基于三维建模的坦克假目标示假性能仿真技术

冯海潮， 王羽羽， 刘伟， 曾永兴， 吴克南

(1.32215部队， 河北 张家口 075421；2.63966部队， 北京 100072)

0 引言

当前，假目标可见光示假性能的效果评估主要通过真假目标对比试验完成，试验中需要调动真目标，将假目标和真目标布设在同一背景下。为提高试验效率、降低试验风险，利用仿真目标代替真目标开展假目标示假性能的效果评估试验是有效途径。随着科技的不断进步，三维建模技术和仿真技术在试验效果评估中的应用条件日益成熟。三维建模技术可以精确地描绘实物以实现三维物体的真实再现[1-3]，将三维建模技术应用于设计与制造，可以有效降低成本、提高效率[4-7]。仿真技术是根据相似原理、以仿真系统形式来体现的，其在装备试验上的应用能够提高试验效果评估的层次和质量[8-10]。

本文以假坦克可见光示假性能试验为研究背景，以实现试验中用仿真坦克取代真坦克的目的。本文中仿真坦克是根据真坦克光学几何特征建模得到的仿真坦克模型，假坦克是根据真坦克特征制作的坦克假目标。通过采集真坦克的三维点云数据进行模型部件编辑，得到坦克三维几何模型；将数码迷彩图案以贴图方式加载到坦克三维几何模型上，从而建立仿真坦克模型。利用坐标变换得到仿真坦克的二维图像，将其与布设有真坦克的二维试验图像进行融合，得到仿真坦克与真坦克在同一视场的仿真实验图像，通过对图像中仿真坦克与真坦克特征的相似度量化指标计算及判读员实际判读，验证仿真坦克的仿真效果。本文仿真实验流程如图1所示。

图1 示假性能仿真实验流程Fig.1 Flow chart of simulation experiment of false performance

1 坦克三维建模

坦克的三维建模技术路线如图2所示。

图2 三维建模技术路线Fig.2 Technical route of 3D modeling

1.1 三维点云数据

利用非接触式地面三维激光扫描系统测量获得坦克的点云数据。通过自定义坐标系统，计算出扫描得到的目标表面P点坐标P(xP，yP，zP)。扫描点坐标计算原理如图3所示。图3中，Oxyz为三维点云坐标系，α为扫描的横向角度，β为扫描的纵向角度，P点的坐标计算如(1)式所示：

图3 三维点云坐标计算Fig.3 Coordinate calculation of 3D point cloud

(1)

式中：S为P点到O点的距离。

采集完整目标后，将数据进行拼接、坐标转换、检查整理，进一步将目标部件的点云分割并进行模型的封装，为三维模型部件构建做准备。

1.2 模型部件编辑

由于扫描的坦克比较复杂，对复杂的整体构件进行识别并全部自动建模，到目前为止还没有很好的解决方法[11-13]。在对坦克部件模型进行编辑时，以三维点云数据为依据，对坦克各主要部件进行建模，建模精度设置为0.1 m，可满足本文需求。建模时可将坦克的每一个部件分离，并将其分为规则部件和不规则部件。规则部件的建模方法有线性回归和分段线性拟合等多种方法；不规则部件的建模方法主要是先对曲面进行特征点和特征线的提取，然后通过旋转、放样等方法实现模型构建。对上述两种情况以外的部件或需要保留现状的部件，通常可采用三角网模型。坦克部件模型分为坦克炮塔、炮管、车体、履带及车轮等部分分别进行建模，然后将各部件组合成坦克三维模型，如图4所示。

图4 坦克三维模型Fig.4 3D model of tank

1.3 数码迷彩图案

由于真坦克表面涂覆了数码迷彩图案，仿真坦克表面考虑同样以数码迷彩贴图形式进行模型构建。数码迷彩图案根据四色迷彩色(见图5)进行设计并制作。

图5 4种迷彩色Fig.5 Four kinds of camouflage

按照相关规定，设计出坦克的数码迷彩图案，数码迷彩图案如图6所示。

图6 数码迷彩图案Fig.6 Digital camouflage pattern

1.4 三维仿真模型构建

将数码迷彩图案作为坦克三维模型表面数码迷彩，以贴图形式加载到三维仿真模型上。坦克模型具有复杂几何外形和多个组成部件，如果采用单一的纹理映射方法，则会造成迷彩色块变形，难以保证较好的仿真效果。

经研究发现，对于坦克的各个组成部件分别采用以下映射方法能够达到较好的贴图效果：炮台采用Box映射、炮管采用圆柱映射、底盘采用Box映射、支持轮组采用球面映射等，这种灵活的贴图方法保证了迷彩图案在模型表面渲染效果的真实性，能够最大程度地模拟真坦克状态。构建的三维仿真坦克模型如图7所示。

图7 三维仿真坦克模型Fig.7 3D simulated tank model

2 仿真图像生成

2.1 坐标变换

自然界中物体的几何模型是三维的，可用三维模型显示及处理物体模型，模型的原始坐标一般用(x，y，z)表示。在原始坐标系中物体的水平坐标一般用x、y表示，高度坐标一般用z表示。从数据处理的维度角度，三维目标模型的显示过程本质上是一种高维数据到低维数据的数学映射过程[14-15]，即可以通过三维模型坐标的数学变换得到需要显示的图像。

在三维仿真系统中，仿真实现最核心和最基础的功能即为坐标变换。坐标变换能够保证三维数据的高精度解算。本文涉及的三维图形处理侧重于数据解算的精度，在排除基础数据系统误差的前提下，应尽可能保证坦克的几何特征，以保证后续仿真应用构建特征集合的准确度。

在计算机处理时，实际场景通过剪裁处理后转换到视空间中，最终投影到视口上显示出来。另外，为了使物理显示坐标系和屏幕坐标系之间相统一，还需要定义一个坐标系，即屏幕物理坐标系。在OpenGL软件中，投影函数glPerspective可用于本文中设置透视投影变换的参数，从而建立透视投影矩阵F，具体如(2)式、(3)式所示：

(2)

(3)

式中：n为距离视点近的距离；f为距离视点远的距离；t、b、l、r为透视视体近裁减面角点坐标的上、下、左、右参数；A、B、C、D分别为计算过程参数。

综上所示，通过一系列数学变换，三维坦克模型最终被显示在二维的图像坐标系内。

2.2 三维坦克模型与二维背景合成

二维背景是事先在试验现场采集的所需图像，只能显示在一个平面上，这个平面必须与虚拟三维环境中的成像平面平行，或者与虚拟相机光轴垂直，称之为背景平面。因此，可以把背景平面和三维坦克模型放置在统一的三维坐标系OXYZ下进行渲染，条件是背景平面需要远离三维坦克模型。

由于虚拟相机具有两个裁剪平面，即近裁剪平面和远裁剪平面。超过远裁剪平面的对象将被图形系统自动裁剪而不被渲染。因此，可以把背景平面放置在接近远裁剪平面的位置，而三维坦克模型则放置两个裁剪平面中部，从而可以自然地将三维坦克模型渲染在背景前方，从而实现正确合成，如图8所示。

图8 三维坦克模型与二维背景合成Fig.8 3D tank model and 2D background synthesis

利用OpenGL软件将试验参数作用于三维坦克模型，通过透视变换完成对模型的渲染和二维仿真图像的生成。在OpenGL软件渲染中，装有Windows系统计算机设备的联系机制能够将描述表存入OpenGL图像渲染信息，同时可以将描述表输出。因此，对于Windows系统，通过更新OpenGL软件中描述表即可改变一个窗口图形的状态。在图像处理过程中，可利用计算机后台模式完成三维坦克模型的渲染，绘制出结果，实现仿真图像的生成，仿真图像效果如图9所示。

图9 仿真图像效果Fig.9 Effect of simulated image

3 仿真实验效果验证

采集布设有两辆真坦克的试验图像作为背景图像，将两个仿真坦克与背景图像融合得到仿真图像，根据现阶段假目标示假性能试验指标要求调整仿真图像分辨率，得到判读图像，通过相似度量化指标及人工判读的评价方式，实现仿真坦克在试验中的有效性验证。

3.1 相似度量化指标验证

在判读图像中截取真坦克及仿真坦克图像，分别提取各自图像特征，为保证图像处理过程中减少信息损失，图像调整过程中均采用无压缩的bmp格式图像文件。在对图像进行截取时，连同坦克的阴影一起截取，以实现二者特征的全面比较。图10所示为两辆真坦克和两个仿真坦克的截图。

图10 坦克目标截图Fig.10 Screenshot of tank target

为实现对仿真坦克仿真效果的量化评价，本文利用文献[16]中图像特征提取及相似度计算方法进行验证，计算结果如表1所示。

通过观察表1中的数据发现，仿真坦克1、仿真坦克2与真坦克的相似度结果不同，表明坦克在背景图像中布置差异会对仿真结果造成一定影响；真坦克1、真坦克2与仿真坦克相似度均值不同，表明两个真坦克的特征也存在一定的差异；仿真坦克相似度结果均在80%以上，最小值由仿真坦克1与真坦克2计算得出，为81.751%，最大值由仿真坦克2与真坦克1计算得出，为91.018%，均值为87.507%，相似度均在较高水平。

表1 仿真坦克与真坦克间相似度

3.2 判读员判读验证

根据军事情报部门的要求对判读图像进行判读。选取20名判读员进行独立判读，判读时标出图像中坦克的位置，并识别仿真坦克与真坦克，在真坦克下打“√”，在仿真坦克下画“×”，判读完成后统计结果。图11所示为某名判读员判读结果。

图11 某名判读员判读结果Fig.11 Interpretation results of an interpreter

对20名判读员结果进行统计，对坦克类型判读真坦克则统计为1，反之统计为0，统计结果如表2所示。

表2 图像判读结果

对真坦克和仿真坦克的统计结果进行处理，计算真坦克和仿真坦克被认为是真坦克的概率，如表3所示。

表3 示假性能结果概率统计

通过表3中的数据可以看出：对于仿真坦克，在此可以其具有真坦克特征为评判依据。认定真坦克具有自身100%特征，将仿真坦克认为真坦克概率除以真坦克被确认概率，即为仿真坦克具有真坦克特征概率，计算结果为96.3%.

4 结论

本文将三维建模技术及仿真技术引入假目标可见光示假性能试验工作中，初步探索了其在伪装装备试验中的应用。利用三维建模技术对真坦克进行建模，利用坐标变换及图像合成技术得到仿真实验图像，该仿真方法为假目标可见光示假性能对比试验提供了理论和实践参考。通过量化指标计算和实践应用，得到如下主要结论：

1)通过计算仿真实验图像中仿真坦克和真坦克相似度量化指标，得到二者综合相似度均值为87.507%.

2)根据判读员对仿真实验图像的判读统计，仿真坦克具有真坦克特征的概率达到了96.3%.

下一步，将结合假目标示假性能试验中热红外和雷达等实验内容开展仿真实验研究，实现仿真技术在假目标实验中的综合运用。