OpenGL的坦克分队作战虚拟环境仿真

ＶｏＩ．３６，Ｎｏ．１２　

Ｄｅｃ，２０１１　

火力与指挥控制　

Ｆｉｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

第３６卷第１２期　

２０１１年ｌ２月　

文章编号：１００２—０６４０（２０１１）１２—０１３８—０４　

ＯｐｅｎＧＬ的坦克分队作战虚拟环境仿真　

秦海峰　，程良根　，施

（１．装甲兵技术学院，长春

３．解放军６８００８部队，甘肃

敏。，王润岗。，周春耕　

蚌埠２３３０５０，　

蚌埠２３３０００）　

１３００００，２．装甲兵学院，安徽

金昌　７３７１００，４．中粮生化集团，安徽

摘要：在坦克分队作战仿真研究中，其虚拟战场环境的仿真常成为研究的重点内容。结合科研实践，主要基于ＯｐｅｎＧＬ　

技术和计算机仿真技术，着重对坦克分队作战过程中自然环境（主要包括地形、天候）和人工环境（主要包括电磁、声响、爆炸）　

等方面进行粗浅的分析研究。实践证明，该虚拟战场环境不仅仿真效果逼真，能很好地满足坦克分队作战仿真的需要，而且所　

建立的模型准确且运行可靠，可为其他虚拟环境研究提供一定的借鉴。　

关键词：ＯｐｅｎＧＬ，坦克分队作战，虚拟环境，仿真　

中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　

Ｔａｎｋ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｃｏｍｂａｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯｐｅｎＧＬ　

ＱＩＮ　Ｈａｌ—ｆｅｎｇ　，ＣＨＥＮＧ　Ｌｉａｎｇ～ｇｅｎ　，ＳＨＩ　Ｍｉｎ。，ＷＡＮＧ　Ｒｕｎ—ｇａｎｇ。，ＺＨＯＵ　Ｃｈｕｎ—ｇｅｎｇ‘　

（１．Ａ硎０ｒ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＰＬＡ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００００，Ｃｈｉｎａ，２．Ａｒｍｏｒｅｄ　Ｃｏｒｐｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＢｅｎｇＢｕ　２３３０５０，Ｃｈｉｎａ，　

３．Ｕｎｉｔ　６８００８　ｆ　ｏＰＬＡ，Ｊｉｎｇｃｈａｎｇ　７３７１００，Ｃｈｉｎａ，４．Ｃｏｆｃｏ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｂｅｎｇｂｕ　２３３０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｃｏｍｂａｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｇｒｅａｔ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｏｎ　ｆｒｏｍ　ｓｉｍｐｌｅ　

ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｅｎｔｉｒｏｎｍｅｎｔ（ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｌａｎｄｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｗｅａｔｈｅｒ）ａｎｄ（ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ；　

ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｂｌａｓｔ）ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯｐｅｎＧＬ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　

ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｖｉｖｉｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ａｐｐｅａｓｅｓ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｔａｎｋ　ｅｌｅｍｅｎｔ　

ｃｏｍｂａｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｒｅ　ｅｘａｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｏｓｅ　ｒｕｎ　ｕｎｆａｉｌｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅｓｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　

ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｏｔｈｅｒ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇ’ｐｅｎＧＬ，ｔａｎｋ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃｏｍｂａｔ，ｖｉｒｔｕａ１　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

引　—百　　一　

坦克是将猛烈的火力、出色的越野机动性和坚　

坦克分队作战过程中的虚拟战场环境进行粗浅地分　

析研究，并建立了地形、天候、电磁、声响以及爆炸等　

一

系列模型，以实现对虚拟战场环境的逼真模拟。实　

固的装甲防护力结合在一起的地面突击兵器。在地　

面战争中，坦克是陆军重要的突击武器，故坦克素有　

“陆战之王”、“陆地雄师”的称号。　

本文结合某项目研制，基于ＯｐｅｎＧＬ技术，对　

践证明，该虚拟战场环境很好地满足了坦克分队战　

术模拟训练的要求，建立的一系列模型可为其他虚　

拟战场环境研究提供一定的借鉴。　

１　ＯｐｅｎＧＬ概述　

ＯｐｅｎＧＬ实际上是一种图形与硬件的接口，其　

核心库包括１００多个图形操作的函数，主要负责处　

理对象外形描述、矩阵变换、光照处理、着色、材质等　

和三维图形图像密切相关的事情。开发者可以用这　

些函数来建立逼真的三维模型和实现三维实时交　

收稿日期：２０１０—０８—２６　修回日期：２０１０—１１—２５　

＊基金项目：军队重点基金资助项目（２００２ＣＸＬ２１１）　

作者简介：秦海峰（１９８２一），男，黑龙江大庆人，硕士研究　

生，研究方向：装甲装备运用与管理研究，计算　

机仿真。　

秦海峰，等：ＯｐｅｎＧＬ的坦克分队作战虚拟环境仿真　（总第３６－－２３９７）　・１３９・　

互。ＯｐｅｎＧＬ的推出为可视化技术的发展提供了更　

为广阔的空间，ＯｐｅｎＧＬ独立于硬件设备、窗口系统　

和操作系统，并能在网络环境下以Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ模　

式工作，利用ＯｐｅｎＧＬ可以创作出具有照片质量的　

独立于窗口系统、操作系统和硬件平台的三维彩色　

图形和动画。　

ＯｐｅｎＧＬ对于创建一个三维图形直至在计算机　

屏幕上绘制出三维图形场景的基本步骤，大致可包　

括以下主要环节：①建模：根据基本图形单元建立景　

物模型，并且对所建立的模型进行数学描述；②视点　

设置：把景物模型放在三维空间中合适的位置，并且　

设置视点以观察感兴趣的场景；③环境设置：计算模　

型中所有物体的颜色，同时确定光照条件、纹理映射　

方式等；④光栅化：把景物模型的数学描述及其色彩　

信息转换至计算机屏幕的像素。　

２　作战虚拟环境系统理论分析　

２．１　系统开发平台及工具选择　

虚拟环境的效果好坏直接影响坦克分队作战仿　

真的效果。在本系统中，使用高档ＰＣ机和图形加速　

卡组成三维图形处理硬件平台，结合使用Ｗｉｎｄｏｗｓ　

ＮＴ和Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰ作为为图形仿真处理平台。利　

用实时三维图形开发工具和ＶＣ＋＋作为开发工具　

生成能够满足坦克分队作战仿真训练的三维地形信　

息。由于基于ＯｐｅｎＧＬ的软件开发工具一般要求运　

行于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ环境，高层的开发工具软件也比　

较多，如：Ｏｐｅｎ　ＧＶＳ、Ｖｔｒｅｅ、Ｖｇａ等，这些工具大都　

是在ＯｐｅｎＧＬ　ＡＰＩ的基础上建立特殊功能的函数　

库或类库。ＯｐｅｎＧＬ具有图形质量高和性能好的特　

点，同时具有很好的可移植性及可靠性。通过　

ＯｐｅｎＧＬ扩展机制，可以利用ＡＰＩ进行功能扩展。　

此外，有关ＯｐｅｎＧＬ的资料有很多，有大量可用的　

代码，便于开发利用。所以，选用基于ＯｐｅｎＧＬ的软　

件开发工具。　

此外，为了提高系统环境仿真效果，通过使用实　

时三维图形开发工具和Ｗｉｎｄｏｗｓ系统提供的图形　

开发环境相结合，把地形的原始录像剪辑处理，转换　

成相应的由Ｃ＋＋语言处理的格式，使用在仿真视　

景中，通过使用透视效果，使视景的空间位置对应的　

视觉感受接近实际。利用三维图形中的纹理映射、光　

照、反走样、透明等技术，增强系统的仿真效果。视点　

移动后，交互式视景实时生成的速度是系统保证仿　

真效果的关键技术，因此，实现过程中充分利用图形　

加速卡的加速功能和双缓存技术，并合理地利用三　

维图形的内部机制，科学的设计算法，提高图形的生　

成速度。　

２．２坦克分队作战虚拟环境系统主要研究内容　

作战是在一定的环境下进行的，战场环境对作　

战结局的影响十分大，特别是高技术作战条件下，不　

仅要考虑自然环境的影响，而且要充分考虑人工环　

境的影响。在战场环境中，各种自然环境和条件的因　

素中，对分队作战行动影响最大的就是地形。地面的　

起伏影响坦克兵分队部的行军和机动；除了坡度之　

外，地表的植被，地质，水系以及道路，桥梁等等都影　

响坦克兵分队通行；地形平坦开阔或起伏山丘会影　

响分队侦察，射击及其杀伤效果；需要描述的地形参　

数包括：地貌、地表结构、地表植被、土质、水文、建筑　

物、天然障碍物（沟、坎等）等。但是如果准确量化这　

些因素是极为困难的，数据量也极大，在分队模型中　

地形数据可达几万到几十万，可将这些数据按其对　

模型准确度影响进行归类，然后在按影响大小进行　

分类。战场自然环境除地形外，还有天候（季节、气　

温、风、降水）等因素，这些大都由相应的数据进行定　

量和半定量描述。至于一些作战中才形成的烟尘、弹　

坑，在需要时才进行描述。除此之外，电磁、声响、爆　

炸炸点等人工环境模型描述的准确程度也对坦克分　

队作战影响也很大。在具体模型描述时，主要依据这　

些条件影响双方机动、发现、射击、毁伤、隐蔽等行动　

的修正参数进行各种修正计算。本文坦克分队作战　

虚拟战场环境的研究重点内容如图１所示：　

图１虚拟战场环境　

３　作战虚拟战场环境模型构建　

虚拟战场环境模型的功能有：①提供战场相关　

的地形条件；②提供模拟演练的气象天候条件；③提　

供模拟演练的电磁条件；④提供模拟演练的声响条　

件；⑤提供模拟演练的各种弹丸爆炸效果等。　

３．１自然环境模型　

３．１．１　战场地形模型　

在战场环境模型中，根据目前通用的地图数字　

化标准，量化后形成统一规定的地形数据格式。例如　

在战场环境模型中，其地形数据结构可描述如下：　

ｓｔｒｕｃｔ　ＤｘＲｅｃｏｒｄ／／地形数据格式　

・１４０・（总第３６－－２３９８）　火力与指挥控制　２０１１年第１２期　

｛　

上分白天、夜间、黄昏（拂　

ｉｎｔ　Ｘ，Ｙ；　

晓）３个阶段描述。在作战　

ｉｎｔ　ｄｌ，ＳＸ，ｚｂ，ｚａ，ｑｌ；　

地区的季节气候上按实际　

ｉｎｔ　ｇｓ，ｄｘ，ｇｃ，ｄｚ｝　

季节状况描述春、夏、秋、　

ＤｘＲｅｃｏｒｄ；；ＤｘＲｅｃｏｒｄ（）：Ｘ（Ｏ），ｙ（Ｏ），ｄｌ（Ｏ），　

ＳＸ（Ｏ），ｚｂ（Ｏ），ｚａ（０），ｑｌ（Ｏ），ｇｓ（０），ｄｘ（０），　

冬４个季节。根据季节还　

ｇｏ（０），ｄｚ（０）｛｝；　

应描述寒、暑、雾等天气对　

）；　

战斗行动的影响，以使各　

图２三维训练场地环境　

其中Ｘ，Ｙ为网格坐标｝ｄｌ表示为道路｝ｓｘ表示为水系；ｚｂ表　

种战斗单位能够在全天候　

仿真效果图　

示为植被；ｚａ表示为障碍；ｑｌ表示为桥梁；ｇｓ表示为工事Ｉｄｘ　

的战场环境下实施模拟。各种气象、天候条件对战斗　

表示为地形；ｇｃ表示为高程；ｄｚ表示为地质。　

行动的影响，采取经验数据并加系数予以修正的方　

对一区域划分为ｚ乘Ｙ个网格（通常为正方　法描述。除此之外，烟幕、尘埃对通视有所影响，需按　

形），这样就可以对网格上坐标点为（ｚ，ｊ，）进行描述　

各种发烟器材的性能和交战双方施放烟幕计划，以　

了。并可通过这些数据就可以计算出任意两点间距　

及战斗过程中形成的烟尘的条件数据加系数等级修　

离，通视等等模型中所需参数。　正，计算通视结果。当烟幕、尘埃消散后，恢复原来的　

网格　、网格】，为地图的直角坐标系，模型可　地形通视级别。　

直接读相应的坐标数据。　

３．２人工环境模型　

网格ｘ、网格ｙ为地图的直角坐标系，模型可　

３．２．１　电磁环境模型　

直接读相应的坐标数据。　

现代作战处在高度信息化的战场环境中，谁掌　

道路指地图上已有等级路或便于通行的越野　

握了战场电磁的主动权，谁就能削弱对方对战场信　

路。　

息的处理和传递，阻断对方战场信息的流通和利用，　

水系指读取地形图上已有的河流注记数据和季　

近而全面压制敌方的信息活动，因而电磁环境对作　

节河的自定义数据。　

战影响的描述与量化是不可或缺的。电磁环境对敌　

植被是指地图上已有的注记数据，分林木、草丛　

我双方影响如图３所示，在战场环境模型中，要对电　

（高棵植物）两类，其中应增加自定义功能，以描述这　

磁环境进行描述并量化，进而对作战实体属性等进　

些植物因人工或自然形成的增、减、毁数据。草丛（高　

行修正。　

棵植物）主要读取高于０．６　ｍ以上的集团状草丛　

（高棵植物）。

一

障碍是指人工、ｔｌ然形成的对人、车通行造成困　

难的地物或地形状态。桥梁主要采集地形图网格内　

原有和临时架设的各类型桥梁数据。工事主要读取　

蓝军战斗力　

增强　

蓝军　

电子侦察　

各类工事的抗毁能力，即低抗毁、中抗毁、高抗毁。地　

膏选侦察　

光电侦察　

形类主要按高差划分。地质主要指地形表面的形态。　

通信侦察　

此外，也可以以训练场地为背景，基于ＯｐｅｎＧＬ　

技术，建立训练场数字化地图，并对训练场和各种目　

标通过提供照片像质，利用计算机三维数据实时构　

建了一个逼真的仿真训练环境。其中，还模拟出静止　

或运动的目标，这些目标可以是固定设置的，也可在　

红军　

场景中以实战方式运动，可以规避观察和射击，可自　

屯子侦寨　

胃达侦察　

动改变运动速度和方向，也可根据地形起伏停止运　

光电侦察　

动或利用地形地物隐蔽。下面是利用ＯｐｅｎＧＬ技术　

图３电磁环境对敌我双方影响示意图　

建立的坦克及三维训练场地环境的仿真效果图，如　

在坦克分队战场电磁环境的仿真中，主要侧重　

图２所示。　

于坦克通信干扰效果仿真，主要是对系统进行软硬　

３．１．２天候条件模型　

件抗干扰设计，采用数据过滤、冗余容错等设计来保　

战场天候条件对作战行动的影响，在作战时间　

秦海峰，等：ＯｐｅｎＧＬ的坦克分队作战虚拟环境仿真　（总第３６—２３９９）　・Ｉ４１・　

证系统的抗干扰。　

３．２．２战场声响模型　

人类获取信息的主要途径有两种：视觉和听觉，　

其中通过听觉系统获取的信息占全部信息的２Ｏ　

多，因而在坦克分队作战仿真系统中，声音仿真必不　

可少，且其逼真程度将会直接影响虚拟战场环境的　

整体效果。　

系统通过对一般数字声音的采集和处理，利用　

ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ技术实现虚拟环境中数字声音的实时　

播放，也就实现了逼真实时的三维声音效果。系统虚　

拟战场环境中的实时三维声音生成的原理是：首先　

通过离线分析虚拟战场环境中各种声音的频谱，获　

得生成各种数字声音的数据，建立相应的ＷＡＶＥ　

声音数据文件，然后利用ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ技术将环境　

中多个目标声音进行混合叠加，从而实现较为逼真　

的实时三维声音。利用ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ实现声音的播　

放的步骤是：①创建及初始化ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ；②设定　

应用程序的声音设备优先级别方式，一般为ＤＳＳＣＬ　

ＮＯＲＭＡＩ　；⑧将ＷＡＶＥ文件读入内存，找到格式　

块、数据块位置及数据长度；④创建声音缓冲区；⑤　

载人声音数据；⑥播放及停止。其中声音缓冲区的创　

建是难点。可根据虚拟战场环境的不同声源设置不　

同的从声音缓冲区。一个从声音缓冲区代表一个声　

源（ｉＯ态或动态的声音对象）。从缓冲区对象适用于　

单一、短小、经常重复的声音。而动态缓冲区对象适　

用于由于尺寸限制不同完全放人缓冲区需分段间隔　

传递的声音。由于所使用的ＰＣ机具有硬件混音能　

力，允许ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ在声卡内存中生成从缓冲区　

对象，该对象是一个静态缓冲区对象，这适用于经　

常、急切需要的声音（如枪炮声等）和循环播放的声　

音。这些声音放入硬件缓冲区中可以确保以最快的　

速度把它送入主缓冲区中。播放从声音缓冲区对象　

时，ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ从每个缓冲区中取出数据，在主缓　

冲区中进行混音，然后将各种实时声音送往输出设　

备，当硬件缓冲区和硬件混音设备空闲时，　

ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ自动将尽可能多的声音对象送入硬件　

内存中。而留在主机内存中的声音对象则由　

ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ进行软件混音，并以流的方式与硬件缓　

冲区中的声音对象一起送入硬件混音器。　

３．２．３战场爆炸模型　

粒子系统是一种过程模型，即利用各种计算过　

程生成模型各个体素的建模技术。１９８３年，Ｒｅｅｖｅｓ　

首次提出了粒子系统。由于粒子系统在实现对不规　

则图形仿真编程上的优越性，本系统中坦克分队作　

战过程中的爆炸效果和碎片效果主要采用粒子系统　

进行建模。在设计爆炸时首先考虑到粒子的生成，然　

后从粒子源不断地发出粒子，粒子在运动中设置其　

速度、方向、颜色的淡化，最终形成爆炸效果。　

在具体编程实现时，首先对爆炸粒子数据结构　

进行定义，其数据结构包括粒子的生命期、运动速　

度、运动方向、位置坐标和类型等参数。定义粒子数　

据结构如下：　

ｔｙｐｅｄｅｆ　ｓｔｒｕｃｔ（　

ｂｏｏｌ　ａｃｔｉｖｅ；　

ｆｌｏａｔ　ｘ，ｙ，ｚ；／／粒子位置坐标　

ｆｌｏａｔ　ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ；／／粒子方向增量　

ｆｌｏａｔ　ｄｉｍ；／／粒子生命期　

ｆｌｏａｔ　ｄｄｉｍ；／／粒子生命变化量　

ｆｌｏａｔ　ｒ，ｇ’ｂ；／／粒子颜色数值　

ｉｎｔ　ｎｅｘｐｌｏｓｉｏｎ｝／／最大粒子数　

ｂｏｏｌ　ｆｉｎｅ；　

）ＳＭＯＫＥ；　

定义好粒子数据结构后，即可绘制弹丸的爆炸　

效果。在绘制过程中，可根据各粒子的状态，对粒子　

进行添加、删除和移动等操作。　

关于弹丸爆炸后碎片的绘制与爆炸类似，通过　

绘制碎片的粒子，然后进行方向和速度上的计算，即　

可生成所需碎片。此时把粒子设计成三角形，然后贴　

上纹理，过程分为粒子数据结构的定义、计算碎片和　

绘制碎片３部分。其基本原理与爆炸效果类似，这里　

不再写出具体的算法。　

４　结束语　

本文从计算机仿真的基本理论人手，着重从科　

研实践中摸索方法和建立各种模型。在不影响坦克　

分队作战虚拟环境逼真性的前提下，模型相对简化，　

以减少计算时间，力求在系统运用中具有较强的可　

用性和实用性。该虚拟战场环境在多次演习中得到　

较好运用，效果良好。　

参考文献：　

Ｅ１］　杨宏军．装甲兵军事训练仿真技术［Ｍ］．北京：解放　

军出版社，２００３．　

［２］　何江华．计算机仿真导论［Ｍ］．北京：科学出版社，　

２００１．　

［３］　吴旭光，王新民．计算机仿真技术及应用［Ｍ］．西安：　

西北工业大学出版社，１９９８．　

［４］　曹志耀．计算机作战模拟系统设计原理［Ｍ］．北京：　

解放军出版社，１９９５．