基于Direct3D的交会测量仿真技术研究

熊伟晴，孙 杰，燕晓波

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

某靶场光电测量项目采用两台光电经纬仪对目标单位进行跟踪测量，通过对各单位测量结果的综合交会计算和分析，获得目标的空间姿态，进而得到目标的运动参数和轨迹。该项目的软件系统包含操控软件、数据汇集软件、图像判读软件和交会仿真软件等，其中数据汇集软件和图像判读软件完成前期的原始试验数据收集、预处理及目标质心提取等工作，其处理结果作为交会仿真软件的输入。本文重点介绍交会仿真软件的设计。

多数交会测量解算软件在解算得到全部数据后，通过二维三维方式绘制计算结果。为了提高该项目的计算准确性，需要设计一种计算、仿真相结合的动态分析方法，在对原始数据计算过程进行仿真验证，仿真过程能够融合各类实际地理、设备信息，修正调整每次计算的目标数据，实现目标姿态及运动过程的准确复现，最终建立三维轨迹作为结论输出。这种方式可以建立准确的可视化分析环境，使计算数据和人工经验有效结合，并大幅减少无效数据数量。

本文提出采用Direct3D技术实现交会测量的仿真和解算，并使用高级着色器语言（High Level Shader Language，简称HLSL），将Direct3D技术与GPU硬件设备相结合，使交会解算过程快速、有效、逼真地呈现出来。系统具备良好的人机交互性，支持用户的多种空间视角操作。

1 Direct3D技术

1.1 Direct3D

Direct3D（以下简称D3D）是Microsoft的DirectX软件开发包的重要组成部分，这个开发包提供了对实时的、三维图形的支持[1]，适用于多媒体、娱乐、即时3D动画等广泛和实用的3D图形计算。Direct3D是一个图形操作系统，其核心功能是提供一个与图形硬件的接口，结束图形应用程序的设备相关性，具有良好的硬件兼容性和友好的编程方式。

在本项目中，为快速、有效、直观地呈现交会计算过程，建立准确的可视化分析环境，采用Direct3D技术实现交会测量过程的三维可视化。

1.2 HLSL

HLSL具有数据类型、函数、循环判断等语法特性，专用于图形渲染，将一些复杂的图像处理快速而有效地在显卡上完成，与组合式或低阶Shader Language相比，能降低在编写复杂特殊效果时发生的编程错误的机会[2]。

在本项目中，由于原始数据的采集量大、数据帧频高，导致仿真点、线密集，通过HLSL技术对指定关键点、线路、区域实现数据的动态效果模拟，便于态势的焦点分析和调整。

2 系统设计原理

2.1 交会测量原理

常用的交会测量算法有L公式、K公式、M公式、方向余弦法、异面交会法和最短距离法等。其中，最短距离法认为交会测量时，各站点视线并不是两两共面相交的，而是一簇异面直线，取到各视线的距离之和最小的位置为目标点。本方案采用最短距离法获取目标位置初始值，然后利用两台以上光电测量设备观测数据，借助最小二乘估计法解算目标位置参数的精确值。双站交会测量数学模型如图1所示。

图1 最短距离法示意图

其中，r为加权系数r∈[0，1]，根据测量站设备不同的测量误差适当选取，对于同型设备可取0.5。上述解算得到的x，y，z即为目标空间位置信息。

2.2 仿真实现原理

本项目依据交会测量应用场景建立仿真过程。基于Direct3D构建仿真环境（虚拟空间、三维地形），加载测量节点实体模型，构建虚拟信号模型（通信链路、测量视场、定位方向等），通过从数据库中获得所需要的图像判读结果数据，在仿真环境下驱动各模型要素形成仿真实体，从算法库获取交会解算、交会修正及仿真显示等算法，动态实现对目标运动过程的仿真和轨迹模拟。

3 仿真软件设计

3.1 软件框架

交会仿真软件的总体架构包括资源层、支持层和应用层3个主要层次。

资源层主要提供计算机开发环境、各类基础数据资源，是构建仿真系统的前提。其中计算机操作系统为Windows10，使用Direct3D开发库开发，数据库采用Mysql。数据资源主要包括判读结果数据、模型数据、地理信息数据及相关系统管理数据。

支持层主要提供模型设计、计算方法和仿真实现的技术功能，是系统计算、仿真的动力主体。该层次主要包括模型管理、虚实映射、Direct3D技术框架、交会计算、仿真同步和仿真可视化等部分。

应用层主要提供系统仿真应用实现形态和交互环境。该层次主要包括仿真环境构设、仿真资源管理、仿真计算和仿真显示控制。

交会仿真软件的总体架构如图2所示。

图2 交会仿真软件总体架构设计图

3.2 软件构成

仿真模型接口主要提供仿真模型、实体模型和计算模型。

图像判读数据接口主要提供交会计算所需的数据。

仿真资源管理模块主要提供所需数据、素材和模型的管理功能，包括图像判读数据、仿真模型、实体模型和计算模型等。

地形环境构设模块主要提供仿真数字地形环境生成功能。

交会计算仿真模块主要提供仿真计算功能，是交会仿真软件的核心模块。

轨迹模拟模块主要提供轨迹动态模拟功能。

仿真显示控制模块主要提供显示界面内容的管理、态势界面的操作控制功能。交会仿真软件组成如图3所示。

图3 样品扫描电镜分析结果

图3 交会仿真软件组成图

3.3 软件流程

交会仿真软件的工作流程可分为态势资源获取、模型数据交互计算、显示单元数据更新、显示效果更新、态势显示管理和态势操作控制几个部分。工作流程如图4所示。

图4 交会仿真软件工作流程图

3.4 核心模块设计

3.4.1 交会计算仿真模块

依据交会测量原理，驱动测量节点实体模型、测量视场模型及相关阈值参数，在仿真地形环境中，通过交会测量算法进行计算，同步在仿真环境下模拟测量锥形视场的交会形态，得到不规则交集空间；结合地理、测量设备、误差等参数因素进行修正，通过最小二乘估计算法得单帧交会点空间坐标。交会点空间坐标计算试验仿真如图5所示。

图5 交会点空间坐标计算试验仿真界面

3.4.2 轨迹模拟模块

由于交会数据量大，数量上限不定，在轨迹模拟模块中采用动态生成顶点缓存方式实现目标轨迹的模拟。动态生成顶点缓存是通过提前构建初始基本图元顶点结构，建立个体单元顶点缓冲，在获取新生成的交会点后，根据交汇点坐标进行相应的世界移动和旋转变换生成新轨迹顶点图元，添加至顶点缓冲体序列中；在修正调整轨迹时，对缓冲体指定序列进行灵活删除和替换。整个轨迹顶点的生成和修改过程只影响局部，无需重构整体轨迹，经实际验证不超过10 ms，可以实现轨迹的动态生成及变化过程，为高效率仿真分析创造了条件。

3.5 界面

本项目软件在普通PC机上实现，操作系统为Windows10，开发工具为Microsoft Visual Studio 2017，DirectX版本为DirectX 10。

交会仿真软件根据两台光电经纬仪的测量数据解算出目标的姿态和运动轨迹，并将轨迹模拟显示在软件的窗口界面，如图6所示。

图6 交会仿真软件界面

4 结论

本文提出了一种基于Direct3D的交会测量软件系统设计方法，并结合Windows编程技术成功将三维可视化应用于交会测量的动态仿真，根据真实数据模拟复现交会测量过程，为今后交会测量软件系统开发提供了一种新的思路。