基于Vega的虛擬戰(zhàn)場對抗仿真應用研究

1 引言

數(shù)字化戰(zhàn)場[1]是繼“信息戰(zhàn)”概念出現(xiàn)之后, 作為信息戰(zhàn)建設的初期階段而提出的一種新的戰(zhàn)場形態(tài)，其本質是將數(shù)字化技術引入部隊和戰(zhàn)場，將所有相關功能系統(tǒng)通過網(wǎng)絡聯(lián)結成一個有機整體，以達到整個作戰(zhàn)范圍內的信息資源共享，最終實現(xiàn)部隊和戰(zhàn)場的指揮、控制、通信和情報(即C3I)高度一體化

虛擬戰(zhàn)場環(huán)境[3]是戰(zhàn)場可視化仿真的運行基礎，虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的生成主要包括場景建模和場景驅動兩個步驟。虛擬戰(zhàn)場環(huán)境主要由戰(zhàn)場地形模型、戰(zhàn)場地物模型、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完成，虛擬場景驅動則可以通過特定的渲染引擎來實現(xiàn)，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、控制、管理虛擬場景并能夠方便的實現(xiàn)大量特殊視覺和聲音效果。

需要指出的是，本文實現(xiàn)的虛擬戰(zhàn)場仿真離嚴格意義上的可視化戰(zhàn)場還有一定的距離，下一步的工作一方面是對虛擬戰(zhàn)場環(huán)境繼續(xù)豐富和完善，添加虛擬士兵等更復雜的仿真實體，加入逼真的三維聲場，提高參與者的沉浸感，另一方面還要進一步研究虛擬戰(zhàn)場環(huán)境仿真的分布式網(wǎng)絡化應用和對各種底層信息數(shù)據(jù)庫的集成等，最終形成一個完整的數(shù)字化戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)。

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(jié)，也是進行仿真應用程序開發(fā)的基礎。本文中我們通過模擬發(fā)生在一個虛擬小鎮(zhèn)上假想的軍事武裝對抗過程，詳細討論基于Vega的軍事仿真應用方法、實現(xiàn)及其關鍵技術。假想的虛擬作戰(zhàn)對抗仿真過程大致如下：一架E2C預警機在小鎮(zhèn)高空中盤旋，執(zhí)行日常的偵察預警任務。一輛不明身份的M1主戰(zhàn)坦克悄悄的從邊境潛入小鎮(zhèn)，不久便被E2C預警機發(fā)現(xiàn)并鎖定目標，通知駐守在小鎮(zhèn)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)動機突然出現(xiàn)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進行救援。

通過對預定仿真目標的分析可知，要實現(xiàn)設想的仿真效果需要分別代表E2C預警偵察機、M1主戰(zhàn)坦克、阿帕齊武裝直升機、制導導彈等虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的動態(tài)元素模型，同時還需要用于模擬旋轉的機翼、發(fā)動機和導彈等產生的尾跡、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(zhàn)場環(huán)境的三維模型數(shù)據(jù)庫我們使用了預先創(chuàng)建好的OpenFlight模型，E2C預警機的運動完全由仿真應用程序控制，坦克入侵路線可以使用Vega的路徑工具事先定義導航路徑來控制，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仿真應用程序與用戶通過鼠標和鍵盤來交互控制。由于導彈發(fā)射和預警機墜落時間的不確定性，導彈的運動軌跡和直升機的救援路線則需要在仿真過程中實時的生成。為了更好的反映當前的仿真應用運行情況和虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢，仿真應用過程中相關的戰(zhàn)場信息需要實時的顯示在屏幕上。

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(shù)的初始值，包括虛擬場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(shù)值。Vega將這些數(shù)據(jù)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，初始化虛擬場景中的元素屬性及其相互關系。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

3.1 自然環(huán)境模擬

自然環(huán)境對戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)展和對戰(zhàn)雙方的作戰(zhàn)指揮等有著重要的影響，虛擬戰(zhàn)場場景中的自然環(huán)境表達直接關系到仿真應用的真實性和可信度。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，同時還提供了多種可由參數(shù)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行預設，在應用程序執(zhí)行的過程中還可以通過調用相應的API函數(shù)[6]對自然環(huán)境的各種參數(shù)進行交互式設置，實時改變虛擬戰(zhàn)場的自然環(huán)境效果，從而達到檢驗不同自然條件下作戰(zhàn)效能之目的。

3.2 動態(tài)視點控制

視點是仿真系統(tǒng)用戶觀察虛擬場景的唯一接口，包含了對視點進行抽象的觀察者(Vega Observer)是用戶在虛擬場景中的替身，觀察者的位置和姿態(tài)決定了整個虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以提供給用戶的信息。一方面要縱觀作戰(zhàn)戰(zhàn)場全局給用戶特別是指戰(zhàn)員提供一個視野寬廣的虛擬環(huán)境，另一方面又要考慮能夠以與動態(tài)仿真實體相一致的視角來觀察虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，從而獲得更好的沉浸感。一般而言，虛擬戰(zhàn)場環(huán)境范圍較大、仿真實體數(shù)量多且運動狀態(tài)復雜多變，所以視點應該能夠盡可能的進行多角度、多模式觀察，可以采用多觀察者方案，即一個主要觀察者和若干個輔助觀察者。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察者定位方式，包括跟隨、綁定、旋轉、固定路徑、觀望等多種模式及其混合模式，使用者可以通過彈出菜單或快捷鍵在多個觀察者之間進行實時切換和組合，以滿足使用者的不同需求。表1中給出了不同狀態(tài)下主要觀察者的定位方式：

3.3 實時路徑導航

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

3.4 戰(zhàn)場特殊效果

在虛擬戰(zhàn)場模擬仿真應用中，經常需要模擬出一些特殊的三維視覺效果來增強整個虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的感染力和真實性，比如各種火炮武器的開火效果、各種炸彈的爆炸效果、直升機螺旋槳的旋轉效果、導彈發(fā)射后飛行時產生的尾氣痕跡等。通常這些效果很難用傳統(tǒng)的多邊形建模技術來實現(xiàn)，一般的解決方案是應用高級的紋理技術或者使用復雜的粒子系統(tǒng)[7]。粒子系統(tǒng)的基本思想是，采用大量的、具有一定生命和各種屬性的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規(guī)則對象。粒子系統(tǒng)中的每一個粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運動速度、運動方向、生命周期等相關的屬性。一般而言，創(chuàng)建特定的粒子系統(tǒng)是一個比較復雜的過程，一方面要考慮真實的物理模型和相應的動力學規(guī)律，另一方面需要對粒子的大量屬性分別進行設置。Vega特殊效果模擬模塊[8]預制了包括爆炸、煙霧、導彈尾跡在內的多種實時三維特殊效果，提供了擴展的粒子系統(tǒng)參數(shù)設置面板，可自定義的粒子參數(shù)包括粒子生命周期、粒子個數(shù)、粒子源及其發(fā)射模式、粒子速度分布和各種速度矢量等。

戰(zhàn)場特效的管理和控制應該符合虛擬戰(zhàn)斗態(tài)勢的發(fā)展，所以一般只在特效設置面板中進行初始參數(shù)設置但并不啟用它們，而是在仿真應用運行的過程中根據(jù)實際情況，通過相應的API函數(shù)進行特效控制和參數(shù)調整。下面是預警機發(fā)動機失效時，應用程序控制特殊效果的部分代碼：

vgProp(fx_trail, VGFX_DURATION, vgGetTime()-vgGetFxTime(fx_trail1,VGFX_STARTTIME) +1.0 ); // 設置預警機引擎尾氣特效的持續(xù)時間

vgProp( fx_airhit, VGFX_STATE, VG_ON ); // 啟用預警機引擎閃光特效

vgProp( fx_engburn, VGFX_STATE, VG_ON ); // 啟用預警機引擎燃燒特效

vgProp( fx_engsmoke, VGFX_STATE, VG_ON ); // 啟用預警機引擎冒煙特效

vgProp( fx_engburn, VGFX_DURATION, VGFX_ALWAYS ); // 設置燃燒特效持續(xù)時間

vgProp( fx_engsmoke, VGFX_DURATION, VGFX_ALWAYS ); // 設置冒煙特效持續(xù)時間

vgFxTime( fx_airhit, VGFX_STARTTIME, VGFX_NOW ); // 立即執(zhí)行閃光特效

vgFxTime( fx_engburn, VGFX_STARTTIME, VGFX_NOW ); // 立即執(zhí)行燃燒特效

vgFxTime( fx_engsmoke, VGFX_STARTTIME, VGFX_NOW ); // 立即執(zhí)行冒煙特效

4 仿真結果

本文實現(xiàn)的虛擬戰(zhàn)場對抗仿真應用基于NT平臺開發(fā)，使用Visual C++6編譯環(huán)境，在P4 2.4G處理器、512M內存、GeForceFX 5700圖形卡的硬件配置條件下可以流暢的運行，圖3-5為仿真應用程序運行過程中的屏幕截圖。

圖3 多觀察者模式下的仿真效果

在多觀察者模式下，用戶可以同時以多種視角來觀察虛擬戰(zhàn)場，如圖3所示：位于屏幕左下角的通道以俯視觀察者的視角顯示，可以縱觀戰(zhàn)場全局態(tài)勢，對戰(zhàn)雙方在虛擬戰(zhàn)場中所處的位置，也會在該通道中分別用紅色和藍色實時的標識出來。屏幕的右側則是一系列輔助觀察者分別用于觀察特定的仿真實體，本文實現(xiàn)的系統(tǒng)可支持最多同時使用五個輔助觀察者，當然也可以是它們的任意數(shù)量的組合。

圖4 偵察機引擎發(fā)生故障

5 結語

在未來戰(zhàn)爭的數(shù)字化戰(zhàn)場，無論是軍事訓練、戰(zhàn)術演練，還是作戰(zhàn)指揮或者戰(zhàn)術論證評估，都需要虛擬戰(zhàn)場可視化仿真來做支撐和保障。本文探討了基于Vege的虛擬戰(zhàn)場可視化仿真應用的方法，重點討論了自然環(huán)境模擬、動態(tài)視點控制、實時路徑導航和基于粒子系統(tǒng)的特殊效果等虛擬戰(zhàn)場環(huán)境生成中的關鍵問題。