基于Vega的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗仿真的應(yīng)用研究

1 引言

　　數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)[1]是繼“信息戰(zhàn)”概念出現(xiàn)之后, 作為信息戰(zhàn)建設(shè)的初期階段而提出的一種新的戰(zhàn)場(chǎng)形態(tài)，其本質(zhì)是將數(shù)字化技術(shù)引入部隊(duì)和戰(zhàn)場(chǎng)，將所有相關(guān)功能系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體，以達(dá)到整個(gè)作戰(zhàn)范圍內(nèi)的信息資源共享，最終實(shí)現(xiàn)部隊(duì)和戰(zhàn)場(chǎng)的指揮、控制、通信和情報(bào)(即C3I)高度一體化

　　虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境[3]是戰(zhàn)場(chǎng)可視化仿真的運(yùn)行基礎(chǔ)，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的生成主要包括場(chǎng)景建模和場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步驟。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境主要由戰(zhàn)場(chǎng)地形模型、戰(zhàn)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(qū)動(dòng)則可以通過(guò)特定的渲染引擎來(lái)實(shí)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(yīng)用的軟件平臺(tái)和工具集，它最基本的功能就是驅(qū)動(dòng)、控制、管理虛擬場(chǎng)景并能夠方便的實(shí)現(xiàn)大量特殊視覺(jué)和聲音效果。

需要指出的是，本文實(shí)現(xiàn)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)仿真離嚴(yán)格意義上的可視化戰(zhàn)場(chǎng)還有一定的距離，下一步的工作一方面是對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境繼續(xù)豐富和完善，添加虛擬士兵等更復(fù)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(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真的分布式網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用和對(duì)各種底層信息數(shù)據(jù)庫(kù)的集成等，最終形成一個(gè)完整的數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)。

　　2 仿真目標(biāo)和解決方案

　　確定仿真目標(biāo)是仿真應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)，也是進(jìn)行仿真應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。本文中我們通過(guò)模擬發(fā)生在一個(gè)虛擬小鎮(zhèn)上假想的軍事武裝對(duì)抗過(guò)程，詳細(xì)討論基于Vega的軍事仿真應(yīng)用方法、實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)。假想的虛擬作戰(zhàn)對(duì)抗仿真過(guò)程大致如下：一架E2C預(yù)警機(jī)在小鎮(zhèn)高空中盤旋，執(zhí)行日常的偵察預(yù)警任務(wù)。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(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)并鎖定目標(biāo)，通知駐守在小鎮(zhèn)中的阿帕齊武裝直升機(jī)前往堵截，并發(fā)射激光制導(dǎo)導(dǎo)彈將其摧毀。預(yù)警機(jī)左翼發(fā)動(dòng)機(jī)突然出現(xiàn)機(jī)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(jī)趕往墜毀地點(diǎn)進(jìn)行救援。

　　通過(guò)對(duì)預(yù)定仿真目標(biāo)的分析可知，要實(shí)現(xiàn)設(shè)想的仿真效果需要分別代表E2C預(yù)警偵察機(jī)、M1主戰(zhàn)坦克、阿帕齊武裝直升機(jī)、制導(dǎo)導(dǎo)彈等虛擬戰(zhàn)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(zhuǎn)的機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈等產(chǎn)生的尾跡、坦克和直升機(jī)發(fā)生的爆炸、燃燒、煙霧等的特殊效果。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)我們使用了預(yù)先創(chuàng)建好的OpenFlight模型，E2C預(yù)警機(jī)的運(yùn)動(dòng)完全由仿真應(yīng)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(dǎo)航路徑來(lái)控制，而武裝直升機(jī)的起降、導(dǎo)彈的發(fā)射和預(yù)警機(jī)的失事則通過(guò)仿真應(yīng)用程序與用戶通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤來(lái)交互控制。由于導(dǎo)彈發(fā)射和預(yù)警機(jī)墜落時(shí)間的不確定性，導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡和直升機(jī)的救援路線則需要在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)的生成。為了更好的反映當(dāng)前的仿真應(yīng)用運(yùn)行情況和虛擬戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，仿真應(yīng)用過(guò)程中相關(guān)的戰(zhàn)場(chǎng)信息需要實(shí)時(shí)的顯示在屏幕上。

　　運(yùn)行基于Vega的仿真應(yīng)用程序需要在初始化階段設(shè)置大量參數(shù)的初始值，包括虛擬場(chǎng)景內(nèi)各種模型對(duì)象和角色對(duì)象的起始狀態(tài)和位置、虛擬場(chǎng)景內(nèi)的燈光和環(huán)境的設(shè)置、硬件平臺(tái)的屬性配置等，在運(yùn)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(chǔ)存為ADF格式的應(yīng)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(yù)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 自然環(huán)境模擬

　　自然環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)展和對(duì)戰(zhàn)雙方的作戰(zhàn)指揮等有著重要的影響，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景中的自然環(huán)境表達(dá)直接關(guān)系到仿真應(yīng)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(jié)構(gòu)的大氣層模擬模型，同時(shí)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(yīng)的LynX面板中對(duì)包括天空顏色、霧模型、云彩模型、環(huán)境光等在內(nèi)的多種元素進(jìn)行預(yù)設(shè)，在應(yīng)用程序執(zhí)行的過(guò)程中還可以通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)[6]對(duì)自然環(huán)境的各種參數(shù)進(jìn)行交互式設(shè)置，實(shí)時(shí)改變虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的自然環(huán)境效果，從而達(dá)到檢驗(yàn)不同自然條件下作戰(zhàn)效能之目的。

　　3.2 動(dòng)態(tài)視點(diǎn)控制

　　視點(diǎn)是仿真系統(tǒng)用戶觀察虛擬場(chǎng)景的唯一接口，包含了對(duì)視點(diǎn)進(jìn)行抽象的觀察者(Vega Observer)是用戶在虛擬場(chǎng)景中的替身，觀察者的位置和姿態(tài)決定了整個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)全局給用戶特別是指戰(zhàn)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(chǎng)環(huán)境范圍較大、仿真實(shí)體數(shù)量多且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜多變，所以視點(diǎn)應(yīng)該能夠盡可能的進(jìn)行多角度、多模式觀察，可以采用多觀察者方案，即一個(gè)主要觀察者和若干個(gè)輔助觀察者。我們?cè)趹?yīng)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(zhuǎn)、固定路徑、觀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)觀察者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)路徑導(dǎo)航

　　路徑導(dǎo)航在戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗仿真中有著大量的應(yīng)用，對(duì)戰(zhàn)前期的戰(zhàn)斗部隊(duì)、坦克編隊(duì)等的行進(jìn)通常是沿著固定或者相對(duì)固定的路線進(jìn)行進(jìn)的，對(duì)戰(zhàn)過(guò)程中的以制導(dǎo)導(dǎo)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(dǎo)航的。導(dǎo)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(yù)先定義，另一種則是實(shí)時(shí)的生成導(dǎo)航路徑。以導(dǎo)彈飛行路徑生成為例，由于直升機(jī)運(yùn)動(dòng)的不確定性，在發(fā)射導(dǎo)彈的位置和時(shí)間是隨機(jī)的，不可能事先預(yù)知導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以必須在仿真應(yīng)用程序中實(shí)時(shí)的生成導(dǎo)航路徑，圖2 是生成導(dǎo)航飛行路徑的程序流程圖：