虚拟电子沙盘实现技术探析

什么叫沙盘
在军事题材的电影、电视作品中，我们常常看到指挥员们站在一个地形模型前研究作战方案。

这种根据地形图、航空像片或实地地形，按一定的比例关系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型就是沙盘。

沙盘分为简易沙盘和永久性沙盘。

简易沙盘是用泥沙和兵棋在场地上临时堆制的；永久性沙盘是用泡沫塑料板（或三合板）、石膏粉、纸浆等材料制作的，能长期保存。

沙盘具有立体感强、形象直观、制作简便、经济实用等特点。

沙盘的用途广泛，能形象地显示作战地区的地形，表示敌我阵地组成、兵力部署和兵器配置等情况。

军事指挥员常用以研究地形、敌情、作战方案，组织协同动作，实施战术演练，研究战例和总结作战经验等。

沙盘还常用来制作经济发展规划和大型工程建设的模型，其形象直观，颇受计划决策者和工程技术人员的青睐。

虚拟电子沙盘实现技术探析
柳超卜淮原(解放军后勤工程学院,重庆400016)
摘要:虚拟电子沙盘的真实感实现是建立三维作战模拟系统的关键.给出了一个基于ＰＣ机的虚拟电子沙盘系统实现的结构框图,并详细阐述了系统实现的关键技术:建模技术、可视化技术、系统集成技术以及数据库技术.
关键词:电子沙盘;ＶＣ++;ＭａｐＩｎｆｏ;ＯｐｅｎＧＬ
中图分类号:ＴＰ3:Ｅ99
文献标识码:Ａ文章编号:1009-3494(2002)01-0039-04
收稿日期:2001-12-30
作者简介:柳超(1970-),男,重庆人,硕士研究生,主要研究方向ＭＩＳ系统、ＧＩＳ系统;卜淮原,男,江苏人,副教授,主要研究方向数据库技术、图形图像技术.
随着计算机技术、网络技术以及计算机图形学理论的发展,基于战场仿真的作战模拟形式逐步取代了传统的经验数学模型的作战模拟方式以及实战演习,被喻为“实验室中的战争”而倍受各国关注.虚拟电子沙盘系统的实现,可以为各级作战指挥提供一个三维的、动态的、可交互的作战模拟地形环境,提高军事指挥自动化的水平,实现军事决策的科学化、可视化和远程化.虚拟电子沙盘的真实感实现是建立作战模拟可视化系统的关键,同时也是一个难点问题,它涉及到虚拟现实技术、计算机图形学、地理学等学科知识和相关技术.
1虚拟电子沙盘的实现框图
地形是自然界最复杂的景物,因此三维真实感地形的绘制一直是国内外计算机图形学领域关注的热点.随着计算机图形学理论的突破及图形处理硬件设备性能的
提高,基于ＰＣ机的虚拟电子沙盘的真实感实现成为可能,其实现框图如图1.图1 虚拟电子沙盘实现框图
2虚拟电子沙盘实现技术
2.1 三维建模技术
2.1.1 基本建模方法现今三维物体建模方法主要有三种:多边形法、ＮＵＲＢＳ法、细分曲面法.
1)多边形建模法.它用三角网格面片来模拟曲面,具有简单、实用等特点,但其面片数随物体复杂度增加而增加,会导致图形处理困难.
2)ＮＵＲＢＳ法.它是基于曲线的建模技术,非常适合创建光滑、复杂的模型.
3)细分曲面法.它是一种最新的建模技术,它使用任意多面体为控制网格,在复杂的地方可重新细分,然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面,能同时保证物体的复杂度和光滑度.
2.1.2 三维地形模型的构建
简单的三维地形模型可以用通用的建模工具进行构建,如ＡｕｔｏＣＡＤ、3Ｄｍａｘ、Ｍａｙａ等.由于电子沙盘军事应用性强,为了突出它的军事实用性,构建的三维地形必须要能反映战场地形的真实状况,对电子沙盘的真实性要求高,如交通、地势、自然环境状况等.所以,其建模数据必须来源于实际的测绘结果.(1)数字高程模型(ＤＥＭ)[1]随着数字化进程的加快,在科学研究、工程应用等领域通常用数字的形式描述三维地形.描述三维数字地形的基本方法是数字地面模型(ＤＴＭ),数字高程模型(ＤＥＭ)是ＤＴＭ的一个子集,它不过只是考虑了ＤＴＭ的地形分量.建立ＤＥＭ的常用方法有以下几种
1)直接从地面测量,例如用ＧＰＳ、全站仪在野外测量等.
2)根据航拍测量途径获取数据,如立体坐标仪观测及、解析测图、数字摄影测量等.
3)从现有地形图上采集,如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集,然后通过内插值运算生成.目前,国内外也相继开展了用数学形态学、分形学、小波变换等新兴理论和方法对三维建模和数据结构进行改进和优化的研究.
(2)等高线插值技术由于数字高程模型(ＤＥＭ)中等高线的质量受测量或转换精度的影响,因此,为了使根据等高线而重建出来的三维地形更加逼真,必须在已有的等高线中内插一些等高线.目前内插等高线有两种方法:一种是网格法;另一种是三角网法.这两种方法都只考虑了点的位置属性,未考虑到等高线的线属性,使
得插出的等高线质量不高.文献[2]提出了一种等高线在线内插算法,该算法充分利用了等高线的先验知识,插出的等高线质量高、速度快,并能很好地解决等高线延伸方向的判别、封闭等高线和马鞍型地形等问题.
(4)选择光照模型及定义材质特征为了使三维地形具有真实效果,选择恰当的ＯｐｅｎＧＬ光照模型及材质特征尤为重要.ＯｐｅｎＧＬ中光照模型由环境光(ＡｍｂｉｅｎｔＬｉｇｈｔ),漫射光(ＤｉｆｆｕｓｅＬｉｇｈｔ),反射光(ＳｐｅｃｕｌａｒＬｉｇｈｔ)等组成,并通过设置光线衰减因子来模拟真实的光源效果.ＯｐｅｎＣＬ中的材质是指构成三维实体的材料在光照模型中对于红、绿、蓝三原色的反射率,材质的定义分为环境、漫射、镜面反射成分,另外还有镜面高光指数、辐射成分等.通过对三维实体的材质定义可以大大提高所绘制的三维场景的逼真程度.
(5)纹理映射为了真实表现三维地形的地貌特征,须对地形进行纹理映射.该电子沙盘系统使用的纹理可采用平面像素地图或遥感图,格式可为ｂｍｐ文件.但作为纹理使用的ｂｍｐ必须满足以下要求:一必须是方块大小;二必须是24位真彩色.进而通过以下步骤完成纹理映射:
1)定义纹理.2)控制滤波.3)说明映射方式.4)绘制场景给出顶点的纹理坐标和几何坐标.
2.2.3创建地物模型虚拟电子沙盘
主要为战役以上级的作战指挥、后勤保障提供可视化辅助决策手段,沙盘系统中地物主要起标识作用.一般说来,地物可以用形象的符号表示,也可以用纹理贴图的方法生成.地物模型主要是依据数字高程模型所对应地区的航空像片或地形图来获取坐标数据.地物以一种形象的具有特定特征的符号表示,在军用系统中,它必须符合军用标记规范.在ＤＥＭ作为高程控制的前提下,地物模型数据就是地物的基本位置坐标.
2.2.4 地物叠加虚拟电子沙盘
系统作为一个可视、综合的信息系统,它要能满足普通沙盘作业的需求,就必须在地形表面叠加各种地物,如交通网、河流等线状地物和湖泊、建筑、部队集结地等面状地物以及塔、井等点状地物.通常对相对固定的地物来说,叠加地物要完成两个匹配[2]:1)地物数据在ｘ-ｙ平面上与ＤＴＭ格节点的匹配2)地物数据点高程与ＤＴＭ格网节点高程的匹配此外,对反映战场态势布局(如火力配置、部队集结等)的地物叠加采用手工方式添加.
2.3 系统集成技术现代化战争的实质
就是信息战,战争胜负的争夺其实就是信息控制权的争夺.在作战指挥中,仅有战区的三维地形图是远远不够的,还必须充分掌握与地理位置有关的属性数据,如
交通、人力资源、水力资源、气候等,故建立的虚拟电子沙盘系统应具有由空间数据获取、显示属性数据的能力.
2.3.1 ＭａｐＩｎｆｏ地理信息系统开发平台
地理信息系统(ＧＩＳ)是为了获取、存储、检索和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据管理系统,它同时具备图形处理和管理数据的功能.ＭａｐＩｎｆｏＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ是较为流行桌面地图信息系统,具有数据可视化、地理分析、建立动态图层等功能.此外,ＭａｐＩｎｆｏＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ提供了通用的ＯＤＢＣ数据库接口,可以同远程数据库服务器连接,直接读取诸如:Ｏｒａｃｌｅ、Ｉｎｆｏｒｍｉｘ、Ｓｙｂａｓｅ、ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ、ＳＱＬＢａｓｅ等大型数据库中的数据信息.而且使用该应用软件所配置的二次开发语言ＭａｐＢａｓｉｃ可快速开发出具有Ｗｉｎｄｏｗｓ风格的ＧＩＳ应用软件.所以,它在开发军事地理信息系统中得到了广泛的应用,是ＧＩＳ应用系统开发的理想平台.
2.3.2 ＭａｐＢａｓｉｃ程序设计语言
ＭａｐＢａｓｉｃ语言作为ＭａｐＩｎｆｏ地理信息系统的开发工具,是美国ＭａｐＩｎｆｏ公司于1985年推出的,目前为ＭａｐＢａｓｉｃ4.0版本.随着ＭａｐＩｎｆｏ地理信息开发平台的流行,ＭａｐＢａｓｉｃ4.0已经成为应用非常广泛的地理信息开发工具软件.ＭａｐＢａｓｉｃ4.0具有以下特点:1)用Ｍ
ａｐＢａｓｉｃ4.0实现的ＭａｐＩｎｆｏ用户界面友好.2)通过ＭａｐＢａｓｉｃ编程自动完成地图绘制.3)具有强大的数据存取功能.4)支持ＯＬＥ、ＤＤＥ技术.同时,它还提供ＩｎｔｅｇｒａｔｅＭａｐｐｉｎｇ(集成地图)功能,可以集成ＭａｐＩｎｆｏ功能到其它环境下开发的应用系统中,如用ＶＢ、ＶＣ++、Ｄｅｌｐｈｉ等语言实现的应用程序.在虚拟电子沙盘系统中主要利用ＭａｐＢａｓｉｃ4.0实现地图数据的采集与管理:一是现有电子地图的编辑、管理;二是数据录入与等高线直接绘制.
2.3.3 ＶＣ++与ＭａｐＩｎｆｏ的集成
[6,7]ＶＣ++与ＭａｐＩｎｆｏ的集成是系统交互设计的关键.ＶＣ++6.0和Ｍ
ａｐＩｎｆｏ都支持ＯＬＥ自动化技术,将ＭａｐＩｎｆｏ地图集成到的应用程序中,可以迅速开发出具有强大地图处理能力的应用程序,实现空间数据和属性数据的有机结合.
(1)ＶＣ++与ＭａｐＩｎｆｏ集成技术实现框架ＶＣ++与ＭａｐＩｎｆｏ的集成方法以客户服务器的模式实现.以ＶＣ++开发的应用程序作为客户端程序,ＭａｐＢａｓｉｃ实现的程序作为服务器端,客户端程序使用ＭａｐＩｎｆｏＯＬＥ自动化对象、ＭａｐＢａｓｉｃＯＬＥ自动化对象的有关属性和方法,通过ＭａｐＩｎｆｏＯＬＥ自动化服务器对集成的地图窗口进行控制,集成框架如图3所示.图3 ＶＣ++6.0与ＭａｐＩｎｆｏ集成框架
(2)ＶＣ++6.0与ＭａｐＩｎｆｏ集成的实现利用ＯＬＥ技术在ＶＣ++6.0中调用ＭａｐＩｎｆｏ对象的具体实现步骤如下:
1)利用ＭＦＣ的ＡｐｐＷｉｚａｒｄ创建应用程序,在ＯＬＥ选项页中选择Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ.·
2)创建ＭａｐＩｎｆｏ的支持类,并创建一个实例.
3)集成ＭａｐＩｎｆｏ窗口为应用程序的子窗口.
4)实现所需的ＭａｐＩｎｆｏ功能.
5)实现ＭａｐＩｎｆｏ的ＣａｌｌＢａｃｋ功能.
2.4数据库技术虚拟电子沙盘
作为作战指挥辅助决策的信息载体,它应尽可能提供完整、高质量的决策信息,该信息应该是多种类型的,所以应完成能存储多媒体信息(如图像、文字、数据等)的数据库设计.
2.4.1ＭａｐＩｎｆｏ内置数据库
ＭａｐＩｎｆｏ内置关系数据库具有如下功能[7]:
1)通过ＭａｐＩｎｆｏ内置强大的关系型数据库,实现电子地图与数据库的自动连接和双项查询.
2)ＭａｐＩｎｆｏ的电子地图是矢量图,每个矢量对象(点,线或面)都和其属性数据库中的一条记录相对应,体现了数据描述与图形对象的一致性.
3)支持标准ＳＱＬ查询,能对字段及空间信息进行分析、统计、查询.
4)通过地理编码,ＭａｐＩｎｆｏ可以完成两个或多个表之间的自动关联,进行空间信息的传送,满足用户空间分析的需要.通过ＭａｐＩｎｆｏ内置数据库提供的强大的功能,能较好地实现空间属性数据的管理和查询.
2.4.2 建立模型库虚拟电子沙盘实现中涉及大量的地物模型以及标注图形,这些图形具有很强的军事特色,要求符合军用使用标准,所以应建立相应的模型库,供用ＭａｐＩｎｆｏ绘制平面电子地图时,通过ＭａｐＩｎｆｏ提供的ＯＤＢＣ接口调用,或者在生成电子沙盘过程中由ＶＣ++6.0通过ＯＤＢＣ接口调用,实
现地物模型的叠加和标注.3结束语虚拟电子沙盘系统实现技术极为复杂,建模
技术、全景光照模型创建技术以及图形显示优化技术等都有待于进一步深入研究.随着网络技术、多媒体技术和3Ｓ技术的发展,建立基于真实数据和信息的虚拟电子沙盘系统无疑对我军的作战指挥模式具有深远影响.通过网络互连技术,最终实现作战指挥的实时化、可视化和远程化已不再遥远.
参考文献
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[7]王晓武等.ＭａｐＢａｓｉｃ程序设计[Ｍ].北京:电子工业出版社,2000.7.。