反舰导弹靶场试验视景仿真技术

2010-03-24李善高邱发廷朱广秋

海军航空大学学报 2010年2期

向哲，李善高，邱发廷，朱广秋

（1.海军航空工程学院 a.研究生管理大队；b.飞行器工程系；c.新装备培训中心，山东烟台 264001；2.92941 部队，辽宁葫芦岛 125001；3.中国联合网络通讯有限公司烟台分公司，山东烟台 264001）

0 引言

随着计算机科学技术的不断发展和进步，视景仿真技术逐渐趋于成熟，并已经越来越广泛的运用到军事领域，尤其是运用到武器装备的靶场试验中。在靶场中，为避免通过进行大规模的试验来对武器系统性能进行验证，研究人员运用统计理论，使得能够以最少的样本验证武器系统的性能，然而即使如此，人力物力的大量消耗也是难以避免的。而且气象条件是制约靶场试验的一个重要因素，高海情、暴风雨等这些海况在实际靶场试验中是难以实现的。视景仿真技术作为一种新兴的技术，可以解决上述一系列问题。视景仿真技术作为靶场试验的一项重要辅助技术，已越来越多地被认可。对仿真数据的统计和评估，并与实际的靶场数据进行对比，不但可以对武器系统的性能进行验证，而且可以通过数据的对比，优化武器系统的战术性能，提高武器系统的战斗力。

1 视景仿真技术概述

视景仿真技术作为整个仿真系统的一部分，它的重要地位是不可轻视的。简单地说，视景仿真技术就是利用各种先进的硬件及软件技术，设计出合理的硬、软件及交互手段，使参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术，是仿真动画的高级阶段，也是虚拟现实技术最重要的表现形式。[1]视景仿真技术中的虚拟现实技术是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透。它给用户以逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察的事物的运动变化规律提供了极大的便利。

视景仿真技术的基础是计算机图形图像技术。它根据仿真的目的，构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，以达到非常逼真的仿真效果。视景仿真技术可分为仿真环境制作和仿真驱动。仿真环境制作主要包括模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型和制作出逼真的纹理和特效；仿真驱动主要包括场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地地形处理等，它要求高速逼真地再现仿真环境、实时响应、交互操作等。

从概念上讲，任何一个视景仿真系统都具有三个特性描述：沉浸、交互和想象。这三种特性中的关键就是系统与人的交互。视景系统的设计要求要达到以下目标：

1）要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全身心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想情况下虚拟环境应该达到用户难以分辨真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须提供多感知的能力。理想的视景系统应该提供人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至是味觉和嗅觉。

2）系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时操作，能从虚拟环境中得到反馈的信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种需要系统知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上与自然技能的交互，也很难获得沉浸感。因此，为达到这个目标，高速计算和处理就必不可少。

3）虚拟现实不仅是一种媒体或用户的高端接口，而且还是针对某一特定领域、解决某些问题的应用。为了解决这些问题，不仅需要了解应用的需求，了解技术的能力，而且还需要有丰富的想象力。作为虚拟世界的创造者，想象力已经成为视景仿真系统设计中最关键的问题之一。[2]

2 视景仿真技术在靶场试验中的应用举例

对反舰导弹在靶场中的试验进行视景仿真时，我们采用MultiGen Paradigm公司的产品，对靶场试验中的试验环境及各个物体进行仿真建模，并采用场景管理软件Vega对模型进行驱动，以达到在虚拟的靶场进行试验的目的。

2.1 三维场景建模

三维场景建模负责完成创建视景仿真中的三维地形、实体模型建模的任务。在靶场试验中，导弹、舰船等属于实体建模，而海洋、岛屿等属于三维地形建模。

在视景仿真应用的过程中，进行三维场景的建模是一个相当复杂的过程。对三维场景的建模，先要求构造出逼真的三维模型以及构造出逼真的纹理和特效，生成视景数据库。对大地场景的建模，首先，要搜集大地的高程数据模型，以及场景中各种物体的尺寸、纹理等特征；其次，考虑模型优化、空间组织、光线安排、纹理覆盖等方面；最后，进行模型的渲染，包括场景产生、模型的加入、地形处理、环境效果等，并对模型进行优化，从而实现实时响应的交互操作。[3]

2.2 三维场景的管理系统

对反舰导弹在靶场中的试验进行视景仿真的过程中，我们使用Vega软件对场景进行管理和渲染。Vega是一套完整的用于开发交互式、实时可视化仿真应用的软件平台，其最基本的功能是管理、控制、驱动虚拟场景并支持快速复杂的视觉仿真程序，快速创建各种实时交互的三维环境，快速建立大型沉浸式或非沉浸式的虚拟现实系统。

Vega主要包括两个部分：一个是被称为LynX的图形用户界面的工具箱；另一个则是基于C语言的Vega函数调用库。LynX是一种基于X/Motif技术的点击式图形环境。使用LynX可以快速、容易、显著地改变应用性能、视频通道、多CPU分配、视点、观察者、特殊效果、一天中不同的时间、系统配置、模型、数据库等等，而不用编写源代码。LynX可以扩展成包括新的、用户定义的面板和功能，快速地满足用户的特殊要求。通过LynX可视化的操作建立起三维场景，并将其保存在一个应用定义文件（.ADF）中。而后应用程序就可以通过调用Vega的函数库，对已建好的三维场景进行渲染驱动。[4]它的系统总体结构如图1所示。

图1 Vega系统总体结构图

在这个系统的程序中，我们建立了两个线程：Vega 线程[5]和网络线程[6]。前者用于控制进行场景渲染、与用户交互以及模型状态的变化；后者用于通过网络实时接收仿真数据，并把数据传递给Vega线程以实现对模型的管理和调度。

具体程序略，其视景效果如图2、3所示。

图2 导弹发射的场景

图3 弹目交汇的场景

2.3 仿真结果的处理与分析

可视化中的科学计算目前有3种处理方式：后处理、跟踪和驾驭。后处理把计算和结果可视化分成两个实现阶段，两者之间不能直接发生交互作用。跟踪处理方式要求实时地显示计算中产生的结果，以便研究人员能及时了解当前的计算情况，在发现错误或认为没有必要进行继续计算时，可停止该计算，启动一个新的计算。驾驭则不仅能使研究人员实时地观察到计算情况，而且能对计算进行实时干预，并使计算可继续进行。本文中所涉及到的实例是使用最广泛的后处理方式，后两种方式由于硬件性能还达不到需求等原因而没有得到使用。

我们采用动态性能检验的谱分析法，将仿真系统的输出和真实系统外场试验的结果相互比较。动态性能检验的谱分析法的基本原理就是通过数据的预处理，将仿真模型的动态输出和飞行试验的动态参数记录都处理成广义平稳时间序列，然后分别估计出它们各自的自谱密度或互谱密度，通过谱密度的异同来反推输出序列的异同。[7]比较后的结果表明，在杀伤区范围内，对舰船类目标，导弹落入概率和单发杀伤概率均较高，满足武器系统研制总要求规定的战术技术指标。因此，采用仿真的方法不但有很高的可信度，而且可以优化武器系统的某些参数，提高武器系统的整体性能。