基于Vega Prime的虚拟海洋战场技术的研究

基于Vega Prime的虚拟海洋战场技术的研究
作者：刘生学
来源：《中国信息化》2022年第01期
虚拟海洋战场环境是指海军军事领域中应用虚拟技术仿真出来的一种战场环境。

海军部队为提高作战水平，需要进行持续性的军事训练，但实地训练存在人力财力耗费大、周期长、操作危险等问题。

针对以上问题，可应用虚拟现实技术，通过模拟海洋战场，以锻炼海军人员操作设备、演练战技术等能力。

虚拟海洋战场建设的目的在于使用户如同“走上”真正的战场，去身临其境的感受硝烟弥漫和战火纷飞。

这个虚拟的战场需包含完整的作战要素、作战过程、战场信息、自然环境等，最后通过仿真建模以达到良好交互性，从而提高虚拟战场训练效果。

美国军队是虚拟战场上的第一位投资者，并且一直对此充满热情。

早在1980年代中期至后期，美国陆军开发并设计了SIMNET系统，在这个系统中，可以将每个主要武器得模拟器进行相互联网，并可以以小组为单位展开训练。

从那个时候开始，美国军方就基于SIMNET 系统和当时美国得工业制造领域就一同倡导并创建了一种DIS系统，具体表述为：反异构网络互连的分布式系统交互式仿真系统。

后来美国陆军在DIS的基础上开发并设计了各种服务的训练系统，并在1990年代后期明确提出了STOW系统，STOW系统适用于每一种协同演习和战略演习的演习效果，培训科目和不同的指挥员，并能够提高了对战斗计划发表评论的可能性；在此基础上，英国军队陆续也开发了用于战争演习的新一代仿真系统，例如WARSIlVI 2000，其在辅助设备设计、分部并行处理及应用研究方面处于欧洲领先；欧洲还有德国、荷兰、瑞典等也积极研发虚拟战场技术，德国将其用于新生产设备前提高人员操作水平；荷兰的物理电子实验室在此基础上开发训练和模拟系统，通过改进人机界面和改善系统本身的特性，基本上可以实现用户达到沉浸式的逼真模拟环境；瑞典DIVE分布式虚拟交互环境，可在不同节点上实现同一视界多个进程异质分布式系统。

在中国，根据我国的863计划，自1996年起，北京航空航天大学数据可视化新技术应用实验室被确定位系统集成企业，同国防科技大学，浙江大学中国科学院软件研究所以及北京航空航天大学模拟研究所等拥有核心技术的单位，共同研发了分布式系统虚拟战场环境DVENET。

分布式系统虚拟战场环境是通过计算机网络与适用于DVENET进行科学研究和应用的各种规范以及开发环境和基本信息数据信息组成的。

现阶段，根据DVENET，已经成功开发和设计了分布式系统虚拟战场自然环境。

目前，借助DVENET，可以在同一个真实环境下使用数十种用于武器和设备的虚拟服务平台来开展协作工作或抵抗的演习，不同的用户也可以通过不同的交互技术来控制和操纵现实和虚拟的武器平台，进而可以在虚拟的战场的环境中进行野外协作和攻防演习。

基于建模软件的模型，我们很容易通过软件在仿真系统中建立多种多样不同的虚拟对象。

然而，虚拟战场环境要想达到最真实的效果则需要尽可能多的更接近于实物的模型，所示说，仿真系统效果的好坏，也通常取决于是否拥有一个好的建模软件。

目前，运行软件的硬件设备和电子计算机图像处理的基本理论得到了迅速发展，而且升级非常快，比较常见的三种应用的是3D建模软件AutoCAD、3D MAX和Maya。

其中，AutoCAD主要用于工程项目的模型，例如机械零件的图纸； 3D MAX和Maya主要用于制作动画和其他模型。

但是作为虚拟海洋战场环境，涉及到的要素一定要做到细致和逼真，所以需要建模软件的渲染器3D渲染的光影效果一定要好，能够渲染出细致逼真的造型和图片。

通过实际试验，3D MAX和Maya这两款软件设计的模型，现场的3D渲染通常需要几天时间，时间较长，同时看不到3D MAX和Maya制作的物理模型的组织结构，并且无法进行数据库优化。

所以3D MAX和Maya这两种工具制作的实体模型不适用于实时仿真。

那么要对虚拟海洋战场环境进行仿真并能够实现实时数据的可视化，则需要建立一个与之对应的具有各种真实物理模型的数据库，且这个数据库要能够充分的进行自我筛选和更新存储。

现阶段，最新的Vega Prime视景仿真技术已经能够做到全数据实时驱动和全三维战场态势仿真，可以系统的利用三维视图与虚拟现实技术相结合，实现战场态势与环境可视化，系统还支持多样二维电子地图，包含海图、军用地图等，能够放大缩小地图，囊括全部军事对象，实现各层面的大规模联合作战模拟，取得了很好地训练效果。

（一）数据库创建
仿真模拟海战场系统需建立实体逼真模型，再在程序內载入模型数据，显示在三维场景中，其作为三维视景仿真基石，模型创建方法较为丰富，本仿真设计选择最新全数据实施驱动仿真技术，应用Multigen Creator软件，构建数据库，其均以OpenFlight格式构成。

OpenFlight 为数据库创建的根基，数据库查询包括多种，分别是多关键点级别（LOD）、约束、声音、实例、再生成操作、动画编码序列、气象特征、界面转换痕迹、纹理投影、画面清晰度、实物材料特性和一些其他方面的特性。

OpenFlight数据库查询的简单应用程序能完成数据库查询的非空子集。

这样的应用程序能够检索color调色板，脸部和眩晕，但其可以忽略其他复杂功能。

OpenFlight数据库查询将数据库查询机制划分为一个逻辑组，通过对逻辑组的操作，在机制运行条件下，可以提高实时功能的效率，进而使数据交互变得通畅，特别实在视野去除、案例和多关键点级别转换方面。

OpenFlight数据库查询是通过树结构组织实现的，而数据库查询的树结构又是由节点组成，而节点又包括子节点和兄弟节点，不同的节点也具有不同的属性。

根据节点属性的不同，节点可以分为如下基本类型：
1. 头节点
数据结构中，在单链表开始节点之前附设一个类型相同的节点，称之为头结点。

因为每个文档都有一个头节点，所以它显示的是数据库查询级别和树结构顶部的第一个文档。

2. 组节点
组节点是将数据库查询划分为若干逻辑非空子集。

组节点可以具有任意類型的子节点与兄弟节点。

3. 对象节点
对象节点是一个包含三维图形的逻辑组合。

它可以被视为较低级别的组节点，因此对象节点可以引入和组节点完全不同的属性。

4. 面部节点
面部节点是表示三维图形中的不规则图形。

它的子节点仅仅指示为点，线和不规则图形的端点的组合。

表面节点的属性包括颜色，纹理，材质及其定义。

5.顶点节点
顶点节点表示顶点数据信息。

它包括诸如端点坐标、法线向量、色相、纹理投影信息之类的属性。

其中，坐标数据信息是必须包括并可以选择的其他类型的数据信息。

根据以上节点的特性，结合Multigen Creator软件的主要功能，以 OpenFlight为数据库创建的根基，能够有效的建立其包含三位实体模型和仿真模型的数据库，且方便存储和调用。

（二）程序设计
Vega Prime它可以通过和实际操作系统进行交互，来实现视觉上的模拟。

但要实现视觉模拟，则需Vega Prime在应用之前，对其进行初始化，在应用之后，需要释放资源来清除典型的Vega Prime程序流程。

清除典型流程的操作如下：
1. 初始化
初始化的关键是初始化每个控制模块的套接字以及初始化键类，包括初始化静态变量与零件目标，初始化内存分配器，初始化场景图片，初始化3D渲染库，初始化ACF文档在线分析等，最终达到初始化Vega Prime。

2. 定义
在此链接中，建立了操作所需的许多目标。

可以基于编码或在ACF文档中定义此类目标。

在此链接中，通过基于vpKerneldefine方法分析ACF文档来建立它们。

在大多数情况下，这是一种基于外部Nx建立ACF文档，然后将其引入仿真程序流程的方法。

3. 配置
该链接配备了一个基于定义链接中设置的值的系统。

由于Vega Prime是建立在Opengl库的基础上，因此对话框是必不可少的。

在此链接中，我们可以继续基于ACF文档中提供的对话框属性来构建3D渲染对话框。

4.运行循环
初始化系统，加载ACF文件并完成相关配置后，将启动帧循环系统链接。

此链接分为五个过程。

在里面每个过程都与3D渲染场景配合。

在此链接中，应用程序软件还可以对3D场景进行更改，例如将实体模型加载到场景中，移动焦点或移动实体模型等。

（三）系统实现
此种类型的海洋战场模拟数据可视化系统，是将分布式系统仿真模拟系统的网络服务器计算出的海洋战场模型模拟数据信息，在三维模拟场景中的各种虚拟自然环境变化和虚拟物理现象。

这种数据可视化系统包含战场数据可视化程序流程和管理程序两个装配程序。

其中管理程序的作用是控制在数据可视化程序流中观察到的物理目标的转换，自热环境的转换以及各种动画特殊效果的应用。

战场数据可视化程序流程的作用是将由分布式系统仿真模拟系统服务器发送到本地海洋战场模型模拟数据信息转换为三维世界中的场景。

战场模拟数据可视化程序流程可以分解为三个控制模块：
3D渲染过程控制模块。

控制模块是系统的关键模块，其作用是根据服务器发送到本地的战场物理模型数据来驱动本地3D场景更改；
通信网络过程控制模块。

控制模块的功能是选择UDP方法来接受服务器发送到数据可视化程序流的模拟数据信息，并强调将其移交给3D渲染过程控制模块；
MFC主线任务程序控制模块。

控制模块键用于接受并响应系统的鼠标和键盘的键入。

通过数据库的建立和程序涉及，并把战场数据可视化程序流程和管理程序有效结合起来，并通过3D渲染过程控制模块、MFC主线任务程序控制模块、通信网络过程控制模块实现虚拟海洋战场环境的高度逼真和良好的交互性能，达到我们实现模拟训练演练的任务。

综上所述，虚拟海洋战场能够使军事训练大幅度降低训练周期，武器均为建模所得，不会造成人员或设备损伤，有效提高了训练效果。

但仍然存在无法完全模拟突发情况，营造战火纷飞压迫感的情况，本文基于Vega Prime研究虚拟海洋战场技术，可提高虚拟战场真实性，为军队训练提供更为精准、高效的模拟场景。

但是，实际效果仍然存在一定程度的帧丢失，仍需加强虚拟仿真方面技术研究。

作者单位：海军工程大学。