一 方案背景
近年来，计算机技术水平持续提升，同时基于桌面的可视化仿真技术也逐渐成熟， 这些都为实现虚拟化战场提供了坚实的技术基础。通常来说，虚拟战场的视景仿真可以分为两大类：战场态势的视景仿真和战场环境的视景仿真。其中，战场环境视景仿真指的是在计算机上显示与真实的战场环境相似的画面，包括电磁环境、海洋环境以及地理环境等。而战场态势的视景仿真指的是在前者的基础上显示各种态势信息，包括各种实体动态变化的位置、分布、状态和关系等。
由于以往在计算机图形学渲染技术以及计算机硬件上存在着局限性，所以人们把更多的焦点放在提高仿真系统的实时性方面，在仿真系统的真实感方面往往不尽如人意。近年来，随着各种渲染技术的出现以及图形硬件性能上的提升，在保证仿真系统的实时性下，渲染出高质量的三维场景已成为现实。因此，研究如何基于图形硬件的强大性能，并充分利用渲染技术来提高虚拟战场仿真的真实感画面具有重大意义。
图1 早期视景仿真效果
虚拟战场仿真技术一直是各国关注的焦点，各个国家都对其投入了大量的研究。早在1984年，美国就研发出了SIMENT系统，这是一套基于分布式的坦克模拟训练系统，它的目的是将分散在世界各地的坦克仿真器通过网络技术实现互连，然后进行各种复杂的军事训练。1991年，美军在海湾战役中，针对主坦克设计研发了一款三维战场仿真系统，将战场的环境通过该系统渲染在三个屏幕上，战士们可以在这虚拟的环境中进行模拟训练。1997年，美军与洛克希德公司合作，共同研发了 一款用于军事演习的三维仿真系统，该系统可以真实的模拟出不同的气象环境、三维地理环境以及各种激烈的战斗场面。2002年，在“红旗”军事演习中，美军就开始大量使用三维仿真技术，实现了将战机的飞行数据实时地渲染在屏幕上，提供了具有真实感的空中态势。
二 需求分析
一个完整的战场三维可视化系统包括三维场景构建，在场景中添加实体参战模型，为模型添加特效动作，通过脚本控制来实现模型的数据驱动，通过UI 界面来实现作战流程控制及视角控制等（其各部分功能分解如下图所示）。
图2 战场三维可视化系统需求分析
战场态势展示内容包括全球3D 场景展示、局部战场区域3D 展示和近景细节展示三部分。全球3D 场景展示主要包括地球环境、大气、星空、太空背景、作战单元宏观动作等内容; 局部战场区域3D 展示可从不同角度、距离观察局部区域的作战场景，包括展示整个具体任务过程中所有参战单元的态势显示，仿真对象的位置、姿态、运动轨迹、动作响应，展示复杂战场中的数据链路、探测范围、打击效果等多信息融合内容; 近景细节展示需要对参战单元的细节动作进行直观展示，如导弹发射及各级分离、卫星侧摆及轨道转移、航母舰载机起降等。战场态势展示效果主要包括高逼真度的海面效果，实时动态光照和阴影特效以及云雨雪、潮汐、水温等自然环境的模拟；具备对典型战场单元作战活动的特效展示功能，如导弹发射的尾焰、导弹拦截撞击爆炸、导弹释放突防干扰装置等特效显示。人机交互功能要能够实现地图的缩放、地形数据的分层显示、信息的查询、视角的切换，并能够通过界面操作触发对应实体的特效展示。
三 战场三维可视化系统设计
图3 战场三维可视化系统总体架构
战场环境是对战地环境以及所有影响作战活动的条件和情况的统称，随着科技的发展，现代战争的方式也发生了改变，战场环境也更加的多元化，包括了地理环境、 天空环境、海洋环境以及各种武器装备。同时，为了虚拟战场环境更具有真实感，在本系统中也加入大量的战场特效。如上图所示，根据战场仿真功能要求，战场三维可视化系统基于三维设计软件（如CAD、CAE、3dsMax软件等）、数据管理系统（如PDM、SDM、TDM及GIS等）、交互外设（如VR头盔、AR眼镜、半实物模拟器等）构建统一仿真数据标准。在MakeReal3D虚拟现实仿真平台的基础上开发地形生成工具、天气模拟工具、特效仿真工具、虚拟武器装备库、可视化编程和网络通讯接口。网络通讯接口通过HTTP、TCP、UDP等协议于外部系统进行数据交换，外部系统包括弹道仿真系统、控制仿真系统、效能评估系统、态势仿真系统、毁伤仿真系统、飞行模拟系统等。
图4 MakeReal3D中的虚拟战场仿真、地形生成、气象模拟、燃烧特效
图5 MakeReal3D中的武器装备模型库
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