基于OSG 空战态势显示系统设计

◆程 琛 孙文柱 王志乐

（海军航空大学（青岛）虚拟仿真中心 山东 266041）

战场态势通常是战场空间中兵力部署，战场环境的当前状态及其发展变化趋势的总称。而空战态势系统是一种能够直观地反映空战场的态势和各种环境，体现作战元素行动安排，表现战斗双方形势的综合系统。当今世界，随着现代化战争的进程越来越深入，空战态势系统已经成为自动化系统的重要组成部分之一。空战态势系统的存在能够加强指挥员对战场形势的把握，对指挥员做出正确的决策起到了重要的作用。而OSG（Open Scene Graph）平台以其开源，跨平台等特性，已经被越来越多的系统设计者所采用。针对此问题，已有很多学者做了大量研究，文献[1]对OSG中三维场景的数据组织、场景的裁剪技术、渲染的流程进行了研究。文献[2]结合北斗系统短报文功能，构建了位置报送网络。文献[3]提出了一种基于金字塔结构的分块地形层次细节简化算法，解决了大场景建模速度与精度间的最优化问题。文献[4]给出了基于空间实体的层次网格空间索引查询算法和基于“信息树”的遍历查询算法，解决了态势数据的查询效率不够高等问题。文献[5]对OSG 中武器装备的模型构建、数据的共享方式以及导出功能进行了研究。文献[6]对三维虚拟战场中电磁环境的模型构建进行了研究，提出了以剖面、断面和球面三种情况多方面来体现电磁在三维空间中的分布情况。文献[7]研究了建立一体化态势服务系统的支撑技术，提出了面向多源运动目标的一体化态势服务系统的总体架构。文献[8]设计了三维场景数据动态调度算法，提高了三维场景绘制效率。本文利用OSG 对空战态势系统框架进行构建，对态势系统中的显示元素进行设计并给出关键性能指标。

1 OSG 简介

OSG（Open Scene Graph）是一个开源、跨平台的图形开发包。起源于运行在Linux 下的一种滑翔机的场景模拟器，现已被广泛应用于游戏、飞行器仿真、科学计算可视化，虚拟现实这样的高性能图形应用程序的开发设计。与其他的交互式图形程序相比，OSG 具有以下特性：

（1）OSG 具有开源性。OSG不同于一些商业化的三维引擎，其所有源代码都为开源，具有开发成本低、安全性高、更新速度快等优点。

（2）OSG 具有快速开发性。场景图的内核封装了包括最新扩展的大部分OpenGL 功能，程序员不再关注底层代码，而可以按照功能选取相应的函数。

（3）OSG 具有可移植性。OSG支持的操作系统平台有很多，比如：FreeBSD、IRIX、Windows、Mac OSX、Linux、Solaris 和AIX 等。

（4）OSG 节点工具集完备。可以作为独立库在应用程序中进行编译或在运行时装载。增加了支持粒子系统、交互控制、高质量抗锯齿文本、阴影框架结构等效果。

（5）OSG 功能强大。OSG 场景图内核功能比较多。支持：状态排列，隐藏面剔除，细节层次节点，状态排序，视图投影剔除等。这些功能使OSG 性能较其他三维引擎性能高。

（6）OSG 具有可扩展性。OSG 允许更多功能，可以在必要时插入到适当位置中，从而应对未来在进行修改时，代码被过度工程化地开发等问题。

2 空战态势系统框架

战场态势系统的框架分环境、态势、显示三个部分。详细说明如下：

（1）环境主要指地形环境信息显示，可以和天气信息和电磁信息进行综合显示，使指挥员更全面地掌握战场形势。战场环境是作战双方进行交战的基础条件之一，掌握战场环境使指挥员对战场形势考虑得更加全面。为了显示战场环境，需要构建数学模型，通过数字化的方式，将环境信息形象直观展现出来。值得注意的是战场环境往往比较复杂，需要层次分明、条理清晰地将战场环境表示出来。

（2）态势是需要显示的主体。系统的主要显示部分就是作战双方的态势。战场态势显示主要包含战场态势的数据处理，对输入设备的实时信息进行接收，经过处理并及时展现出来。特别地，应强化特效展示，对飞机发动机音效、武器的轨迹等特效进行模拟，对武器毁伤效果进行展示，使整个系统真实性更强。

（3）显示是将态势信息显示在屏幕上，同时注意给予指挥员足够的操作空间进行人机交互。指挥员往往需要直观地看到态势信息，进行实时推算演练，这就对系统的简便性提出了要求。同时需要注意多功能化，提供指挥员更多的选择。为了解决这一矛盾需要设计为递进式层次，底层功能最简单，显示的内容最基础，越高层次功能越强大。

图1 给出了基于该设计理念的空战态势系统框图。

3 空战态势系统显示元素

系统需要显示元素较多，需在有限空间对诸多元素进行递进式分层显示。以多功能化和简洁化为原则进行显示设计意义重大。多功能化需要全面考虑各种态势信息，如地形信息，电磁信息，敌我武器信息，特效展示等；简洁化要求尽可能使界面简洁直观，对最重要的信息进行显示，同时对次要信息进行归类隐藏，需要的时候能够立刻调度出来。图2 给出显示界面的设计。其中，某一区域背景指作战双方所处的大背景，一般为某个空战区域，同时可以在这一画面区域上显示目前所处的时间，所处的地球坐标，正前方的方向，方便指挥员把握整体局势；红蓝双方视角是以红方或者蓝方为第一人称所看的画面；第三人称视角是指“上帝”视角所看的交战双方的态势；红方编队信息和蓝方编队信息主要是对交战双方的编队组成，各战机的数量、种类、型号，携带武器情况进行显示；信息修改用来修改选中编队或者某个战机的详细信息；常用工具提供一些针对显示窗口标记之类工具；其他功能用来后期优化过程中增添新的功能。

图1 战场态势系统设计方案

图2 显示界面设计

4 指标设计

态势显示系统中部分核心技术指标如下：

（1）硬件配置

为达到流畅显示动态画面的要求，运行态势系统的硬件配置应不低于以下要求：CPU：4 核3.0G；内存：8G DDR3；硬盘：容量1T；独立显卡：显存2GB。

（2）软件运行环境

运行环境即程序运行平台，提供软件运行的各种条件。操作系统：64 位Win7；可执行文件版本：32 位Release/64 位Release；编译环境：VS2005/VS2008/VS2010/VS2013。

（3）可靠性要求

信息化战场环境复杂，需要系统有更高的可靠性。可靠性应该满足条件如下：可靠性日工作强度≮12 小时；可靠性年工作强度≮3000 小时。

（4）其他要求

系统的实时性和流畅度对指挥员做出正确判断意义重大。对网络延迟要求不大于50ms，丢包率小于1%。；分辨率大于1024*768；画面显示帧速率不小于30。

5 结束语

本文设计了一种基于OSG 空战态势显示系统，其中构建了一种空战态势显示系统框架，并对系统显示元素进行了分析与设计并提出了一些可行的技术指标。系统有助于评估人员对战场进行整体把握。功能强大，显示直观的态势系统对评估人员做出最佳决策起到了重要作用。随着研究的不断深入，新功能将会不断开发，系统将会不断优化，战场态势显示也会变得更方便直观。