基于UE4 的航空影像判读数字沙盘系统研制

赵育良，刘建东，李明珠

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

数字沙盘系统研发的目的是为航空侦察情报专业学员施训提供一套能够完整还原典型目标航空影像（机场、港口等）的训练系统。通过数字化训练的模式，提高训练效率，减少训练成本，增加训练的逼真度和可靠性，为学员训练成果的展示提供全新的平台。为了更好地适应教学训练要求，数字沙盘不仅能够逼真地展示机场、港口目标的地理现实影像，而且还需准确显示码头、阵地、机场跑道、营房及油库等相关设施，根据用户权限，用户还可对典型武器装备根据态势研判的需求进行布设，对节气、时间及天气进行动态调整，并可调整视角进行垂直或倾斜状态下的判读、标注，生成判读报告，以便针对性地开展不同的航空影像判读科目训练。影像判读数字沙盘系统基于UE4 游戏引擎实现典型军事目标三维场景的构建和模拟，制作过程包括系统总体设计、数据分析与准备、模型制作与导入、场景优化和系统实现等阶段。

1 系统总体设计

1.1 系统功能设计

1）构建典型目标的场景模型

一是甲军某港口场景，包含场景内部的码头、防波堤、司令部、防空导弹阵地等；二是乙军某机场场景，包含场景内部的机场跑道、洞库、半地下库、高速公路、停机坪、飞指挥通信设施、导航台、塔楼、油库、弹药库、营房等。

根据军用港口和机场目标的环境布设要求，主要需要完成如表1 所示建筑物模型构建。

表1 典型目标的场景模型

2）构建典型目标的武器装备模型

一是舰艇，主要包括甲军、乙军、丙军主力水面舰艇和水下潜艇建模。二是飞机，主要包括乙军、丙军主力战斗机、运输机、预警机等机型建模。

需要完成的主力舰艇以及战机模型如表2所示。

表2 典型目标的武器装备模型

3）沙盘自定义功能设计

沙盘自定义为用户提供自主编辑数字沙盘的功能。一是自定义沙盘核心建筑设施位置，系统提供浏览和建造两种模式，在建造模式下系统支持建筑、武器装备的自定义摆放、朝向的自定义设置。二是自定义沙盘节气、时间（精确到年月日时）的功能，支持春、夏、秋、冬太阳位置切换、支持年月日时，时间定位；三是自定义天气功能，包含基本的云、雾、雨。可设置体积云的密度、厚度、乌云白云、雾天天气、雨天等。通过上述功能设计，可由教员动态布设不同的武器及建筑分布场景，灵活提供图像判读及航空观察的影像素材。图1为舰船及战机创建示意图。

图1 舰船及战机创建示意图

4）航拍仿真设计

航拍仿真为学员提供通过调节相关参数，模拟不同条件下的航空侦察影像的功能。一是调整航拍高度。学员可以通过下方的height 工具和Len 工具调整视角高度位置；二是调整航拍角度。支持航拍角度微调功能，通过按住Ctrl+W 和Ctrl+S 键，调整视角；三是调整航拍位置。支持航拍位置微调功能，通过按住WASD 键，调整位置。通过上述航拍高度、相机倾斜角度及相机镜头焦距长度的调整，可模拟产生在不同参数条件下的航拍效果。图2 为航拍仿真功能示意图。

图2 航拍仿真功能示意图

5）目标判读仿真设计

该功能提供学员训练过程中的目标判读及整编功能。一是目标判别标绘，在完成对航空拍照影像的判别后，对其进行标注；二是对目标进行标注后，可以输入注释文字，方便判别完成之后进行判别结果比对。

1.2 系统硬件设计

为了便于学员观察训练，影像判读数字沙盘系统需要展示的场景较大，需要通过多台投影仪协同投影实现大场景展示。该系统使用投影矩阵，利用计算机拼接技术实现双屏投影的统一调度，能够输入教员机、学员机等多路信号，为便于训练，可将任何一路输入信号实时投射在投影屏上，并能将多台计算机信号进行拼接，实现信号整合。

1.3 系统软件设计

系统用户界面分为传统的主控界面和三维空间中的功能界面。主控图形化界面布局为顶部和左侧为菜单栏，主要包括训练开始、场景选择、沙盘自定义及退出等功能按钮，其余大部分为三维虚拟空间显示区域。功能界面则实现模式切换（建造模式和浏览模式），在建造模式中可实现建设、武器装备及道路的创建等操作。软件系统还具备一定的开放性设计，支持用户按约定的格式导入新建地图、模型等后续开发资源。系统主控及功能界面如图3 所示。

图3 系统主控及功能界面

在浏览模式下，还可利用快捷键或鼠标完成以下操作。

水平移动地图：通过WASD 键进行镜头在水平面的上、下、左、右四个方向的移动。

垂直移动地图：通过QE 键进行升高和降低。

水平旋转镜头：按住Ctrl 键，+A 键向左方向旋转，+D 键向右方向旋转。

垂直旋转镜头：按住Ctrl 键，+W 键向上方向旋转，+S 键向下方向旋转镜头。

小地图拖动：鼠标单击小地图，镜头将跳转到小地图对应的沙盘位置[1-5]。

2 系统实现

系统主要开发工具为UE4，UE4 为当今市面上顶级的游戏引擎，是完全开源的，并且支持用C++进行开发，内置了种类齐全、功能强大的工具链，提供了完善的骨骼动画系统、物理学碰撞系统、可视化的编辑器、完善的材质编辑器等，能够为VR 项目开发提供完整的支持，其地形贴图质量好、真实性高、交互能力强，经过材质渲染后道路、军事建筑、军事装备及场景更加真实，加之其世界组合、LOD 渲染等功能，可较好地适用于大地形的管理与渲染，在视景展现细腻程度、交互体验上效果突出。为此，数字沙盘以相关典型目标的地形数据及目标分布数据为基础，计算UE4 场景坐标与实际典型目标坐标系统对应关系，导入UE4 引擎生成道路、地形，配置相关建筑设施及武器装备，搭建并管理典型军事目标场景。

2.1 模型制作

系统采用DEM 数据并利用World Machine 处理地形高程数据，采用3ds Max 实现武器装备及建筑建模与纹理贴图，将地形、装备及建筑模型导人UE4 引擎后，再利用VC++实现数字沙盘的实际功能。

1）场景搭建

数字沙盘场景以典型目标环境高精度DEM 数据为基础，利用UE4 导入相应的纹理数据生成三维地形环境。但由于UE4 无法直接解析DEM 数据格式，故还需利用World Machine 工具处理地形高程数据以及建筑纹理贴图，通过该工具设置地形构建分辨率，调整设置地形的长宽尺寸，并注意地形的高度值需大于地形的最大高度，且为512 的倍数。UE4 引擎在导入创建地形时，还需关注DEM 即实际地形单位与UE4 之间的单位转换。

式中，lx、ly、hz分别是仿真场景下对应的长度、宽度和高度三个方向上的像素数；Lx、Ly、Hz分别为DEM地形长度、宽度和高度三个方向上的数值，单位为m；而Rx、Ry为地形构建分辨率；UE4 场景以笛卡尔坐标系z轴正向为上方向，并运用式（3）进坐标转换。为使仿真环境更加逼真生动，在环境中还加入了植被模型并辅以动态设计。图4 为系统搭建的港口环境模型场景效果。

图4 港口环境模型

2）建筑和武器模型构建

数字沙盘和武器模型由3ds Max 构建，3ds Max制作的模型（fbx 文件）可直接导入UE4 平台，模型主要包括港口、机场的建筑模型和典型舰船、飞机的武器装备模型。3ds Max 具有强大的建模和贴图功能，为了增加系统的流畅性，在建模及优化的过程中，在不影响外形的情况下用尽量少模型的面片数。图5为系统构建的部分武器装备模型。

图5 武器装备模型

2.2 基于UE4的仿真交互实现

确定好场景大小后，将地形导入系统，并按位置关系布设建筑及武器模型，为了增加场景的逼真度，设置光照、云、雨、星光等相关参数，提升不同光照及天气下的航拍仿真效果。完成上述环境构建后，即可利用UE4 蓝图或C++编程，围绕上述功能进行交互设计。利用蓝图技术，实现武器设备等模型的添加、调整以及环境参数调整等交互操作。图6 为武器模型姿态及位置调整的部分蓝图。另外，UE4 引擎对C++有较好的支持，系统通过C++脚本拓展实现比如自主添加导入新建武器装备类型及模型、用户及训练管理等开放性设计。

图6 武器模型姿态及位置调整的部分蓝图

2.3 系统集成及测试

按照上述功能设计及实现方法，完成影像判读电子海航系统的构建，最后打包输出成可独立运行的可执行文件。用户按照系统测试大纲，对技术方案中涉及的设计功能进行了逐一测试，并依托该系统组织学员开展了垂直、倾斜及不同高度下的影像判读训练，结果表明，该系统利用UE4 游戏引擎，能够逼真的呈现不同环境条件下的航空遥测场景，实现了沙盘自定义等诸多功能，可完成航拍动态仿真及影像判读所涉及的功能。系统运行流畅、操作简便，结合一些特定的开放性设计，可较好地满足情报判读类理论[6-16]。

3 结论

该文基于UE4 游戏引擎构建了航空影像判读数字沙盘系统，为航空影像情报判读提供了一套能够完逼真还原典型目标航空影像（机场、港口等）的训练系统，解决了学员在训练中手段单一的不足。该系统首次利用游戏引擎构建三维实景用于航空影像判读训练，对于空中战勤和地面影像情报判读两个方向，训练手段建设是重要的探索和突破，经测试，系统模拟场景逼真，运行流畅，功能符合设计。