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摘 要：战场环境是战场及其周围对作战活动有影响的各种情况和条件的统称。在现代作战模拟中，首要的一点是要营造一个贴近实战的训练环境，使得各类受训人员能够在此环境中得到恰如其分的训练，它是培养指战员战场认知能力的重要条件。依据仿真原理和虚拟现实技术来建立一个满足作战训练科目需要的、数字化的、虚拟的、可进入的、可交互的战场环境模型。采用Unity 3D开发平台是构建虚拟战场地理环境的一种有效方式。针对战场地理环境的基本要素，研究基于Unity 3D开发引擎的虚拟战场地理环境构建步骤，提出地形生成顺序和制作素材工具的优化方法，并對地形高度图生成、建筑、道路交通、地质细节等关键技术进行探讨。
关键词：虚拟战场；Unity 3D；虚拟现实
1引言
随着三维地理信息系统（GIS）和虚拟现实技术（VR）的快速发展，针对军用仿真领域复杂战场环境的虚拟化建模已成为可能，研制一种可测量、可体验、多维度、充分考虑领域情景的虚拟战场环境系统，一方面可用于武器系统性能验证和作战方案推演；同时联合交互式传感设备可有效改进系统使用人员的临场感觉，促进训练水平、效益的不断提高，指导施训方案的科学制定，推动军事作战、训练模拟在概念和方法上产生新的飞跃。
虚拟战场地理环境是指运用计算机仿真技术、多媒体技术、可视化计算、图形图像技术、航空拍摄、卫星照相等多种手段，在获取地理信息基础上进行信息综合计算和处理，实现地理环境的真实实现，为军事训练提供可靠的虚拟环境。
2基于Unity 3D的虚拟地理环境构建方法
2.1基本构建步骤
根据Unity 3D仿真平台的特点，基于Unity 3D的虚拟环境生成过程可以简化为以下几个步骤。按照先后顺便分别是地形地物素材准备、基本环境生成及修理、纹理贴图、道路巷道设置、树木植被叠加、地表植被叠加和地形细节设置等步骤。基于Unity 3D的虚拟环境构建，通常是从高度图或Terrain工具生成开始的，以此通过地形润色、地形要素编辑、地形细节设置，最终生成较真实的虚拟地形环境。
2.2构建优化方法
虚拟环境生成方法中所谓的优化包含2个方面：一是对地形生成先后顺序的优化，二是对各步骤所需素材及辅助工具的优化。
地表纹理处理最底层，制作优先度高，其次是巷道沟渠，然后是建筑。从高度上讲，它们往往处于地表之下或紧贴地表或结构复杂，制作的优先度是在灌木和植被之上。辅助工具优化中，既有Unity 3D内部制作的优化方法，如Terrain地形工具的柔滑处理、光晕图的细节设置等，也有外部的插件或文件的引用，特别是建筑的三维模型的导入。
3虚拟环境生成关键技术
考虑到现在市区及其周边的基本都有大比例尺地形图、航空影像图等资料，可以采用通过构建DEM的方法实现。而针对偏远地区可采用免棱镜全站仪实测单个区域，以确保景点中各地物的相对位置正确，并通过高程数据控制地形起伏，如环境的最高处与最低处。建筑内模型制作主要是通过拍摄实物照片获取纹理、测量点数据获得其外形轮廓，对于部分外形不规则、建模复杂的物体，通过近景摄影测量的方式重建其三维模型。
3.1基本地形地貌的生成方法
Unity 3D的地形制作有两种类型：一是利用Terrain工具，在Scene View中使用height tools直接绘制地形高程；二是利用外部工作制作的高度图height maps，然后利用Unity 3D的Import Height map-Raw导入高度图的方式生成具有高程的地形。第一种方法采用手工直接绘制地形，适合小面积、比较简单的地形制作，地形可以随心所欲地制作。第二种方法，利用与实际高程基本一致的高度图间接生成地形，适合大面积、较复杂的地形制作。
为了增加真实性和美观度，虚拟环境的地表纹理进行两方面处理，一是在地表添加精度较高的卫星照片贴图，使起伏的地貌上展现地形原貌，达到总体视觉逼真的效果。二是针对局部地表特性，在地表添加细节不同类型的地表贴图，达到局部视觉逼真的效果。
由于使用3ds Max制作的三维模型不是为虚拟现实软件专门设计的数据格式，因此在制作过程中需要进行优化处理，包括两个方面模型规范及烘焙处理：
一是模型规范原则。减少多边形的数量，在场景中尽量使用数量少的三角形，如果场景中有10000个左右的多边形，许多PC就不能很好地处理，也不能维持最低的能接受的帧率。在设计各规划场景时就应该充分考虑这个现实。外部引用技术，外部引用的技术可以让用户把其他模型的数据库引用到当前数据库中，并且可以在当前数据库中重新定位。通过外部，可以有效降低模型数据库的规模，节省内存空间和存储空间，方便建模操作，提高系统资源的利用率。实例化技术，实例化技术是一种减少几何体数量的方法，其处理方法是矩阵变换，利用计算时间换得内存空间。
二是纹理烘培。纹理烘培技术目前已经成为虚拟现实制作中广泛使用的一种方法，成为不增加表面多边形数目的情况下提高图像真实感的一种最为有效的方法，特点是在三维制作软件中将光影效果渲染到材质上，然后导入虚拟现实运行环境中，不用重新灯光设置就可以产生真实感光影效果。
3.2道路交通设置
道路交通具有弯曲多变、形状不定的特性_其构建方式有：①通过地表贴图的方式设置道路，该方式适用于构建不规则的碎石路、乡间小路等；②通过专业的插件如Easy Road 3D和Road Path Tool等Unity插件工具，能保证距离较长地、道路较好地紧贴在地面。
3.3树木植被设置
一般情况下，环境的地面会被大量的树木和灌木等植被所覆盖，应该在地理环境植被的表现形式上力求准确和真实。所谓准确，是指植物种类、植物覆盖的范围、植物疏密程度、植物生长的高度等基本属性，应该与实际地形相一致。对于大范围的环境，可以通过卫星照片等其他资料作为参考。利用Unity 3D自带的种植树工具可以完成，植被一般只呈现两种状态，一种是夏天的丰茂，有绿树、草皮，一种是冬天的凋零、枯黄状态。
3.4地质细节设置
地形中的草地、岩石、山体等特殊地质的细节，可通过给地形添加纹理贴图的方法来实现。可以用Unity 3D自带的地形编辑工具，从文件中添加材质，设置材质的长度和宽度，设置笔刷的大小、强度和融合度，之后在需要种植植被的区域进行绘制。
4结语
对于虚拟地理环境的构建，主要从环境的要素出发，初步研究了基于Unity 3D开发引擎的虚拟环境构建方法，提出了地形生成顺序以及各步骤素材和工具优化方法，并对地形高度图生成，在纹理、道路、建筑、细节设置等技术和方法进行探讨。虚拟环境的构建只有以上要素是远远不够的，例如还需要增加气象天候，可通过Uni Stom，Uni Sky等专业插件实现。
关键词：虚拟战场；Unity 3D；虚拟现实
1引言
随着三维地理信息系统（GIS）和虚拟现实技术（VR）的快速发展，针对军用仿真领域复杂战场环境的虚拟化建模已成为可能，研制一种可测量、可体验、多维度、充分考虑领域情景的虚拟战场环境系统，一方面可用于武器系统性能验证和作战方案推演；同时联合交互式传感设备可有效改进系统使用人员的临场感觉，促进训练水平、效益的不断提高，指导施训方案的科学制定，推动军事作战、训练模拟在概念和方法上产生新的飞跃。
虚拟战场地理环境是指运用计算机仿真技术、多媒体技术、可视化计算、图形图像技术、航空拍摄、卫星照相等多种手段，在获取地理信息基础上进行信息综合计算和处理，实现地理环境的真实实现，为军事训练提供可靠的虚拟环境。
2基于Unity 3D的虚拟地理环境构建方法
2.1基本构建步骤
根据Unity 3D仿真平台的特点，基于Unity 3D的虚拟环境生成过程可以简化为以下几个步骤。按照先后顺便分别是地形地物素材准备、基本环境生成及修理、纹理贴图、道路巷道设置、树木植被叠加、地表植被叠加和地形细节设置等步骤。基于Unity 3D的虚拟环境构建，通常是从高度图或Terrain工具生成开始的，以此通过地形润色、地形要素编辑、地形细节设置，最终生成较真实的虚拟地形环境。
2.2构建优化方法
虚拟环境生成方法中所谓的优化包含2个方面：一是对地形生成先后顺序的优化，二是对各步骤所需素材及辅助工具的优化。
地表纹理处理最底层，制作优先度高，其次是巷道沟渠，然后是建筑。从高度上讲，它们往往处于地表之下或紧贴地表或结构复杂，制作的优先度是在灌木和植被之上。辅助工具优化中，既有Unity 3D内部制作的优化方法，如Terrain地形工具的柔滑处理、光晕图的细节设置等，也有外部的插件或文件的引用，特别是建筑的三维模型的导入。
3虚拟环境生成关键技术
考虑到现在市区及其周边的基本都有大比例尺地形图、航空影像图等资料，可以采用通过构建DEM的方法实现。而针对偏远地区可采用免棱镜全站仪实测单个区域，以确保景点中各地物的相对位置正确，并通过高程数据控制地形起伏，如环境的最高处与最低处。建筑内模型制作主要是通过拍摄实物照片获取纹理、测量点数据获得其外形轮廓，对于部分外形不规则、建模复杂的物体，通过近景摄影测量的方式重建其三维模型。
3.1基本地形地貌的生成方法
Unity 3D的地形制作有两种类型：一是利用Terrain工具，在Scene View中使用height tools直接绘制地形高程；二是利用外部工作制作的高度图height maps，然后利用Unity 3D的Import Height map-Raw导入高度图的方式生成具有高程的地形。第一种方法采用手工直接绘制地形，适合小面积、比较简单的地形制作，地形可以随心所欲地制作。第二种方法，利用与实际高程基本一致的高度图间接生成地形，适合大面积、较复杂的地形制作。
为了增加真实性和美观度，虚拟环境的地表纹理进行两方面处理，一是在地表添加精度较高的卫星照片贴图，使起伏的地貌上展现地形原貌，达到总体视觉逼真的效果。二是针对局部地表特性，在地表添加细节不同类型的地表贴图，达到局部视觉逼真的效果。
由于使用3ds Max制作的三维模型不是为虚拟现实软件专门设计的数据格式，因此在制作过程中需要进行优化处理，包括两个方面模型规范及烘焙处理：
一是模型规范原则。减少多边形的数量，在场景中尽量使用数量少的三角形，如果场景中有10000个左右的多边形，许多PC就不能很好地处理，也不能维持最低的能接受的帧率。在设计各规划场景时就应该充分考虑这个现实。外部引用技术，外部引用的技术可以让用户把其他模型的数据库引用到当前数据库中，并且可以在当前数据库中重新定位。通过外部，可以有效降低模型数据库的规模，节省内存空间和存储空间，方便建模操作，提高系统资源的利用率。实例化技术，实例化技术是一种减少几何体数量的方法，其处理方法是矩阵变换，利用计算时间换得内存空间。
二是纹理烘培。纹理烘培技术目前已经成为虚拟现实制作中广泛使用的一种方法，成为不增加表面多边形数目的情况下提高图像真实感的一种最为有效的方法，特点是在三维制作软件中将光影效果渲染到材质上，然后导入虚拟现实运行环境中，不用重新灯光设置就可以产生真实感光影效果。
3.2道路交通设置
道路交通具有弯曲多变、形状不定的特性_其构建方式有：①通过地表贴图的方式设置道路，该方式适用于构建不规则的碎石路、乡间小路等；②通过专业的插件如Easy Road 3D和Road Path Tool等Unity插件工具，能保证距离较长地、道路较好地紧贴在地面。
3.3树木植被设置
一般情况下，环境的地面会被大量的树木和灌木等植被所覆盖，应该在地理环境植被的表现形式上力求准确和真实。所谓准确，是指植物种类、植物覆盖的范围、植物疏密程度、植物生长的高度等基本属性，应该与实际地形相一致。对于大范围的环境，可以通过卫星照片等其他资料作为参考。利用Unity 3D自带的种植树工具可以完成，植被一般只呈现两种状态，一种是夏天的丰茂，有绿树、草皮，一种是冬天的凋零、枯黄状态。
3.4地质细节设置
地形中的草地、岩石、山体等特殊地质的细节，可通过给地形添加纹理贴图的方法来实现。可以用Unity 3D自带的地形编辑工具，从文件中添加材质，设置材质的长度和宽度，设置笔刷的大小、强度和融合度，之后在需要种植植被的区域进行绘制。
4结语
对于虚拟地理环境的构建，主要从环境的要素出发，初步研究了基于Unity 3D开发引擎的虚拟环境构建方法，提出了地形生成顺序以及各步骤素材和工具优化方法，并对地形高度图生成，在纹理、道路、建筑、细节设置等技术和方法进行探讨。虚拟环境的构建只有以上要素是远远不够的，例如还需要增加气象天候，可通过Uni Stom，Uni Sky等专业插件实现。