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虚拟仿真系统的核心技术

来源: 作者: 时间:2010-02-24 Tag:虚拟仿真   点击:

虚拟仿真系统属于分布交互式仿真(DIS——Distributed Interactive Simulation)系统。分布式交互仿真技术是通过局域网和广域网把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员联系起来,运用协调一致的体系结构、开发标准和数据交换协议等,在人工合成的环境中,形成一个在时间和空间上互相耦合的、 同时共享一个综合虚拟环境而进行整体对抗的仿真。

其体系结构的主要特点为:每一仿真器都是一个自治的仿真节点;没有中心的控制计算机和服务器;采用广播的通讯方式;接收方理解、处理接收的信息;采用预估算法(DR——Dead Racking)和“心跳”(Heart Breaking)机制来减少网络负载;强调公平竞争;强调实体的概念等。由于其网络联结简单,且没有集中的软件组件,不需要可靠的数据传递机制和严格的演练起始与终止限制,使其具有较强的容错能力,较低的网络通讯延迟,能支持仿真的实时运行,并可以在计算载荷、位置误差和网络带宽方面提供灵活的均衡。但是它对于较大规模系统(500个以上实体)可扩展性差;非可靠的数据传递方式,大量冗余数据的处理和非客户定制方式的数据接收使系统缺乏灵活性。

为了解决上述问题,实现大系统各仿真系统之间的互操作性和可重用性,美国国防部组织制订了高层体系结构(HLA——High Level Architecture)。HLA按照面向对象的思想和方法来构建仿真系统,它是在面向对象分析与设计的基础上划分仿真成员和构建仿真联邦的技术。其中,联邦是指用于达到某一特定仿真目的的分布式仿真系统,它由若干个相互作用的联邦成员构成。HLA主要考虑在联邦成员的基础上如何进行联邦集成,即如何设计联邦成员间的交互以达到仿真的目的。

HLA由对象模型模板、框架与规则集和联邦成员访问基础结构的接口规范三部分组成。对象模型模板是对仿真中的对象、对象属性和对象间信息交互的格式和内容进行定义的标准化描述;框架与规则集共定义了10条规则,描述仿真和联邦成员的职责,以确保一个联邦内仿真的正确交互。接口规范描述在操作过程中的仿真交互方式。

按照HLA,所有的仿真子系统都通过基础结构进行通讯,使得通讯更加有序,具有较好的规模扩展性,有利于减轻网络负载。

HLA是仿真系统的通用技术框架,只要按照这个框架设计、组建仿真系统,各仿真系统间均能实现很好的互操作和重复利用。HLA技术使多个小仿真系统联合起来构成一个大型复杂分布式仿真系统成为可能。这种体系结构实现了仿真成员、仿真运行管理和底层通信三者分离,从而可使各部分相对独立的进行开发,最大程度地利用各自领域的最新技术来实现要求的功能。

具有高层体系结构(HLA)的仿真系统也是分布式虚拟仿真系统,是一种更高级的分布式虚拟仿真系统。

虚拟仿真是一门综合性的技术,涉及的技术很多,其核心技术主要包括以下几个方面:

(一)建模技术

建模是以相似性原理、模型理论、系统理论、信息技术为基础,按仿真应用要求对应用领域的有关属性进行科学的抽象和恰当的描述,这是从真实世界向仿真世界跨越的前提。模型是仿真活动的基础。虚拟仿真建模不同于普通的仿真系统,虚拟仿真系统不仅仅是采用数学公式对系统运行规律进行数学建模,更重要的是对虚拟环境与虚拟对象的视觉外观、表面摩擦力等物理属性、运动规律等进行建模。最能体现军用仿真建模水平的是作战仿真系统,其模型由实体模型、环境模型、作战模型和评估模型四类模型组成。

1. 实体模型。在虚拟仿真系统中中有两种类型的实体:一种是真实的人操作的装备仿真器,即人在回路中的仿真系统。装备仿真的模型有的是非常复杂的,例如飞行模拟器的模型,主要包括空气动力模型、发动机推力模型、操纵系统模型、通信导航系统模型、仪表系统模型、电源系统模型、液压冷气系统模型、视景模拟系统模型、运动感觉模拟系统模型、音响模拟系统模型……等。另一种是虚拟的人及其操作的虚拟仿真设备。其中,兵力生成是最重要的模型。空军战役模拟系统的模型要描述的实体包括:红蓝军各型飞机、各型导弹及发射装置、各型舰船等。

2. 环境模型。虚拟仿真系统中,环境的模拟是实现沉浸感的最重要条件。在用于军事技能培训的虚拟仿真系统中,环境是指除人和仿真设备之外的所有事物;在虚拟仿真作战系统中,虚拟战场环境是指作战空间中除人员与武器装备以外的客观环境。从战争所涉及的客观因素来分析,虚拟战场环境应该包含战场地理环境、气象环境、电磁环境。随着网络信息战的形成,战场网络环境也将成为战场环境的一个重要的组成部分。在战场环境中,地理环境主要关注地形、地貌、道路、桥梁和其它人工建筑物等要素;气象环境主要关注天气状况,如气压、气温、云雾、降水和风等。电磁环境主要是指电磁辐射源和相关设施形成的战场条件。气象环境与地理环境互有影响,气象环境具有地缘特点,如不同的地理位置具有热带、亚热带等气象特征,而气象环境会影响地理环境,如流水侵蚀地貌、冰川地貌的形成,雨天和晴天对地面土质有影响,进而影响行军速度;地理环境和气象环境都对电磁环境的形成有重大影响,不仅规定了电子设施的分布,还决定着电磁波的传递范围和受气象干扰的程度。所有这一切,都要用模型进行描述。由此可见,虚拟环境的建模是极其复杂的。

3. 作战模型。实际作战过程中的各种作战活动(如飞机的搜索、发现、分析、决策、攻击、防御等),都可以用一定的模型(实物模型、相似模型、数据模型、逻辑模型、思维模型等)加以表述。在作战模拟系统中,作战模型的核心是想定模型。想定(Scenario)原意是脚本、剧本。在军事领域,它就是指挥员将作战意图转换为具体的作战实施计划和方案,是对实际作战过程的预想。它把各个相对独立的仿真模型,通过某种规范放在一个共同环境中组装和聚集,赋予它们各种使命和关系,形成仿真想定模型。

以上的三种模型,不但要建立它们的静态模型,还要建立其动态模型,这样才能使系统更加逼真。

4. 评估模型。一个虚拟仿真系统是否符合训练要求,必须根据系统的功能和性能要求,对系统进行全面的校验、验证和确认。包括系统的标准兼容性、时空一致性、功能正确性、运行的精度和可靠性等。为此必须设计一套切实可行的评估模型。

(二)实时计算机图形生成与显示技术

图形的生成技术已经较为成熟,其关键是如何实现“实时”生成。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新速度相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新率不低于24帧/秒,最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

图形的显示技术对于虚拟仿真系统具有“沉浸感”至关重要。由于人们所在的空间是三维空间,物体的尺寸可用三维数据(长宽高)来表达。人在看物体时,由于两只眼睛的位置不同,存在一定的视差角,看到的景象略有不同,这两种景象经过大脑的融合,就形成了一个关于物体的立体景象。

图形的显示技术分为平面显示和立体显示两种。传统的显示方法,不论是通过计算机屏幕,或是电影屏幕,显示的图像都是根据一只眼睛看到的景象生成的平面图像,由于它不但能够给人以物体大小、遮挡等感觉,正确反映了景象的透视关系,而且还运用光影、虚实、明暗的对比,因此也体现了物体的三维情况,从而使人将二维的屏幕图像感知为三维图像。但这实际上是假三维图像,因为所有的景物都在同一个画面上,人的两只眼睛看到的是同一幅画面,因此它不会给人以立体的感觉。

立体图像的显示,则是根据生理立体视觉的视差,对客观世界同一场景生成以左右眼为视点的两幅图像,即构成一个像对。虽然也是同时显示在二维屏幕上,但是人们带上特殊的眼镜后,两只眼睛就可以分别看到其中的一幅图像,使人感觉物体既可以凸出于屏幕之外,也可以深藏其中,活灵活现,栩栩如生,给人们以很强的立体感。它与平面图像有着本质的区别,是真正视觉意义上的立体图像,也可说是真三维图像。为了区别真假三维图像,可将假三维图像称为三维图像,而将真三维图像称为立体图像。

选择何种方式取决于实际应用的需求,通常是把部分观察装置加戴在观察者的头上,但是其观察效果不够理想(LCD头盔显示分辨率偏低,CRT头盔偏重等),因此许多用户宁可选择三维图像方式,以场景中的光影和形态为线索,通过观察者的心理加工,产生三维感觉。最近,市场又推出了一种立体液晶显示器,观察者无须佩带任何观察装置就可以看出立体图像。在该显示器中还装有眼动跟踪摄像机,可捕获观察者双眼的位置,由此来控制安装在液晶屏前的一个光学蒙片,分别向左右眼方向偏移左右眼图像。

利用多通道大屏幕是显示图像的重要方法。为了消除各通道图像的拼接缝隙,近年来出现了边缘融合技术及其设备,有效地改善了图像显示的质量。

(三)交互传感技术

在虚拟仿真系统中,参与系统的人通常是以自然行为的方式与系统进行交互的,即利用手势、语言及人体的其它动作来表达想要做某种事情的信息。为了实现这种交互功能,需要有测量和感受这些信息并将其发送到计算机的技术和装置,这就是传感器技术以及语音和脸形等的识别技术。

传感器主要包括以下几种装置:

数据手套。数据手套是一种输入装置,它可以把人手的动作转化为计算机的输入信号。它由很轻的弹性材料构成。该弹性材料紧贴在手上,同时附着许多位置、方向传感器和光纤导线,以检测手的运动。光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展,而通过光电转换,手指的动作信息可以被计算机识别。还有一种用于触觉和力觉反馈的数据手套,它利用小气袋向手提供触觉和力觉的刺激。这些小气袋能被迅速地加压和减压。当虚拟手接触一件虚拟物体时,存储在计算机里的该物体的力模式被调用,压缩机迅速对气袋充气或放气,使手部有一种非常精确的触觉。

  数据衣。数据衣是为了让系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量,包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换,身体的运动信息被计算机识别。

眼睛和头部跟踪装置。在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。一种头戴式的虚拟头套允许头部自由运动,采集眼球和头的运动的数据。

在虚拟仿真系统中,使用人的自然语言作为计算机输入是很重要的。这就要求能听懂人的语言,并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如,连续语音中词与词之间没有明显的停顿,同一词、同一字的发音受前后词、字的影响,不仅不同人说同一词会有所不同,就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。因此,必须解决语音识别的正确性问题。

语音识别技术主要包括声纹识别和内容识别。声纹识别是根据语音波形中反映说话人生理和行为特征的语音参数,自动识别说话人身份的一门技术。内容辨识是对语音材料所承载的实际话语内容的识别。

目前,我国语音识别技术的研究水平已经与国外基本同步,在汉语语音识别技术上达到了国际先进水平。非特定人汉语数码串连续语音识别的精度,已经达到94.8%(不定长数字串)和96.8%(定长数字串),其性能已经接近实用水平。

(四)计算机网络传输技术。

计算机网络是虚拟仿真的基础。对大规模虚拟仿真系统,各仿真节点之间通过局域网、广域网把处在不同地点、不同层次的局中人及其相关的设备联系在一起,联在网上的各节点之间要进行大量的数据信息传输,以实现环境共享,资源共享,并进行实时交互。网络采用光纤通讯, 具有抗干扰、抗截获能力,信息容量大,传输效率高。

局域网(Local Area Network),简称LAN,是把分布在数公里范围内的不同地理位置的计算机设备连在一起,在网络软件的支持下可以相互通讯和资源共享的网络系统。通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆,构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制。无线局域网(Wireless LAN, WLAN)则是利用电磁波在空气中发送和接受数据,而无需线缆介质。其传输速率现在已经能够达到11Mbps,传输距离可远至20km以上。

广域网(Wide Area Network),简称WAN,是一种跨越大的、地域性的计算机网络的集合。通常跨越省、市,甚至一个国家。广域网包括大大小小不同的子网,子网可以是局域网,也可以是小型的广域网。

网络通信必须考虑以下因素:一是带宽。网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时,带宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出,但在广域网上,带宽通常受到很大的限制。二是延迟。它影响虚拟环境交互和动态特性。如果要使分布式环境仿真世界,则必须实时操作,从而增加真实感。对于虚拟仿真系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。四是可靠性。在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时,则要考虑通信可靠性问题。

(五)系统集成技术

由于虚拟仿真系统中包括大量的分系统和仿真单元,有些单元可能是异构的,因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换与管理技术、系统的测试技术(如分系统标准兼容性测试、交互性测试、时空一致性测试)等等。

涉及建立分布仿真系统的规范化体系结构和采用的数据标准与协议(如DIS IEEE l278标准、HLA IEEE Pl516标准等);系统信息集成与控制流集成技术(如DIS系统中,实现各分系统的信息集成的PDU标准实现技术,DIS系统与HLA系统之间的信息集成技术,系统演练管理对仿真想定、模型监控仿真运行技术);系统的测试技术(如分系统标准兼容性测试、交互性测试、时空一致性测试);系统联调技术(包括实体交互、毁伤计算、系统控制流、情报信息流、指挥控制流联调技术等)。

从集成的层次上讲,虚拟仿真系统的集成可以分为两类:一类是不同层次的模拟系统间的互联,包括战略决策模拟系统与战役指挥模拟系统的互联和战役指挥模拟系统与战术级多兵种武器平台级虚拟仿真环境的互联。另一类是各层模拟系统内部的子系统的集成与互联,包括内部基础服务的集成、支持决策模拟的各类模拟资源的集成、公共环境系统的集成等。从集成的类型上讲,包括数据集成、模型集成、系统集成……等多种。

基础数据通常指刻画战争系统中各实体的静态属性的数据,如描述环境实体的地理环境数据库、描述作战单位实体数据的编制数据库、武器装备效能、性能数据等。在虚拟仿真系统中,可以按照数据工程的思想对战争模拟涉及到的基础数据进行了统一规划,并建立了数据集成规范,建立了公共集成数据资源库,利用公共基础数据维护管理工具,可实现不同系统间的数据共享,保证了基础数据的一致性。

对战略决策分析模型、联合战役模型和武器平台仿真模型需要分层次进行集成。在战略层次,由于决策分析模型涉及面广、模型的种类复杂,可采用基于组建的集成方法,要求将模型心算法改造成组件,并注册战争综合研究与演练环境的模型管理服务器中,从而实现集成。集成的模型资源能够支持用户通过模型服务系统对模型的访问与调用。在联合战士层次,陆、海、空、导弹、后勤、装备、电子战、信息战、空间战等诸军种、兵种的各种模型统一进行规划设计,以紧耦合的方式集成在联合战士模拟仿真系统内,形成实现战役级模拟的核心驱动。在战术层次,各类平台级仿真器模型按照HLA规范,通过运行支持环境实现集成。

要实现多种层次、多种类别的系统之间的互联与集成,显然采用单一的集成方式是无法满足集成要求的。在系统集成方面,应该采用灵活多样的集成方式。从软件程序集成的角度看,可以分为松耦合和紧耦合两类集成方式。松耦合集成是指各系统应用程序相对独立,系统间通过共享数据和消息传递来实现系统间的互联。紧耦合集成方式是指将各分系统的软件程序通过编译链接,形成一个应用程序。系统之间的交互多表现通过程序内的变量交互,比如分系统以.DLL库方式被其他系统调用。(HZY)


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