分隊(duì)級(jí)大比例尺高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境快速構(gòu)建方法

楊明

【摘 要】傳統(tǒng)的分隊(duì)級(jí)別大比例尺、高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建構(gòu)建方法存在精度差、速度慢、造價(jià)高等突出問題。本文結(jié)合實(shí)踐，給出了一種綜合運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云測量、三維模型建模、三維引擎設(shè)置和模型計(jì)算相結(jié)合的快速構(gòu)建分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的方法，精度高、速度快、造價(jià)低，能夠滿足分隊(duì)級(jí)大比例尺高分辨率虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要求。

【關(guān)鍵詞】分隊(duì)，大比例尺，高分辨率，虛擬，戰(zhàn)場環(huán)境，構(gòu)建

一、分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要求

分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境是對(duì)分隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練的戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行的仿真。分隊(duì)?wèi)?zhàn)場環(huán)境包括地形、氣象、水文等自然條件，交通、建筑物、等人文條件，信息、網(wǎng)絡(luò)和電磁狀況等。由于分隊(duì)最小可至單兵，要求戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建要與人在真實(shí)世界中的感官相一致，即必須有沉浸感，戰(zhàn)場環(huán)境中的一草一木、臺(tái)階掩體等都要清晰表現(xiàn)出來，其分辨率達(dá)厘米級(jí)，這遠(yuǎn)高于高級(jí)別虛擬戰(zhàn)場環(huán)境米級(jí)別以上分辨率的要求。因此分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建分辨率高、沉浸感強(qiáng)、制作難度大。分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的主要特點(diǎn)如下。

一是地形地物分辨率高。分隊(duì)?wèi)?zhàn)斗是在可視范圍內(nèi)進(jìn)行的近距離戰(zhàn)斗，地形地物對(duì)分隊(duì)達(dá)到戰(zhàn)斗行動(dòng)影響極大，一個(gè)土坑、一棵樹對(duì)戰(zhàn)斗人員的觀察、射擊和傷亡都有很大影響。因此，建立高分辨率的地形地物模型是分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的首要要求。二是三維模型數(shù)量多。除了由眾多的步槍、機(jī)槍、工事、障礙等武器外，還有大量的保障、支援和非作戰(zhàn)的實(shí)體，例如車輛、橋梁、道路、平民等。這些都需要進(jìn)行三維建模。三是氣象、核生化、電磁環(huán)境要可視化顯示。分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境需要可視化地顯示出氣象、核生化和電磁環(huán)境。

二、傳統(tǒng)構(gòu)建分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境方法利弊分析

傳統(tǒng)的分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建的方法主要是依據(jù)紙質(zhì)地圖進(jìn)行電子化制圖，包括等高線、道路、水系、植被、建筑物、高程點(diǎn)等重要地形地物要素的分層標(biāo)繪，然后生成DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)字地圖，通過購買衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取對(duì)應(yīng)地形的地表紋理，最后，將這3種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后生成分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場地形數(shù)據(jù)。由于紙質(zhì)地圖的分辨率較低，從源頭導(dǎo)致生成的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境分辨率較低。二是制作速度慢。紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)繪電子地圖，需要依圖標(biāo)繪，制作慢。購買相應(yīng)地域的衛(wèi)星影像作為地表紋理貼圖，需要衛(wèi)星運(yùn)營公司在衛(wèi)星飛臨該地域上空的時(shí)間窗口期進(jìn)行拍攝，一般需要數(shù)個(gè)月的時(shí)間。三是三維模型制作工作量大。由于戰(zhàn)場環(huán)境中的人員、橋梁、房屋、道路等各實(shí)體需要三維建模，工作量大。

三、一種快速靈活的分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建方法

針對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)建分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境方法的不足，本文結(jié)合實(shí)踐，提出一種綜合應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云測量、三維模型制作和三維引擎相結(jié)合的技術(shù)路線，可以快速靈活構(gòu)建效果逼真的分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。

（一）應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測繪整體戰(zhàn)場環(huán)境地形

1.無人機(jī)傾斜攝影概述及其特點(diǎn)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過在無人機(jī)等航空器上裝配多個(gè)圖像傳感器，在飛行過程中既能獲取高程信息、也能獲取地表精細(xì)紋理，三維地形建模速度快、精度高、效果好。

無人機(jī)傾斜攝影的主要特點(diǎn)包括：一是作業(yè)環(huán)境要求較低，無人機(jī)展開作業(yè)，不要太大的空間;二是工作效率高，無人機(jī)飛行高度在幾十至幾百米之間，受天氣影響較小;三是拍攝影像分辨率高，無人機(jī)所搭載的數(shù)碼相機(jī)低空分辨率可達(dá)到厘米級(jí)，可以拍攝到物體清晰紋理;四是建模效率高，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、快速三維建模等。

2.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建設(shè)分隊(duì)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的方法步驟

一是準(zhǔn)備階段。首先確定戰(zhàn)場環(huán)境地域。一般是在紙質(zhì)地圖上確定一個(gè)矩形區(qū)域，然后把該矩形區(qū)域的四個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)量算出來，提供給無人機(jī)傾斜攝影工作人員。其次確定測量精度。分隊(duì)級(jí)別的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，地形分辨率和模型分辨率應(yīng)達(dá)到厘米級(jí)為最佳。確定了測量精度，也就間接確定了無人機(jī)傾斜攝影時(shí)，選用的無人機(jī)類型、飛行高度、搭載的數(shù)碼相機(jī)分辨率等工具等問題。第三是申請(qǐng)無人機(jī)傾斜攝影測量空域。按照國家法律法規(guī)要求，向戰(zhàn)場環(huán)境所在地的派出所提出無人機(jī)傾斜攝影測量請(qǐng)求，備齊資質(zhì)文件填寫好申請(qǐng)表，在獲得批準(zhǔn)后方可展開實(shí)際作業(yè)。

二是實(shí)施階段。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要工作是規(guī)劃好無人機(jī)傾斜攝影測量的時(shí)間、路線、展開作業(yè)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。應(yīng)在氣候適宜、尤其是能見度良好的情況下測量，雨雪天不能測量，早晚的霧氣和突發(fā)的塵霾都會(huì)影響測量效果，必須進(jìn)行規(guī)避。無人機(jī)傾斜攝影測量必須確定好無人機(jī)起飛降落地點(diǎn)，確定好足夠數(shù)量的起飛降落地點(diǎn)，保證能夠覆蓋整個(gè)測量區(qū)域量測要求。由于是在室外作業(yè)，必須保證一次測量能夠采集到合格的數(shù)據(jù)，應(yīng)該在每天無人機(jī)傾斜攝影測量結(jié)束后，檢查一天所采集的數(shù)據(jù)，如存在有質(zhì)量問題的數(shù)據(jù)，要及時(shí)重新測量。其次進(jìn)行數(shù)據(jù)加工。主要是在攝影測量的基礎(chǔ)上，對(duì)獲取的傾斜影像進(jìn)行初步預(yù)處理、多視角影像的匹配、三角網(wǎng)的構(gòu)建、紋理貼敷等流程，最終得到高分辨率的三維模型。

（二）應(yīng)用激光點(diǎn)云輔助糾偏校正復(fù)雜地區(qū)地形地貌

無人機(jī)傾斜攝影測量對(duì)于大面積地域整體三維建模效果較好，但是地面復(fù)雜地形和物體的三維建模存在失真問題。這里可以使用激光點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充修改。激光點(diǎn)云技術(shù)使用車載移動(dòng)激光掃描器，可以快速、動(dòng)態(tài)地對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行測量，獲取更高精度的空間三維信息，是構(gòu)建適于車輛通行區(qū)域三維地形地貌的有力工具。對(duì)于重要地形地貌，無人機(jī)傾斜攝影難以滿足仿真需要的情況下，例如植被覆蓋茂密的林蔭道下面的街道，可以應(yīng)用激光點(diǎn)云輔助測量，并用激光點(diǎn)云生成的局部三維模型替代無人機(jī)傾斜攝影測量處理后的數(shù)據(jù)。

（三）應(yīng)用三維建模工具制作重點(diǎn)地形地物三維模型

無人機(jī)傾斜攝影和激光點(diǎn)云測量技術(shù)解決的都是地形地物最外面的一層表面的三維建模和紋理采集問題。但是對(duì)于內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地形地物，則無法解決建模問題。這需要使用專業(yè)的三維建模軟件解決，可以使用3DMax、Maya等進(jìn)行精細(xì)地形地物的單獨(dú)制作。尤其是重要的地形地物必須進(jìn)行精細(xì)建模，達(dá)到反恐精英、穿越火線、雷神之錘等分隊(duì)作戰(zhàn)游戲中的分辨率和質(zhì)量效果。這樣才能滿足分隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)對(duì)地形地物的要求。

完成了重點(diǎn)地形地物的建模，還需要在無人機(jī)傾斜攝影處理好的三維模型中對(duì)相應(yīng)的地形地物單體化處理，即將該模型先從整體地形地物的模型中剝離移除，閉合地表模型紋理，然后將建好的地形地物模型導(dǎo)入并放置到對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)已剝離的粗糙模型的替換。

（四）應(yīng)用三維引擎設(shè)置計(jì)算其他戰(zhàn)虛擬場環(huán)境要素

氣象環(huán)境的可視化設(shè)置顯示在當(dāng)前的主流三維仿真引擎里進(jìn)行逼真實(shí)現(xiàn)。例如在Unity3D里面，可以靈活設(shè)置日暮天光、風(fēng)雷雨雪等天候氣象環(huán)境。核生化環(huán)境根據(jù)分隊(duì)?wèi)?zhàn)場環(huán)境的核生化武器、污染等情況根據(jù)想定需要，進(jìn)行精確計(jì)算或靈活設(shè)置。對(duì)于電磁環(huán)境的可視化，則根據(jù)想定需要，對(duì)分隊(duì)?wèi)?zhàn)場環(huán)境中的武器裝備、自然環(huán)境的電磁特性等進(jìn)行計(jì)算并形象化地進(jìn)行顯示顯示。