念图编辑软件体系架构如图 1所示。

1.1基础支撑层

基础支撑层是用于支撑三维显示软件产品研制、运行的基础软件环境，包括地理信息服务、网络通信、空间数据库、数据服务等，该层还描述了场景的基础地理数据、三维模型数据。基础影像数据和DEM数据通过数据服务与管理模块组织、调度和加载，数据服务与管理模块提供访问地理信息服务和各类数据文件的接口，完成对遥感图像、地形高程、矢量地图等空间数据的访问，并同时支持本地文件、网络影像服务等数据源接入类型。三维模型数据是作战概念元素可视化的数据基础，数据中不仅存储了模型数据，还存储了模型之间的组织关系。

1.2集成框架层

集成框架层是用于集成、组织、调度三维显示软件各产品和插件的框架，包括插件集成框架和界面集成框架，前者通过支持插件的动态加载和调度管理，形成低耦合、可扩展的软件结构框架，后者通过统一的界面框架、元素、容器，为应用软件和插件提供一致的表现层开发支持。

1.3核心构件层

核心构件层包括三维数字地球、系统监听和图形引擎，该模块提供了系统开发的底层算法和逻辑框架，是整个系统开发的核心。

三维数字地球是系统搭载的场景，三维作战概念图元素均以该场景为基础实时绘制。数据服务与管理模块实现三维地理数据的加载和渲染，数字地球调度与仿真负责区域三维实体场景的加载和绘制，多源影像则为作战概念图呈现背景信息，特效动画能够更好的展现作战的过程变化。

消息监听系统实现了系统中不同模块之间的通信与事态监听。它分为注册中心、状态监听、回调监听和状态更新子模块，各个模块相互协作完成事件的监听和消息处理。

图形引擎实现作战概念元素的抽象、模拟、组织、编辑和渲染，是业务逻辑的基础。图形渲染引擎负责三维作战概念元素抽象化的渲染，是三维概念图节点绘制的实体;三维图形标绘实现三维作战概念元素的标注与绘制，提供交互方式搭建各个元素;图元拾取模块是元素编辑的基础，以鼠标交互方式确定兴趣元素;模型加载与组织是场景仿真的需要，实体模型是作战概念图元素信息表达最直接、最形象的方式;圖形编辑能够为作战图的搭建提供诸多便利;作战概念图元素的保存和加载依赖于图形序列化模块。

1.4数据通信层

数据通信模块是实现三维作战概念图元素协同标绘的基础，该模块负责报文的发送与接收。数据分发的实现依赖于中转服务器的控制，网络传输服务定义了数据通信的标准和协议。

1.5界面交互层

从系统逻辑的角度，作战概念编辑系统分为业务逻辑和UI界面两层。业务逻辑模块依赖于核心构件、数据通信和集成框架，该模块提供系统功能实现的算法和核心技术;UI界面层与用户交互。

2.系统设计

2.1能力模型可视化

作战概念图中能力模型涉及通信、探测、打击、干扰、侦察等表示作战能力、状态的对象元素，如何可视化及快速创建能力模型是本系统研究的一个重点。

针对能力模型的可视化，首先需要人为提取能力模型的关键特征信息，然后对关键信息抽象化，最后按照关键特征创建三维图形。通信传输能力模型需要借助动态纹理技术表现信息流的传输过程;结合三维动画绘制技术可以很好的仿真一次对象打击过程;运用视觉投影方法可以绘制始终面向用户的图标对象。

2.2元素标绘

软件系统中作战概念图元素的创建是通过鼠标标绘的方式完成，标绘方式根据元素特征分为单点标绘和多点标绘。单点标绘的操作对象包括模型、点图标、标签、雷达、雷达RO、导弹作用区等，多点标绘包括圆弧、折线、规则简模型、动态传输等。元素标绘具体实现方法如下图所示。

2.3元素可视化编辑

系统提供可视化编辑方式修改元素的位置、旋转、放缩、关键点和属性信息，其中属性信息的编辑采用界面修改的方式，位置和形态（旋转、放缩、关键点）信息的编辑采用三维数字地球鼠标交互的可视化编辑方式。用户可以按照意愿修改元素的坐标位置、旋转方向、放缩比例或者组成元素的关键点，并且响应过程是实时的，元素可视化编辑的实现方法如下图所示。

点对象以及大部分体对象采用位置形态的编辑模式，该编辑模式下可以按照鼠标操作切换成位置、旋转、放缩三种不同的编辑方式，每种编辑方式绘制不同操作方式的可视化编辑轴;线、多点的面对象采用关键点编辑模式，该模式下首先获取当前对象状态下的关键点，并采用图标的方式可视化，其次鼠标更新图标位置，最后将图标新位置传递给对象;同时，注册监听对象监听图形编辑信息的变化。可视化编辑如图 所示。更新图形的位置和形态信息，并同步返回信息给监听实体，监听实体捕获到底层传递的信息后，反馈结果到界面，更新界面的相关位置和形态信息。

2.4协同标绘与编辑

大场景作战概念图需要多终端共同编辑完成，没有合适的处理方法很难保证多终端共享同一成果。因此，迫切需要一种多终端编辑成果共享的协同机制，实现“一台编辑多台呈现，多台编辑成果单一”的协同操作方式。协同标绘与编辑的原理如图所示。

3.应用效果

图为该系统下的仿真效果图，（a）是局部场景下的仿真效果，（b）为大场景下的仿真效果。通过该图可以看到，该仿真系统能够有效的解决二维态势下无法表达地形信息，同时也解决了多视角、全方位的展示的问题。该系统可以实现三维作战概念图的快速生成，可将研究论证的军事需求进行可视化立体多维呈现，实现对作战概念的逻辑演示和冲突查找，提升协同性、可行性分析的水平能够有效指导指挥信息系统研制建设和作战推演论证。

4.結束语

三维作战概念图主要展示在三维作战场景下，参加作战的各要素在作战过程中的组织策略、作战关系和作战模式。本仿真系统围绕核心构件、插件集成框架和数据通信服务，构建灵了活、可扩展的软件体系结构，实现了三维概念图的快速构建，有效的解决了二维中无法展示细节及无法多视角展示等问题，为作战可视化提供了有效的支撑。

参考文献

[1]  汪跃，唐志军，车德朝，刘格. 战场态势一张图技术综述[J]. 指挥信息系统与技术，2020，2.

[2]  胡世功，申黎平. 国外陆军战术C3I手册[M]. 北京：兵器工 业出版社，1990.

[3]  张维明;黄松平;黄金才;朱承;丁兆云.多域作战及其指挥控制问题探析[J]. 指挥信息系统与技术，2020，3.

[4]  曾安里，张建康，王国宏，等. 军用三维实景仿真引擎研究[J]. 指挥信息系统与技术2010（10）：17-20.

[5]  吴玲达，宋汉辰. 三维数字化战场环境构建技术研究[J].系统仿真学报，2009（10）：91-94.

[6]  管宁，王明孝. 战场地理空间信息可视化系统设计与研究[J]. 地理空间信息，2007（8）：51-54.

[7]  邓克波;左毅;赵捷;王世忠. 指挥信息系统军事需求要素与分析流程[J]. 指挥信息系统与技术，2016，9.