（计算机科学与技术专业论文）大规模自然场景建模与绘制.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 大规模自然场景建模与绘制技术，在虚拟战场、三维游戏及影视制作等领域有 着广泛的应用。随着应用的不断扩展和深入，人们对场景规模、仿真精度及交互 性能等提出越来越高的要求。 为了满足虚拟战场环境的应用需求，本文深入研究了大规模自然场景建模与绘 制的几项关键技术：动态云景建模与绘制、大规模三维地形绘制、海面波浪建模 与绘制。本文完成的主要工作和取得的创新研究成果如下： ( 1 ) 深入研究了大规模地形的l o d 模型与绘制算法。随着图形处理器( g p u ) 的快速发展，传统的依靠c p u 进行精确的视锥剔除和复杂的多分辨率拼接的地形 l o d 模型和绘制算法已不能充分发挥图形系统的总体性能。本文提出了一种能更 好发挥g p u 的绘制能力、平衡c p u 与g p u 负载的p a t c h l o d 地形绘制算法。该 算法的特点是：引入地形瓦片金字塔和地形概要金字塔概念，实现了大规模地形 数据存储模型和地形块调度算法，其中地形概要金字塔是地形瓦片金字塔的索引 信息，其所需要存储空间很少，可以完整地载入内存，能方便地用于视锥剔除、 遮挡剔除与l o d 控制：引入索引模板和衔接性索引模板概念，使不同l o d 层次 的地形块实现快速的无缝拼接；引入地形瓦片的上下夹面概念，以上夹面替换地 形块进行遮挡剔除计算，以下夹面替换地形块进行水平线构造运算，从而提高遮 挡剔除算法的效率实验结果表明，p a t c h l o d 地形绘制算法效率高，能满足大规 模、交互式自然场景漫游系统的实时性要求。 ( 2 ) 深入研究了大规模地形的几何细节生成和纹理细节生成，提出了一种基 于小样本纹理的大规模地形动态纹理合成算法。由于计算机存储能力和i o 带宽等 限制，大规模自然场景的几何细节与纹理细节在规模上和精度上受到了一定的制 约。为了产生逼真的地面场景效果，本文在p a t c h - l o d 地形绘制算法的架构下， 充分利用几何数据既有的存取预测机制和l o d 控制机制，综合考虑地形数据的地 理信息、几何信息，在若干小样本纹理的基础上，实现了动态纹理的实时合成。 实验结果表明，在大规模地形缺少相应的纹理数据、或者大纹理数据存取困难的 情况下，采用本文的动态纹理合成算法，能以很小的代价获得地面场景真实感的 显著提高。 ( 3 ) 本文对海面波浪仿真技术进行了深入研究，提出了一种基于波浪方向分 布函数分解模型的近岸水域波浪仿真算法。波浪在深浅不均的水域进行传播时， 会发生折射、绕射等一系列的效应。特别当波浪传播到浅水域时，波浪前锋呈现 出逐步与水底地形法向量一致的趋势。本文根据近岸水域波浪的上述特点，将近 岸水域波浪分解为两个部分，其一为方向波，采用了三角余弦函数建模，其二为 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 随机波浪，采用了基于缠绕分形面的水面波浪模型。实验结果表明，这种方法具 有效率高、逼真性好等优点。 ( 4 ) 本文研究了动态云景仿真，提出了基于格子b o l t z m a n n 模型和细胞自动 机模型的分阶段动态云景建模方法。由于动态云景仿真有复杂的物理背景，基于 物理模型的仿真算法所需要的计算资源十分巨大，其完整的物理过程仿真需要专 用的大规模并行计算系统才能完成。为了使动态云景仿真算法满足逼真性和实时 性的要求，本文将云景仿真过程分为两个阶段，在预处理阶段采用格子b o l t z a n a n n 模型进行大气流场仿真：在实时模拟阶段利用大气流场仿真的结果，采用改进的 细胞自动机模型进行复杂风场条件下的云景仿真。该方法既充分体现大气流场的 物理规律，可以获得逼真的动态云景仿真效果，又具有计算速度快、边界条件易 于处理等优点。 综合应用以上研究成果，开发了一个包含大范围、多类型的陆地地形、海面场 景、动态云景的大规模三维自然场景的建模与绘制实验系统。实验结果表明，本 文中提出的模型和算法可有效改善自然场景的逼真性，提高场景绘制的实时性和 应用系统的交互性能。 关健词：虚拟自然场景层次细节模型云景建模与绘制大规模地形波浪建 模 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 em o d e l i n ga n dr e n d e r i n go fl a r g es c a l en a t u r a ls c e n ea r ei m p o r t a n tf o rv i r t u a l b a t t l ef i e l d 3 di n t e r a c t i v eg a m e ，f i l ma n dv i d e oe t e w j mt h ef u r t h 9 1 s p r e a do fv i r t u a l r e a l i t ya p p l i c a t i o n s , t h e r e a r em o l x ：a n d h i g h e rr e q u i r e m e n t so ns i m u l a t i o ns c a l e ， s i m u l a t i o np r e c i s i o n , a n dp e r f o r m a n c eo fi n t e r a c t i o n t h e s er e q u i r e m e n t sp r o m o t er a p i d d e v e l o p m e n to f c o m p u t e rg r a p h i c sa n dg r a p h i c sh a r d w a r e t om e e tt h ed e m a n d so ft h ea p p l i c a t i o n so fv i r t u a lb a t t l e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a s s t u d i e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss i m u l a t i o no fd y n a m i cc l o u d ，n a v i g a t i o no f l a r g e - s c a l et e r r a i n , a n dr e n d e r i n go f r e a l i s t i co r g a nw a v e 1 1 1 em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i s d i s s e r t a t i o na r e 嬲f c l i o w s ： t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h el o dm o d e la n da l g o r i t h mo fl a r g e - s c a l et e r r a i n i nd e p t h w i mt h ew i d es p r e a da n df a s td e v e l o p m e n to fp o w e r f u lg r a p h i c sp r o c e s s u n i t ( g p l d ，t h et r a d i t i o n a lt e r r a i nm o d e l sa n da l g o r i t h m sd e p e n d i n go na c c u r a t ec u l l i n g a n de l a b o r a t em u l t i r e s o l u t i o nl o d l a y o u ta r en ol o n g e rg o o ds o l u t i o n sf o rn a v i g a t i o n a n dr e n d e r i n go fl a r g es c a l el a n d s c a p e t l l i sd i s s e r t a t i o nh a sb r o u g h tf o r w a r da p a t c h - l o da l g o r i t h mo ft e r r a i nr e n d e r i n g ，w h i c hc a nt a k ea d v a n t a g eo fc a p a c i t yo f g p u a n db a l a n c et h eo v e r l o a do fc p ua n dg p u i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h et e r r a i nf i l e p y r a m i d ( t t p ) a n dt e r r a i ns u m m a r yp y r a m i d ( t s p ) i si n t r o d u c e d , a n dt h ea c c e s sm o d e l o fl a r g es c a l et e r r a i na n dt h es c h e d u l e ro ft e r r a i nt i l e sa 托i m p l e m e n t e db a s e do nt t p a n dt s e1 1 r r p ss u m m a r yi n f o r m a t i o ni sr e p r e s e n t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gt s p , a n d t s p ss t o r a g ei sm u c hs m a l l e rt h a nr r p s t h e r e f o r et s pi sc o n v e n i e n tt ob eu s e di n v i e w - f r u s t u mc u l l i n g ，o c c l u s i o nc u l l i n ga n dc o n t r o lo fl o d j u s tf o rs t i t c h i n gt h e t e r r a i nt i l e so fd i f f e r e n tl e v e lo fd e t a i ls e a m l e s s l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ei n d e x b u f f e rt e m p l e t ( i a da n dj o i n ti n d e xb u f f e rt e m p l e t ( j i b t ) a d d i t i o n a l l y , t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st o pc l a m pp l a n e ( t c p ) a n db o t t o mc l a m pp l a n e ( b c p ) 1 h e t c pt a k e st h ep l a c eo fo c c l u d et e r r a i nt i l ed u r i n gc o m p u t i n gt h ev i s i b i l i t yo fat e r r a i n t i l ea n dt h eb c pt a k e st h ep l a c eo fo c c l u d e rt e r r a i nt i l ed u r i n gc o n s t r u c t i n gt h eh o r i z o n v i s i b i l i t y 1 1 抡t c pa n db c p m a k et h eo c c l u s i o nc u l l i n gm o r ee 伍c i e n tt h a nb e f o r e 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ep a t e h - l o da l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t h el a r g e - s c a l e ，i n t e r a c t i v ev i r t u a ls c e n ea p p l i c a t i o n s t l l i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e d 。t h eg e o m e t r yd e t a i la n dt e x t u r ed e t a i lo ft e r r a i ni n d e p t ha n dp r o p o s e sa na l g o r i t h mo fd y n a m i cs y s t h e s i so ft e r r a i nt e x t u r e d u et ot h e l i m i t a t i o no fc a p a c i t yo fc o m p u t e ra n db a n d w i d t ho fi oi n t e r f a c e , t h eg e o m e t r yd e t a i l a n dt e x t u r ed e t a i lo f l a r g es c a l et e r r a i ni sr e s t r i c t e di ns c a l ea n dp r e c i s i o n f o rp r o d u c i n g r e a l i s t i cl a n d s c a p e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed y n a m i cs y s t h e s i so ft e r r a i nt e x t u r e b a s e do nt h et e r r a i na l g o r i t h mo f p a t c h - l o d w h i c ht a k e sf m la d v a n t a g eo fm e c h a n i s m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o fd y n r n i cs c h e d u l i n go ft e r r a i nt i l e sa n dt h em e c h a n i s mo fl o d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ，t h i sa l g o r i t h mc a np r o d u c er e a l i s t i ct e r r a i nt e x t u r ew i t h $ m a l lc o s ti n c o m p u t a t i o nw h e nt h e r ei sn oa c c o r d i n gl a r g es c a l ep r e l o a d e dt e x t u r e ，o rt h ep r e l o a d e d t e x t u r e sa r ed i f f i c u l tt ob el o a d e di nr e a l - t i m e 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h em o d e l i n go fo c e a n a n dp r o p o s e sam e t h o do f s i m u l a t i o no fs h a l l o ww a t e rn e a rt h es h o r e w h e nt h eo c e a nw a v ea r r i v ea tt h ea r e ao f s h a l l o ww a t e r , t h ew a v e f r o n t sw i l lb e n db e c a u s co fr e f r a c t i o n , a n dd i f f r a c t i o n 1 1 蛤 f o r w a r dd i r e c t i o no c e a nw a v ew i l lt r e n dt ob ev e r t i c a lt ot h ec o n t o u ro ft e r r a i n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s i so fs h a l l o ww a t e r , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n a l g o r i t h mb a s e do nd e c o m p o s e dm o d e lo f d i r e c t i o n - f r e q u e n c ys p e c t r u m i nt h i sm e t h o d ， t h eo c e a nw a v ew i l lb ed i v i d e di n t ot w oc o m p o n e n t s ：t h ed i r e c t i o n a lc o m p o n e n ti s m o d e l e dw i t hs i n ew a v e ，a n dt h er a n d o mc o m p o n e n ti sm o d e l e d 、i t hp e r l i nn o i s e 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a np r o v i d er e a l i s t i ci m a g ea n dh i g hf r a m e r a t e t i i i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e ds i m u l a t i o no fc l o u di nd e p t ha n d p r o p o s e sat w o - s t a g e s s i m u l a t i o nm e t h o do fd y n a m i cc l o u db a s e do nl a t t i c eb o l t z m a r mm o d e l ( l b m ) a n d i m p o v e dc e l la u t o m a t o n ( c a ) d u et ot h ep h y s i c a lc o m p l i c a t i o n , t h es i m u l a t i o n m e t h o do fd y n a m i cc l o u db a s e do np h y s i c a lm o d e lo fc l o u da n d 剐【m o s p h e r ei st o o d i f f i c u l tt ob ei m p l e m e n t e do nn o r m a l p e r s o n a lc o m p u t e r t oe n s u r et h er e a l i t yo f s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dh i g hf r a m er a t eo fi n t e r a c t i v es y s t e m , t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g s f o r w a r dan e wm e t h o d ：t w o s t a g e sm e t h o do fm o d e l i n gt h ed y n a m i cc l o u d i nt h i s m e t h o d ，t h es i m u l a t i o no f c i o u di sd i v i d e di n t op r e p r o c e s sa n dr e a lt i m ep r o c e s s d u r i n g p r e p r o e e s s ，t h ew i n df i e l do fa t m o s p h e r ei sp r o d u c e d d u r i n gr e a lt i m ep r o c e s s ，t h e d y n a m i cc l o u d sa l ep r o d u c e do nc o n d i t i o nt h ec o m p l i c a t e dw i n df i e l dj sc o m p u t e di n p r e p r o c e s s n l ef o e l n e ri sb a s e do nt h el a t t i c eb o l t z m a n nm e t h o dw h i c hc a ne m b o d yt h e p r o p e a i e so fa t m o s p h e r e a n dt h el a t t e ri sb a s e do ne e l la u t o m a t o nw h i c hi se f f i e n ta n d e a s y 幻d e a l 谢t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n b a s e do nt h ea b o v ea l g o r i t h m sa n dm e t h o d s ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sb u i l t ，i n w h i c hl a r g es c a l el a n d s c a p ea n ds e a s c a p ea n do c e a r lw a v en e a rs h o r ea r ei n t e g r a t e d t h e r e s u l t so f o u re x p e r i m e n t a ls y s t e md e m o n s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h m sa n dm o d e l sp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o na e f f e c t i v ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：v i r t u a ln a t u r a ls c e n el e v e lo fd e t a i lm o d e l i n ga n dr e n d e r i n go f c l o u d l a r g e - s c a l et e r r a i nm o d e l i n go fw a v e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1l 文法系统生成的自然景物实例7 图2 1 包围球示意图1 7 图2 2 嵌套多分辨率网格1 9 图2 _ 3 静态嵌套网格布局的失效2 0 图2 4 动态嵌套网格布局2 0 图2 5 地形瓦片金字塔与地形概要金字塔2 1 图2 6 哈希表与地形块之间的关系2 3 图2 7 多线程调度算法2 4 图2 8 快速w a l s h h a d a m a r d 的变换流程2 7 图2 9p h c 高程数据编码解码示意图2 8 图2 1 0 地形高程解压缩效果对比2 9 图2 “不同分辨率的索引模板3 0 图2 1 2 裂缝的产生3 l 图2 1 3 衔接性索引模板的构造3 2 图2 1 4 衔接性模板的作用3 2 图2 1 5 索引模板3 3 图2 1 6 地形无缝拼接示意图3 4 图2 1 7 地形无缝拼接线框图3 4 图2 1 8 大规模地形漫游时的性能对比3 9 图2 1 9 上夹面与下夹面4 l 图2 2 0 对地形块下夹面进行水平线测试4 2 图2 2 l 水平线渐进式构造过程4 3 图2 2 2 有无遮挡剔除性能比较4 4 图2 2 3 有无遮挡剔除时绘制结果比较4 4 图3 1 一维分形噪声的构造4 9 图3 2 二维p e f l i n 分形面的构造一4 9 图3 3 地形的不同分形细节5 0 图3 4 利用p e d i n 分形面生成地形几何细节。5 0 图3 5 计算生成几何细节5 1 图3 6 纹理生成算予5 1 图3 7 基于p a t c h - l o d 的实时合成纹理方法5 2 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 8 大地形绘制效果图5 3 图3 9 本算法与w a g n e r 2 0 0 4 的帧速对比图5 4 图3 1 0 地形场景漫游系统5 5 图3 1 1 地形绘制效果图5 6 图3 1 2c p u 与g p u 负载对比图5 6 图3 1 3 地形绘制算法帧速对比图5 7 图4 1 斜向波示意图6 2 图4 2 噪声分形面的构建6 6 图4 3 缠绕分形面的构造6 7 图4 4 分形序列插值6 8 图4 5 网格点的法向量- 6 9 图4 6 分界面处的光线传播图6 9 图4 7 分形面的自我映射7 0 图4 8 海浪频谱示意图7 2 图4 9 方向分布函数7 2 图4 1 0 浅水域地形对波浪的折射7 3 图4 1 l 折射对波浪走向的影响7 3 图4 1 2 水面波方向分布函数的分解模型7 4 图4 1 3f e r m a t 最短路径原理7 5 图4 1 4 本方法与j o h o s o n 2 0 0 4 的帧速对比图7 6 图4 1 5 海面绘制效果图7 7 图4 1 6 轻雾笼罩下的海面7 7 图4 1 7 海面绘制效果7 8 图4 1 8j o h a n s o n 2 0 0 4 海面绘制效果7 8 图5 1h p p 模型的演化过程一8 6 图5 2m p 与f l i p 的对比8 7 图5 3 二维l g b t p 粒子构形。8 8 图5 4 二维l g b t p 碰撞规则。8 8 图5 5 大气流场垂直截面矢量图9 2 图5 6 大气流场水平截面矢量图9 3 图5 7 随机场的扩散对比图。9 4 图5 8 网格粒子集与状态变迁9 5 图5 9 风场驱动效果的切面示意图9 7 图5 1 0 复杂风场对规则粒子集的驱动9 7 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 1 粒子的分裂示意图9 9 图6 1 大气中各种粒子散射尺度分布1 0 3 图6 2 多次散射示意图1 0 4 图6 3 散射的几何图像1 0 4 图6 4 散射示意图1 0 6 图6 5 太阳光在云中的散射。 图6 6 一次散射函数与二次散射函数。 图6 7 云景绘制效果图 图6 8 粒子系统流程图。 1 0 7 1 0 8 1 1 0 图6 9 多粒子集的粒子系统流程图1 1 1 图6 1 0 基于l o f 的多粒子集粒子系统流程1 1 2 图6 1 ll o f 系数与加速比之间的关系。 图6 1 2 各种大小的云粒子集绘制效率1 1 5 彩图l 云景绘制效果图 第v i i i 页 里堕型堂垫查查兰堑壅竺堕堡主兰焦丝苎 表目录 表2 1 地形概要信息2 2 表2 2 位平面行程编码2 7 表2 3 稀疏矩阵0 行程编码2 8 表2 4 时间与空间比较2 8 表2 5f h c 与p t c 的比较2 9 表2 6p w c 、p t c 和f h c 的计算复杂度比较2 9 表5 1 云的分类8 l 表5 2 云的基本属性变量符号表8 2 表5 3 。8 2 表5 4 云物理方程变量、常量符号表8 2 表5 5 二维l g b t p 模型与h p p 、f h p 模型的比较数据9 2 表5 6 三维l g b t p 模型与h p p 、f c h c 模型的比较数据9 2 表5 7 基本的变换规则9 6 表5 8 分裂与重构算法的复杂度分析1 0 0 表6 1 散射函数查找表1 0 9 表6 2l o f 绘制与非l o f 绘制之对比数据1 1 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中 学位论文题目： 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 日 本人完全7 解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；* - i 以将学位论文的全部或部分内客编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 撇姗：丛绁塑墨型童型 学位论文作者签名：垄丝基 日期：翮年年月厂日 作者指导教师签名：鸳 牿 日期：知口多年乒月，日 里堕型兰垫查奎兰里茎生堕堡主兰垡笙苎 第一章绪论 虚拟战场出现和发展，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃： 人们可以通过建立虚拟战场( 即作战仿真系统) 训练军事人员，也可以通过虚拟 战场检验、评估武器系统的性能和作战方案的优劣l l 】。因此，虚拟战场研究一直 受到许多国家的重视。 虚拟战场就是利用虚拟现实技术生成虚拟作战自然场景，并在保证其一致性 的基础上，通过计算机网络，将分布在不同地域的虚拟武器仿真平台联入该仿真 场景中，进行战略、战役、战术等想定演练的分布式交互仿真应用环境。 虚拟战场中自然场景是否逼真，对于战术一级的虚拟演练具有十分重要的意 义。而且随着虚拟战场的发展，自然场景对于武器效能、作战行动乃至于重大决 策都有不容忽视的影响。因此开展虚拟自然场景仿真的研究，不仅有利于提高场 景逼真度，而且能增强作战仿真的可信度。另外，虚拟自然场景也应用于交互娱 乐、文化教育，虚拟展览、生态规划等诸多方面有着广泛的应用前景。 1 1 虚拟战场与虚拟自然场景 要使我国位于世界强国之列，就必须建设并保持强大的、现代化的国防力量 和军事威慑手段，就必须进行经常性的现代化的军事训练和演练。传统上，各个 国家习惯于通过举行实战演习来训练军事指挥员和士兵。而现代战争的发展趋势 是规模越来越大，综合性越来越强，科技水平越来越高，耗费资金越来越多，若 采用实战演习的训练方式必将耗费大量的资金和军用物资，大大加重国家的经济 负担，而且实战演习的安全性差，容易发生人员的伤亡；其次，为了确保战争目 标的顺利实现，需要对各种可能出现的复杂情况和各种可能实施的战略、战役、 战术想定进行论证和评估，并从中选择最佳的作战方案，而这些要完全在实战演 习中进行是不可能的：此外，大规模的实战军事演习往往还具有高度的政治敏感 性，并且受限于国际条约和国际舆论。传统的实战演习已无法充分适应现代化军 事训练和演练的要求，因此，迫切要求军事仿真训练和演练技术的突破和模拟手 段的现代化。 1 1 1 虚拟战场的发展历程 近十几年来，随着科学技术的发展，特别是计算机网络和计算机图形学的快 速发展及广泛应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过 建立虚拟战场来训练军事人员，检验武器系统的性能和评估作战方案的优劣【2 】。在 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 虚拟战场中，参与者可以看到在地面上行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升 机、歼击机和导弹，在水面上和水下游弋的舰艇；可以看到坦克和装甲车行进时 后面扬起的尘土和被击中时燃烧的浓烟；可以听到飞机或坦克的隆隆声由远而近， 并根据声音辨别目标的来向和速度：参与者可以瞄准、射击上述目标，也可以驾 驶坦克、飞机等武器平台仿真器。 虚拟战场既可以进行战术层次的演练，又可以进行战略层次的推演，作战计 划人员可以通过虚拟场景仿真进行方案的评估与筛选。 美国是最早开展战术虚拟训练和虚拟战场研究的国家。早在1 9 8 3 年，美国国 防部高级项目研究计划局( d a 砒 a ) 和美国陆军就共同制定了s i m n e t ( s i m u l a t i o n n e t w o r k i n g ) 研究计划，其最初目的是企图将分散在不同地点的地面车辆( 坦克、装 甲车) 仿真器用计算机网络联系起来，形成一个整体战场环境，从而进行各种复杂 任务的训练和作战演习i | j 。到1 9 9 0 年，已建成了分布于美国和德国的1 1 个基地， 包括约2 6 0 个地面车辆仿真器和飞机飞行模拟器，以及通讯网络、指挥中心和数 据处理设备的综合仿真网。通过这个系统可以训练军事人员和部队，也可对武器 系统的性能进行研究和评估。 近年来，虚拟战场得到了很大的发展。目前，在国外虚拟战场已应用于陆、 海、空、特种部队等多个军兵种的军事训练，并且开始支持具有一定规模的诸兵 种联合演练。 总结s i m n e t 研究、开发和应用过程中积累的经验，美国军方和工业界在 s i m n e t 的基础上，共同倡导并着手建立了异构型网络互联的分布式交互仿真系 统d i s ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 例，把它作为美国面向2 l 世纪的一种信息 基础设施，并着手在各军兵种开展各种高级概念技术演示项目的研究。这些项目 共有3 9 个，其中2 6 个已经在2 0 0 0 年内完成。其中典型的有b f t t 、j m a s s 和 c a t t 等。b f t t ( b a t t i ef o r c et a c t i c a lt r a i n i n gs y s t e m ，作战兵力战术训练系统) 是 由美国海军开发的一个舰船内嵌式海战模拟训练系统，它直接把舰船的各种传感 控制设备与一个虚拟的战场环境相连接，用于训练从船员到舰长等各级参战人员 的操纵、作战及指挥能力。近l o 年的研究和应用结果表明，b f l ，r 可以为设备操 作、作战评价、系统配置和模拟武器的损毁过程提供较有效的训练环境。 j m a s s ( j o i n tm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o ns y s t e m ，联合建模与仿真系统) 是一个由美国 w r i g h tp a t t e r s o n 空军基地开发的仿真系统。目前的版本主要用于多个领域的建模 与分析，如电子战的研究与开发、测试与评估等。c a t t ( t h e c o m b i n e d a l m s t a c t i c a l t r a i n e l ，多兵种战术训练系统_ ) 是一组由美军t m a 投资，并由仿真、训练与装备 司令部管理的训练系统。其目的是应用逼真的虚拟战场环境进行对抗演练，以训 练各兵种营以下级别的指挥人员。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 n p s n e t 是美国海军研究生院研究开发的一个分布式虚拟环境，其目的是研 究国防与娱乐业应用中的大规模虚拟环境所需要的人机交互技术与软件技术。主 要研究方向包括：网络化虚拟环境、计算机生成实体、人机交互技术和可视化技 术等。该项目组对分布式虚拟环境的体系结构以及虚拟仿真实体的建立都进行了 深入的研究，许多技术成果已为s 1 o w 和j s i m s 项目所采用。 当各单兵种虚拟战场环境发展到一定的规模与水平后，美国国防部开始尝试 研制具有一定规模的多兵种联合作战综合演练环境。从1 9 9 4 年开始，由美国 d a r p a 和美军大西洋司令部联合开展了一个高级概念技术演示项目：战争综合演 练场( s y n t h e t i ct h e a t e ro f w a r ，s t o w ) 。其目的在于研究大规模高分辨率( 实体级或 武器仿真平台级) 仿真对指挥与参谋人员联合训练以及任务预演的支持能力。英国 作为合作伙伴参加了技术开发和军事演练的全过程。1 9 9 7 年，举行了s t o w 9 7 的 联合演练，参演节点分布于美国和英国的5 个不同地点，通过先进且安全的a r m 网络互联，共有3 7 0 0 多个参演实体，8 0 0 0 多个参演对象，使用了5 0 0 k mx7 5 0 1 a n 的合成地形环境，演示了天气变化、球形地面、自动化合成兵力指挥、动态目标、 智能传感器以及与真实c 4 i 系统的连接等多项功能。 客观地讲，s t o w 是一个高级概念技术演示系统，还不是一个真正的实用系 统。 s i m s