基于三维可视化技术的三维态势表达方法

基于三维可视化技术的三维态势表达方法

1地图、三维符号设计与三维地图在传统的作战演习和战争指挥决策中，指挥咨询员通常通过在二维地图和沙子上绘制二维标记和手动移动沙田模型来描述战场态势。而随着虚拟现实技术在军事训练和作战指挥上的逐渐推广应用,以及地图作为认识战场环境最主要的工具,经历了从静态地图到动态地图、从平面地图到多维地图、从纸制地图到电子地图再到“可进入”的地图——虚拟战场环境的发展过程后,在三维环境下用三维作战标图系统来辅助作战指挥人员感知战场态势,已经逐渐被推广应用,对三维符号设计,三维符号变量和三维标图系统的研究也逐渐成了研究的热门。基于三维可视化技术的三维地图以逼真的三维符号代替了传统的二维符号,地图进入了多维、动态、可交互的发展阶段,三维符号是二维符号的合理化拓展,对三维符号体系的设计能够使使用者更好的识别和认知空间信息,如在三维数字城市的建模中,除了对建筑物、街道、树木等采用的逼真实体模型外,对城市的三维抽象符号的建模也是很有意义的(尤其是对中小比例尺的城市建模)。然而,由于三维符号变量研究没有统一的标准,对三维模型符号的研究目前是各成体系,对三维模型符号设计的合理性理论分析也比较少,也就缺少了对三维符号设计的理论支持。尽管三维视觉变量理论体系还不成熟,可对三维符号的设计却起着理论支撑的作用,有着不可忽视的借鉴和指导意义。由于三维军标符号的分类相对复杂,加上三维视觉变量理论体系自身的不成熟,本文主要讨论了三维地图视觉变量理论在三维实体模型符号设计和三维模型态势表达中的应用。2军事实体建模目前,三维态势表达符号的分类方法有很多种,本文将三维态势表达符号分为仿真符号、抽象符号、表意符号、组合符号以及辅助标识,如图1所示。根据不同符号的特点,将采用不同的建模方法。1)仿真符号是根据实际物体本身的形状和外观,抓住对象的主要特征,采用几何建模和物理建模方法建立的军事实体三维仿真模型。2)抽象符号以基本的三维几何形体(锥体、四方体、圆柱体、球体等)作为军标构图的基本样式,并以此为基础加上各向同性的绘有二维抽象符号的图像标牌。3)表意符号主要用于表达无明显形状的某些军事现象,如部队配置地域、阵地、战斗行动(如进攻箭标)、集结地域等。4)组合符号主要是用于表达指挥所、战斗单元等,我们采用“三维模型+二维队标”的组合方法来表达。33d视觉变量3.1维数字空间认知模型设计的三维视角随着计算机三维(3D)显示技术的不断发展,地图符号形象化的要求日渐迫切。地图符号在抽象化和形象化这对矛盾相互对立而又螺旋式上升的发展过程中向3D形象化回归,三维可视化技术使传统二维的、静态的地图表示向三维的、动态的场景表示方向发展,随着三维场景这一有效的空间信息表示方式的建立,一套新的视觉变量体系或空间认知变量急需被引入。因此,我们需要根据人们对三维场景中符号的感知要求建立一套较为科学的视觉变量,以便用来指导三维符号模型的设计。三维符号视觉变量与二维符号视觉变量存在差异,主要由状态、动态变化和交互操作3个方面的视觉参量组成。在三维数字战场中,三维军标所要表达的物体的基本特征主要包括其在战场中的定位、态势、动态、空间结构、定性和定量以及关系等特征。其中,定位,态势等特征大多有其在三维场景中的空间位置所确定,可用状态方面的参量进行表示;空间结构特征可作为性质特征的另一个方面;时间特征和动态特征可以通过动态参量反映;在操作特性的使用方面,有利于用户更好对军标符号进行交互操作。3.2维军标状态视觉参量的描述三维军标在状态方面的参量与平面地图的静态视觉参量类似,然而,由于表达手段和技术的不同,三维军标状态视觉参量的描述与传统静态视觉参量也略有差异,主要包括形状、尺寸、色彩、亮度、纹理、空间造型等6个方面的参量。4维模型编码设计为了能够更好的表达三维态势中三维模型符号的表达、定位和交互功能,实现更有效的信息传递,本文依据三维图形视觉变量的相关研究理论,来设计三维战场可视化环境中的三维模型符号。接下来,我们讨论三维地图视觉变量的状态参量在三维实体模型符号设计中的应用:1维军标的设计形状变量是二三维视觉变量中最普通的一种,是表现对象性质差别最主要的因素。在二维地图中,对点状符号来说,形状就是符号本身,它可以是规则的,也可以是不规则的,从简单的几何图形到任何复杂的图形。在三维场景中,我们可以采用三维实体模型来表达作战单元,如图2、图3所示,三维实体模型符号显然要比二维符号形象、直观。对于点状的三维模型来说,模型本身就体现了形状的变量,所以我们在设计点状的三维军标时,可直接利用其形状来定义所描述对象的性质,如长方体、圆球、圆柱、圆台、圆锥、棱台、棱锥或由这些基本的几何形体组成的其他复杂的形状,都可以用来表示部队的组成。因此,我们可以以实际景物的真实形状为主要依据,经过概括,抽象,达到军标的图案化,而且要保证所设计的三维军标清晰易读,便于绘制。在对实物进行图案化时,应当突出实物最基本的特征,舍去次要的碎部,从而使设计出的三维军标具有象形、简洁、醒目的特点,使指挥人员能够“望标生义”。2飞机模型的几何与所有视线尺寸变量在点状符号中,即是指符号图形大小的变化。除了不同的模型本身所具有的尺寸大小外,尺寸能在一定程度上表现数值关系,但由于三维场景中通常采用透视投影,在屏幕上易产生一定的错觉。同样大小的符号,离视点近的符号看起来要“大”一些,所以用尺寸来表现部队数量的大小是不太可靠的。如图4(1)中,a、b和c三个模型的符号尺寸相同,其中c离视点最近,模型看起来要比a和b“大”很多。三维地图中存在着一定的遮挡关系,不同的视点位置以及视线方向对符号尺寸的认知也有影响。同时,符号的形状会对认知结果有一定的影响。从图4(2)可以看出,由于不规则模型本身的定位性不强,但视线的方向变化不会造成其外观的变化;而三维柱状符号定位性虽强,但视点的位置及方向的不同,容易造成符号外观较大的变化。于是,我们采用飞机模型附加直线的方法来实现模型的定位。在三维战场可视化环境中,一般情况下采用的都是透视投影,所以采用实体模型辅助数字的方法来表示数量级别或战斗单元级别。然而如果大量使用“尺寸”视觉变量则会造成指挥人员的视觉混乱,影响指挥策略,“尺寸”参量往往是在表达局部的战场态势时,在特定的观察视角下,才能够起到辅助表达战场态势的效果。3对于其他特征的对比,美二维地图中,亮度指由于亮度不同而引起视觉上的差别,主要用来表示等级的变化。在三维场景中,一定是会有亮度的变化的,亮度能表现数量相对大小的顺序或等级,若没有了亮度的变化,则真个三维场景肯定成了一团糟,但亮度本身也存在着一定的局限。如图5的美国“红旗军演”的亮度表达,就具有很强的整体感和层次感。由于受光照的影响,以及符号本身的方位、材质、表面粗糙度等属性的不同,符号本身的亮度会有一定程度的变化,进而引起符号视觉效果的差异,即使采用平行光源照射场景,符号受光也会受视线的方向、视点位置以及符号配置后的方向影响。通过对比发现,亮度在表达数量相对大小时,效果较尺寸参量要好,辅助其他视觉参量(如颜色)表达,则认知效果更好。同时采用亮度与尺寸表达,效果比单一的亮度或尺寸要好。基于亮度本身的特色,我们可以用亮度来表达模型的损毁状态。在三维战场态势表达中,由于亮度的区分受到光源和表面纹理的影响较大,不太容易区分出要素的主要差别,如果能够合理应用则能够达到设计的目的和较好的可视化效果。4维态势可视化设计在二维地图符号设计中颜色占有举足轻重的作用,地图的设计不但要清楚的表达出地图的信息,还要有地图的美观设计,颜色发挥了很大的作用。同样,在三维态势可视化设计中,颜色同样也很重要,整体态势的颜色表达及三维叠加符号的颜色表达不仅要和谐美观,还要能够清楚的表达战场态势信息,如图5所示的美国“红旗”军演所表达的三维战场态势图,充分利用了颜色的色彩表达。三维模型的颜色可扩展为表达模型表面的纹理,纹理逼真地再现了实物原样,此外颜色主要用来标示敌、我、不明国籍(或中立国家和地区)的属性,醒目表示核、化、生武器,和区分不同的作战阶段。5模型符号设计在三维模型的表达中,纹理已经不再是二维表面人为设计的简单图案变化,而是物体在真实的空间中呈现出的区别于其他物体的表面图案、质地或材质。在三维军标的设计中,纹理主要用于区别不同实物或现象,有时也用来区分战场环境中同一类型目标或现象的不同的属性性质。在三维环境中,通过使用纹理映射技术可以大大提高显示的逼真度。在平面地图中纹理变量的使用,一定程度上减少了色彩变量的设计。我们为三维模型符号设计了五种不同的颜色表达方式:正常渲染方式(用纹理颜色渲染)、混合渲染方式(用纹理色彩和文件材质混合渲染)、强制混合渲染方式(用纹理色彩和指定的材质混合渲染)、材质渲染方式(用文件中材质渲染)和强制色彩渲染方式(使用指定色彩的材质渲染),分别如图6a～6f所示。正常渲染方式能够很好的逼真再现模型原样,可与地形纹理叠加后,色彩辨识度不明显,指挥员难以较快的掌握战场态势和敌我兵力对比。混合渲染方式和材质渲染方式中三维模型本身和模型敌我辨识度都不明显,特别是视点较高时,辨识度更加模糊,比较可取的方式是强制混合渲染方式和强制色彩渲染方式。6模型类型空间姿态的不同空间造型参量是指视觉上能够感觉到的空间实体相互以及个体之间的角度、方向和排列的差别。方向指三维模型的方位变化,在三维空间中,所有模型的空间方位和次序都具有一定的规律,并且都是基于真实的空间定位,不再局限于二维的四方向或八方向。在真实的三维空间中,每一个空间实体都应该有自己的空间姿态,只有姿态的差别才能构成空间的多样性,所以在三维场景中,三维军标模型之间应该体现出空间姿态的差别。在三维空间中,方向是六自由度的,我们可以通过方向来定位空间模型的位置和姿态,然而由于透视投影的影响,从一定的视点进行观察时,三维模型的空间姿态不太好辨认,并且不太容易定位,如图7a,从顶视图进行观察时,飞机的空间姿态不太容易辨识。我们采用模型包围盒显示的方式来表示模型被选中的状态,和“悬垂线”来实现空中模型的定位,如图4(2)所示,一般定位点是模型的几何中心。而地面的模型定位中心也是几何中心,由于地形跟随,而不需要定位线。5维实体符号表达本文首先给出了一套三维军标符号的分类方法,重点讨论了三维符号视觉变量的状态参量对三维军标实体模型符号可视化表达的指导作用,合理地运用三维符号的状态参量来设计符号,从而达到更好、更快捷的达到认知战场的目的。对三维军标符号的表达,我们利用三维视觉变量的理论来指导和论证符号系统的设计,符合三维态势表达的美学要求,从而达到更有效的符号感知。本文仅讨论了状态参量对三维实体符号表达方法的指导作用,鉴于文章篇幅,对三维军标符号的线状、面状符号的表达,也有待下一步的研究和探讨。对三维视觉