移动平台虚拟战场仿真系统关键技术

【前言】移动平台虚拟战场仿真系统关键技术由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。本文以战场仿真系统的便携和小型化为背景，分析基于移动平台实虚拟战场仿真系统的关键技术，设计系统实现方案，给出系统总体结构和运行流程。 2 国内外研究现状 基于移动平台实现虚拟战场仿真系统，其研究现状主要集中在场景建模与组织、模型简化与快速绘制、移动平台...

摘 要虚拟战场仿真对作战训练、指挥决策等具有重要意义。随着智能手机、平板电脑等移动设备的快速发展，使战场仿真系统进一步小型化成为可能。分析了基于移动平台实现虚拟战场仿真系统的国内外现状及关键技术，阐明了进一步的研究方向；设计了系统实现方案，给出了系统的总体结构和运行流程。

【关键词】移动平台 虚拟战场 仿真

1 引言

虚拟战场仿真是虚拟现实技术在战场仿真领域中的具体应用，对指挥控制、作战推演、辅助决策等具有重要意义。虚拟战场仿真以计算机图形图像处理、真实感图形建模等技术为基础，结合声、光、电、触等特效，产生身临其境的逼真环境。虚拟战场仿真技术广泛应用行模拟、单兵对抗、兵棋推演等领域。

虚拟战场仿真以三维场景的建模与绘制技术为核心，对三维图形生成与处理的能力有较高要求。传统的虚拟战场仿真系统通常需要专业的图形工作站支持，用以建立三维真实感战场环境，辅以头盔、立体眼镜、数据手套等交互设备，完成沉浸式仿真环境的生成及人机交互。随着电子信息与计算机等技术的飞速发展，智能手机、平板电脑等智能设备的处理能力日趋强大，已能够较好地支持相对复杂的三维场景生成，使得基于移动平台实现战场仿真成为可能。由于移动平台集成化程度高，其显示、计算、存储、交互等功能均集成在一体化设备上，可使战场仿真系统小巧而灵活，特别适合单兵大规模对抗演练，因此成为当前的研究热点。

本文以战场仿真系统的便携和小型化为背景，分析基于移动平台实虚拟战场仿真系统的关键技术，设计系统实现方案，给出系统总体结构和运行流程。

2 国内外研究现状

基于移动平台实现虚拟战场仿真系统，其研究现状主要集中在场景建模与组织、模型简化与快速绘制、移动平台下的战场交互等方面。

2.1 场景建模与组织

移动平台属于资源有限型计算平台，因此必须对场景进行高效组织。场景组织按其目的可分为面向交互与面向性能两类，前者主要用场景图来描述和组织虚拟场景，优势是将场景中的物体按照场景设计者根据其在现实世界的逻辑结构抽象为对象并以层次结构来组织，这样设计者以后能更方便对其进行更新修改；后者主要采用空间分割技术作为组织方式，包括二叉空间分割树、八叉空间分割树和包围体层次树等方法。

2.2 模型简化与快速绘制

目前已经提出了许多模型简化算法，例如基于顶点聚类的网格简化算法和基于边折叠的网格简化算法等，但对于某些复杂的模型，简化效果还是不能令人满意，往往需要手工简化，而手工简化的工作量是非常巨大的。快速绘制主要在模型简化的基础上，依赖LOD、视点相关的模型调度等技术。

2.3 移动平台下的战场交互

目前虚拟现实系统交互功能的实现一般是依赖外部交互设备以及硬件平台的内置传感器。外部交互设备主要包括数据手套、数据衣、操纵杆、空间定位设备等；内置传感器包括方向传感器、加速度传感器、距离传感器等。传统的交互主要以PC为支撑平台，以鼠标、触摸板、键盘等为基础，而移动平台则主要以多点触控为基础，如何实现多点触控为主要模式的战场交互仍有必要进行深入研究。

3 关键技术

移动平台虚拟战场仿真系统的关键技术主要体现在以下几个方面：

3.1 移动平台三维场景的动态组织方法

三维战场环境错综复杂，包括地理、水文气象、电磁等环境信息，以及飞机、坦克、雷达等目标信息，其数据量巨大、数据类型多种多样。移动平台受限于硬件资源，其存储和计算能力相对较弱，必须对传统的工作站模式进行改进，从战场场景的专题化、模型简化、场景数据的动态组织等方面提出新的方法。

3.2 移动平台三维场景的快速调度方法

三维场景的动态调度是提高绘制效率的重要方法，其主要思路是依据视点和观察范围确定需要处理的场景数据，并依据时间序列和重要性实时调入内存。鉴于移动平台的操作系统及硬件结构和图形工作站有较大区别，需要研究与此类系统结构相适应的场景调度方法，确定调度流程，并依据移动平台的计算资源确定场景的精细程度。

3.3 移动平台战场仿真的多模态交互方法

移动平台如智能手机、平板电脑等以触摸式交互为主体，进行场景编辑与路径规划时其方便程度较鼠标方式有一定的差距，探索适合多点触控的交互方式，与新设备相适应，也是一个非常必要的任务。

3.4 移动平台立体视差模型的建立及计算

建立立体视差模型的关键点在于如何生成立体图像对，生成立体图像的主要方式有以下四种：旋转透视投影法、平行投影旋转法、平行投影剪切法和双中心投影法。四种方法各有优劣，针对不同的系统需求以及硬件能力，需要采用不同的立体图像对生成算法。

3.5 嵌入式三维编程

目前主流的移动平台操作系统为Android、iOS等，相应的三维图形库为OpenGL ES，虽然OpenGL ES足够强大，但相对于经典的OpenGL而言，其功能仍有一定的裁剪和定制，因此需要对移动平台战场仿真系统进行功能界定，使之和编程环境相匹配。

4 系统实现方案

移动平台虚拟战场仿真系统的总体结构如图1所示。

移动平台虚拟战场仿真系统由三部分构成，分别是场景建模系统、硬件平台、实时绘制系统，其中，场景建模系统和实时绘制系统是软件系统，前者完成场景建模，后者完成实时驱动。移动平台虚拟战场仿真系统的基本功能如下：

4.1 场景建模系统

完成战场要素建模，如地理、环境、目标、态势等；完成场景编辑，根据仿真任务需求，将各战场要素组合成一个特定场景；路径规划则完成仿真过程的设定，通常，依据时间线进行仿真任务推进。

4.2 硬件平台

该平台是战场仿真系统的硬件支撑平台，通常包括智能手机加头盔、或者立体投影加VR眼镜两种方式；交互则通过手柄、操纵杆、方向舵等以Wi-Fi（需保证在同一网段）或蓝牙方式进行连接。

4.3 实时绘制系统

该系统主要完成鼍暗牡鞫扔肟焖倩嬷疲依据场景变换的需求，如视点移动、观察方位的变化、以及硬件交互设备的输入等实时计算新的场景。

系统的运行流程如图2所示。

系统运行分为两个阶段，即仿真准备阶段和仿真运行阶段。仿真准备阶段完成战场要素建模、仿真场景生成、仿真任务规划等。该阶段可在移动平台上完成，作为过渡方案，也可在PC或图形工作站上完成；仿真运行阶段完成硬件平台注入，即将规划好的仿真场景及任务数据注入到移动平台，然后依据交互要求和交互参数，实现仿真过程的实时驱动。

参考文献

[1]刘光然.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]Zhang Yi.Virtual Reality Technology of the Modern Fashion Design[C]. IEEE International Conference on Information Management and Engineering（ICIME 2011），2011，6.

[3]Shen Y.Z，Liu D.Y，Xu J.Design and Implementation of an Octree-based Virtual Scene Manager[J].Computer Systems & Applications，2012，3：033.

[4]王晨明.LOD技术研究及其在海底地形实时绘制中的应用[D].青岛：中国海洋大学，2015.

[5]王寒.虚拟现实――引领未来的人机交互革命[M].北京：机械工业出版社，2016.

作者简介

陈敏（1969-），女，江西省南昌市人。博士。副教授。主要研究方向为 计算机应用、图形图像处理。

作者单位

湖南信息学院 湖南省长沙市 410151