朱鐵櫻

(1.金華市現(xiàn)代制造與材料高新技術(shù)研發(fā)中心，浙江 東陽 322100；2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 東陽 322100)

0 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)背景下，通過虛擬現(xiàn)實的視景仿真技術(shù)進行艦船電子沙盤交互設(shè)計，結(jié)合計算機視覺圖像處理技術(shù)，構(gòu)建艦船電子沙盤交互平臺，提高在虛擬視景環(huán)境下的海戰(zhàn)演練控制能力。艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計建立在對艦船電子沙盤交互的圖像信息處理基礎(chǔ)上，通過對作戰(zhàn)環(huán)境的圖像信息交互處理，構(gòu)建艦船電子沙盤交互信息處理平臺[1]，在分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)下實現(xiàn)艦船電子沙盤的信息交互控制，研究艦船電子沙盤交互系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)字壓縮等技術(shù)提高戰(zhàn)場信息交互能力，通過分布式計算機網(wǎng)絡(luò)控制，實現(xiàn)對作戰(zhàn)效果評估[2]。本文提出基于虛擬現(xiàn)實的艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計方法，首先進行系統(tǒng)的總體構(gòu)建，然后進行艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的圖像處理算法設(shè)計。最后進行虛擬現(xiàn)實的視景仿真測試，得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架和功能組件分析

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

在電子3D虛擬現(xiàn)實視景仿真環(huán)境下構(gòu)建艦船電子沙盤交互系統(tǒng)。首先構(gòu)建艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，利用專業(yè)建模軟件Multigen-Creator建立艦船三維模型[3]，進行開發(fā)環(huán)境搭建；利用虛擬仿真技術(shù)來仿真艦船的水面航行狀態(tài)，結(jié)合體系結(jié)構(gòu)模型分析和圖模型參數(shù)分析的方法，進行艦船電子沙盤交互的過程控制。通過地形建模與幾何建模的方法，建立視景仿真平臺，在Mutigen Creator和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進行Lynx Prime圖形界面設(shè)計，對艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的頂層設(shè)計，通過編程將這些模型載入到三維虛擬環(huán)境中。采用多線程調(diào)度和場景渲染方法，在靜態(tài)視景模型庫中建立三維虛擬海洋(海底、海面)環(huán)境，通過模型庫構(gòu)造[4]，得到三維視景仿真平臺，艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的模型設(shè)計構(gòu)架如圖1所示、

圖1 艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的模型設(shè)計構(gòu)架Fig.1 Model design architecture of ship electronic sandbox interaction system

根據(jù)圖1所示的模型構(gòu)架，采用MAYA，3DStudio MAX、SoftImage進行系統(tǒng)的軟件建模，得到在3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的三維視景仿真平臺。艦船電子沙盤交互系統(tǒng)分為3層體系結(jié)構(gòu)，分別為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層。野外實測(如全站儀及GPS等)直接獲取DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合海底數(shù)據(jù)流和地形數(shù)據(jù)分析[5]，構(gòu)建用戶信息處理模塊，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 艦船電子沙盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structure system of ship electronic sand table system

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層建立在異構(gòu)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過3D虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，建立網(wǎng)絡(luò)傳輸終端控制模塊，通過視景仿真模型參數(shù)分析，定義.acf模型分析庫，初始化內(nèi)存分配(memory allocator)模型，配置.acf實現(xiàn)地形模型分析，構(gòu)建電子沙盤交互的地形LOD演變模型，如圖3所示。

圖3 電子沙盤交互的地形LOD演變模型Fig.3 Terrain LOD evolution model of electronic sandtable interaction

根據(jù)圖3所示的電子沙盤交互的地形LOD演變模型，結(jié)合三維數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特性分析，通過Vega Prime視景開發(fā)軟件建立電子沙盤交互系統(tǒng)可視化模塊，結(jié)合幀同步分析方法，采用3層中間件結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法實現(xiàn)對艦船電子沙盤交互的語音動態(tài)轉(zhuǎn)換和場景適應(yīng)性控制，交互控制過程如圖4所示。

圖4 電子沙盤交互控制過程Fig.4 Interactive control process of electronic sandtable

在此基礎(chǔ)上，采用Multigen Creator3.2建模的方法進行虛擬場景中的虛擬三維實體設(shè)計，得到系統(tǒng)仿真過程如圖5所示。

圖5 艦船電子沙盤交互仿真過程Fig.5 Interactive simulation process of ship electronic sandbox

2 艦船電子沙盤視景圖像處理算法

2.1 艦船電子沙盤視景圖像采樣

設(shè)計艦船電子沙盤視景圖像處理模型，計算目標(biāo)圖像的特征分量，結(jié)合點模型分析方法，在圖像成像分布域中，得到外觀屬性參數(shù)S。采用傳感信息幀點采樣方法，構(gòu)建艦船沙盤的圖像合成網(wǎng)絡(luò)模型；采用最近鄰插值與卷積分析方法，得到圖像視覺特征參量為：

式中：l=1,2,···,R且k≠l，表示艦船電子沙盤視景圖像采樣樣本長度；gkl為生成的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)的差異度；z為圖像邊緣輪廓分量；fkl為沙盤棋盤狀偽影，采用相似度特征分析，得到2個特征塊連接的相似度：

式中：ycm為艦船視景三維重構(gòu)的高度；ydm為艦船視景三維重構(gòu)的寬度。

采用最近鄰插值分析和主成分特征分解的方法，得到全息成像下艦船電子沙盤交互的視覺融合動態(tài)輸出特征值：

式中，為相鄰像素坐標(biāo)的圖像樣本特征值，為待測艦船電子沙盤的從源屬性特征值。

2.2 圖像特征提取和電子沙盤交互重建

采用空間變換和三維視景重構(gòu)的方法，通過特征值之間空間位置的坐標(biāo)偏移量，得到Ψq′′的位置關(guān)系，以F為旋轉(zhuǎn)不變矩，得到每一個特征點進行偏移的模型參數(shù)為交互的虛擬像素分布序列為：

式中：N為像素點個數(shù)；k為新的空間變換動態(tài)參數(shù)。采用變分自動編碼控制，得到圖像邊緣輪廓檢測的時間窗口為空間位置坐標(biāo)偏移量的動態(tài)調(diào)整公式為：

式中：x，y分別為輸入外觀屬性編碼特征值，θ1為空間位置的坐標(biāo)偏移量。使用級聯(lián)的姿態(tài)控制方法，得到生成目標(biāo)圖像為：

式中，為全局特征相同的變換參數(shù)；δ為定位在物體的剛性位置。

通過改變源圖像中像素點的空間參數(shù)信息，結(jié)合全局轉(zhuǎn)換參數(shù)動態(tài)分析，得到光強分配的特征量為由此建立圖像特征提取和電子沙盤交互模型，實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 圖像特征提取和電子沙盤交互模型Fig.6 Image feature extraction and electronic sandbox interaction model

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)和實驗測試

在Visual C++和Matlab仿真場景中進行艦船電子沙盤交互系統(tǒng)的仿真測試。

根據(jù)參數(shù)配置，進行艦船電子沙盤的虛擬視景仿真，構(gòu)建艦船電子沙盤的靜態(tài)視點圖和動態(tài)視點圖如圖7所示。

圖7 艦船電子沙盤的靜態(tài)和動態(tài)視點圖Fig.7 Static and dynamic viewpoint maps of ship electronic sandbox

根據(jù)艦船電子沙盤交互的視點圖模型設(shè)計，采用PlaySound函數(shù)進行聲音交互，測試電子沙盤交互性能，得到艦船頻譜信號檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 艦船頻譜信號檢測Fig.8 Results of ship spectrum signal detection

分析仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，交互的信號檢測性能較強。

4 結(jié) 語

本文提出基于虛擬現(xiàn)實的艦船電子沙盤交互系統(tǒng)設(shè)計方法。建立視景仿真平臺，在Mutigen Creator和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進行Lynx Prime圖形界面設(shè)計。采用多線程調(diào)度和場景渲染方法，在靜態(tài)視景模型庫中建立三維虛擬海洋環(huán)境，通過模型庫構(gòu)造，得到三維視景仿真平臺，并實現(xiàn)對艦船頻譜信號檢測。分析可知，本文設(shè)計的艦船電子沙盤的視景交互能力較好，信號檢測性能較強。