基于Vega的虛擬戰場(chǎng)對抗仿真應用研究

1 引言

　　數字化戰場(chǎng)[1]是繼“信息戰”概念出現之后, 作為信息戰建設的初期階段而提出的一種新的戰場(chǎng)形態(tài)，其本質(zhì)是將數字化技術(shù)引入部隊和戰場(chǎng)，將所有相關(guān)功能系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)結成一個(gè)有機整體，以達到整個(gè)作戰范圍內的信息資源共享，最終實(shí)現部隊和戰場(chǎng)的指揮、控制、通信和情報(即C3I)高度一體化

　　虛擬戰場(chǎng)環(huán)境[3]是戰場(chǎng)可視化仿真的運行基礎，虛擬戰場(chǎng)環(huán)境的生成主要包括場(chǎng)景建模和場(chǎng)景驅動(dòng)兩個(gè)步驟。虛擬戰場(chǎng)環(huán)境主要由戰場(chǎng)地形模型、戰場(chǎng)地物模型、武器模型、士兵模型等三維模型組成，可以使用以MultiGen Creator[4]為代表的仿真建模軟件包來(lái)完成，虛擬場(chǎng)景驅動(dòng)則可以通過(guò)特定的渲染引擎來(lái)實(shí)現，常用的渲染引擎有Vega、Performer、 OpenGVS等。

本文將要主要討論的Vega是一套完整地用于開(kāi)發(fā)交互式、可視化仿真應用的軟件平臺和工具集，它最基本的功能就是驅動(dòng)、控制、管理虛擬場(chǎng)景并能夠方便的實(shí)現大量特殊視覺(jué)和聲音效果。

需要指出的是，本文實(shí)現的虛擬戰場(chǎng)仿真離嚴格意義上的可視化戰場(chǎng)還有一定的距離，下一步的工作一方面是對虛擬戰場(chǎng)環(huán)境繼續豐富和完善，添加虛擬士兵等更復雜的仿真實(shí)體，加入逼真的三維聲場(chǎng)，提高參與者的沉浸感，另一方面還要進(jìn)一步研究虛擬戰場(chǎng)環(huán)境仿真的分布式網(wǎng)絡(luò )化應用和對各種底層信息數據庫的集成等，最終形成一個(gè)完整的數字化戰場(chǎng)環(huán)境系統。

　　2 仿真目標和解決方案

　　確定仿真目標是仿真應用的首要環(huán)節，也是進(jìn)行仿真應用程序開(kāi)發(fā)的基礎。本文中我們通過(guò)模擬發(fā)生在一個(gè)虛擬小鎮上假想的軍事武裝對抗過(guò)程，詳細討論基于Vega的軍事仿真應用方法、實(shí)現及其關(guān)鍵技術(shù)。假想的虛擬作戰對抗仿真過(guò)程大致如下：一架E2C預警機在小鎮高空中盤(pán)旋，執行日常的偵察預警任務(wù)。一輛不明身份的M1主戰坦克悄悄的從邊境潛入小鎮，不久便被E2C預警機發(fā)現并鎖定目標，通知駐守在小鎮中的阿帕齊武裝直升機前往堵截，并發(fā)射激光制導導彈將其摧毀。預警機左翼發(fā)動(dòng)機突然出現機械故障，起火燃燒，最終落地墜毀并引發(fā)了劇烈的爆炸，隨后直升機趕往墜毀地點(diǎn)進(jìn)行救援。

　　通過(guò)對預定仿真目標的分析可知，要實(shí)現設想的仿真效果需要分別代表E2C預警偵察機、M1主戰坦克、阿帕齊武裝直升機、制導導彈等虛擬戰場(chǎng)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)元素模型，同時(shí)還需要用于模擬旋轉的機翼、發(fā)動(dòng)機和導彈等產(chǎn)生的尾跡、坦克和直升機發(fā)生的爆炸、燃燒、煙霧等的特殊效果。虛擬戰場(chǎng)環(huán)境的三維模型數據庫我們使用了預先創(chuàng )建好的OpenFlight模型，E2C預警機的運動(dòng)完全由仿真應用程序控制，坦克入侵路線(xiàn)可以使用Vega的路徑工具事先定義導航路徑來(lái)控制，而武裝直升機的起降、導彈的發(fā)射和預警機的失事則通過(guò)仿真應用程序與用戶(hù)通過(guò)鼠標和鍵盤(pán)來(lái)交互控制。由于導彈發(fā)射和預警機墜落時(shí)間的不確定性，導彈的運動(dòng)軌跡和直升機的救援路線(xiàn)則需要在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)的生成。為了更好的反映當前的仿真應用運行情況和虛擬戰場(chǎng)態(tài)勢，仿真應用過(guò)程中相關(guān)的戰場(chǎng)信息需要實(shí)時(shí)的顯示在屏幕上。

　　運行基于Vega的仿真應用程序需要在初始化階段設置大量參數的初始值，包括虛擬場(chǎng)景內各種模型對象和角色對象的起始狀態(tài)和位置、虛擬場(chǎng)景內的燈光和環(huán)境的設置、硬件平臺的屬性配置等，在運行階段也要保持或更新大量的參數值。Vega將這些數據信息儲存為ADF格式的應用程序定義文件，可以使用Vega提供的LynX[5]圖形界面ADF配置和預覽工具，初始化虛擬場(chǎng)景中的元素屬性及其相互關(guān)系。

　　3 系統實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 自然環(huán)境模擬

　　自然環(huán)境對戰場(chǎng)態(tài)勢發(fā)展和對戰雙方的作戰指揮等有著(zhù)重要的影響，虛擬戰場(chǎng)場(chǎng)景中的自然環(huán)境表達直接關(guān)系到仿真應用的真實(shí)性和可信度。為了能夠逼真的模擬出自然界中的大氣層環(huán)境，Vega 使用了如圖1所示的七層結構的大氣層模擬模型，同時(shí)還提供了多種可由參數控制的自然環(huán)境效果，我們可以直接在相應的LynX面板中對包括天空顏色、霧模型、云彩模型、環(huán)境光等在內的多種元素進(jìn)行預設，在應用程序執行的過(guò)程中還可以通過(guò)調用相應的API函數[6]對自然環(huán)境的各種參數進(jìn)行交互式設置，實(shí)時(shí)改變虛擬戰場(chǎng)的自然環(huán)境效果，從而達到檢驗不同自然條件下作戰效能之目的。

　　3.2 動(dòng)態(tài)視點(diǎn)控制

　　視點(diǎn)是仿真系統用戶(hù)觀(guān)察虛擬場(chǎng)景的唯一接口，包含了對視點(diǎn)進(jìn)行抽象的觀(guān)察者(Vega Observer)是用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中的替身，觀(guān)察者的位置和姿態(tài)決定了整個(gè)虛擬戰場(chǎng)環(huán)境可以提供給用戶(hù)的信息。一方面要縱觀(guān)作戰戰場(chǎng)全局給用戶(hù)特別是指戰員提供一個(gè)視野寬廣的虛擬環(huán)境，另一方面又要考慮能夠以與動(dòng)態(tài)仿真實(shí)體相一致的視角來(lái)觀(guān)察虛擬作戰環(huán)境，從而獲得更好的沉浸感。一般而言，虛擬戰場(chǎng)環(huán)境范圍較大、仿真實(shí)體數量多且運動(dòng)狀態(tài)復雜多變，所以視點(diǎn)應該能夠盡可能的進(jìn)行多角度、多模式觀(guān)察，可以采用多觀(guān)察者方案，即一個(gè)主要觀(guān)察者和若干個(gè)輔助觀(guān)察者。我們在應用程序中使用了Vega基本模塊提供的形式多樣的觀(guān)察者定位方式，包括跟隨、綁定、旋轉、固定路徑、觀(guān)望等多種模式及其混合模式，使用者可以通過(guò)彈出菜單或快捷鍵在多個(gè)觀(guān)察者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)切換和組合，以滿(mǎn)足使用者的不同需求。表1中給出了不同狀態(tài)下主要觀(guān)察者的定位方式：

　　3.3 實(shí)時(shí)路徑導航

　　路徑導航在戰場(chǎng)對抗仿真中有著(zhù)大量的應用，對戰前期的戰斗部隊、坦克編隊等的行進(jìn)通常是沿著(zhù)固定或者相對固定的路線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)的，對戰過(guò)程中的以制導導彈為代表的火炮武器炮彈在發(fā)射后也都會(huì )按照一定的路徑進(jìn)行導航的。導航路徑的生成有兩種方式，一種是非實(shí)時(shí)的，即使用路徑工具(PathTool)預先定義，另一種則是實(shí)時(shí)的生成導航路徑。以導彈飛行路徑生成為例，由于直升機運動(dòng)的不確定性，在發(fā)射導彈的位置和時(shí)間是隨機的，不可能事先預知導彈的運動(dòng)軌跡，所以必須在仿真應用程序中實(shí)時(shí)的生成導航路徑，圖2 是生成導航飛行路徑的程序流程圖：