（计算机软件与理论专业论文）视景仿真技术及其应用研究—分队战术训练模拟系统研究.pdf

摘旺 摘要 随靴两科技和：现代l 浅争t ，f 门j 泛廊川，我嘲军1 拜埘仿真技术| 勺需 求也lia 髀“，分队ro 戎求训练刘仿真技术的i 4 j 求足j i 的典j 咀。研制 川j 1 ：发：； 1 1 j m 川软件“分队i l 术训练模拟系统”，既i ，r 以捉r 舒分队指挥 员的战术水l _ f | i ? l 【纵指挥能j ，还j 以对参谋人员进行作业圳纫、。它 为住- i 也演练j l ：膦了+ 条既能达到训练| ，义能肖省资金、节省人力、 降低风险、一i 受天。e 和环境限制的仝新途径。 小文采川先进的视景仿真蹦论和计算机图形学技术，对分队战术 训练模拟系统的祝景仿真技术进行了深入的研究。和此壤础之l + ，本 文利川标准图形软件接e lo p e n g l 和支持可视化编程的集成丌发环境 v c + + 6 0 编程实现了一个有较高实 j 价值的视景仿真系统。本文主要 时桃景仿真系统的关键技术进行了研究和实现，l 体如下： 1 真实感地形阁的实时牛成技术。从地形表嘶简化技术、纹理 贴削技术等方_ i f i 划真实感地形矧实时生成技术进行了详细的 研究。 2 虚拟人体的动画技术。从虚拟人的儿何建模技术、运动建模 投术、运动控制技术等方面，对虚拟人体动l 画技术进行了较 为详鼻 l 的研究。 3 作、饯行动效果的模拟。从火焰、爆炸及j s 效的仿真建模方法、 t 疗真实现途径等方面，时作战行动效泶的模拟进行了研究。 4 视景仿真系统的整合技术。先对。个视景仿真系统的柑关要 素进行了分析研究。最后，在本文的研究壮础上，我1 rj 完成 r 个视景仿真系统的整合。 本文的刖究成果媳有j 。泛的适用1 p ：，对车瓢仿真领域武器皴备i | ， 台坊真、其它种类的作战指挥仿真、r t 出略决策仿真等1 i 嗣层次仿真系 统都具铂借鉴作剐和参考价值。 关键涧：分队r 钱术训练模拟系统视景仿真地形刚形m 成技 术人体动面11 1 战仃动效粟 阿北1 、人学坝i j 论文a b s t r a c t a bs t r a c t 10 n gw il ht h e 。x t o n s iv e a p p l i c a t i o i l0 f th eh i g ht e c h n o l o g y jf it h em o d e f l lw a r ，l h e r e q u t f o m e 2 r l t0 fs j m l l l a t jo njsa ls 0 in c r e a s f n 9 1ys l r e n g t h ef lin ( 1 u fm t lt t a r ya f f a ir s t h es i m u 【a l i o r l s y s t e n l o ft h ee 1 e m e r l tt a c t i c st r a jn in g ( s s e l 1 ) isat y p ic a l r o q u i r c 3 1 l l ( 3 r t t0 fs i m u l a t i o n i tc a r l i m p r o v et h es t r a t e g i c1e v e ia n d t h e0 g a n i z in g c a p a c i t y ， a n da l s o g i v e ag o o d p r a c t ic ef o r b r a in 盈n n 1 to f f e r e dat i e 7 p a t hf o r d r jl l i r i gt h a tn o to n j v c a r l a t t a int h ep u r p o s eo f t r a i n i n g b u ta 1 s oc e l r ls o n et h ef u n d sa n d t h e r n a n p o w e t - t h e t e c h l 2 i q u eo fv is i o f ts i i n l l l a t i 0 1 is s t l 1 d i e di nt h isp a t o e r w h ic hisa n i m p o r t a n tp a r t o fs s e t w i t h o p e n g l a n dv c + + 6 0 l a n g u a g e ，t h ev i s i o i ls i i l l l i l a t i o ns y s t e mh a sb e e nt e a iz e d t h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h ev is i o ns i m u l a t i o nw h ic hh a v eb e e nd e v e l o p e d a n dr e a li z e di nt h i s p a p e ra r ea sf o ll o w s ： 1 t h er e s e a r c ho f it h ea l g o r i t h m0 ft e a 1 t i m er e n d e r i n g0 f t h e d i g i t a l t e r r a in t h e t e c h n 0 1 0 9 y 0 fs u r f a c e s i m p 】i f i c a t i o r l a n dt e x tl i f e p 1 a s t e r a r e1 1 1 3 in 1y d is s e r t e d 2 t h ea l l i m a t i o n0 fv i r t u a lh u m a n sh a sb e e r ls t u d i e d t h e t e c h n 0 1 0 9 i e so fg e o m e t r ym o d e l i n g m o t i o nm o d e l i n g0 - 1 3 d m o t i o f tc o n 乞r o la r ed i s c u s s e di nd e t a il 3 t h e s p e c i a l e f f e c t so fs i i t 1 a t i o ni nt h ev i l - t t l a l b a t t l e f i e l dw e r es t u d i e d t h em e t h o d s0 ff i l ef l a m i n g b o m be x p l o n i o ne f f e c t sa n ds o u n dr l l o d e lir t ga r ei n t r o dl i c , e d i nd e t l i t i 1 4 c o n l p l e t e d v is i o r ls i m l i l a t i o i 3 s y s t e m is p u t f o r w a r d s o m ee l e m e n tso ft h es y s t e mb e i n ga n a l y z e d t h ev is i o n s i m u 】a t j o ns y s t e misa c c o f n p l i s h e d ， 1 、h e1 7 e s u l ts0 ft h isp a p e r1 3 a nb eu s e dw id e l y a sav a l u a b l e 1 1 两l l k 凡学坝l 论殳 a b s t r a c t r e r ef e n c eint h ea r e ao f m a n y s i l i u l a tjo n s y s t e m s k e yw o r d s ：s s e i 、1 v fs jo ns j m u l a t io n ，r e n d in a 1 9 0 t ig h mor d jg i t a lt e r r a in ，a n i m a t i o r lo fv i r t u a lt t u m a n s i l i 旧l lr h l 凡学坝l 睦殳第肇绪沦 第一章绪论 1 1研究背景 1 1 1 军事仿真的需求 当今雌界，“和平与发展”已逐步成为人类社会发展的主流。但局 部军事冲突仍然存在，并有激化的趋势。各国一方面开始逐步裁减军 费丌支，减少国防预算，从而大力发展社会经济；另一方面大力发展 军事科技提升武器系统打击能力与联合作战水平，各国在武器采购 上占用国防预算的比重也越来越大。各国都希望能够在有限的国防预 算中，通过减少其他方面的消耗来弥补国防预算的不足。其中，通过 提高军事演习的质量和演习的效率，减少实战军事演习的次数，是缩 减国防开支、提升军事水平的一种重要手段和有效措施。 传统的军事演习方式由于存在许多缺点，比如耗资巨大，会产生 人员伤亡；军事演习的规模、过程、效果会受到敌方间谍卫星的侦察； 演习的过程存在不可追溯性；演习效果容易受地理、气候等环境的限 制：军事演习涉及人员多、开支巨大等原因，难以满足当今军事技术 发展的需要。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，特别是计算机图形技术、 多媒体技术和仿真技术的快速发展与成熟应用，使得军事演习在概念 上和方法上都有了一个新的认识和飞跃。人们可以通过建立作战仿真 系统来训练军事人员，利用仿真系统进行演习训练，可以方便地反复 组织，节省训练经费，节省场地，安全无污染，训练不受时间、场 地、气候等因素的影响，减少了训练保障人员和工作量，保证装备 的完好率。提高了训练的消费比。同时，也可以通过虚拟战场柬检 验和评估武器系统的性能。另一方面，新技术、新武器的发展导致新 的战争环境发生变化，利用军事仿真技术，可以检验新的战法、新的 战术体系甚至产生新的战略思想。 军事仿真是指那些应用于军事目的的仿真模拟。按仿真对象的层 次划分，一般可以将军事仿真的需求划分为三大层次。 北1 , i k 凡学坝l 论文箱带绪论 第。层次也【| j 最低层次，迁对武器装备系统及平台仿真的需求， 即对l i 】译件武器装蔷平台构成的武器系统进行仿真，t 要目的足对新 武器系统进行研究改计，剥武器系统的性能进行评估。以及利用仿真 系统埘使川该武器的人员进行训练。 第：二个层次的需求是作战指挥仿真，义称作战仿真模拟( w a r g a m i n g ) 系统。在这类仿真系统中，利用计算机创造出模拟的战场 环境，参与作战的指挥员在模拟的战场环境下进行指挥训练对作战 方案进行评估，对武器装备的作战性能进行评估等。该层次的仿真模 拟系统又可以划分为：分队战术( 连排、少量武器平台作战等) 、合i 司 战术( 师旅团营作战等) 、以及战役( 联合战役、军种战役、军以上作 战等) 三个层次。该层次仿真的熏点是对作战行动、战损消耗、作战 环境的表示和制约等方面进行仿真模拟。 作战仿真模拟系统一般由以下几个部分组成：念势显示系统。仿 真模拟系统，指挥作业系统，以及综合数据库系统等。如果作战仿真 模拟系统的侧重点在作战方案评估，则系统作战模型及其数据的合理 性就至关重要，不能有大的偏差，否则就难以得出正确的作战方案结 论。但与指挥过程相关的系统可以适当简化。如果仿真系统的重点在 训练，则武器、作战模型及其数据只要相对合理即可，因为训练的重 点在于指挥的过程，要为指挥员创造出一个接近实战的指挥环境。因 此，这种仿真系统的指挥作业系统一般都要与真实的指挥自动化系统 ( c 4 i s r 系统) 互联，然后通过这些系统传递指挥命令，并转换为仿真 系统的输入，最后得出仿真计算的结果。进一步通过作战指挥的恰当 途径( 例如态势、情报、战况报告等) 反馈给受训人员。作战仿真模 拟系统可以是单方个人指定作业也可以是单方集团作业，还可以支 持双方对抗。如果是单方作业方式，仿真系统需要模拟敌方作业，敌 方所有行动都必须由仿真系统自动或半自动进行。如果是对抗方式， 对抗双方各自完成自己的指挥过程，仿真系统根据指挥决策进行仿真 计算得出相应的结果，并按照时间不断地在态势图上反映出来，再 提供给双方继续进行指挥决策。 第三个层次的需求，称为战略决策仿真，就是指利用现代计算机 仿真技术，建立起虚拟的国家安全环境，对战略层次决策的问题进行 箱节特论 研究许估、预测和模拟，利朋高层模型定量与定性的运算，以获得列 岛层决策较为可信的结果。 1 1 2 国内外发展概况 1 1 2 1 国外军事技术发展现状 当前，世界各田特剐是军事技术较先进的圜家，都很重视作战模 拟技术的研究与应用。其中美国研究此项工作最早。由于作战模拟在 军事训练、作战研究、武器装备评估等领域都县有重大作用，美国军 方直将之视为质量建军的重要环节。 美军仿真与建模的现状与特点，一是类型多、数量大，应用广 泛。按其说法划分为计算机对抗模拟、平台武器系统仿真模拟和带 测量装置的对抗演习三大类。仿真建模的应用贯彻于武器装备转化为 战斗力的全过程。在武器装备研制1 j ，要进行需求评估，概念设计的 原型实现；在武器装备购买前，要进行测试、评估和使用条例拟定； 在武器装备应用于作战以前还要进行任务演练把c 3 i ( c o m m a n d ， c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n s i n t e l l i g e n c e ) 系统与作战演习一体化井进 行军队和指挥员训练。二是用高技术实现高水平建模与仿真，对作 战模拟系统的主要性能考核指标是：决策问题的有效性( 逼真性1 、 可信性、灵活性和经济可承受性。当前提高作战模拟系统性能的技术 主要有，从硬件方面考虑；高性能计算机技术；从软件方面考虑：专 家系统技术、面向对象仿真技术、高性能实时数据库技术等。从用户 界面角度考虑：动画和三维图形显示技术，直观图像生成以及虚拟现 实技术等。三是研制和应用分布交互作战模拟系统( d i w s ) 。即把远 程通信技术和作战模拟技术综合起来，使分散在各地的仿真模型系统 和实际战斗单元能在一个共同的仿真战场环境下，进行作战对抗模拟。 分布交互作战模拟的特点是指挥和作战单元直接联系，战场环境逼真 且资源共享，因而可以大大提高作战模拟的有效性，并节省开支。 1 1 2 2 我国军事仿真现状及其存在问题 随着仿真技术在军事领域得到f 1 益广泛的应用，我国军队在作成 指挥、作战方式等方面将发生重大的变化。这就要求我军指挥系统必 粱争绪论 须具订指挥、m 调、控制多军兵种，并在扩大的战场上能够快速有效 地进行联合作战的能力，在和m 1 时期，可以运用作战模拟系统进行一! 事训练，i j 要对各级指挥负及其机关的指挥、谋略、决策水平进行研 究，并支持进行单兵技术本平的训练。战时，它可以为指挥员提供望 精确的决策依捌，提供更高级的“预测”能力，使指挥员w 以争取更多 豹时阐。及时f f ：礁地指摆部队灼行动。 在今后一段时间内，世界爆发大规模全面战争的可能性不大，战 争的主要类型是局部区域战争。因此，在作战模拟领域内，战区级模 拟系统将是本项日研究的重点。 目前我军已经建立了许多作战训练侪蕻实验室。研制了战役、 战术层次的作战训练模拟系统，并初步形成了与之相适应的组织实施 对抗演习的新理论、新战法，标志着我军多层次仿真模拟作战训练走 上了个新约台盼。为我军在实验室“锻造”耨一代赢素质复合型军 事指挥人才提供了有效的新途径和有力的新手段。国防科太、北京航 空航天大学、航天科技集团公司等单位也开始了h l a ( h i g h l e v e l a r c h i t e c t u r e ) 技术的研究工作，有的单位已经成功地研制出了r t i ( h l a 的关键翮分l 系统。在2 0 0 2 年中国首套装甲兵数字化部队作战侑真 系统和南京陆军指挥学院作战模拟系统相继问世，但是作战仿真系统 应具有的虚拟战场环境逼真性和自动控制能力仍是欠缺的。研制模拟 传统作斌环境，训练旅级以上指挥富段其参谋人员较完备趵作战伤真 系统仍需进一步研究其相关技术。作战仿真系统的相关技术研究已被 作为国家自然科学基余重点攻关项目，许多国家重点实验室也将其作 为重要的研究方向进行研究。本文就是在这样的背景下，将陆军分队 战术模托【系统中的祝景仿真系统作为研究方向，在实际项目中进行了 大量实践和探索，希望能为我国作战仿真系统研究做出一定的贡献。 1 2研究内容和目标 1 2 1 研究内容和本文钠贡献 本文主要是针对军事仿真需求第二个层次中陆军分队战术模拟系 统( 连甍# 、少量武器平台作艘等) 劝视景绫真系统进嚣褶关技术的研 究工作。 筘母绪论 丰l ! ；! 掘军事总体需求，分队战术训练模拟系统般育导演： ：竹：分系 统、地理信息分系统、鏊础数据分系统、组织计划分系统、战? 托制 分系统、战一模拟分系统、念势显示分系统、信息统计分系统、视景 仿真分系统、信息传递分系统等l o 个部分组成。如图1 1 所示。 图1 l 1 分队战术训约；镆j 盟系统的组成 视景仿真分系统主要完成三维战场场景的生成、显示和管理以及对 实体模型的制作和编辑工炸。受训人员馕用战场视景系统能够以楚一视 角观察逼真的虚j 薯i 战场环境，对作战地区的地形、敌情等情况作进一步 的了解和侦察，为制定详细的作战策略奠定基础。另外通过视景仿真分 系统与态势显示分系统( 将魂态数据库中的数据实时地以多种方式显示 给导演及红蓝双方指挥员) 的结合，可蚪为红、蓝双方的指挥员和导演 提供可靠决策依拐。在为导演和红蓝双方指挥员提供的三维视景图中， 系统提供战斗准备输段显示鸟嗽圜、承平四个角度的网格式立体地形 图、规定显示高度的彩色立体地形图、按高程区闽划分的立体地形图、 彩色地形剖面图、网格地形立体透视图、指定地域的数据放大立体显示 圉等。系缆还支持导演私红蓝双方指挥员对鼹显示鲍霭形迷孝亍妞下变 换：0 3 6 0 度范图内任意方向的旋转、o 9 0 度的视平角改换、任意比例 p q 北iq k 、掌坝_ 娩殳第扫绪i 仑 帕水、f 和承盥的扯”。系统还允许：川放大、缩小、漫游、旋转、推执镜 头等矗式控制= ! 维地形的娃示，进行动态观察。存战斗实施阶段，视景 仿真系统从战斗控制分系统( 一盘斗控制分系统主要刚于受训人员在战斗 实施阶段对模拟的作战单元下达干预命令，从而指挥控制分队的作l 饯行 动) t ”接收作战实休虚拟人的运动信息，将运动信息翻译成一系列天节 角柬马 l ：动虚拟人运动，并在刑抗过程中加入相应的特殊效果( 如爆炸效 果等) 。 ， 本文根据陆军分队作战训练的实际需求，对分队战术仿真系统中 视景仿真的相应关键技术进行研究，并且在p c 机平台，l ，以v i s u a l c + + 6 0 的基本类库为基础，使用标准图形软件接口o p e n g l ，基本上 实现了一个陆军分队战术仿真的视景仿真系统。该系统主要包括以下 几个部分：真实地形显示、人体动画、特殊效果的制作和视景仿真系 统整合的相关技术等。 本文的主要研究内容和贡献包括： 1 地形表面的简化技术。在三维场景的绘制中。如果采用简单 的z b u f f e r 算法，则不论场景中的图元是否位于视区之内，都需 要对其进行变换和裁剪这对图形处理系统来说是很大的负担。 特别是在对大范围的地形模型进行处理时，往往包括数以百万 计的三角形。如对它们一进行相应的变换和裁剪，需要花费 大量的时间实时性难以让人接受。如能在实时绘制时，事先 剔除掉用户不可见的部分，或尽可能地简化之，则无疑可以有 效提高实时绘制的速度。本文采用与视点相关的动念简化技术， 先对地形模型中的区域块进行裁减，然后对可见区域块内的网 格点进行裁剪较好地解决了三维场景的实时显示问题。 2 研究了体现真实三维地形的纹理贴图技术。地形的真实性足 地形可视化的重要组成部分，除了乖j 用光照技术使地形有明暗 显示外，通常为了提高地形的真实性，还可以添加图像纹理( 如 叠加卫星照片、彩色地形图等) 。本文采用实际地形区域的彩色 地形图的r g b 颜色值，先对不同的地貌类型着色，然后再将刁； 同地貌类型着色的颜色信息与土质的纹理颜色相融合，实现了 旃一蒂绪醣 地形娃示纳逼真度。 3 研究了虑拟人模! 她的简化和几何模型建立技术。本文采j 1 】二i 维模型文件o b j 存储简化晌人体模型数据，然后从浚模理文件 中读取模型数据并在o p e n g l 中绘制，形成本文虚拟人的几十 模型。 4 研究了虚拟人的运动建摸技术。本文根据人体骨骼m 的继承 关系，采j = i ：| 树结构描述人体运动模型的层次结构，实现了虚拟 人运动模型的建立。 5 ， 实现了虚拟人运动控制算法。驱动三维高逼真度人体仿真模 型，需要的是各关节的相对旋转角度。所以，奉文首先采集人 体运动的棚关数据，然后将采集的数据转换为关节驱动数据 用于驱动三维人体模型的运动，最后在3 、4 研究的基础上实现 了虚拟人运动控制算法，满足了系统要求。 6 实现了特殊效果的生成和显示。如火焰、爆炸、声音效果等。 7 研究了基于o p e n g l 的视景仿真系统整合算法。从系统整合 的角度，实现了仿真场景中的视点变换技术、地形场景中任 点的高程值查询算法及接收和解析网络数据的流程。 8 本文采用v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 编程实现了一个陆军分 队战术仿真的视景仿真系统演示版。 1 2 2 研究目标 视景仿真系统是分队战术模拟仿真中最关键的组成部分，也是分 队一钱术模拟仿真的难点。本文力求实现一个分队战术训练模拟系统中 的视景仿真系统。本文对视景仿真系统各部分的具体研究目标如f ： 生成高分辩率( 1 - 15 米) 三维真实地形场景，可以在生成的 三维地形场景上提供地物坐标，方便地物模型( 例如树、导弹、坦克、 弹坑等) 放置在相应的三维地形中，并且可以报据需要随对查询地形 某坐标位置的高程值。 三维战场视景的显示，能支持对所有显示的战场视景进行如 r 卜操作：0 3 6 0 废范围内任意方向的旋转、o 9 0 度的视平角改换、 任意比例的水平和垂直方向的拉伸。能用放大、缩小、漫游、旋转、 球帝捕陡 礁镜头等方式控 i | i ? t 维地形的显示，进 f 动念观察； f i 真x , 1 抗”始厉，当仿真节点通过网络收到命令信息列，i u 以史持驱动竹；战堆冗( 虚拟斗：兵) 的所有呵能行为。 支持对抗过程t 1 ，加入年 1 应的战场特效( 包括烟、火、射，瞳、 璨炸及火焰效果) 。 馨_ 本实现一个视景仿真系统的演示版。 1 2 3 研究平台 山于浚仿真系统的重点在于训练，所以其模型及数掘相对合理u | j 可。因为o i i 练的霞点是在指挥的过程，其重点在于要为指挥员创造 i l 一个接近实战的指挥环境，最好与实战指挥系统柏一致。因此交互自i l 练场景的显示效果及虚拟人行为的控制至关重要，它们将直接影响到 系统的整体效能。为了获得良好的训练效果，提高场景显示的逼真度 及对虚拟的人行为进行按命令控制，以v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 作 为开发工具，采用了基于o p e n g l 的三维图形标准柬实现训练场景的 显示及人体动画功能。 o p e n g l 是s g i 公司开发的可独立于操作系统和硬件环境的三 维图形库工具包和显示平台软件，它灵活方便地支持图像的二维和三 维高级操作技术，具有建模、变换、光线处理、色彩处理、动画等能 力；以及更先进的如：纹理映射、物体运动模糊效果和雾化效果等能 力；并在性能上有优越的表现。由于o p e n g l 独立于硬件，因此在 o p e n g l 中没有任何窗口操作和获取输入的命令函数，它仅仅是一个 高级图形函数库。为了实现分队作战仿真系统的交互式训练场景，使 o p e n g l 与v i s u a lc + + 结合，利用m f c 的优秀编程能力和o p e n g l 的图形处理技术，用c + 十为程序提供逻辑结构，用o p e n g l 指令提供 圉形较件和硬件的接口，实现了交互式秽 f 练场景和人体动画工作。 1 3 本文的内容组织及安排 下面将本文完成的主要工作及各章节内容安排介绍如下。 第一章介绍了分队战术仿真系统的研究背景及本文的主要研究 内容与研究h 标。井简要介绍了支持视景生成的程序设计语。若 8 - 椎啦绪论 o p e n g l 的：【：作原理。 第二章从地形实i i , l ，j ：成f 向简化技术、体现地形逼真度的纹里1 1 贴 l 划技术等方而对虚拟战场的真实感地形图的实时生成技术进行了详 细研究。 第三章首先报捌人休的运动特点和仿真方法，提出了适翕本仿 真系统要求的人体动画实现算法。然后详细闹述了木文虚拟人模型的 建立方法和虚拟人的运动控制技术。 筇四章对作战行动效果的仿真方法进行了研究。主要对火焰、 爆炸、及声效等三种动念效果进行了仿真模拟。 第五章研究视景仿真系统的整合算法，从系统整合的角度对视 景仿真系统中地形上任一点的高程值查询、视点变换技术、接收和解 析网络数据的流程等进行了分析研究。 最后一章结束语，总结全文，随明了本文所作的主要贡献并指 出本文的不足及有待进一步研究的工作。对分队战术仿真系统中的视 景仿真系统如何进一步开展深入研究的方法、技术和完善措施提出了 自己的建议。 i ，q 北f n k 丸学艄l 论立=第一尊真贫感地形剀j _ f ；生成技术 第二章真实感地形图生成技术的研究 作战仿真系统1 - 的战场是。个虚拟的地形场景，它是军事仿真系 统n 勺摹础。能够准确、真实、实时的模拟战场的真实环境是对地形仿 真的雉本要求。木章从地形的实时生成、纹理贴图等方面对虚拟战场 的真实感地形图生成技术进行了详细的研究。 2 1引言 2 。1 1 地形数字可视化技术的发展 地形的实时绘制( 即地形的数字可视化) 技术在作战指挥系统、 模拟战术训练、车辆驾驶训练、地理信息系统以及娱乐等领域有着广 泛的应用，在过去几十年晕，尽管图形硬件技术已经有了快速的发展， 但由于地形模型数据量大，对计算机计算资源要求极高，所以它仍然 难以满足大规模三维场景数字可视化的需要。因此，模型简化技术、 多分辨率表示技术和层次细节( l o d ，l e v e | o f d e t a i l ) 技术成为近年 来可视化技术研究的热点。 早期的模型简化技术适合于复杂几何对象的预处理，以生成该对 蒙的静态多分辨率表示，不适用于实时交互系统；而后| 柬出现了实时 简化技术，但仍然是主要针对复杂的几何造型实体，不适用于地形的 多分辨率表示。 而早期针对于地形的多分辨率表示都以非规则三角形网格 ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k s ，t i n ) 结构为基础。采用层次结构 的三角剖分表示多分辨率地形，由于生成的t i n 结构需要大规模的计 算，所以一般在实时交互中难以使用。 与视点相关的篱化技术不同于以前的简化技术，它不再把模型看 成一个整体来简化，丽是针对视点豹位置，对模型中各个局部分别进 行细节简化。k l e i n 等提出的基于t i n 结构简化算法具有代表性，该 简化算法构造了一种与视点相关的t i n 机构，用于表示交互中的地形 几何信息。当视点改变时，运用d e l a u n a y 三角剖分法重构t i n 结构。 k l e i n 的算法提供了精确的误差控制机制但由于使用d e l a u n a y 方法 ，q ，i t ；h 他人学坝i j 沦之 第一市真实感地i 移蚓彤啦成拙水 i 角化，任何局部的修改都会影响到仝硒，使其简化速度受到影响。 值得提的是，h o p p e 也将自己提 5 的p m ( p r o g r e s s i v em e s h ) 模型应川 到地形的多分辨率表示方面一一v d p m ( v i e w d e p e n d e n tp r o g r e s s i v e m e s h ) 并且提供了与视点相芙的支持。为了避免三角剖分给金局酬 格t 凇水影响，v d p m 将地彤预先分成大小相等的若干块，在块的内部 实施p m 算法。但山于不能解决拼接问题，块与块之f e 】j 只好保持不简 化。这在一定程度上影响了简化的效率。 近年柬，许多博：l 论文分析了过去针对地形的简化技术和多分辨 率模型，提出了一种有效的、与视点相关的地形模型，这种地形模型 具有动态多分辨率四叉树结构。尽管如前面讨论的那样，前人已做了 很多这方面的工作但真j 下实用且适合大范围的地形可视化算法还不 多见。目前首先要解决的是内存问题，无论是层次模型。还是树的模 型，这些算法消耗的内存均是原始网格d t m ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) 的 l o 2 0 倍。其次要解决的是图形绘制的帧速率问题，不同应用有不同 的最低帧速率要求。此外，也很少有人提及体现地形真实度的地形纹 理映射技术和地形纹理的町编辑性方法。本文就是在前人研究工作的 基础上- ，针对分队作战训练模拟系统对地形数字可视化的实时性、逼 真性和高分辨率的要求，提出了自己的解决方案。 2 1 2 地形实时绘制算法思想 由于地形实时绘制技术与分队战术训练模拟系统的地形图形特点 密切相关，所以我们先柬阐述该系统的地形图形应具备的特点然后 再提出本文的地形实时绘制算法思想。 分队战术训练模拟系统的地形图特点可以总结为以下四点： 1 ) 三维地形场景应具有高的分辨率。由于作战实体虚拟人的行 为，仿真与地形密切相关，人的较小形体尺寸意味着数据地 形要有高清晰度；如果分别率太低，虚拟人的行为难以在地 形上进行清楚的表现，这样会导致以步兵为对象的军事演练 效果难以达到实际要求。 2 ) 三维地形场景能够实现金景及局部显示。全景显示时分辩率 可以适当放宽并且能够做到模型的连续层次细节( l o d ) 显 辩一市真实感地彤嘲彤叫：城披术 示，即计算机侄生成视景时，根獬地形模型离视点距离的人 小，分别硼入详细程度不同的地形模型参! j 视景f n 生成。 3 ) 三维地形场景的表而贴图应可以编辑，以适应不同晌作战地 区，例如陆地、海洋、草地、沙漠等。这就要求不刚的高程 和局部模型区域，要贴不同的纹理。 4 ) 确保地形显示的逼真度，并保证地形的实时绘制速率在每秒 3 0 帧以i 二。 根据上面的四个特点，我们提出了实用的地形实时绘制算法。该 算法也可适用于实现军事仿真系统其它各个层次的地形数字可视化。 本文的算法思想如f ： 1 ) 将整个地形划分成若于区域快，便于地形的区域块裁剪。 2 ) 采用自顶向下搜索层次四叉树的方法对整个地形的各区 域块进行裁剪，将可见区域块( 落在视区内的区域块) 加 入可见区域块链表。在绘制地形前，先对其进行粗略简化。 3 ) 采用连续层次细节实时绘制技术，按照地形的局部起伏程 度和用户视点信息动态确定绘制时的地形网格，算法采用 基于视角的误差度量方法，在满足给定误差阈值的基础上 动念地选择地形节点来实现对地形模型的连续层次细节 ( l o d ) 表示。 4 ) 并利用相邻帧之问的连续性和网格点闯的依赖性，提高地 形的实时绘制速度，确保地形的实时绘制速率在每秒3 0 帧以上。 5 ) 通过使用纹理贴图技术和对不同的地貌类型着色，体现地 形的逼真度，并且实现了不同的区域块可以贴不同的纹 理。 通过使用o p c n g l 与v c + + 6 0 编程进行反复试验，这些算法对于 该系统的地形绘制是可行的和有效的。 基于视角的误差度量方法和层次四叉树结构可以有效减少实时绘 制时的计算量，提高绘制速度。同时为了提高简化效率，要先对数据 节点进行预处理计算每一个地形节点的静态j l 何误差，确定简化过 程中节点操作的执行顺序。纹理贴图技术和对不同的地貌类型着色保 筇一币真实感地形i 璺l 肜q ：j 垃拙术 证了地形! 矗_ ；的逼真度i 手l i 地形纹理的町编辑性。 2 2三维地形的实时绘制技术研究 2 2 1 三维地形的表示 1 d t m 高程数据介绍 与其它三维模型相比，地形模型有自己鲜明的特征。地形数据 般以数字高程模型d f m ( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ) 的形式表示，其点 的坐标可写为( x ，y ，z ) 其中x ，y 分别为该点的经纬度值，z 为其 高度。z 值是按x ，y 等距离采样的，这样的原始数据很适合于用舰则 网格表示。地形上的点整齐地排列在网格上，并把各点的高程值按顺 序存于d t m 文件中。图2 1 为采用规则网格表示的地形示例。虽然不 规则网格在优化显示方面具有优势，但其复杂的数据结构使得算法不 易实现且不便查询。一般地读入内存的d t m 数据可以表示为一 个二维数组t a b d t m m e s h s i z e x 】【m e s h s i z e y 】。其中，m e s h s i z e x 和m e s h s i z e y 分别表示地形在纬度和经度方向上的采样点数。 圈2 1 规则两格 2 管理地影的核心数据结构 1 1区域块的划分 本文首先将整个地形模型分成相同分辨率的若干区域块。每个区 域块的长度和宽度分别记为b l o c k s i z e x ( x 向网格点个数) 和 b l o c k s i z e y ( y 向网格点个数) 。其中b l o c k s i z e x 和b l o c k s i z e y 要满足条件：b l o c k s i z e x = b l o c k s i z e y = 2 “+ 1 ( 参考文献【5 】) 。每 ，q 儿i 、批 。学坝1 论立第一章真实感地彤恻膨，卜i 成技术 个区域块包含了相同数日的网格点，且两个相邻的区域块j 享边界嘲 格点。例如，若： m e s h s i z e x = 513 ，m e s h s i z e y = 513 ： b l o c k s i z e x = 17 ，b l o c k s i z e y = 1 7 ： 那么整个地形模型将分为3 2 x 3 2 个区域块，f 如图2 2 所示) 。 o ) 伯 巫 艚5 1 2 x 图2 2 区域块的划分 这单需要说明的是相邻的区域块共享边界点，所以图2 2 所示的 区域块的划分中b l o c k s i z e x = 1 6 + 1 ，b l o c k s i z e y = 1 6 + l 。 本视景仿真系统地形的分辨率是2 米( 即相邻两个网格问的实际 距离是2 米) 。网格点大约在纬度和经度分别为5 公罩3 公里的真实 地形上采样，其中，m e s h s i z e x = 2 4 9 7 ，m e s h s i z e y = 15 6 9 。本文 划分的区域块长度和宽度为1 7 个网格点，即b l o c k s i z e x = i7 ， b l o c k s i z e y = 1 7 。所以本系统的地形模型共分为1 5 6 9 8 个区域块。 本文对网格点的数据结构定义如下： s t r u c tc z n o d e ， 净两格点的藏性标志 s i g n e dc h a r f l a g s ； 席脚崩彦哲，可彬米灯蔚，舟膨膊彦蔗盘，实骝影不同膨越裙娄删考 盘+ 区域块 第一乖其实惑地i f 善蚓形! 也戚提术 g l u b y t ec o l o r 3 ； ? 该两1 释a j ! 维罐拓， f l o a tx ，y z ： ； 水文定义了刚撩点的蔓个属t l ：扔i 志位标忐刚撂点的属性信息，存储存 结构c z n o d e 的变鞋s i g n e dc h a r f l a g s 中。三个属性标志位分别为： 产如袋嘲格非的役影误差超i “容t ：谋弟，我t 7 说谖点是擞浙静，对其它鱼 有袄赖性( 蔽赖性哟讲述在本。 7 舶绦昆处) ：甭妁我翻说该点没有激活蜘城 ，冉石万万脐耢雒 f l a 6 l a c t i v a t e d _ b i t ，阿格甬待巅尉厨，肘+ f l a 芝c h l l 芝b i t ( x ) 卜如累网格点的1 嫒能位1 香敛礤么嘲格点在当落帧将被绘截， f l a g e n a b l e d _ b i to 在网格点的数据结构c z n o d e 定义的基础上，本文采用了如下的 数据结构管理： 1 ) 中等分辨率的每个区域块： s t r u c tc b | o c k f f 静态锗况f 的误善投影鼙。三角形融台的裱据t 面在详缎彳 纽) - f l o a td e l t a s b l o c k s i z e x b l o c k s i z e y i ； p 疗艚访厦辫瓒膨历万用带席尉嚣据，刀格首膨兹帮劈静产。面存分纠 c z n o a e f i e ：d b l o c x s l z e x b l o c k s l z e y ； 净该区域块豹最小龟肖体包甬盒的两个碗点坐标 f l o a tt o p x r t o p y - t o p z b o t x b o t y b o t z ； - 绘截过钧最霸一帧匏误荐投影啦最小嬗拳l 最大值i a t i l ，i h ： 酋绝对膨膨纣理型存名劈，谢考胛岔灯荣菇厦茸秘征整个增形和 昀索引值：可以根据地形不同匏纹理暧裁舞法伟出选择一 a t t x ，t y ； 净该隧域块丧面法国颦形战构愿锥锌的毽：碍通过此氆田对币鞫鹣地 1 5 。 棚北1 、l t 凡学坝l 沦殳赫一睢真实感地彤【卅形i 二成 i 术 莪獒氆着笆1 日m | b 小| 3 ? f l o a tr m a x ； 卜绘翻每帧n 该匾域块避番证税景体幽叫弛- i n tv i s i b l e ； h 横向该氓域块的i e 永稿甫四个相邻r 域块桷括锌t c b l o c k 硅一嚣e i g h b o u r ， + e _ n e i g h b o u r ，w _ n e i g h b o u r ， “一n e i g h b o u r ； 一棱骶点昀误薷投影谴袍大小索 | 双域块中桷每个衲格点， i n ts o r t e d i n d e x b l 0 c k s i z e x xb l o c k s i z e y | ； i n tb u c k e t ln u m b u c k e t s 1l ； ，i 定义二维数组c b i o c km b i o c k x n u m y n u m 】用于存储上述数 据结构c b l o c k 管理的各区域块。那么二维数组m b l o c k 【x n u m 儿y n u m 】 就表示了整个地形模型。 其中： x n u m = ( m e s h s i z e x - 1 ) ( b l o c k s i z e x - 1 ) y n u m = ( m e s h s i z e y - 1 ) ( b l o c k s i z e y 1 ) 2 1用四叉树结构管理整个地形模型的各区域块 为了加快裁减速度，本文使用四叉树数据结构来管理区域块，如 图2 3 a 、2 3 b 。我们将整个地形模型看作根节点r o o t ，然后将地形 模型如图2 3 b 进行4 等分，得到面积相同的4 个子区域，在4 叉树 中对应4 个子节点( n e 、n w 、s w 、s e ) ，显然低层节点也同样覆盖 整个地形区域，并具有更高分辨率的细节。对于每个子区域，我们可 以采用这样的方法继续划分。直到划分的子区域达到最小的区域，这 罩的最小区域是指上述c b l o c k 定义的一个区域块。将该区域块定义为 4 叉树的叶节点，不再继续划分。对于树中任意相邻层，上一层的采 样精度都是下一层的l ，2 。因而对于树中的任意一非终结节点，都有4 个子节点，而且子节点的采样区域恰好将父节点4 等分。 p q l 1 业人学f i l i ! i 论立 第一审真实博地形i 蝌i | | 生成拉术 糕块地形区 域 i m 0 1 n e n e n e n wn e wn e s e 图2 3 a 四叉捌 冈日盛 第一次划 分 第_ 次划 分 图2 3 b 地形属域的四叉树划分 n w 七n 针对四叉树地形表示的结构特点，文中采用了如r f 所示的数据结 构来表示一一个四叉树节点。 s t r u c tq u a d n o d e ， i 包禽奉点所覆蔷地形区域的立方体包嗣鑫在z 方向上豹鼹人值 黎l 最夺馥t f l o a tt o p z ，b o t z ； 一该苇点穗龋个子转意， s t r u c tq 血a d n o d e * h e i t w ，* s w ，s e ： 3 1使用父母表管理区域块内网格点自j 的依赖关系 上面我们已经叙述了用四叉树对整个地形模型进行划分和管理。 并将上述c b i o c k 结构表示的区域块作为四叉树的时子节点，通过这种 管理思想可以对整个地形进行快速的裁减，得到一个较为粗糙的简化 地形模型。接下来为了加快地形的绘制速度，我们可以根据当前的 地形和浏览者的状态信息，对地形进一步简化，即对区域块内的网格 点进行筛选。 i 于在筛选过程中有一些点会依赖于其相邻点而存在， 也就是蜕，如果它所依赖的相邻点不被绘制，那么该点将会被放弃。 “，l li 札凡掌矧i 。论殳旃帮真实感地形阿蟛牛