关键字:建模资源;建模资源库;智能搜索
AStudyonOperationModelingResourceRepositorySystem
WUKe-jia1,ZHANGHong-jun1,ZHANGYi-jun2,HUANGLiang1
(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.Xi'anCommunicationCollege,Xi'an710106,China)
Abstract:ThistextanalysisthecharacteristicsofOperationModelingResourceRepositorySystem,determinethestructureandfunctionoftheWEB-baseddistributedOperationModelingResourceRepositorySystem,selectedtheXMLdescribingresourcemetadatainformation,andproposedontology-basedintelligentsearchengine.
Keywords:modelingresource;modelingresourcerepository;intelligentsearch
军事作战训练系统仿真领域,随着仿真技术的不断发展,仿真系统的规模越来越大,涉及到的领域和所使用的模型、算法和数据等建模资源也越来越多。如果在开发每个仿真系统时,都要重新开发所有所需的建模资源,不仅浪费大量的人力、时间和金钱,而且不能保证所开发的系统具有可信性和与其他系统的互操作性。因此,需要采用一种高效的建模资源管理方法来管理庞大复杂的建模与仿真资源库,这样才能充分利用已有的建模资源,简化建模与仿真过程,提高建模资源和系统可重用性,推动我军作战仿真系统朝着一体化、标准化、科学化方向发展。
为了充分利用已有的建模资源,提高建模与仿真资源和系统的可重用性,本文研究一个基于Web服务的分布式作战行动建模资源库系统,它将各个单位已有的仿真与建模资源、仿真系统等封装成Web服务,用户通过查找调用相应的Web服务即可使用其他用户提供的资源或仿真系统。
1作战行动建模资源库的特点
作战行动是作战单元在给定的战场环境下的不可再分或不必要再分的基本战斗行为,是部队作战过程中抽象出来最基本、最底层的要素。作战行动建模,是对作战行动过程的一种抽象和类比表示,是作战模拟的核心和基础。
作战行动建模资源是与作战行动建模相关工作中能够被重复利用并能促进建模与仿真工作发展的所有数据资源。从它的定义,可以分析其具有以下特点:
1)内容的专业性
作战行动是部队遂行作战任务而采取的行动,而军兵种的不同,以及作战任务的特殊性,导致了作战行动建模资源具有专业性的特点。作战行动可以由作战单元、动作来描述:作战行动=参训实体+动作+被动实体。依据这一形式化描述,就可以将作战行动建模。如图1所示的“空中截击”类图。
2)分布的广域性
作战行动建模资源库是所有与作战行动建模有关的数据资源,它由全军部队、科研院所、演习基地等机构的作战行动建模资源构成,这些资源又以文本文件、网页、数据库等格式分布在各自所属的网络和网站中,它们具有分布的广域性。
3)内容的异构性
作战行动建模资源是所有与作战行动建模相关资源,包括模型,仿真系统、数据库、想定,条令条例、理论成果和网站网页等类型(图2)。这些资源中除了具有规则结构的数据之外,还有图像等多媒体信息以及网页、文本文件等。这些资源在硬件设备、运行平台、实现语言等方面存在异构问题。
2作战行动建模资源库系统需求分析
2.1作战行动建模资源库功能分析
作战行动建模资源以网页、文本文件、多媒体文件等形式分布于各个机构单位的网站之中,对于资源库系统来说,最主要的功能是要为用户提供智能搜索引擎以检索分布于网络中的所有作战行动建模资源相关的信息,并建立资源快照和索引库。
此外,系统的功能还应包括资源管理、用户管理和系统维护。资源管理包括:资源的添加、修改和更新等;用户管理提供用户注册、登录和权限管理等功能;以及为系统管理员提供系统维护的功能。作战行动建模资源库系统功能用例图描述如图3所示。
访问作战行动建模资源库的操作流程如图4。
系统的用户根据用户名和口令从WEB登录系统,进入作战行动建模资源库系统主界面,根据被赋予的权限,可以进行搜索查询、资源管理、用户管理和系统维护等功能。
2.2作战行动建模资源库结构分析
作战行动建模资源分散在各个部门和研究机构的中,对于用户来说,如何从其中快速、准确地寻找到关心的资源至关重要。所以对资源信息的搜索查询是关键的一步,它的时序图如图5所示:用户通过浏览器登录进入系统后,进行资源信息搜索查询,在搜索查询界面中输入查询条件,系统将符合查询要求的资源所有信息,包括资源的创建者,所属部门等相关信息返回并在浏览器中显示给用户。
3作战行动建模资源库系统设计与实现
3.1系统体系结构设计
作战行动建模资源库系统体系结构如图6所示,它是一种面向服务的层次化体系结构。
资源层包含了系统调度使用的各类作战行动建模资源、资源的元数据库和本体库;通讯层的通讯机制建立在WebServices技术基础之上,主要通过网络和HTTP协议来进行SOAP消息的传递;服务层提供资源管理服务和搜索引擎等,应用层为用户提供浏览器登录的门户网站、仿真应用和仿真工具等。
在3.1节的功能需求分析中提到,搜索引擎作为分布式作战行动建模资源库系统的重要功能,用户通过它从网络中检索出作战行动相关资源信息。本文设计了基于本体的智能搜索引擎(图7),它不仅能为用户快速检索到所需作战行动建模资源的信息,还能搜索到与该资源相关的其他资源的信息,并将结果一起返回给用户参考。
系统开发采用WebService技术,将用户管理、资源管理和搜索引擎等核心模块封装成Web服务。用户通过www浏览器调用相关Web服务即在网页上搜索查询或是进行资源管理。
3.2系统关键模块实现
3.2.1基于XML的资源元数据描述
作战行动建模资源库包含了众多不同类型的资源,由于它们存在的异构性问题,为了便于对资源进行操作,比如组织管理、搜索查询、共享交换等,建立一个元数据库,用来存储有关资源的信息,包括资源属性信息、资源的关联信息等等。元数据的描述规定这些资源信息的格式与内容,图8以模型的部分元数据描述为例给出一个基于XML的资源元数据描述模板。
3.2.2搜索引擎
本体通过对概念的严格定义和概念之间的关系来确定概念精确含义,表示共同认可的、可共享的知识。作战行动建模资源库的本体构建是从作战行动建模领域中抽取知识,形成描述作战行动建模资源的语义概念、实例和它们之间的关系。构建基于本体的智能搜索引擎的第一步是要在仿真建模专家和作战指挥人员的参与帮助下,建立作战行动建模资源领域的本体,并采用Protégé对本体进行OWL编码构建本体库。图9用Protégé构建的“飞机”本体的部分OWL代码。构建好本体库后,利用Racer推理机进行解析推理,对用户的查询语句进行概念提取,然后根据Racer的推理规则结合相关本体,完成复杂的推理任务,最后输出精确的检索语句。
作战行动建模资源库中的资源既有传统的数据库,还有大量的文本文件和网络中的网站网页信息。本文的搜索引擎使用基于SQLServer的数据库检索、基于Lucene全文检索引擎和Google提供的Web检索服务GoogleSearchAPI等三个检索接口,对它们进行Web服务封装,并集成起来。以Lucene全文检索引擎接口的Web服务封装为例说明搜索模块的实现。Lucene是一个开源的全文检索引擎工具包,对其进行Web封装的部分代码如图10。
4结束语
本文分析了作战行动建模资源库的特点,确定了基于WEB的分布式作战行动建模资源库系统的体系结构和功能,选取了XML描述资源元数据信息,并提出了基于本体的智能搜索引擎。
作战行动建模资源库系统对于充实和完善我军现有的建模资源体系,提高建模资源和资源库系统可重用性,推动我军作战建模资源和资源库系统朝着一体化、标准化、科学化方向发展有着重要作用。
参考文献:
[1]DMSO.DepartmentofDefenseModelingandSimulation(M&S)MasterPlan(DoD5000.59-9P,October1995)[EB/OL].dmso.mil.
[2]张宏军,郝文宁,陈刚.面向对象的仿真数据库系统设计[J].军事仿真,2003(1).
[3]李伯虎,柴旭东.一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台――“云仿真平台”[J].系统仿真学报,2009(9).
位于美国旧金山的搜索引擎公司Powerset挑战Google的核心技术就是“自然语言处理技术”，理论上这种技术可拥有理解人类所使用的自然语言含义的能力，而这也正是Powerset与Google本质上的区别。Google使用的是PageRank技术，即通过统计学方法计算用户所搜索的关键词在网页中出现的频率，利用关键词进行搜索的结果导致用户往往不能真正得到想要的结果。而利用“自然语言处理技术”，用户可以直接输入想问的问题进行搜索，比如搜索“谁收购了IBM”，Google给出的结果是被IBM收购的那些公司信息和新闻，甚者还包括了很多毫无关系的分别匹配“IBM”和“收购”两个关键词的结果，因为Google不能分析出主语和宾语之间的关系；而Powerset的优势就在于此，它给出的结果是那些收购IBM业务的公司信息和新闻，比如联想和AT&T与IBM合作的信息。尽管Google一直以来都在苦苦研究自然语言处理技术，但至今为止，我们还没看到这种技术被应用于Google的搜索引擎里。这一次，Powerset走在了Google前面。
其实早在上世纪90年代，就已经出现了利用自然语言进行搜索的网站，其中最著名的当属美国的AskJeeves.省略。比较近期的还有Hakia.省略推出了一个名为“孙悟空搜索”的提问式搜索引擎，但当时的技术仍比较粗浅，还不能给用户提供很好的体验，所以最终也就没有了声音。
而此次Powerset受到了如此多的关注，并被喻为“比Google还好用的搜索引擎”，大部分原因是因为它已经正式获得了施乐公司旗下著名的帕洛阿尔托研究中心（PARC，PaloAltoResearchCenter）所研发的自然语言处理技术的独家使用权，此技术号称是当今最领先的自然语言处理系统。PARC以一些突破性的发明，如电脑鼠标、个人电脑绘图界面等而闻名。同时，PARC的顶级自然语言专家RonaldKaplan现在是Powerset的首席技术执行官。
关键词：Unity虚拟现实仿真操作切换台交互
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00
1视频切换台仿真操作系统概述
视频切换台仿真操作系统是在虚拟现实的基础上，使用unity引擎开发的虚拟仿真操作系统。它将真实世界中视频切换台的多视频监视、视频选择和视频切换等功能通过三维建模、交互开发等数字化手段进行虚拟再现，供用户进行仿真操作。借助该系统，用户可以通过场景中的虚拟摄像机，及时、没有限制地观察三维空间内的事物[1]。该系统可以脱离视频切换台这一真实硬件设备而进行仿真操作，是电视节目现场制作环节与虚拟现实技术相结合进一步深入开发的产物。
Unity是由UnityTechnologies公司开发的一款实时渲染游戏引擎，其本质上就是一些游戏开发的核心代码以及主体框架[2]，并且这些代码可以独立出来用在不同的项目之中[3]，视频切换台仿真操作系统就是基于这个引擎进行开发的。
2视频切换台仿真操作系统的需求分析
视频切换台仿真操作系统是用于辅助学生实践教学、技能培训学员和现场切换岗位从业人员脱离真实设备进行实践操作为目的所开发的虚拟仿真系统。它以视频切换台的硬件实物为蓝本，通过虚拟现实技术，借助Unity开发引擎再现其使用环境与操作流程，通过交互设计实现虚拟操作。
2.1监视器窗口的分布
视频切换台的主要功能是在多路输入视频中选择需要输出的某一路视频与正在输出的视频进行交换。这样就需要在仿真系统的窗口中同时显示多个虚拟摄像机拍摄的画面。我们以三路视频输入为例进行窗口的排布时，需要将三路输入视频监视窗口、输出视频窗口和操作界面窗口，同时分布在仿真系统的界面中。
2.2视频选取与切换功能
视频切换台仿真操作系统在仿真操作上包括视频的选取和视频的切换两个部分。这两部分的功能均可以使用界面按钮和键盘快捷键的交互方式来完成。当用户使用鼠标按下界面中某一路视频的选择按钮时，该路视频将被选中；当用户按下切换按钮时，选中的视频将和输出视频进行交换。如图1所示。
3视频切换台仿真操作系统的功能实现
3.1视频监视窗口的分布
视频切换台的作用是将多个输入视频信号进行选择和切换，需要在仿真界面中显示输入的视频画面，这里模拟3个视频输入的情况。故仿真界面中需要同时显示5个虚拟摄像机的窗口，其中3个是输入视频的监视窗口，1个是输出视频的监视窗口，1个是视频切换台主要操作界面窗口。它们使用Unity中虚拟摄像机的视窗大小和深度来实现。这5个窗口的设置完成后的显示效果如图2所示。
3.2输入视频的选择
输入视频的选择是视频切换前的准备工作，它所选中的视频将和正在输出的视频进行交换而变为输出视频。在功能实现上，当用户按下B总线中某一路输入视频选择按键后，使用一个未处于激活状态的虚拟摄像机（CameraA）跳转到拍摄该路视频的摄像机（CameraB）处，并使其（CameraA）位置、角度、视场角、清除标记等属性的值与后者（CameraB）保持一致。其核心程序如图3所示。
3.3视频的切换
视频的切换分为直接切换和过渡切换。直接切换时直接按下A总线中的输入视频选择按钮，则在输出窗口中直接显示该路画面，使用的方法与在B总线上选择输入视频相同，只不过是负责输出的虚拟摄像机跳转到选中视频的虚拟摄像机处。
过渡切换是指在视频切换过程中会添加某种过渡效果，这需要负责输出的虚拟摄像机逐渐向选中视频的虚拟摄像机过渡，需要使用位移和角度的逐渐变化来实现。其核心代码如图4所示。
4结语
在应用领域中，虚拟现实技术使众多传统行业和产业发生了革命性的改变[4]。视频切换台仿真操作系统就是其中之一，它基于Unity平台开发，将电视节目现场制作环节中的核心设备操作方法与虚拟现实技术相结合，让用户的操作不受时间和场地的限制，对快速掌握视频切换台的使用方法和降低设备投入与维护成本等方面起到了积极的促进作用。
参考文献：
[1]李伟.虚拟现实技术在道路交通领域中的应用探讨[J].交通科技与经济，2004，24：4-5.
[2]GregoryJ，LanderJ，WhitingM.GameenginearchitectureAKPeters，2009.
[3]LewisM，JacobsonJ.GameEngines.CommunicationsoftheACM，2002，45（1）：27.
[4]PeterRander.VirtualizedReality：ConstructingTime-VaryingVirtualWorldsfrom.USA：AcadeAncPressInc，2001，67-71.
收稿日期：2015-07-08