摘要：阐述了电子沙盘的作用及功能，分析了基于Vega Prime的三维虚拟电子沙盘系统的系统结构设计，讨论了使用Mapinfo建立数据库的方法，及系统实现的关键技术。
关键词：电子沙盘；.NET；Mapinfo；Vega Prime；Creator
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)30-0701-02
Research of Three-dimensional the Electronic Sand Table System
FENG Yu-fang1, MA Zheng-cai2
(1.Engineering Institute of Engineering Corps, PLA Univ. of Sci. & Tech., Nanjing 210007,China;2.The Automatic Station of the Army, PLA 71375, Weifang 261041, China)
Abstract: The effects and function of the electronic sand table are expounded, and the configuration designed of the electronic sand table in three-dimensional dummy in the Vega Prime Application are analysed, and the methods to establish the database use of Mapinfo and the key techniques to carry out the system are discussed.
Key words: the electronic sand table; .NET; Mapinfo; Vega Prime; Creator
1 引言
自古以来，沙盘被广泛应用于军事、教学、旅游等许多领域。传统的沙盘多为实物沙盘，由于占地面积大，携带不方便，表现方式单调，且难以适应当前科学管理和规划决策的要求。随着计算机技术、网络技术和计算机图形学的发展，电子沙盘仿真系统已被越来越广泛的应用于各行各业。电子沙盘仿真系统是在矢量地图数据管理与显示子系统和多媒体信息管理与显示子系统的支持下，把虚拟现实的理论与技术应用到战场地形环境仿真领域形成的技术系统，是指挥员认识战场地形环境、替代或部分替代实地考察工作的有力工具。电子沙盘仿真系统还为军事指挥和训练提供了极大方便，它可以为各级作战指挥提供一个三维的、动态的、可交互的作战模拟地形环境，为训练人员和指挥人员提供可视化的交互式训练的虚拟环境，极大地提高了训练效果，同时还为地面指挥人员提供更直观的视觉效果。在国际上，美国是 较早地将电子沙盘应用到军事领域的国家之一，例如由美国军方行为社会科学研究所（U.S.Army Research Institute for the Behavioral and Social Science）研制的野外炮兵训练智能导航虚拟沙盘（The Virtual Sand Table: Intelligent Tutoring for Field Artillery Training）。国内近年来也在此方面作过许多研究，有不少相关读物出版。文章基于Vega Prime开发平台介绍了研制一个三维电子沙盘仿真系统的关键开发技术与相关思想。
2 电子沙盘仿真系统结构
军用电子沙盘以战场环境的三维仿真为主要目的，在设计中着重考虑如何使用低阶设备并达到较好仿真效果，以适应在基层部队推广应用的实际。该系统主要实现了地形地貌的三维显示、纹理叠加、人机交互、跨图幅漫游、沿路径运动模拟等功能，系统结构见图1。
3 电子沙盘仿真系统实现技术
3.1 数据预处理
电子沙盘仿真系统中所需的数据有实物比例的DEM数据，ETM卫星影像数据，IKONOS卫星影像数据及相关属性数据、地理特征的GIS数据及标注信息数据等，为了能有效地利用这些资源，我们需要做以下处理：
1) 统一规范数据格式。为了保证数据融合和集成显示的效果，必须对数据进行统一，即对所要制作电子沙盘的投影、比例尺、分辨率和数据范围以及数据格式等进行统一。
2) 数字化地形图。将实物地形图扫描后数字化，主要对地形等高线、高程点、地名、道路、河流、水渠等数字化，然后将其分层存放。
3) 各类数据的准备与处理。包括DEM数据和地理特征的GIS数据，处理后分层存放，以供系统使用。
3.2 三维地形建模
用Creator的建模（Modeling）工具，手工创建三维模型。并且，可对地形、特征、模型加入如颜色、材质、纹理等以使其更真实。所有的这些元素：地形、特征、模型和各种属性，组成了Creator视景数据库，且OpenGL API是支持的。视景数据库存成Multigen-Paradigm的OpenFlight(.flt)文件格式，它已成为大多数实时系统标准的文件格式。
3.2.1 建立地形
地形描述的是地表的形状，用Creator的地形（Terrain）工具，将源数据（*.dem），如卫星照片和数字高程数据，转成Creator的文件格式，并用这些文件在Creator中创建地表。
Creator提供了不同层次细节的模型，来控制场景复杂度和加快绘制图形的速度。LOD(Level of Detail)的原理是利用人们的视觉特性，对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法。在地形转换时，Creator提供了Polymesh算法、Delaunay算法、CAT算法和TCT算法。
但是由于电子沙盘军事应用性强，为了满足它的军事实用性，构建三维地形时要能反映战场地形的真实状况，这就要求电子沙盘的高真实性，所以准备数据必须准确、实际。
3.2.2 纹理映射
纹理，可以分为离散法和连续法两种定义方法。离散法是把纹理定义在一个二位数组中，该数组表示纹理空间中行间隔和列间隔固定的一组网格点上纹理值进行插值来获得。而连续法是把纹理定义为一个二元函数，函数的定义域就是纹理空间。通过纹理空间与物体空间之间的坐标变换，可以把纹理映射到物体表面。纹理映射是把二维的图像位图上的像素值映射到三维实体模型的对应顶点上，以增强实体模型的真实感。本质上是一个二维纹理平面到三维景物表面的一个映射。可以用一个数学式子来表示如下：
（x,y）=F(u,v,w)
其中（x,y），(u,v,w)分别是纹理空间和物体空间中的点。每一幅参与映射的纹理都有自己的一个映射的坐标地址，当程序运行时，只要找到纹理的映射地址就可以准确地把相应的纹理映射到三维视景中。
3.2.3 文化特征
源数据也包括特征数据，也能转化并引入到Creator中，用来在地形上加入文化特征。
文化特征是指地形数据库里除了地形多边形以外的数据信息，如包括自然的（如湖泊，河流等）和人工的（如房屋等）。在将这些数据导入Creator时，必须先转换为DFD格式。也可以在既有地形模型上创建，然后输出为DFD。首先创建feature，然后根据feature ID设置feature参数（包括设置替代模型），最后执行映射（projection），就将文化特征映射到OpenFlight格式的地形上。 若在地形窗口中创建地形数据库时同时映射，则需要创建动作和规则。
3.3 数据重组
1) 跨图幅漫游。跨图幅意味着大数据量，使得计算机处理能力与用户对图形显示更换速度要求的矛盾更加突出。所以必须对这些数据进行重新组织，对大限度地减少图形显示时的工作量，从而使漫游显示更加快速。
2) 沿路径运动模拟。沿路径运动地形的仿真实质上是视点连续变化的过程，相当于在三坐标系中，x坐标系和y坐标系保持相对位置不变得情况下，z坐标系的连续变化。要实现这一功能，可以通过数据重组来提高三维图形的处理显示速度，实现图像的连续、稳定的变化。
4 数据库描述
电子沙盘作为作战指挥辅助决策的信息载体，应尽可能的提供完整、高质量的决策信息，这些信息是多种类型的，所以必须创建一个能存储多种信息类型的数据库。要访问不同数据库中的数据，必须为每个要访问的数据库指定ODBC（远程数据库表）数据源。ODBC数据源是指一个SQL数据库以及访问数据库必需的信息。例如，一个SQL Server数据源，包括SQL Server数据库，其上驻留的数据库服务器以及用于访问该服务器的网络信息。应当为每个要将其数据下载为Mapinfo链接表的SQL数据库创建一个数据源。
Mapinfo的图形和数据兼容性特别强，再通过Mapinfo内置数据库提供的强大功能，能很好的实现空间属性数据的管理和查询。Mapinfo内置数据库具有如下功能：
1) 通过通过Mapinfo内置强大的关系型数据库，实现电子地图与数据库的自动链接和双向查询；
2) Mapinfo的电子地图是矢量图，每个矢量对象都和其属性数据库中的一条记录相对应，体现了数据描述与图形对象的一致性；
3) 支持标准SQL查询，能对字段及空间信息进行分析、统计、查询；
4) 通过地理编码，Mapinfo可以完成两个或多个表之间的自动关联，进行空间信息的传送，满足用户空间分析的需要。
5 结束语
虚拟电子沙盘系统实现技术比较复杂，本系统已基本实现了实时漫游操作、沿路径运动等功能，解决了在MFC下开发Vega Prime应用程序的常见问题。利用离散定义法，使纹理映射效果更逼真。目前该系统基本功能已经实现，在部分基层部队已经开始推广应用。在该仿真系统中，还存在着许多有待解决和改善的问题，这些还有待在以后的工作和学习中进行进一步探讨。
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