消防三维虚拟演练和作战标绘系统技术探究

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1、消防三维虚拟演练和作战标绘系统技术探究　　摘要：本文基于实景三维地理信息技术（3DGIS）与虚拟现实技术（VR），旨在解决当前消防部队在实战演练、桌面推演和作战指挥过程中存在的问题，使消防指挥变得科学化、可视化。本文的难点是基于DirectX通用三维渲染引擎实现三维地理信息技术与虚拟现实技术的融合，设计适合武汉消防部队的三维虚拟演练与作战标绘系统。关键词：3DGISVRDirectX虚拟演练作战标绘中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）12-0155-021概述随着经济建设的高速发展，城市

2、规模不断扩大，火灾与其它各类灾害、社会突发事件（包括恐怖事件）等发生频率逐年增高。消防部队作为保卫国家利益和本地区人民生命财产安全的主力军，必须全面提高指战员的指挥能力和作战能力，才能担负国家赋予我们的责任与使命。目前，一般通过实战演练和桌面推演等方式提供消防官兵的指挥作战技能与应变能力，火灾事故发生后指挥员必须亲临现场才能了解实际情况，才能临场指挥、排兵布阵。随着信息技术的发展，尤其是3D8GIS与虚拟现实技术的发展，有望解决消防部队灭火演练劳民伤财、桌面推演纸上谈兵、作战指挥临场发挥等问题[1][2]。2关键技术2.1三

3、维地理信息技术自从2005GoogleEarth面世，它提供的高分辨率遥感影像和3D直观空间信息表达、灵活方便人人会用的操作界面、标准开放的体系架构和人性化服务，打破了传统空间信息技术的思维定式，改变了人们认识和了解地球的方式，使得三维地理信息技术走进了人们的生活。除了GoogleEarth的问世，国内的中地、超图也推出了自己的三维产品。考虑到消防对虚拟现实要求的要求较高，只有开放原生的底层渲染API才能满足改造的需求，因此选用开源的WorldWind作为基础平台。2.2虚拟现实技术虚拟现实（VR）的真正含义：把客观世界中的

4、某一局部用电子的方式模拟出来，并能够让你进入这个世界，犹如身临其境。结合消防实际需求，在消防三维虚拟演练与标绘系统中涉及到如下技术[3][4]2.2.1粒子系统8粒子系统的基本思想是把不规则模糊物体看作由一定数量的粒子组成的粒子群体，每个粒子有共同的属性，如速度、加速度、颜色、生存周期、大小、形状等。粒子在随时间的变化过程中，按照所赋予的粒子动力学规律改变其状态。本文采用粒子系统和纹理映射技术实现三维火焰、爆炸和水枪等的出水效果。2.2.2实物虚化基本模型的构建是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应

5、的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。模型构建首先要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性。例如，通过CAD/CAM或二维图纸构建产品或建筑的三维几何模型；通过GIS数据和卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。为了增强虚拟环境的真实感，物理特性和行为规则建模要表现出对象物体的质量、动量、材料等物理特性，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时，可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。例如，可以对气象数据进行建模生成虚

6、拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）。2.2.3模型动画8当前有两种模型动画的方式：顶点动画和骨骼动画。顶点动画中，每帧动画其实就是模型特定姿态的一个“快照”。通过在帧之间插值的方法，引擎可以得到平滑的动画效果。在骨骼动画中，模型具有互相连接的“骨骼”组成的骨架结构，通过改变骨骼的朝向和位置来为模型生成动画[5]。消防三维虚拟演练中设计到很多模型动画，例如消防人员、消防车辆等，本系统全部采用骨骼动画的方式丝线。骨骼动画比顶点动画要求更高的处理器性能，但同时它具有更多的优点，骨骼动画可以更容易、更快捷地创建。不同的骨骼动画可

7、以被结合到一起——比如，模型可以转动头部、射击并且同时也在走路。一些引擎可以实时操纵单个骨骼，这样就可以和环境更加准确地进行交互——模型可以俯身并向某个方向观察或射击，或者从地上的某个地方捡起一个东西。2.2.4虚拟场景中视点运动控制可交互的三维真实感图形是计算机图形学领域的核心内容。掌握空间坐标变换原理是实现交互和视点控制算法的重要基础，理解并灵活运用坐标变换就可实现以各种方式对视点运动进行控制。3系统架构3.1平台架构系统的核心功能包括：多分辨率金字塔与模型数据管理，三维地形渲染，虚拟现实及业务集成。系统的架构如图1所示

8、。3DG8IS建库与管理子系统基于等经纬度格网，对源数据进行分层分块，并构建多分辨率的瓦片金字塔；数据服务子系统以金字塔为组织单位，对外提供多分辨率瓦片服务；目录服务子系统连接数据服务子系统和三维可视化子系统，从前者获取金字塔信息，向后者提供金字塔图层配置信息；三维可视化子系统则主要负责多