摘  要： 簡述了圖形推演的定位和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了線狀目標(biāo)爬行效果的實(shí)現(xiàn)，提出了基于特征值的中心線生成算法和基于非線性系數(shù)的曲線拐點(diǎn)生成算法。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明了該研究成果的有效性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： 圖形推演；爬行效果；特征值算法

    隨著計(jì)算機(jī)信息化手段的日益普及和發(fā)展，以矢量圖形動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)為核心的圖形推演技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于仿真模擬、情況匯報(bào)和態(tài)勢(shì)推演等各類軍事應(yīng)用中，以達(dá)到幫助使用者更好地展示仿真過程、匯報(bào)值班情況或推演作戰(zhàn)謀劃的目的[1]。
圖形推演主要負(fù)責(zé)完成目標(biāo)和場景的動(dòng)態(tài)表達(dá)定義和演播，是圖形處理平臺(tái)的一個(gè)組成部分，其依托于圖形數(shù)據(jù)管理和圖形符號(hào)庫，為最終上層應(yīng)用提供圖形動(dòng)畫支撐，是態(tài)勢(shì)推演應(yīng)用的關(guān)鍵部分。目前，許多動(dòng)畫推演和圖形處理類的軟件[2-3]都具備了圖形推演的基本能力，基本都實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)基本動(dòng)作的設(shè)計(jì)，但對(duì)動(dòng)作動(dòng)畫效果的精細(xì)性和準(zhǔn)確性缺少深入的研究，往往止步于示意階段。本文將介紹圖形推演在線目標(biāo)移動(dòng)效果方面的研究成果。
1 系統(tǒng)概述
    圖形推演的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為核心處理和應(yīng)用兩個(gè)層次，核心處理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的生成、顯示、驅(qū)動(dòng)和控制，應(yīng)用層負(fù)責(zé)提供操縱目標(biāo)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的各類界面操作。

    圖形推演系統(tǒng)的外圍是以圖形推演作為支撐平臺(tái)的推演類應(yīng)用。
    目標(biāo)數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)目標(biāo)靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，處理數(shù)據(jù)的生成、修改和刪除。目標(biāo)數(shù)據(jù)通過調(diào)用圖形繪制算法庫提供的相應(yīng)算法完成顯示繪制。
     動(dòng)作定義模塊為目標(biāo)對(duì)象添加動(dòng)作，追加到目標(biāo)數(shù)據(jù)的動(dòng)作屬性中。根據(jù)實(shí)際的需要，還可以設(shè)計(jì)動(dòng)作組和動(dòng)作集合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作的定義和播放。
    計(jì)時(shí)管理器是推演技術(shù)的重要部分，負(fù)責(zé)按計(jì)時(shí)器的單位時(shí)間間隔從目標(biāo)數(shù)據(jù)管理模塊獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，生成當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并記錄在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理模塊。
    動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是變化了的靜態(tài)數(shù)據(jù)，其初始顯示姿態(tài)和目標(biāo)靜態(tài)數(shù)據(jù)本身相同，但隨著時(shí)刻的變化，目標(biāo)的顯示效果也會(huì)變化。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的顯示也要依靠圖形繪制算法庫完成。依據(jù)動(dòng)作類型的不同，數(shù)據(jù)變化的方式也不相同。
    播放控制主要負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)時(shí)管理器的控制，通過啟動(dòng)、播放、暫停、停止和定位等指令，控制推演的工作時(shí)刻。
    視頻錄制提供了與外部應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)推演制作的數(shù)據(jù)共享。錄制的過程也要靠計(jì)時(shí)管理器一幀一幀地推送渲染。
2 爬行動(dòng)作定義
    圖形數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)表達(dá)的基本單位是動(dòng)作，描述一個(gè)動(dòng)作的基本參數(shù)包括動(dòng)作標(biāo)識(shí)、動(dòng)作名稱、起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，而根據(jù)動(dòng)作類型的不同，動(dòng)作參數(shù)也各不相同。圖形推演支持的常用基本動(dòng)作包括顯示/隱藏、閃爍、旋轉(zhuǎn)、按軌跡移動(dòng)、生長和變形等。
    在戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)推演過程中，隨著時(shí)間的推移，一些實(shí)體的空間位置會(huì)發(fā)生改變（如戰(zhàn)役中部隊(duì)的行進(jìn)，飛機(jī)對(duì)敵方進(jìn)行空襲等），這就需要定義一個(gè)按軌跡移動(dòng)的動(dòng)作，其動(dòng)作參數(shù)為起始時(shí)間和移動(dòng)路線軌跡，前者是線目標(biāo)移動(dòng)，后者是點(diǎn)目標(biāo)移動(dòng)。點(diǎn)狀目標(biāo)移動(dòng)相對(duì)簡單，可以通過設(shè)置標(biāo)號(hào)的位置和方向角來體現(xiàn)，但對(duì)于線狀目標(biāo)按軌跡的移動(dòng)，理想效果是使線目標(biāo)在路線上貼合爬行，因此又稱之為爬行動(dòng)作定義。
3 爬行效果研究
3.1 問題描述
    效果指各類推演動(dòng)作在播放時(shí)呈現(xiàn)出的結(jié)果，主要由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理和圖形繪制算法庫兩個(gè)模塊來完成。
對(duì)于爬行效果來說，目前大多數(shù)研究者[4]采用的方法都是解決線標(biāo)首尾兩點(diǎn)的軌跡擬合，中間的點(diǎn)通過設(shè)置間隔容限和差值來實(shí)現(xiàn)。這種算法雖然通用，但沒有考慮線標(biāo)實(shí)際含義和線標(biāo)本身的擬合算法，導(dǎo)致在展示效果和準(zhǔn)確性上都存在局限性，在實(shí)際推演播放中會(huì)呈現(xiàn)比較突兀的顯示姿態(tài)，導(dǎo)致軌跡發(fā)生跳躍、偏移。
以帶有寬度的箭標(biāo)為例，假設(shè)其在一條有變化的道路上爬行，如圖2（a）所示。箭標(biāo)有3個(gè)定位點(diǎn)，Ps為起始點(diǎn)，Pe為結(jié)束點(diǎn)，Pn為中間點(diǎn)，圖2給出了3個(gè)時(shí)刻的箭頭移動(dòng)結(jié)果，第1時(shí)刻3點(diǎn)序列為{Ps，Pn，Pe}，第2時(shí)刻3點(diǎn)序列為{P′s，P′n，P′e}，第3時(shí)刻3點(diǎn)序列為{P″s，P″n，P″e}。

    圖3中，箭頭由7個(gè)點(diǎn)組成，其中第4點(diǎn)位置已經(jīng)確定，即箭標(biāo)中軸線的最后一點(diǎn)。根據(jù)箭頭角度、箭耳角度和箭頭占箭標(biāo)總長的比例，就可以計(jì)算出其他6個(gè)點(diǎn)，這里不再贅述，重點(diǎn)介紹箭身的生成算法。箭身的生成算法如下。


  （4）獲得了L和R點(diǎn)序列，取默認(rèn)調(diào)整比例，就可以擬合出過這些拐點(diǎn)的貝塞爾曲線；按照左箭身—箭頭—右箭身的順序，將集合點(diǎn)序列送入直線繪制函數(shù)，即完成了當(dāng)前時(shí)刻箭標(biāo)的效果顯示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖5為“燕尾行動(dòng)箭標(biāo)”進(jìn)行爬行移動(dòng)的效果截圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，爬行效果在各個(gè)彎度上都基本保持了尺寸不變和精確擬合。圖5（a）為第3 s剛剛開始起步的效果，圖5（b）為第11 s行動(dòng)箭標(biāo)在彎路上爬行的效果。
本文提出的線標(biāo)爬行算法有效解決了線標(biāo)移動(dòng)的軌跡偏移問題，改善了以往按軌跡移動(dòng)的動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)大多只重視點(diǎn)狀目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，線狀目標(biāo)的移動(dòng)只關(guān)注首尾點(diǎn)或中心點(diǎn)的缺陷。

    圖形推演技術(shù)被用于多種軍事應(yīng)用場景中，但不同應(yīng)用場景（如作戰(zhàn)推演[7]、交接班匯報(bào)和想定仿真）在應(yīng)用流程上還有很多差別，如前兩者的數(shù)據(jù)大多來自人工生成，而后者則主要是數(shù)據(jù)自動(dòng)生成。如何整合這些應(yīng)用場合的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，保證不同工作方式下動(dòng)作參數(shù)獲取的一致性，是今后研究的一個(gè)主要方向。同時(shí)，研究多個(gè)目標(biāo)同時(shí)動(dòng)作下的時(shí)間同步和提速策略，也是影響效果進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的重要因素。
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