多警种综合作战虚拟训练平台的研究

第一章 绪论

1.1 课题的提出及研究意义

1.1.1 课题研究意义
公安抓捕工作中会面临很多复杂的情况。特别是在多警种合成作战中，由于各作战单位有各自的直接领导和指挥，行动有各自己的特点和分工，所以有必要让指挥员有宏观上有较好的把握。抓捕方案的实施结果会对整个案件甚至对社会有很大的影响。在实际上，多警种抓捕战术的训练非常少，各作战单位都是发挥本职功能的同时结合指挥者的命令来行动，缺少对具体行动方案的宏观掌握，所以在工作中经常出现由于配合不当而造成的工作失误。这些失误严重时会造成行动失败和无辜的人员伤亡。
常规的抓捕训练和研究会受到各种现实条件的限制，浪费财力物力且效率低。在公安抓捕中急需一个可供模拟训练和战术研究、指挥系统。当前虚拟现实技术用于军队训练方面较为普遍，用于公安工作还是不多。本项目系统通过模拟抓捕现场情景，可让相关人员对模拟场景进行模拟操作，设计模拟各种条件下可能发生的情况，并对各种情况研究相对应的战术方案。极大提高了战术研究的效率和科学性，也有利于各作战单位进行战术训练，快速掌握战术。

1.1.2 多警种合成作战虚拟演练平台概要
本项目系统通过归纳一线队伍实地侦办案件的相关经验，对远程指挥、专门业务技术理论的思维方式进行提升，运用军事上的电子沙盘和数学模型的理论，研究开发出一个对抓捕现场环境可进行模拟现场、布置任务、演示3D效果的环境分析系统。系统采用开放的模型设置，可直接对现场环境进行录入，转换为系统的基本要素。通过基本模型和基本要素的变换实现对不同环境模拟，达到接近实际环境的效果。系统直接现场使用，方便携带。

1.2 本课题研究目标及内容
本课题研究的目标为：通过录入现场实际环境，模拟出一个可修改、可重复演示、可输出（输出视频文件）、全方位（360°方位）观看、具有3D（三维）效果的现场环境，实现案发现场案件重现模拟。模拟实现对抓捕现场进行侦察、布置攻击任务，模拟攻击效果等实战方案演示。系统采用开放的模型设置，可直接对现场环境进行录入，转换为系统的基本要素。通过基本模型和基本要素的变换实现对不同环境模拟，达到接近实际环境的效果。.................................
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第二章 多警种合成作战虚拟演练平台的设计分析

2.1 系统的功能分析
1)虚拟场景的创建与漫游。根据实际现场的情况，建立逼真的模拟场景三维模型，实现对虚拟场景的实时驱动。实现可控制漫游和自动漫游两种漫游方式。在可控制漫游方式下，漫游者可以随意改变观察者的视角和位置，控制观察者在虚拟场景中漫游；在自动漫游方式下，系统根据设定好的路线自动漫游；在漫游过程中可以实现可控制漫游方式和自动漫游方式之间的切换，及不同观察者初级位置之间的切换。
2) 实现情景仿真。在虚拟的场景中根据实际情景设定虚拟人物和景物，按要求设定各运动物体的运动状况，对一些自然现象和物理现象进行仿真，使系统可以对整个战术过程进行仿真。
3) 建立完善的碰撞检测(非本文研究内容)。在可控制漫游方式下，漫游者控制的观察者在场景中漫游时，当接触到场景中的物体和墙壁时，做出必要的反应，以增加场景漫游的真实感。
4) 在模拟过程中可对画面进行截图和录像。截图和录像要有一定的清晰度。以便可以打印存档和观看学习以及后期视频编辑使用。

2.2 MultiGen Creator 三维场景建模软件

2.2.1 三维建模软件分析

以下就几个典型的软件进行分析:
(1) AutoCAD: AutoCAD是一个开放型的CAD软件包，用它绘制图形具有极高的精度，AutoCAD的双精度浮点运算可以精确到小数点后16位，无论怎样频繁地编辑图形，都能保持图形的精确。它提供了丰富的基本绘图对象，具有完善的图形绘制功能和编辑功能，内含AutoLISP语言和ADS, ARX开发系统，利于用户进行二次开发。AutoCAD提供了多种接口文件(如SCR.DXF, ICES等)，便于与高级语言进行信息交换，或者与其他CAD系统进行相互的图形转换。在图纸的设置和输出方面，AutoCAD能够把三维模型输出为精美的、符合工业标准的工程图纸，这在同类软件中是出类拔萃的。但它的缺点是灯光渲染和动画功能方面不如3DS Max强大。
(2) 3DStudioMax： Autodesk公司的3DStudioMax是三维动画软件，年来在三维仿真中也有应用，它支持Windows 95/98, Windows NT平台，具有多线程运算能力，支持多处理器的并行运算、建模和动画能力丰富，材质编辑系统也很出色。.............................
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第三章 现场虚拟场景三维模型的建立与优化.............................25
3.1 虚拟场景三维模型的建立 ...................................................25
3.2 资料的预处理 ....................................................................26
3.3 3DS MAX 构建模型.............................................................27
3.4 CREATOR 处理模型............................................................ 28
3.4.1 场景数据库层次结构 .......................................................29
3.4.2 实例化技术 .......................................................................30
3.4.3 外部引用技术 ..................................................................31
3.4.4 纹理映射技术 ...................................................................32
3.5 虚拟场景三维模型的优化 ...................................................34
3.5.1 实时视景生成技术 ......................................................... 34
3.5.2 模型结构的优化 ..............................................................35
3.5.3 层次细节技术 ..................................................................35
第四章 虚拟场景漫游的实现 ...................................................37
4.1 虚拟场景漫游的概念 ........................................................ 37
4.2 建立基于 MFC 的 VEGA 视景驱动程序 ................................ 38
4.3 自动漫游的实现 ................................................................... 40
4.3.1 设置自动漫游路径 ........................................................... 40
4.3.2 实现自动漫游 .................................................................. 41
4.4 可控制漫游的实现 .............................................................. 41
4.4.1 可控制漫游的概述 ........................................................... 41
4.4.2 实现可控制漫游 .............................................................. 42
4.5 漫游方式及观察者位置的变换 ............................................. 42
4.5.1 漫游方式的切换 .............................................................. 43
4.5.2 观察者位置的变换 ...........................................................44

总结；
经过一段时间的测试得出以下结果：精确建模的模拟费时较长，一般需要一至两天的时间，但模拟效果很好，参加办案的人员能够在没有去过现场的情况下通过系统快速地熟悉地形，对现场环境有真实深刻的理解，指挥员也能根据系统跟各作战分队协调好，作出满意的战术决策；大概建模的模拟实现起来很快，一般几个小时内可以完成模拟过程，模拟的效果没有精确建模好，对于大部分人员都比较熟悉的环境比较适用，可以利用快速建模产生快速反应。对于各场景的模拟一般能通过几次演练就熟悉战术安排，默契配合，达到预定效果。通过测试我们也得出另外一个结论：对一个现场模拟办案，建模是最关键的部分。地形环境的真实性和具体齐全对办案人员掌握办案环境、布置和理解战术直到实际办案时对战术的成功应用执行起关键性的作用。
本文对多警种合成作战虚拟演练平台的开发与研究过程作了分析和介绍。结合当前多警种合成作战的训练和战术研究情况，提出了本课题系统的功能设计方案，并在分析了相关软件的基础上对系统的设计方法进行确定。..........
由此实际开发的警用作战演练系统，将各种地形与战术演练结合在一起，为各级领导的指挥决策提供更形象、更直观的可视化的平台，在公安实战中发挥了重要的作用。
当然，该系统还须进一步完善，建立更真实的地形图和更多警种的参与演练会提高该系统的实用性。另外在各种效果的模拟，比如风雨、水域的模拟和爆炸等现象的模拟有待进一步提高。作为一个更加完善的多警种合成作战虚拟演练平台应该加网络功能，不同的用户可以在不同的地方登录进入系统，可控制相对应权限的警力，各终端之间有通信模块，方便用户之间的信息交流；开发或引用城市三维地图，并与系统融合在一起；给现场办案人员增加定位装置，结合三维环境，使指挥员清楚地看到各小组人员的活动状况。

参考文献
[1] 周锐 成晓静陈宗基，战术任务规划系统研究，控制与决策，2004,Vol19 No.4,
[2] 姜再明，飞行推进综合控制初步研究，北京航空航天大学，2004
[3] 吴家铸等.视景仿真技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社，2001.
[4] Ellis.   What is Virtual Environment. IEEE Computer Graphics And Application1994.
[5] CreatingT errainf ors imulations,MultiGen-Paridigm.Aug,2001.
[6] Creating Models for Simulations,MultiGen-Paridigln.Ang,2001.
[7] 石教英.虚拟现实基础及实用算法[M]，北京:北京科学出版社，2002, 76-80
[8] 和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发实用技术[M]，北京:清华大学出版社2003, 153-170
[9] 杜健.MFC框架下基于Vega的航海仿真系统视景驱动程序的开发[D]，大连:大连海事大学，2005.3
[10] 任庆东，赵明辉.场景模型的建立及快速显示[J]大庆石油学院学报，2002.6, 26(2):56-59
[11] 李军，王绍隶.基于Vega的视景驱动软件的分析与设计[J]，系统仿真学报2003,15(3):397-400,411
[12] 杨建国，王乘基于MULTIGEN和VEGA的虚拟现实技术(J)，计算机仿真，2003,20(11):75-77
[13] 范照炜，实时碰撞检测技术研究!D]，杭州:浙江大学，2003.10
[14] 肖丹建筑场景实时漫游和日照仿真[D]，杭州:浙江大学，2002
[15] 刘艳.三维虚拟人行为控制关键技术的研究[D]，天津:天津大学，2003.1