三维虚拟仿真系统（精选12篇）
三维虚拟仿真系统 篇1
1 过程仿真的定义
化工过程的模型技术是以化学工程、自动控制、反应动力学、化工热力学等机理为基础的机理模型技术。过程动态仿真模拟系统(OTS)实质上是借助于计算机的计算能力，用数学模型代替实际生产装置，并高度仿真实际DCS操作系统。其工艺过程操作与响应、控制系统操作与响应、操作员界面、工艺流程画面、键盘、联锁响应、操作方式、整个过程变量的动态响应趋势均与实际过程一致，实际工厂操作系统示意图如图1所示。仿真系统示意图如图2所示。
2 三维仿真的定义
三维虚拟现实仿真，就是利用计算机技术和科学计算模型，模拟实际过程的各种现象、操作行为和各种响应。随着计算机技术的不断进步，仿真技术已经深入到了国民生产的各行各业之中。仿真系统按行业分类：在军事上有作战仿真和军事武器仿真;航空航天有飞行器模拟仿真;船舶和交通运输行业有驾驶模拟器仿真;电力系统有电厂、电站和输变电设备等的仿真;建筑行业有建筑仿真;石化、钢铁、煤炭行业有过程工业的工艺模拟仿真;城市公共系统和社会事件仿真。
3 过程仿真和三维仿真的实现
过程工艺模型的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司(HKD)开发的过程动态仿真软件平台GPRES。三维虚拟现实模型的开发采用HKD开发的过程动态仿真软件平台VESSA，以在辽化加氢裂化装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础。控制系统模型采用与该装置实际DCS系统一致的算法。
模型的开发以化学工程机理为基础，以辽化加氢裂化装置的设计数据和生产数据为依据。主要建模措施：过程单元设备模型，以化学工程原理和设备设计数据为基础建模;过程热力学模型，依托ASPEN PLUS软件的热力学方法和数据库建模;反应器模型，借鉴专利商技术和辽化提供的相关资料和数据。
以加氢裂化反应器为例，措施为：
⑴考虑多种加氢反应：
加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、加氢脱氧反应、烷烃加氢裂化反应、烯烃加氢裂化反应、二烯烃加氢裂化反应、芳烃加氢裂化反应。
⑵基于反应动力学方程：
式中，PFi为指前因子;CAi为催化活性因子;FR为进料影响;Ei为反应活化能;PPH2为氢气分压;Ci为反应物浓度因子。
⑶考虑多种反应影响因素：
原料组成、催化剂活性、反应温度、反应压力、空速、氢油比、反应热等。
上述措施保证工艺模型具有较高精度(与设计数据对比在仪表量程范围±3%内)。
建立三维模型主要工作有：开发3D引擎(采用VC++，OpenGL等底层开发工具和开发环境);第三方建模工具和自己研发的建模工具相结合(3Dmax,Multigen Creator,AutoCAD,PhotoShop等);模块式设计(使系统易于扩充和维护管理);面向对象建模(增强系统的可修改性和可维护性);与工艺过程模型的接口等。
4 三维虚拟现实仿真的技术创新点
本项目为辽化与HKD合作开发，首次在辽化将虚拟现实技术用于仿真培训系统，在OTS中增加了对生产巡检的培训功能。
传统的OTS技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+平面的仿现场操作界面。这个路线主要用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训。应用虚拟现实的技术路线：工艺模型+DCS仿真操作界面+三维虚拟现实的仿现场操作界面。这个路线除了能用于对工艺设备、DCS控制等操作的培训外，还侧重装置现场操作的培训，如巡检、对动设备的现场操作等，在企业实际生产中尤其重要。
本项目将新兴的三维场景模拟技术与成熟的过程动态模型技术相结合，通过构建高精度、大范围、多层次、多职能的模型，形成一体化、逼真度、可以人机互动的大型仿真软件系统。该系统相对于传统OTS的特点是增加“3D场景+人机互动”功能，是对加氢裂化装置动态仿真的最新研究成果。
5 实现三维虚拟现实仿真的基本步骤
(1）技术准备阶段：
了解熟悉工艺流程，完成和确定仿真系统的总体设计。
(2）模型开发阶段：
根据技术资料，完成工艺模型开发、三维虚拟现实现场仿真、模型集成和测试、建立评分系统等工作。
(3）预验收（PRE FAT）阶段：
做仿真系统性能测试、ATP模型测试程序编写、技术文件编写等。
(4）出厂验收（FAT）阶段：
辽化人员在HKD对整个仿真系统验收测试，包括硬件、系统配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等。
(5）现场验收和交货（SAT）阶段：
HKD派人员在辽化安装本项目OTS系统;辽化人员对整个仿真系统现场验收，测试主要内容有硬件和FAT中要求修改的内容是否已修改正确、系统的配置和功能、模型稳定性、模型开/停操作、事故功能、评分功能等;之后系统交付使用，开始培训。
6 三维虚拟现实仿真的功能
三维虚拟现实仿真具有以下特性：
(1）实时性：
加载了三维模型以后，整个仿真系统能达到流畅，帧速率不低于24;在预案演练操作过程中，对场景中的设备的干预，应该达到实时性。
(2）可靠性：
系统运行过程中，没有出现非硬件问题的异常退出。
(3）逼真性：
事故模拟基于装置提供的事故处理资料，提高了逼真度和应用性，使应急预案的演练过程和真实的演练接近。
三维虚拟现实仿真功能包括：三维图形显示(装置区总貌、三维人物、三维特效、预案步骤显示);实时和可交互;网络演练;生产巡检功能;预案演练逻辑控制等。
三维虚拟现实仿真和实际生产情况的对比如图3所示。
7 三维虚拟现实仿真的实际效果
辽化公司在系统投运后安排了5次、近40名相关人员在仿真系统上做演练和培训。普遍认为这种虚拟现实的仿真形式很新颖，仿真的逼真度高，实效性较好。主要体现在：
⑴准确性：
过程工艺模型的精度较高，主要变量值与稳态值在仪表量程±3%的误差范围内;动态变化的趋势与实际过程相符合。
⑵逼真性：
对生产实际场景的虚拟现实模拟与实际比较相一致，声响效果的模拟也接近实际。例如，仿真系统按照实际开工方案一倍速度运行，从气密到完全开工正常需要7天时间，与装置实际生产基本一致。
⑶多样性：
增加了装置生产巡检的培训和事故预案的考核功能，满足装置全员的培训需求。
⑷实施性：
仿真的对象是厂区的装置、现场阀门和现场仪表，系统的交互功能让使用者能够对装置进行操作，有同于实际操作一样的感觉，人机互动良好。
⑸趣味性：
采用三维立体化的界面，结合演练的脚本，使操作演练如同做计算机“游戏”，增强了安全操作培训的趣味，有较强的吸引力。
⑹知识性：
仿真系统内容丰富，包涵了多领域的知识。
⑺方便性：
人机界面接近实际，学习人员很容易上手。系统有视频演播、指导练习、操作考评等多种使用方式，方便不同层次的人员使用。
8 结语
经过一年多的使用，该三维虚拟现实仿真模拟系统虚拟现实的仿真效果较好，满足装置全员的培训需求，特别有利于实际操作的培训。
参考文献
[1]吴重光.仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2000
[2]申蔚,曾文琪.虚拟现实技术(21世纪计算机科学与技术实践型教程)[M].北京:清华大学出版社,2009
[3]易涛,等.基于HLA架构下的化工安全虚拟现实仿真演练系统[J].计算机与应用化学,2007,4
[4]易涛,等.基于虚拟现实技术的灾难事故仿真系统[J].计算机与应用化学,2009,26(08)
[5]Dave Shrelner,等.OpenGL编程指南(第7版)[M].李军,徐波,等译.北京:机械工业出版社
三维虚拟仿真系统 篇2
油田钻井平台三维应急仿真培训系统
油田钻井平台三维应急仿真培训系统是一套针对油田钻井安全生产以及应对突发状况，快速进行应急指挥救援以及模拟演练的综合培训教学系统。北京金视和凭借与国内多家大型油田合作经验，研发出以油田钻井生产过程中突发状况的应急指挥、快速救援、预案模拟以及安全培训等内容为重点，准确的将油田钻井等真实场景的以三维立体的形式展现，可预演模拟各种突发事故。做到快速、准确、高效处理突发事故，保障油田钻井正常的安全生产。
分布式三维虚拟校园系统设计 篇3
摘 要:本文首先介绍了三维虚拟校园及其发展现状和分布式虚拟现实系统,然后在此基础上设计了一种以用户为中心,可以实现在三维虚拟场景里进行生活、学习的令人身临其境的分布式三维虚拟校园环境。
关键词:三维 虚拟校园 分布式
中图分类号:TP311.1 文献标识码:B 文章编号:1673-8454(2009)17-0034-03
三维虚拟校园可以将学校的各种场景、细节和体验完全复制到互联网上,让学生和教师不受时间和空间的限制,仅需通过电脑和网络,就能够身临其境地感受优美的校园风光、良好的教学环境和优秀的教学资源。
一、三维虚拟校园及其发展现状
1.三维虚拟校园
三维虚拟校园基于因特网、虚拟现实技术和地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、空间定位系统(GPS)技术等。该技术的应用对现实校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化有很多辅助作用。
2.虚拟校园的发展现状
早在1996年,天津大学在SGI公司的硬件平台上,基于VRML国际标准,最早开发了虚拟校园。随着宽带技术的大规模应用,国内其他高校也开始逐步推广、使用虚拟校园模式。然而这些虚拟校园大多都是以实现浏览功能为主,不能让用户体验在三维虚拟校园里面的学习生活氛围。现在,人们不再满足于只是对校园环境的浏览,而是期待一种以用户为中心,可以实现在虚拟场景里进行生活、学习、工作的三维虚拟校园环境。
二、分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统简称DVR,是虚拟现实系统的一种类型。它是基于网络的虚拟环境,在这个环境中,位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接,或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境,通过计算机与其他用户进行交互,并共享信息。在分布式虚拟现实系统中,多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作,以达到协同工作的目的。
三、分布式三维虚拟校园系统的整体构想
分布式三维虚拟校园系统是利用分布式虚拟现实技术,构建的基于网络的三维虚拟校园环境。本系统的整体结构如图1所示。
从总体上讲,系统主要由以下三个部分组成:三维虚拟人物、三维虚拟校园场景和学习资源。
1.三维虚拟人物
用户通过注册之后可以登录到三维虚拟校园系统中,登录后可以根据自己的爱好设计三维化身,设置自己的基本资料,在虚拟校园中进行学习、工作和交流。按照不同的权限,系统中的用户可以分为三种:系统管理员用户、助管用户、普通用户。具体来说各类用户的权限主要表现在:
(1)系统管理员用户
系统管理员是整个系统中权限最高的用户,负责管理整个系统,系统管理员可以对系统的用户进行管理,包括处理用户的注册申请、分配用户权限、添加删除用户等;另外系统管理员可以对系统中的教学楼、实验室、办公场所、休闲娱乐场所等虚拟校园内的硬件设施进行管理,以及对系统中的资源进行管理。
(2)助管用户
助管用户是由系统管理员指定,分配一定的权限之后,协助管理员进行管理的用户。助管用户可以在自己的职权范围之内对三维数字校园内的虚拟建筑物、资源及特定的用户进行管理。助管用户具体来说包括虚拟教室管理员、虚拟实验室管理员、虚拟图书馆管理员、虚拟教师用户、虚拟学习社区管理员、虚拟购物场所管理员。
(3)普通用户
普通用户是整个系统中权限最小的角色,在三维虚拟校园系统,普通用户登录后可以在三维场景里漫游,在虚拟教室上课,在虚拟实验室做实验,还可以与其他用户进行交流,进行一些休闲娱乐活动。
2.三维虚拟校园场景
系统中的虚拟校园场景是根据学校的地形地貌,利用三维建模技术,将实际生活中的学校环境重现在计算机上,为用户提供一个三维显示的具有真实情境感的学习环境,通过在虚拟环境中集成各种媒体,可以让用户获得视觉、听觉等多方面的感知,同时用户可以与虚拟环境和虚拟环境中的虚拟人物进行交互,让用户能够体验到一种主体存在感和沉浸感。
系统中的三维虚拟场景主要包括以下几个部分:虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟生活休闲场景。
用户浏览校园时通过点击查看建筑物属性,可以查询此时此栋教学楼有哪些教室在上课,虚拟教师在特定的虚拟教室中组织教学。学习者进入教室后,可以自己选择座位坐下,开始听课,学习者在听课的同时可以看到教室中的虚拟教师和其他学习者,并可以与他们进行交流。
虚拟教师如果要教授实验部分的知识或者学习者要在虚拟环境中做实验,可以选择去虚拟实验室。虚拟实验室中有必要的实验设施,可以让用户对实验设施进行操作。
虚拟图书馆是运用虚拟现实技术、网络技术和数字技术将文献信息资源以及各种数字资源整合,通过网络提供远程服务,使处在不同地理位置的用户可以方便地利用这里的数字化信息资源。虚拟图书馆中按照各种不同专业类别将电子图书分类放在不同的书架上,用户进入虚拟图书馆后可以在虚拟图书馆内行走,并可以根据自己的需求选择图书。
虚拟生活休闲场景就是指除了虚拟教室、虚拟实验室和虚拟图书馆以外的一些学校校园场景,包括一些购物场所、健身场所、行事办公场所,以及学校的花草树木等。
3.虚拟学习资源
为了更好地促进学习者的学习,三维虚拟校园中必须提供充足的学习资源供学习者使用,系统不仅提供学习者学习过程中需要的学习资源,图书馆的图书资源,还提供一些可以供用户随时下载的资源。这些资源不仅是文本性质的,还包括一些声音、图片、图像等,给用户提供全方位、多感知的学习资源。
四、分布式三维虚拟校园系统技术实现
系统采用B/S结构,基于VRML-Java的分布式多用户虚拟现实系统,实现了多个用户共享一个三维虚拟校园环境,实现人机交互。服务器端的场景管理器负责整个系统的用户登录/注销管理、场景更新、多用户连接时的线程管理,并负责接受各个用户的场景更新数据包;客户端采用装有可显示VRML场景的Applet插件的浏览器来充当,负责本地的场景绘制渲染,通过键盘、鼠标等实现用户与虚拟场景之间的交互,接受服务器发送的场景更新数据,并维持同服务器之间的Socket连接。其结构如图2所示。
1.客户端
客户端环境是分布式虚拟现实系统中的用户在虚拟环境中协同工作的场所。本系统采用3D MAX等建模软件对校园模型进行建模,然后转换成.wrl文件,再利用VRML脚本语言给模型添加一些交互行为,但是VRML只能实现有限的交互性,而且这些交互都是一些单一的、缺乏内在的逻辑控制的交互行为。
Java语言不仅具有跨平台性,而且语言还具有强大的逻辑控制功能,同时Java Applet可以调用VRML规范所提供的EAI接口来对VRML场景进行控制,Java Applet还可以通过VRML嵌入到网页中。所以系统中客户端为装有插件的浏览器,客户端程序以Applet的方式运行在浏览器中,用于创建与服务器之间的Socket连接,接收服务器的广播报文进行解析,从而实现客户虚拟场景的更新,可以通过键盘、鼠标等控制用户虚拟化身在三维虚拟校园场景中的位置、方向和视角,实现用户与场景的交互。
2.服务器端
服务器端主要由三部分组成:Web服务器、场景及用户数据库、场景管理器。Web服务器负责提供基于WWW的Internet服务,将系统站点发布出去供客户端访问,用户可以通过客户端浏览器登录,进入三维虚拟校园系统;场景及用户数据库用来管理系统的三维虚拟场景和用户的基本信息,其中保存了系统可调用的三维虚拟场景信息、进入场景中漫游的用户名称、用户密码,以及用户在虚拟场景中的虚拟化身等信息;场景管理器是服务器端的主要部分,它连接了Web服务器和场景及用户数据库,主要用于维护用户的登录/注销,管理不同用户与服务器之间的连接,从用户端接收数据报文,这些报文主要分为状态更新、加入/退出请求等几类,在解析这些报文以后,服务器再将这些信息以广播的方式发送给网络上的每一台客户机,用以更新客户机的虚拟场景,从而实现网络上客户与虚拟场景以及客户与客户之间的动态交互。
3.数据库连接
用户登录后与系统的交互不仅仅是靠客户端基于VRML场景本身所提供的数据信息进行交互,更多的是与系统中的其他用户的协作交互,而这些信息不能完全存储在客户端,这就需要数据库系统提供相应的支持。数据库中不光要存储用户的数据信息,学习资源的信息,最主要的还是要存储分布式系统中登录的不同客户端在场景中改变的数据,而且这些改变的数据还可以被不同客户端读取。由于VRML没有直接定义访问数据库的语句,因此VRML场景与数据库的连接一般是通过VRML规范所提供的EAI接口发送给Java Applet,由Java Applet实现对数据库的访问,最后将结果通过EAI接口返回给VRML客户端场景,从而实现与数据库系统的相互操作。
4.系统的时钟同步
分布式虚拟现实系统中一个关键的技术就是时钟同步技术,由于不同的计算机有自己的物理时钟,两台计算机的时钟不可能实现完全的同步。这是由于计算机的时间是由其固定的晶体振荡频率所决定的。虽然两个时钟之间的振荡周期的偏差可能相对很小,但是经过多次的累加之后会在时钟计数器中形成可以观察到的差异。因此,当系统长期运行时,这种差异就有可能影响到系统的实时性。为了消除这种实时性问题,可以利用统一的外部时间源来同步进程的时钟,也就是外部同步。当外部同步满足一定的精度,就能够通过本地时钟度量发生在不同计算机上的两个事件的间隔,达到内部同步。因此可以使用一个事件同步服务器,连接到一个接受UTC(Universal Time Coordinated,通用协调时)信号的设备上,用于实现系统外部同步。
五、结束语
利用分布式虚拟现实技术构建的基于网络环境的三维分布式虚拟校园系统使得位于不同物理环境位置的多个用户
可以通过网络对三维虚拟校园进行观察和操作,与其他用户进行交互,共享信息。用户不仅可以浏览到校园的风景,更可以感受到校园的文化氛围,可以更有效地促进学习者的学习。
参考文献:
[1]杨宝民.分布式虚拟现实技术及其应用[M].北京:科学出版社,2000.
[2]芦鸿雁,李斌兵.虚拟校园及其在现代化教学中的作用[J].科技资讯,2007(34):102-103.
三维虚拟仿真系统 篇4
为保证变电站安全可靠地运行,对变电站工作人员进行接近实际操作情况的培训,以减少各种人为操作事故是非常必要的[1,2,3]。目前的各类培训系统,大多以文字、接线图、数字图表或简单的漫游方式进行实际系统的仿真,无法逼真地模拟人与设备的实时交互功能,培训过程的真实度不够[4,5,6,7,8,9]。文献[10-13]实现了三维仿真及动态操作,但由于只是场景、设备的变化,场景中没有“人”的操作,沉浸感不够。
本文采用虚拟现实技术和虚拟人技术构建的三维变电站仿真培训系统具有明显的优越性。在该系统中,不仅对变电站的各个设备,如主变、断路器、隔离开关等,进行了三维建模,还加入了设备状态的变化,定义了各类虚拟人行为,实现了通过虚拟变电站操作人员在三维场景中完成设备巡检、倒闸操作等。系统中的虚拟人是决策任务的实际执行者,其通过接收受训人员的指令来仿真实际的操作过程;受训人员是变电站操作中的决策者,其在虚拟变电站中进行巡视和形势评估,做出决策,发布各种指令来控制虚拟人的行为。受训人员能在没有任何危险的情况下,高效地模拟变电站运行中的各种操作,这大为加强了学员的直观感受,增强了培训效果。
1 仿真培训系统框架
三维变电站仿真培训系统的框架由3个部分组成,即几何建模、行为建模和场景驱动,如图1所示。首先定义变电站设备、其他物体和虚拟人的三维几何模型;然后对虚拟人和动态设备进行行为描述,制作关键帧动画;最后根据三维几何模型信息和行为信息,设计场景驱动引擎,渲染场景并读取静态模型和动态模型文件,完成场景的各类驱动功能,最终形成完整的虚拟仿真培训系统。
2 几何建模
几何建模是通过几何方式对物理或数学物体的形状进行描述。本文通过二维几何模型和三维几何模型对变电站设备和虚拟人进行表示。
2.1 变电站设备模型创建
变电站设备模型采用3ds Max软件制作。首先单独建立各种设备的模型,如隔离开关、断路器、操作箱、变压器、控制柜等;然后构建场景环境,如围墙、大门等;最后将各个设备放置到场景中,并为墙体、控制柜等贴上图片来表现真实的变电站场景。
2.2 虚拟人模型创建
虚拟人是人的各种特性(如几何、行为、感知、情感、心理和社会性等)在虚拟空间中的数字化表示,它是完全由计算机系统生成的三维图形实体,能够在虚拟世界中模拟真人的各种特征。虚拟人模型采用Poser软件制作,Poser软件具有丰富多彩的人体三维模型,免去了人体建模的繁琐工作。但利用Poser制作的虚拟人模型的面片数很多,影响了三维仿真场景的漫游速度。将Poser模型以3ds格式导入到3ds Max软件中,并对其进行简化,以提高漫游速度。虚拟人制作的具体步骤包括:利用3ds Max软件的Multi Res修改器,大幅度减少人体模型的三角面片数;利用3ds Max软件的unwrap修改器,对模型进行平面展开,并导出512×512的坐标图;将坐标图导入到Photoshop中,制作虚拟人的衣服、安全帽、鞋、脸、手等贴图;通过行为建模完成虚拟人的行为动画。虚拟人的制作流程如图2所示。
3 行为建模
虚拟人行为仿真是一种计算机动画技术,包括虚拟人体模型的构建、人的动作过程仿真、语言交流和面部表情等的仿真。本文主要研究虚拟人的人体模型构建和虚拟人各种行为的模拟。变电站场景中的虚拟人行为主要有站立、行走、蹲下以及操作变电站设备等。虚拟人的各种动作通过骨骼动画技术和关键帧技术实现。首先,利用Milk Shape 3D软件,对虚拟人进行关节驱动,通过关节的旋转和移动实现虚拟人动画,进而实现虚拟变电站场景中虚拟操作员各种动作的模拟。系统中的行为设计可归纳为操作员行为设计和设备的动作设计2部分,如表1和表2所示。操作员行为与设备动作的关系如图3所示。
4 场景的驱动
场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互,并使虚拟场景活动起来。为了实现场景的驱动,需要定义虚拟人如何在三维虚拟场景中进行行动以及虚拟环境如何发生变化。考虑该部分的复杂性,将其分解为行为控制、运动控制和路径规划3个模块。虚拟人和设备的行为和运动控制过程如图4所示。
4.1 行为控制
行为控制模块具有决策功能,它负责确定虚拟人要执行的下一个命令,并且决定虚拟人行为与其相关设备动作的对应关系,以确保虚拟人对设备操作时,相应的设备会与之交互。行为控制模块还负责实现用户的操作:当受训人员选择某种操作时,相关命令被传递给行为控制模块,它将虚拟人的行为与设备的动作发送给运动控制模块来完对成相应的动作。
4.2 运动控制
行为控制模块决定虚拟人的行为选择,而运动控制模块负责实现该行为的具体动画序列。运动控制模块利用几何模型文件、动画模型库实现场景中的动画,采用同时播放虚拟人行为的动画序列与受相应行为影响的设备的动画序列来实现对场景的动态、交互式操作。
4.3 路径规划
路径规划在虚拟人自动操作演示中是必不可少的。针对特定的演示项目,系统预先给虚拟人设置若干关键点的坐标,在虚拟人到达某关键点后自动演示某项变电站操作。
系统采用的路径规划方法只考虑了系统的X-Z平面。设虚拟人的空间位置信息为(x,y,z),取其第1维和第3维分量,将虚拟人映射到X-Z平面上,从而将虚拟人的行走简化为二维平面上的质点的运动。
下面对算法的基本步骤进行说明。
a.根据虚拟人的移动方向和虚拟人的行走步长确定虚拟人的下一位置,并与目标位置相比较。若与目标位置的距离差为零,则结束,否则执行步骤b。
b.当与目标位置的距离小于步长时,根据距离差对步长值进行修正,减小下一步的步长值。
c.返回步骤a继续执行。
5 结论
系统仿真结果分别展现了虚拟操作员的站立、行走、按按钮、扳刀闸、旋转开关和蹲下等典型行为,具有较强的真实感,较好地模拟了变电站场景和虚拟人的各种操作。
系统具有良好的交互性,强调人与虚拟环境之间的协调,具有实时、动态的特点,适用于针对变电站操作的仿真培训。
摘要：为提高变电站仿真培训系统的真实感,对变电站虚拟场景中虚拟人的行为模型进行了研究,设计出了基于虚拟人行为的三维变电站仿真培训系统。系统框架由几何建模、行为建模和场景驱动3个部分组成。几何建模部分采用二维和三维几何模型对变电站设备和虚拟人进行了表示。行为建模部分通过动画技术对虚拟人的行为和设备的行为进行了仿真。场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互,以及虚拟场景的渲染和漫游。
三维虚拟仿真系统 篇5
摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。为了研究基于虚拟仿真实验教学系统进行自主学习的过程和效果，文章基于北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真实验教学平台，以《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》实验为例，归纳没有模拟电路基础的学习者通过自主学习完成虚拟仿真电路实验的过程，并采用调查问卷的方式收集学习者的学习效果。实验结果表明，虚拟实验可以让学习者获得相关的电路知识，虚拟仿真实验平台可以作为学习者自主学习的工具，并且在自主学习的过程中提高了学习者的学习兴趣和发现问题解决问题的能力，培养了学习者的探索精神。
关键词：自主学习；虚拟仿真实验系统；模拟电路；学习效果
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）06-0093-04
在现代教育中，实验教学占有越来越重要的地位，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，很多课程往往需要学生进行大量的实验，而且许多实验需要多协同操作才能完成。但现实中许多问题在真实环境下实验具有不可见性、危险性或需要昂贵的实验设备，成为制约教学质量提高的重要因素。虚拟仿真实验是解决此问题的有效方案[2]。
虚拟实验教学平台不仅可以解决上述问题，而且对于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的学习动机有很大的帮助。在利用虚拟仿真实验平台进行自主学习的过程中，完全是以学习者为中心，学生可以自主调节学习的时间、地点、顺序以及学习的进度，鼓励学生的自主学习、协作学习，有利于学习者的主动建构，符合建构主义的教育观和?W习观，具有较高的理论意义和实践价值[3]。自主学习虚拟实验还有利于培养学习者的探索精神和实践能力。学习者在自主学习虚拟仿真实验的过程中，也提高了遇到问题解决问题的能力，并且确实获得了实验的相关知识。将虚拟仿真实验引入教学有利于推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学的改革与发展。
一、研究现状及不足
1.虚拟实验室建设现状
虚拟仿真实验室受到了各国高校的普遍关注，我国教育部从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，截止2015年共评审出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。科技部2010年将《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》作为“十一五”国家支撑计划重点项目开展研究，清华大学、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学、华南理工大学等高校已陆续在网上提供了虚拟实验服务。在国际上有芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室，卡罗莱纳州立大学利用Java技术建设基于Web的探索式虚拟物理实验室，密歇根大学为操作系统和高级语言课程建设了虚拟网上系统实验室等。
2.国内研究现状及启示
虚拟仿真实验与实验教学的结合方式主要有两种，一种是先实验教学后虚拟实验，这里虚拟实验主要是用于巩固知识，完善知识结构，提高学生的动手实践能力。这也属于先理论后实验的教学方式，李旭锋在《“先实验后理论”化学教学方法探析》[4]中提出“先理论后实验”的教学方法会抑制学生在实验中发现问题的积极性和探索创新的主动性。另一种是先虚拟实验后实验教学，这里虚拟实验主要是来达到预习实验的目的，有利于教学更加顺利地进行，如蔺智挺在《基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学》[5]一文中，以模拟集成电路实验教学为例，介绍了安徽大学基于虚拟仿真实验进行实验教学改革的做法和效果，利用虚拟仿真实验中心，缓解了课时的矛盾，较好地达到了预习实验的目的，拓展了实验的内容，对实验教学改革的深化产生了积极而深远的影响。
虚拟仿真实验可以作为学生自主学习的资源，培养学生的自主性、探究性学习能力。如潘雪涛、邬华芝等在《创新虚拟实验教学模式 培养自主学习能力》[6]一文中提出“三三三”教学理论新模式，其中虚拟实验室在课前应用，激发学习者兴趣，进行自主预习；在课中应用，主要用于教学互动，提高效率；在课后应用，用于自主复习，自主训练。多年的实践证明，教学改革成果显著，教学效果明显，学生的自主学习能力和实践创新能力不断提高。赵琪、孙红等在《基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究》[7]中，提出开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台丰富了实验教学内容和手段，逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式，能够突出探究、实践和创新，提高学生自主学习和探究性学习能力。
3.当前研究的不足之处
通过以上文献分析可以看出，广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注，对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上，这方面的研究，对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义[8]。
已有研究大多关注利用虚拟实验进行教学改革或者虚拟实验平台建设，目前尚未有研究者进行虚拟实验的自主学习过程以及学习效果验证的研究，而基于没有模拟电路知识基础的学习者的自主学习更能反映出虚拟实验平台对于知识掌握和实践能力提高的效果。因此笔者基于北京邮电大学自主研发的电子信息虚拟仿真实验教学中心，以未学习过《模拟电路》相关课程的学习者为研究对象，对学习者的学习过程、学习积极性、学习效果进行研究。
二、研究方法及过程
1.研究目的
本研究旨在通过对没有模拟电路知识基础的学生进行虚拟仿真实验的自主学习过程和效果的调查研究，来分析通过自主学习虚拟仿真实验，学生是否可以获得相关的电路知识；学生在学习过程中积极性和注意力的集中程度如何，发现问题解决问题的能力是否有所提高，以及实验平台的易用性等问题，通过此次调查，了解虚拟仿真实验是否可以作为学生自主学习的工具。
2.研究对象
本次调查问卷以40名研究生为例。在样本的选取上，本次调查对象为没有学过《模拟电路》相关课程、没有做过任何一个模拟电路实验的学习者，这样更能体现出自主学习虚拟仿真实验的效果；本研究所用的实验平台是由北京润尼尔网络科技有限公司研发、北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心运营的。实验课程类属《模拟电路》，实验名称：《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》，学习方式：自主学习。
3.研究工具
本次研究采用的工具为一份问卷调查表，在填写完问卷之后采用访谈的方法来获取被试者的主观感受。
（1）问卷调查
本问卷的题目包括三个部分：第一个部分是第1题，是关于研究对象的个人信息，是否做过任何一个模拟电路的实验。若做过，则被视为无效问卷；第二个部分是2～6题，从做实验的积极性和注意力的集中性（问题2～3），遇到问题的解决办法（问题4～6）三个方面来了解学生做实验的过程。第三部分是7～9题，分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）、学习虚拟实验的基本步骤（问题10）、虚拟实验对学习的帮助程度（问题11）四个方面来调查学习效果以及虚拟实验对自主学习的有用性。
实验在2017年6月份进行，每个学生自主学习虚拟仿真实验的时间不限制，可以使用互联网进行信息的查询，学习过程没有硬性要求，学习顺序自主安排。调查问卷安排在做完实验之后，其中问卷的第10题是关于学习者对学习虚拟仿真实验的步骤排序。将学习虚拟仿真实验的过程进行精简和编码：①进入虚拟实验界面，浏览实验内容；②打开各个仪器的开关；③根据网络实物图连接完整的电路图；④寻求场外人员帮助；⑤调节各个仪器的量程；⑥根据实验原理图连接实物图的基本部分。分析学习者的排序，得出学习过程的活动图如图1所示。
进入虚拟实验界面，浏览实验目的、实验器材、实验原理、实验报告以及实验操作平台。通过实验原理可得知：滤波电路的基本功能是滤除（抑制）某一频率段的输入信号。低通滤波器抑制的是高频段的信号，通过低频段的信号，当信号和噪声在不同的频带时，可以实现信号分离，滤除噪声。
通过参照实验原理图和百度的完整实物图在虚拟实验台上进行电路连接。在实验过程中遇到不认识的器材，通过双击实验器材来获得器材的属性以及帮助信息，遇到不太懂的地方则通过网络搜索或者寻求他人的帮助，原理图中的三角形器件为运算放大器，有八个引脚，有放大信号的功能；信号发生器发出信号，通过泰克示波器来展示波形。
当完成电路的物理连接后，打开和调节各个仪器设备。但是波形并没有显示出来，然后通过检查自己的电路图是否连接正确来进行排错处理，查完之后还没有出现波形，请其他人员帮助，通过调节泰克示波器的量程来显示出波形，实验成功。实验台如图2所示。
在整个实验进行的过程中发现，认知虚拟实验平台只需要三分钟左右，实验平台简单易用，查询信息方式很多，有获取实验帮助、获取智能指导、获取器材信息等等，实验过程中，学生一直都保持很高的积极性，注意力很集中，遇到问题时，能够积极主动的寻找问题的来源，主动寻求帮助，提高了发现问题和解决问题的能力。
（2）访谈
填写完问卷，笔者对于调查对象关于做虚拟实验的主观感受以及填写问卷的认真程度进行访谈。经访谈发现，学习者表示不用去实验室就能把实验做出来，很方便快捷，学习者在学习过程中充满了好奇心，尤其是当波形调出来之后，觉得很神奇，自主学习的结果能够实时的被观察到，能够激励学习者进一步学习，并且所有的被试者都认真完成实验和问卷，没有无效问卷。
4.资料处理与分析
本研究共回收实验问卷40份，其中第一题的选项均为B，即在本次实验之前没有做过虚拟实验，因此问卷全部为有效问卷。
问卷首先调查了学习者在进行实验时的注意力保持情况，和学习者在使用虚拟实验平台时的态度，笔者将注意力的五级进行编码，在SPSS（“统计产品与服务解决方案”软件，用于统计分析）中将选项依次赋值，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分，E为0分，统计结果显示，被试学习者的注意力平均水平为2.9分，说明虚拟实验教学系统可以使学习者的注意力保持在中等偏上水平。
相关研究表明，根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能，比如了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷[9]。本组下的另一个研究主题是关于学习者的学习积极性，通过图3可以看出，被试对象的积极性保持在较高水平，所有的学习者都选择了“积极”或“非常积极”。本主题的研究结果表明，与传统实验教学方式相比，学习者的认知负荷反而降低了。
虚拟实验过程中，学生可以随时登录网站进行各种实验，操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生的动手能力[10]。本部分问卷题目设置的目的是探索学习者在自主学习、实验过程中解决问题的途径选择。
由图
4、图5可以看出，当学习者在自主学习过程中遇到问题时，最常用的办法是查看实验平台中的实验帮助。此结果说明，在未来的虚拟实验平台或者其他在线学习的平台建设过程中，需要提供尽可能详细、准确的平台帮助或说明。询问他人，说明自主学习的过程常常与学习者的社会网络相关。
本??卷的7至9题分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）检验了虚拟实验平台的教学效果，其中问题7、8的正答率为100%，问题9正答率为97.5%，只有一位同学答错，说明没有模拟电路基础的学习者经过虚拟实验平台的操作和学习，可以对模拟电路的基础知识达到很好的掌握程度，验证了虚拟实验教学平台的实际教学效果。
图6显示了被调查者在试验后对于虚拟实验平台的主观评价，如图6可知90%的学习者认为虚拟实验平台对于掌握低通滤波器的知识和技能有帮助，验证了笔者在上文中提出的假设，实验证明，虚拟仿真实验确实可以作为学生自主学习的工具。
三、研究结论
虚拟仿真实验能够提高学习者的兴趣，可以作为自主学习的工具。在完成虚拟仿真实验的过程中，学习者被深深吸引，能够保持极高的注意力，学习效率极高。学习者在自主学习虚拟实验的过程中能够主动的发现问题并解决问题，提高了学习者的动手实践能力。没有模拟电路基础的学习者通过虚拟实验可以获得相关的电路知识，学习效果良好。虚拟实验室降低了实验教学的成本，解决了传统实验室受时间、地点限制的问题，虚拟实验简单方便，虚拟仪器具有灵敏性与高效性。开展虚拟仿真实验教学可以延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在今后的教学实践中，我们要发挥虚拟实验的优势，使之能够与传统的实验教学密切融合。课堂教学、虚拟实验和实验室教学深度融合是现代实验教学的发展模式，能够培养学生的自主学习能力、动手实践能力以及发现问题和解决问题的能力。
参考文献：
三维虚拟仿真系统 篇6
关键词：虚拟现实；仿真；安全防范系统
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：1007-9599 （2011） 06-0000-01
Security Three-dimensional Simulation System Design and Implementation
Guang Kuan
(Chinese People's Public Security University,Beijing100086,China)
Abstract:The system is based on system simulation and virtual reality technology development security systems built three-dimensional simulation.From the security system design,validation and optimization of the deployment,the implementation of emergency command and other training,the maintenance of public security has a certain practical significance.
Keywords:Virtual reality;Simulation;Security system
人类社会在发展的过程中始终伴随着各种风险，公共安全是社会稳定发展的永恒课题。安全防范系统是以维护社会公共安全为目的，运用安全防范产品和其他相关产品所构成的入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、防爆安全检查系统等，或由这些系统为子系统组合或集成的电子系统或网络[1]。
安全防范系统的设计必须针对被保护对象的特点进行设计，有着较大的自由度。建立一个能够客观、量化的设计环境就显得非常重要。运用虚拟现实技术将防护对象进行三维仿真，在此环境中来进行安防系统的设计、验证和优化部署，实施应急指挥等训练，势必将大大提高安全防范系统的效能。
一、构建三维虚拟现实环境的基本步骤
通过将采集到的实时数据和仿真得到的数据以图形化的方式实时地显示出来，人们可以对安全防范系统的防护措施一目了然，虚拟三维仿真环境可分三大步骤：
（一）通过数码相机进行采样，获取被保护对象及环境的整体风貌及具体建筑实体，以及相关的图像纹理。
（二）在MultiGen Creator软件中完成三维场景建模。包括地形、植被、水文、道路、建筑物、景观等，其中建模重点为地物建模。
（三）设计漫游引擎，对三维场景的漫游控制，在场景中设置多种环境效果以增添场景真实感。
系统在WindowsXP操作系统平台上，安装MultiGen Creator3.0进行三维场景建模，Vega3.7驱动场景漫游实现视景仿真，VisualC++编程实现多种人机交互。另外三维场景中所需的图像纹理采用PhotoShop7.0处理转换成Vega中能正常显示的格式。硬件上要求必须配备独立显卡，以处理图像在Creator无法正常显示的情况。
二、原始数据采集及处理
三维场景是对客观世界的一个数字化过程，需要在建模前需采集相关的数据。主要有三类数据需要进行采集：地形数据；纹理数据以及表征地形地貌及建筑物的几何模型。
MultiGen Creator是在图形工作站上知名的实时三维模型建模工具软件系统。将采集得到的数据进行进一步的加工，存入数据库格式为OpenFlight的数据库中。由Creator生成的文件可以直接导入Vega中以供漫游场景的开发。
在虚拟三维场景中模型建立的好坏直接关系到整个系统的场景真实性、和准确性，同时场景中模型的复杂度也决定了实时漫游时的运动速度。因此在模型建立的过程中，模型的优化非常重要。为了降低三维场景中模型的复杂度，场景中的实体模型大量采用了纹理映射技术。
三、虚拟漫游环境的建立
本系统基于Vega Prime软件开发，三维场景建立后，导入到Vega中实现漫游系统。将安全防范系统中各实体的机动情况、摄像头覆盖情况，探头可视化表现等是仿真三维系统中应主要体现的内容。所采用的主要技术如下：
（一）运动模型处理。Vega中提供了对运动模型的回调处理函数，通过这些函数，将用户的处理过程加入运动模型，实现对实体运行控制的平滑处理。
（二）模型数据库操作。Vega的pf库提供了对模型数据库的访问机制，利用库中提供的各种函数，实现了虚拟环境和实体的迅速切换。
（三）回调函数。Vega提供了功能强大的回调函数机制，通过合理的添加用户回调可以实现底层功能扩展。系统中利用Vega的回调函数实现了多种控制功能，如安防系统中实体的战术动作控制，模型特定面上实时更新显示图像和字符等。
四、实际应用效果
安全防范三维仿真系统是一套具有对仿真过程进行交互干预能力的通用性较强的新型仿真系统，具有较强的可扩展性。该系统已经在某单位安全防范系统设计及模拟训练中得到了应用，为仿真训练及研究提供了直观依据，取得了较好的效果，仿真系统能够更有效地评估和反映各种安防设备的性能和实战场景，更加能够满足参与者的心理和视觉需求，同时也可以大大减少外场试验，节省大量的试验经费支。
参考文献：
[1]GB 50348—2004安全防范工程技术规范[S]
[2]邹庆忠，邱晓刚，李革.综合环境建模中的动态地形仿真[J].计算机仿真,2004,21(12)
[3]官勇,蒲小琼,张翔.虚拟场景漫游技术及其系统实现[J].计算机工程与应用,2007,43(15):89-91
[4]杨评利,仇小鹏，,黄少华.在Vega环境下开发虚拟现实应用程序[J].计算机仿真,2005,22(5):165-168
三维虚拟仿真研究框架 篇7
三维仿真平台的建立,需要集数据库技术、二维可视化技术、统计分析功能、专业模型计算、三维可视化表现、网络会商功能于一体。在数据存储、统计、分析与二维可视化方面,GIS系统已经比较完善,信息集成度高;从专业模拟计算的角度,相关专业的学者已有大量的研究成果,科学可视化方面也有比较多的应用软件;三维虚拟仿真技术作为一种新的技术,在信息表达方面独树一帜,是二维可视化系统的提升和补充。
1 三维仿真平台框架
三维虚拟仿真平台作为综合平台,其总体框架主要由四个模块组成:三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块。数据库部分作为后台数据的总仓库存储系统运行所需数据,随时接纳由计算或监测输入的数据资料,同时为二维GIS模块和三维可视化模块提供显示数据,为数学模型计算程序提供计算参数。数据库模块包括GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库三个部分,联合实现上述功能。数学模型计算作为系统进行科学模拟的核心内容,为可视化平台提供科学的计算结果,供用户判断决策,并接收可视化平台的反馈信息,随时调整计算条件,其计算结果也可存入数据库中。二维GIS模块和三维可视化模块并列作为前台的显示和交互界面,是整个系统面向用户的窗口。GIS模块完成二维显示和统计分析功能,并与三维可视化模块相连接实现地图导航功能,三维可视化模块则实现场景的三维可视化表现任务[1]。这些模块的集成最终形成三维虚拟仿真平台。
2 数据库设计
三维虚拟仿真平台作为综合平台,包括二维GIS和三维仿真两方面表现,本文将数据库设计分成GIS数据库、三维空间数据库和属性数据库三个部分进行研究。GIS空间数据库主要为二维GIS提供绘图和空间分析的数据源;三维空间数据库为三维可视化模块提供显示所用到的空间结构位置、纹理材质等数据;属性数据库则为GIS和三维可视化模块中的各个实体提供属性信息,同时也存储数学模型计算结果,供查询分析之用。
2.1 GIS数据库
GIS数据库分为空间数据库和属性数据库,空间数据用于描述空间地理对象的属性,是对点、线、面特征的操作。在GIS系统中,空间数据以图层的形式存储和表达,在Arc/Info中图层称为coverage,每个图层存储一个特定的专题图形,不同的图层通过描述信息特征或者辅助特征(如控制点和边界范围)达到空间信息的匹配和配准。图形特征分为点、线段、多边形等,分别对应空间对象的点、线、区域等特征,每个对象对应一条记录。属性资料用来描述图形的特征,包括点属性资料、线属性资料和多边形属性资料。属性数据在GIS中以关系型数据库形式存储,可利用ArcGIS等GIS软件的连接功能,通过用户定义的特征识别码使属性数据库与空间数据库相关联。
2.2 三维仿真空间数据库
三维空间数据库包含的信息有:三维地形地物的空间几何信息,空间拓扑关系,相对应实体的纹理、材质、层次细节构造等方面的信息数据。与传统的商业关系数据库相比,三维空间数据库技术的理论和产品仍处于探索和试验阶段,商业化的三维空间数据库系统尚不多见。
OpenFlight格式数据模型将实体按照其几何结构进行存储,从基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。另外该数据模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模型材质、色彩、明暗阴影等,模型文件中对纹理信息只存储纹理名称和映射关系,纹理图片需另外存储,通过上述存储方式可从三维可视化角度实现实体信息的关联存储与访问。
2.3 属性数据库
属性数据是指描述三维实体各种属性信息的数据,其中既包括实体名称、实体说明等文本数据,也包括相关的图片、音像等多媒体数据。在数学模型计算方面,一方面需要存储计算所需的基础数据,如河道地形、糙率、流量、水位、经验拟合曲线等;另一方面则需存储计算结果。
3 空间数据与属性数据之间的联系
无论是空间数据还是属性数据,最终都要集成于三维虚拟仿真系统平台中,为信息查询分析、仿真模拟服务。实体空间信息由OpenFlight格式的模型文件存储,可通过三维可视化平台调用而绘制出实体的三维形态;实体属性信息存储于Oracle等关系数据库中,可通过SQL语句进行查询、更新等操作。因此要实现基于三维场景的信息连接查询,需要通过程序设计和数据库间的关联来实现。
4 二维GIS可视化
二维地理信息系统可视化已较为成熟,已经有不少商业GIS软件。但要开发与三维相结合的仿真平台,对GIS的开发调用必须能够脱离商业平台独立运行,这方面组件式GIS技术完全可以满足要求。国内外著名的GIS厂商都相继推出了他们的GIS组件,如InterGraph公司的GeoMedia,MapInfo公司的MapX,ESRI公司的MapObjects和ArcObjects等。而近年来ESRI公司推出的ArcGIS9中的ArcGIS Engine则是组件GIS开发中的新工具。
5 三维可视化
5.1 三维图形显示原理
5.1.1 坐标系定义
现实世界是真三维的,把具有空间坐标的三维实体通过各种变换投影到二维屏幕上的过程称为三维图形显示。为了在计算机屏幕上得到真实感的图形图像,需要一系列坐标变换和计算机图形学技术处理,其过程示意如图1所示。
5.1.2 图形变换
三维图形显示要将世界坐标系中的三维实体经过一定几何和投影变换之后,显示在二维屏幕坐标系中,其中图形的几何变换主要包括平移、旋转、变比、错切等方面,投影变换则一般采用透视投影的方式。
三维图形的几何变换矩阵可用T3D表示如下:
undefined
从变换功能上T3D可分为4个子矩阵,其中,
undefined
产生比例、旋转、错切等几何变换;[a41a42a43]产生平移变换;
undefined
产生投影变换;[a44]产生整体比例变换。
5.2 三维可视化软件开发平台
实现以上的三维图形显示过程需要相应图形开发软件的支持。实现场景三维可视化显示的软件很多,本文以OpenGVS为例来实现场景的实时驱动。OpenGVS是Quantum3D公司提供的视景开发软件包,该软件提供了构建虚拟场景的总体框架和大量的C函数接口,本身实现了许多图形显示经典算法,从而避免了重复开发工作,对视景开发的效率很高。
OpenGVS提供了构建虚拟场景的多个三维场景的驱动接口,主要有Frame,Channel,Scene,Camera,Object,Light,Fog等(Quantum3D Inc,2001)。如图2所示。
程序设计可分为三个部分:程序初始化、图形处理循环和程序退出,结构如图3所示。初始化是对场景三维可视化所涉及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,主要包括:创建图像通道并定义透视投影视图体的大小;载入地形地物实体,将其置于特定的空间位置;设定光照和雾化效果的具体参数,加入场景;初始化摄像机位置和视角。通过初始化工作,程序就具备了图形渲染的数据基础,可渲染出最初的场景静态效果图。而要实时生成图形,进行动态交互仿真,就需要根据交互操作实时改变绘图参数,并根据参数的改变渲染出相应图形,这正是程序的图形处理循环部分所要完成的任务,也是三维交互系统设计的核心所在。实时系统的图形处理是按帧循环的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如改变摄像机的位置视角、各种地物的运动状态、光照雾化的效果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实体更新变化过程的控制正是三维仿真模拟的实现接口,如场景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,基于科学计算的三维交互仿真也是通过对相应实体运动变化控制函数的设计而完成的。
5.3 三维可视化与漫游
三维可视化系统的基本功能便是真实再现模拟场景,在计算机虚拟环境下对场景进行随意漫游。根据程序的框架结构,三维显示是通过图形场景的渲染完成的,场景画面的明暗阴影及雾化根据光照和雾化参数进行调整,场景的漫游则通过对摄像机的控制加以实现[3]。
5.3.1 三维图形显示
三维图形的显示需要对图形进行剪裁、消隐处理,程序设计中通过定义视图体的大小进行图形剪裁,并应用Z缓冲区算法完成消隐处理。为真实表达三维空间的物体,一方面需要描述其几何特性,即实体的空间位置,另一方面则要描述其光亮度和颜色。另外现实世界是绚丽多彩的,要在计算机屏幕上逼真表达,需要描绘和模拟不同表面的纹理图像,进行纹理映射处理。
纹理映射的实现是依据纹理空间、景物空间和计算机屏幕图像三者的映射关系来完成的。一般来说,二维纹理定义在一个平面区域(纹理映射空间)上,该平面区域上的每一点处,均定义有灰度值或颜色值。在图形绘制时,根据纹理空间与景物空间之间的映射关系,确定景物表面上任一可见点P在纹理空间的对应位置(u,v),而(u,v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面P点处的纹理属性。
景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现纹理图片与相应景物实体间平面位置上的配准,其映射关系是一种仿射变换:
u=a0+a1X+a2Y+a3XY (2)
v=b0+b1X+b2Y+b3XY (3)
式中,(u,v)是纹理空间中的坐标,(X,Y)是景物空间实体表面坐标,(ai,bi,i=0,1,2,3)为8个变换参数。可依据纹理图片与实体表面相对应的四个控制点,求解这8个变换参数,从而确定映射关系。景物空间与计算机屏幕图像间的映射即前面所述的透视投影变换。
对大范围的地形模拟,除三维建模外,要获得更多的地形信息,最佳的方法是用数字化的航摄像片进行相对应的纹理映射。因为航摄像片是地面的中心投影,因此航摄影像与地形模型间的映射关系为透视投影变换,通常采用直接线性变换的方法建立纹理坐标(u,v)与地形空间坐标(x,y,z)之间的映射关系:
u=A/C (4)
v=B/C (5)
A=L1x+L2y+L3z+L4 (6)
B=L5x+L6y+L7z+L8 (7)
C=L9x+L10y+L11z+1 (8)
利用一定分布的6个以上的控制点,就可根据最小二乘原理解算出L1～L11这11个参数,确定影像与地面模型的映射关系。
5.3.2 场景控制漫游
场景的随意控制漫游是交互式三维可视化系统有别于动画演示系统的特征之一,通过对视点空间位置和转角的控制来实现[5]。在OpenGVS的Camera接口中,提供对视点控制的模拟回调函数接口,只要编程限制摄像机的运动规则,即可实现诸如漫游过程中视点不能低于地面、进行碰撞检测等功能。摄像机视点由鼠标或键盘操作控制,实现调整视点的高低变化及变向移动等功能。因为系统地形涉及多个层次细节,所以在不同高程漫游时其移动速度应该不同,高空时漫游速度快,可以很快到达指定地点,地表则漫游速度慢,以便仔细观察相关实体;同时俯视角度也应该随之改变,高空观看俯视角大,地面浏览则俯视角变小,达到平视的视觉习惯。具体实现时,通过实时检测视点距地面垂直距离的方法动态改变漫游速度与视角,即当视点距地面的垂直距离大于某一设定高度时,漫游速度设为最大值,俯视角垂直于地面,当该距离减小至接近地面的某一预定值时,漫游速度达到最小,视角水平,中间过程按线性插值,从而达到漫游时速度与视角的自动渐变效果,增强了系统操作的友好性能。图4(a)和图4(b)分别为视点在不同高程时三维可视化系统所显示的场景效果。
为模拟光照变换下的场景,需要在场景中加入光源并控制其位置、方向等属性。如为了模拟一天中不同时刻的场景状态,可根据时间将场景中的太阳光光源按圆弧移动位置,并调整光照的方向,使实体生成不同的影子。局部光源的加入还可以描述车灯、路灯等效果,逼真地模拟各种场景。
6 三维可视化与数据库的集成与交互
三维虚拟场景下对数据库的操作主要集中于实体属性信息的查询统计。属性库的查询统计主要采用SQL查询语句,查询的关键是三维场景下实体的识别并与属性库相关联。
由上面数据库的设计方案可知,三维仿真系统的属性数据分静态数据和动态数据两种,静态数据不再更新变动,只供查询之用;动态数据则不断更新变化,需要实时监测,不断对数据库进行插入、更新、查询等操作。因此两者在查询显示方面自然有所不同,静态数据存储于后台数据库中,正常状态下不显示在屏幕上,其数据大多通过基于三维场景的鼠标点击查询方式,通过对话框形式显示出来;而对于动态数据,虽然也可以通过同样的方式加以显示,但考虑到动态数据的实时变化性,许多情况下对实时性较强的关键数据,需要随时关注其变化,因此采用将这部分数据直接显示在屏幕上的方式,使数据的更新变化一目了然。
6.1 基于三维场景的动态查询
三维动态查询是指通过鼠标选择与点击操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行直接查询,不需要进行场景画面的切换。通过该功能可以在虚拟场景下将三维实体与数据库中相应实体的属性信息(文本、图片、多媒体)连接起来,达到实体三维显示与相关属性信息的一体化表现。
6.2 实时数据的更新与显示
与静态数据不同,由于实时数据具有动态变化的特点,因此在查询显示方面就不但要考虑数据获取的及时性,而且需要考虑数据显示的直观便捷的需要,使实时数据能够及时、直观地表现于三维虚拟场景中,跟踪相关实体动态显示其属性信息。为此需要解决数据获取和数据显示两个方面的关键技术问题。
7 数学模型与数据库的集成与交互
由于数据库在数据存储、更新、保护、共享等方面的特殊优势,因此应该尽可能将系统数据交付数据库进行统一存储管理。然而当前的很多数学模型程序都由FORTRAN语言编写,采用文件管理方法管理和操作数据,FORTRAN语言不提供数据库读写功能。可以采用Visual C++编写中转程序的方式解决这一问题,实现数学模型与数据库的集成与交互。
8 结束语
仿真平台建立的目标是为了信息管理与决策支持,通过对应用于流域的三维虚拟仿真平台总体结构的分析,将系统功能的实现划分为三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块四个部分的信息集成,从宏观上对仿真平台的集成开发进行了有益的探索。
讨论了GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库的建立和相互关系,从空间数据和属性数据两个方面讨论了数据存储、查询以及两者的联系。重点研究了三维空间数据库的设计及三维空间数据库与属性数据库的连接。
简要介绍了三维图形的显示原理,以三维软件开发包OpenGVS为底层开发平台进行系统开发,实现了三维可视化功能,构建了具有高度真实感的流域场景。探讨了场景三维显示与漫游的方式及实现方法,提出漫游过程中自动调节漫游速度和俯视角度以及对不同状态下可视效果的处理方案。研究了不同漫游状态下显示方式的差异,通过实时监测视点位置的方法实现了自动友好的交互式漫游,并通过添加雾化、光照等效果优化了场景模拟的效果。
在三维可视化与数据库的交互方面,探索了基于三维虚拟场景的动态查询与数据实时显示的实现方法。尝试了运用管道传输方式解决FORTRAN计算程序与数据库信息的数据传输障碍,为数学模型与数据库的交互提供了接口。
参考文献
[1]陈瑜,古钟璧,周新志,等.GIS数据融合的虚拟现实系统探讨[J].计算机仿真,2006,23(4):216-219.
[2]孙家广.计算机图形学[M].3版.北京:清华大学出版社,1998.
[3]熊芝兰,郝燕玲,申冬慧.基于数字海洋环境的视景仿真系统研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1631-1633.
[4]王少梅,张煜.港口物流系统仿真建模及三维可视化研究[J].港口装卸,2002,6:1-4.
三维虚拟仿真系统 篇8
1 三维模型的绘制
本系统以杭州地铁为资料依据,运用3ds Max、Sketch Up软件以及相关插件,将盾构机在地下施工方式用动画的形式表现出来,其具体制作流程为:
1.1 盾构机的绘制
1.1.1 软件选取
3ds Max软件作为目前应用最为广泛的三维软件,其功能十分强大。在本系统的建立过程中我们将用到它的两大优点:1)3ds Max营造的三维空间非常符合人们的视觉心理,用户可以很自然地将3ds Max所营造的虚拟场景与现实生活场景联系起来,增加系统的真实性。2)具有快速制作动画的能力。工具栏中的曲线编辑器、约束路径编辑器以及摄影表等功能都可以帮助我们高效、准确的创作动画[1]。
1.1.2 模型分解
盾构机是一个独立的工作系统,结构复杂,若作为一个整体直接建模将十分繁琐,因此需要对它进行功能模块分解。参照盾构机的工作原理,可以将盾构机的工作模式简单归纳为;刀盘转动切削泥土由管道送出,管片拼装机完成管片拼装,最后由液压千斤顶推动机身前进。由此可以将其分解为刀盘、管片拼装机和机身三大功能模块分别建立模型,最后利用3ds Max的文件合并命令将所有模型合并到一个场景文件中。
1.1.3 建模技巧
模型的生成一般有3种方法,即多边形、面片及NURBS建模[2],盾构机模型的绘制采用多边形建模,这样可以描述足够的细节,创建任何表面。在模型的绘制过程中需要注意必要的操作技巧以帮助简化制作步骤,营造一个良好的模型环境。在建模过程中应注意:
1)为避免在合并文件中出现重名或重新修改编辑时因找不到元素出现混乱,在给每个部件模型命名时应注意规范,尽量与实际名称相吻合,3ds Max软件按名称选择功能可以帮助快速选中部件模型。同一功能模块上的相同的部件模型要成“组”,以便于后期调用。
2)盾构机模型内部机构部件较多,绘制时很容易发生误操作。在处理这种情况时可以采用“孤立编辑”命令,只对单个部件修改操作而其他部件暂时隐藏,不仅方便我们对模型的修改,也更加清晰的看到模型的效果。
3)3d max所默认的单位是美制建筑图的英寸,这不符合我们日常使用习惯。为真实的仿真盾构机大小尺寸等,我们要将单位改成十进制的“厘米”或“毫米”。
4)绘制模型需要熟练的掌握3d max各种命令操作,学会利用特殊命令简化模型的绘制过程。如利用“圆形矩阵”命令复制相同的刀具组,用“可渲染线条”直接制作管道等,这些命令不但使模型制作效果更加真实,也大大缩短了模型的制作时间。
5)3d max的各种插件功能强大,可以有效的帮助绘制模型,如vray渲染器插件,超级布尔插件等。结合自己所需要绘制的模型,了解各种插件所具有的功能,正确使用插件以达到事半功倍的效果。
1.2 辅助模型建模方法
为了使系统更加真实,需要绘制大量的辅助模型,例如地面上的各种景观等。在建立辅助模型时,对模型的精确程度要求不高,但需要快速大量的制作。3ds Max在建立模型后在渲染部分需要耗费大量的精力,且制作过于精细后场景文件将过于庞大,对计算机性能的要求较高,不利于本系统的推广和使用[3]。Sketch Up软件界面简洁简单易用,制作的模型文件较小,自有的材质编辑器也能够满足简单的模型渲染,同时强大的软件接口,使其能够与多种主流设计软件交换数据,如Auto CAD,3ds Max,Piranesi等,在完成建模后可以轻松的转化为3ds文件。
下面以地面上一栋居民建筑楼为例简单介绍模型制作过程。首先要在软件的场景信息中设置系统单位,与3ds Max中单位保持一致,便于导入3ds Max后的修改[4]。用线工具做出模型大体轮廓后,使用推拉工具即可生成三维模型,绘制出门窗的轮廓线,运用材质浏览器创建模型需要的材质并赋予,一栋居民楼的制作就完成。需要特别注意的是,将Sketch Up模型导入转为3ds文件后会生成部分jpg格式的图片,这些都是原模型的材质贴图,需要将他们与模型文件放在一起保留。
2 模型优化法
盾构仿真三维模型所包含的模型数量较多,为提高仿真效果,对场景模型优化必不可少,这里简单介绍几种常见手段。
1)尽量减少分段数
在不影响模型显示效果的前提下,分段数越低越好。如系统中的远景以及盾构机中若干细小的输送管道等。
2)采用标准几何图形建模
标准几何体的节点较规则,不会产生过多的线、面等,有利于降低文件的数据量。
3)减少冗余面
冗余面是指删除后对效果图影响不大的面,如楼房的底面,冗余面的去除可以降低场景的复杂度。
3 精确制作掘进动画
3.1 动画制作的分类与选择
3ds Max制作动画主要包括角色动画、路径动画和关键帧动画三种。角色动画是指按照表现对象的形状尺寸建立模型及场景后,再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄像机的运动和其他动画参数,最后让计算机自动运行生成动画的一种方式[5]。路径动画的最大特点就是它可以按照指定路径制作动画,参数调节在属性面板中完成。关键帧动画是制作动画的主要方法,只要设置对象在关键帧处的位置坐标,电脑将自动连接完成动画。
本系统对盾构机的运动形式较为简单,可简化为沿直线运动的同时刀盘发生转动,但对旋转速率、掘进速度等参数调节要求严格。因此我们选择制作关键帧动画,运用曲线编辑器调节各种参数。
3.2 运用函数曲线制作动画
根据地质勘探和实验结果分析数据,我们可以预测出盾构机工作时间与掘进深度的关系,以时间轴为横轴,掘进深度为纵轴绘制出曲线图。在软件中选定刀盘为操作对象,将其世界坐标归零,打开曲线编辑器,选择对象—位置,将曲线图绘制在帧数-位置的坐标轴上,再运用相同的操作方法在对象-旋转窗口中完成刀盘旋转动画,最后将盾构机其他部分与刀盘相关联,动画即制作完成。
4 结论
地下交通工程规模庞大,盾构施工技术也复杂且难以掌握。虚拟现实技术所再现的三维场景将可以形象而具体的展示这门技术要领,加深对整个施工过程的印象,这是传统手段如文字、效果图甚至动画所不能实现的。此外,仿真系统建立的模型都是基于真实数据资料,严格遵循了工程项目设计标准,能够真实地再现地下施工场景。设计人员可以在三维场景中仔细观察,因而使得许多不易察觉的设计缺陷能够发现。随着时代的发展,虚拟仿真三维建模技术将会得到越来越广泛的运用。
参考文献
[1]何晓田.基于3D MAX实现虚拟校园场景建模[J].电脑知识与技术,2011(8):5365-5366.
[2]王蔚.3ds max在三维城市景观建模中的应用研究[J].福建电脑,2011(4):73-74,91.
[3]沈威,姚歌,冯思硕.基于3d max煤炭地下气化的仿真[J].煤炭技术,2012(9):165-167.
[4]夏思文,甘淑,陈功凯.基于SketchUp建模的虚拟楼盘设计与实现关键技术研究[J].河南科技,2011(5):607-609.
三维虚拟仿真系统 篇9
1 三维虚拟仿真技术概述
三维虚拟仿真 (3D Virtual Simulation) 就是利用三维建模技术, 构建现实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景, 响应用户的输入, 根据用户的不同动作做出相应的反应, 并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。该软件提供了原始数据拟合、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真的实验、对结果进行优化、生产3D动画影像文件等功能。
利用三维虚拟仿真技术教学具有以下优点:
(1) 教学内容视觉化
(2) 学习中的交互性好
(3) 沉浸感真实感强
2 三维虚拟仿真技术在物流教学中的应用
基于青海交通职业技术学院物流实训中心3D实训室的应用系统及操作流程。
2.1 开机步骤
开机顺序依次为:
AP转换器 (数量两台) :
按下电源按钮,
工作站 (数量两台)
投影机 (数量四台)
进入控制工作站, 进入中控程序, 点击投影机控制, 选择开等投影机启动完毕后再进入下一步
边缘融合机 (数量两台) :
按下电源按钮
关机顺序依次为:
立体图像工作站———边缘融合机———AP转换器———投影机———控制工作站
2.2 基本操作设置
立体图像工作站设置
2.2.1 多显示器设置
点击设置多个显示器
设置作为一个大水平桌面 (水平平移模式)
显示的结果是, 显卡双头输出两个通道的桌面。
2.2.2 分辨率设置
单屏分辨率1024×768, 重叠像素为192
整体分辨率为1856×768 (含边缘重叠区192个像素)
重叠像素设置图如下:
立体设置为管理3D设置里面, 基本设置, 选用立体启用
2.3 基本演示操作
2.3.1 立体电影
检查左右眼是否正确?
将图像移动分别移动到第一个通道和第二个通道进行检查。
如果第一个通道和第二个通道都不正常, 点击一下软件里面L/R
如果图像只在第一个通道出现左右眼反的现象?
在第一台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼
如果图像只在第二个通道出现左右眼反的现象?
在第二台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼 (绿色按钮按两次表示切换左右眼)
2.3.2 NVSG演示软件
同样观看立体是否正常, 可以通过软件切换左右眼
2.3.3 VEGA演示软件
同样观看立体是否正常, 可以通过软件切换左右眼
2.4 系统连接图如下
2.5 投影机图像不正确的调试方法
2.5.1 首先检查画面比例是否正确
再点击高级:
水平位置和垂直位置, 如图所示。
2.6 融合机出现故障处理方法
出现基本问题首先重新启动融合机来解决如重新无法解决可以采取如下步骤:
(1) 找到是那台融合机出现的问题, 并接入键盘鼠标
(2) ALT+F4退出融合服务软件
(3) 点击桌面上的blend文件夹
(4) 复制setting.cfg文件到其他地方
(5) 将备份的该文件copy到blend这个文件夹下面
(6) 双击STEREO_CAP程序
(7) 按ESC, 再点击开始扑捉、全屏幕、下一次开机启动, 保存设置、开始
(8) 重新启动
2.7 注意事项
(1) 投影机开启后遥控器上的auto、aspect两个按键不能按, 正常使用情况下不需要遥控器;
(2) 投影机机械结构不能轻易触碰
(3) 屏幕位置不能挪动, 屏幕表面不能触碰, 灰尘可用干净的柔软布沾水擦;
(4) 投影机关机后不能立即断电, 同时投影机电源需接入UPS稳压电源, UPS后备电池时间不小于10分钟;
(5) 不能随意拔插设备连接线缆;
(6) 立体工作站显卡、立体、分辨率等设置不能改变
(7) 控制工作站IP:192.168.1.10不能改变。
开机先后顺序要严格按照技术要求顺利
3 结束语
三维虚拟仿真技术软件在高职的教学中能发挥出积极的作用, 一方面能提高学生的学习兴趣, 学生在学习的过程中能够对仓储、运输、配送、生产加工等有一个感性的认识, 同时也提高了学生分析问题、解决问题的能力, 实践证明三维虚拟仿真技术软件的应用对于高职物流专业的教学具有积极的意义。
参考文献
[1]吕明哲.物流系统仿真.东北财经大学出版社, 2008.
[2]贺国先.现代物流系统仿真.中国铁道出版社, 2008.
三维虚拟仿真系统 篇10
1 三维虚拟技术概念述
三维虚拟是指通过三维建模技术建立现实世界的三维场景, 在一定软件环境的影响下, 驱动整个三维场景, 响应使用者的行为, 并根据使用者的不同行为做出相应的反应, 最后通过三维环境显示出来。其中动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、系统集成技术等, 属于三维虚拟的关键技术。在三维虚拟设计环境下, 机械维修人员可以利用三维建模实现机械产品的仿真维修训练, 真实感强, 可视化效果良好, 能够使维修人员对机械产品和维修场景产生最直接的感受与真实的操作体验, 掌握机械产品的正确使用、维修方法, 提高维修人员的维修质量和效率, 降低训练成本, 从而有效地推进机械模拟训练的现代化发展。
2 总体研究方案
在三维虚拟设计环境下, 机械人员可利用基于IETM式的三维虚拟维修训练系统在一个通用虚拟维修训练仿真环境中对维修人员进行教学培训和模拟训练, 然后通过可视化仿真技术对机械产品的三维模型进行解析、导入和显示, 并将机械产品的各个模型部件放入仿真平台中进行参数化设计, 然后仿真平台可通过实时的状态记录功能, 记录一个完整的虚拟装配流程, 此时维修人员可借助直观的观察方式对模型部件进行交互控制, 最后完成对模型部件的检查、拆卸和装配。三维模拟维修系统通过逼真的三维模型和交互式的显示效果为维修人员提供了一个可以进行仿真维修训练的平台, 从而实现基于三维模拟设计环境下机械产品模型部件的仿真维修训练过程。
3 系统设计思路
三维模拟维修训练系统是由三维虚拟装配软件界面、三维动画录制、数据文件、三维模型渲染引擎、日志文件等功能构成, 以Active X形式嵌入TETM系统, 并在系统中设置链接信息, 从而系统可实现交互式操作。在交互式界面中, 用户可利用界面选择模型制作三维动画、培训资料, 并利用三维模型渲染引擎对三维模型进行刷新和显示。
从系统的使用方面来说, 该系统大概有这六方面的功能:对三维模型进行导入和解析、进行三维绘制、进行三维空间操作、录制动画、播放三维动画、进行三维培训。通过导入和解析模型文件能够使系统获取完整的数据信息, 然后将模型文件放至仿真平台进行显示控制, 采用鼠标、键盘等工具对模型文件进行空间操作, 并记录每个操作的工作状态, 连贯成完整的操作流程, 利用三维动画帧文件进行动画播放。另外在此过程中, 操作人员可以利用三维培训加强对模型的仿真维修训练, 加深对机械模型的理解和掌握。
4 关键技术
在三维虚拟设计环境下, 基于IETM的三维虚拟维修训练系统的设计有几下关键技术。
(1) 三维渲染引擎技术。
三维图像渲染引擎是由多个图像子系统组成, 以实时计算、物理模拟、映射技术等方式为基础, 为三维图景中的场景、人物、动画等视觉模型的图形表现、运行效率等提供技术支持, 然后获得多种图形的一种表现形式。
该系统主要采用三维渲染引擎Ogre。这种图形渲染引擎以C++程序为依托, 可让开发者更简单直观地开发出基于三维硬件设备的应用程序和游戏。当三维模型建立后, 开发人员将渲染的对象放入渲染队列, 然后渲染队列自动划分渲染对象, 排列模型的渲染次序。
(2) 模型解析技术。
导入三维模型是进行三维仿真维修训练工作的基础工作, 只有完全解析模型文件, 才能正确将模型文件及该系统需要的模型资源导入到三维虚拟环境中, 确保用户对任意对象进行自主控制, 维持模型文件的显示效果。等到模型解析完成后, 该系统会自动输出场景文件、资料文件、纹理贴图、光源等, 用户就可以按照需要对模型文件进行拆卸、维修和装配。
(3) 模型控制与动画实现技术。
在该系统下, 用户可通过操作鼠标控制仿真平台上显示的模型, 同时可通过数据驱动模型运动, 生成对应的动画效果, 然后用户可通过关键帧的方式记录自己的操作步骤和具体细节, 如模型部件位置变化、角度旋转、视角转换等, 并保存为特定格式的动画文件。在播放三维动画的过程中, 为了保证操作演示过程的清晰流畅, 设计人员可在设计过程中添加相关的提示信息、问题设置等, 并结合三维模型的相关演示实现完整复杂的逻辑流程。
5 结语
综上所述, 在三维虚拟设计环境下, 可利用基于IETM式的三维虚拟维修训练系统实现对机械产品的仿真维修训练。与传统的维修训练相比, 该系统从装备维修训练的实际情况出发, 通过仿真平台将三维模型直接运用于机械产品的操作演示、维修维护和人员培训上, 不仅可以提高机械产品的质量, 而且可以降低机械产品维修使用的费用成本, 对机械维修有着积极的促进作用。
参考文献
[1]冯开平, 左宗义.VRML外部程序的应用研究[J].工程图学学报, 2003 (3) :47～51.
[2]王海洋, 高钦和.大型装置起竖过程视景仿真系统研究[J].计算机仿真, 2007 (3) :184～186.
[3]王乘, 周均清, 李丽军.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉:华中科技大学出版社, 2005.
[4]徐宗昌, 谢振东, 胡梁勇, 等.创作平台技术在装备维修信息化中的应用及建议[J].制造业自动化, 2008, 20 (12) :9～13.
三维虚拟仿真系统 篇11
关键词：输电线路；运行与检修；虚拟现实；仿真培训
输电线路运检工作的业务范围涵盖了超特高压交、直流所有电网的运行维护和检修，具有高智力、高技能、高风险等特点，对工作人员的理论素质和操作技能都有很高的要求，但是目前针对运检工作的各种培训方式都存在一定的缺陷，极大地限制了培训效果。为弥补传统培训的不足，本文提出了基于虚拟现实技术的输电线路运检的三维仿真培训系统。
近年来，虚拟现实技术逐步应用在电力培训中，如文献[1]提出了一种变电站仿真培训系统，文献[2]设计开发了有关电力安全的仿真培训系统，但是这些系统仅限于仿真软件的开发，交互性不强且培训模式单一，使得培训效果没有得到较大的提升。本文提出的培训系统既具有虚拟现实技术的全部特点，又提出了完整的培训模式。在实际培训中由理论知识到实际操作，由学习到考核，建立了完整的培训体系。培训人员可在循序渐进的学习过程中全面提升自身的理论素质和技能水平，大大增强了培训的效果。
一、系统特征及功能
1.系统特征
虚拟现实的应用范围非常广泛，包括科学可视化、设计与规划、教育与培训、遥感操作、艺术与娱乐等领域。[3]在输电线路运行与检修的培训中采用虚拟现实技术能为培训人员提供的视觉、听觉和触觉反馈，得到几近真实的感受，与现实教育培训基地或设施相比，输电线路运检三维仿真培训系统具有仿真性、可操作性、对应性的特征，能够在保证培训人员安全的前提下提升培训效果。具体特征如下：
（1）仿真性。仿真性是指培训系统实现了对输电线路运检的工作现场、工作流程及操作动作的全仿真。受训者在构造的输电线路虚拟场景中，通过自由变换虚拟场景的视角，可以浏览到输电线路的所有元件以及虚拟人物的动作细节，仿真了整个作业现场；通过体感设备，培训者可以做出动作与虚拟设备发生交互，从而仿真了作业中的实际操作。系统的培训效果与仿真性有直接关系，只有在如同真实的环境中进行实际操作才会使培训人员尽可能学习到作业的关键技术、危险点等。
（2）可操作性。可操作性是指仿真培训系统采用与实际工作中相对应的操作设备，这些设备为培训人员提供了接近真实的操作方式。[4]如受训者在培训系统中正在进行某项停电检修作业，作业中需要工器具时培训人员能够抓取虚拟的工器具，并使用工器具对虚拟设备进行操作。可操作性是虚拟培训系统实际运用的必备特性，培训人员可以主动地在虚拟的输电线路工作环境中进行作业，通过对感受到的信息进行思考和分析，形成自己想要的动作或策略，通过操作设备反馈给系统，实现与系统的交互和控制。[5]
（3）对应性。对应性是指培训系统是有针对性的培训：一是培训方式对应实际工作，现在输电线路运检三维仿真培训系统中按照不同的电压等级、不同的作业项目进行输电线路运检工作的讲解，具体作业项目如运行工作中的线路定期巡视、测量工作中接地电阻测量、停电检修工作中500kV停电清扫污秽绝缘子、带电作业中500kV带电更换单片绝缘子。二是培训对象对应不同人员的自身状况，对不同基础、能力和培训状况的学员开展针对性的培训。
2.系统功能
输电线路运行与检修三维仿真培训系统的主要功能模块的划分如图1所示。主要包括基础分析、仿真训练、考核评价、培训管理。培训是一种由理论知识到实际操作、从学习到考核的循序渐进的过程。
（1）基础分析。基础分析借助输电线路的三维仿真场景，将典型500kV线路的组成包括导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础、接地装置等进行一一展现及介绍，让学员在进实操培训前，学习掌握到输电线路基础知识。
（2）仿真训练。仿真训练主要帮助培训人员提升操作技能，是通过具体的作业项目进行培训的，如测量工作中接地电阻测量。培训人员通过控制设备与虚拟场景进行交互，掌握作业流程、作业关键点以及危险点等。此时可进行单人操作练习，也可以利用网络技术进行多人的协同作业，在仿真作业的同时，培训人员可以随时进行资料查询，包含作业指导书、各项规程标准等资料。
（3）考核评价。考核评价的目的是在阶段性培训后对学员的学习情况进行评定，包括理论考试和实操考试。理论考试主要包含作业指导书、电力安全作业规程、工器具使用等基本内容；实操考试是在仿真训练的基础上开发的考试模式，对学员的各项操作进行考核，评估学员的实操水平。
（4）培训管理。培训管理的目的是保证仿真培训工作的有序开展，贯穿于整个培训过程。培训管理主要功能包括：账号管理、考核评定和资料管理。各项功能由管理员控制，主要用于建立学员学习档案，管理学员信息和成绩，方便教师设置考试科目、考试内容，管理员也可以随时编辑，补充资料查询功能模块的内容。
二、系统开发与实现的关键技术
虚拟场景是构建输电线路运检三维仿真培训系统的基础，一个逼真的三维模型场景能对使用者构成强大的视觉冲击，所建立的场景越真实培训效果愈好。本系统利用 3ds MAX 平台进行输电线路各元件模型的构造，主要采用层次建模法，即先设计出模型的各种零部件，然后进行整体装配。同时，通过 3ds MAX 的材质和贴图系统、灯光系统等提高三维模型的真实度。
虚拟场景要想引人注目，必须是动态可交互的。[6]本文基于Quest 3D搭建整个仿真系统的底层平台，将所建立的三维模型导入到Quest 3D中，利用Quest 3D开发各项功能模块实现培训系统的交互功能。在功能模块的开发中需要解决各项具体问题，如碰撞检测问题就是检测不同模型是否发生了碰撞，就像现实中两实体之间是不会发生交叉重叠的一样，在虚拟场景中两三维模型之间也不能发生穿透的现象。[7]在平台中采用层次包围盒方法进行实时碰撞检测，其基本思想是通过建立对象的包围盒层次来逐渐逼近对象的几何模型，从而用体积略大而形状简单的包围盒代替复杂的几何对象参加碰撞检测，通过包围盒间的相交测试快速地排除不相交的基本几何元素，以减少相交测试的次数。[8]利用Quest 3D进行实时检测的精确性及响应速度完全满足于本系统。通过解决碰撞问题系统将大大增加真实感。最终表现如图2所示，图中展现的是在500kV带电更换单片绝缘子的作业项目中，等电位电工进入等电位的动作。
三、结语
将虚拟现实技术应用到输电线路运检的三维仿真培训方法突破了传统教学方法的局限，具有实用性、互动性、娱乐性等特点，是虚拟现实技术在电力培训上的具体应用。通过完成对三维模型建模、场景搭建、碰撞检测等等问题的处理，建立输电线路运检三维培训系统，其高度仿真性、操作性以及对应性的特点提高了培训的效果，但是目前限于计算机软、硬件技术水平，虚拟现实系统还只能达到部分真实感的程度。随着技术的不断发展以及电力行业对安全的重视程度，虚拟现实技术在该领域的应用会将更加深入，仿真培训方式也将逐步成为输电线路运检三维仿真培训的重要手段。
参考文献：
[1]漆晓霞.基于虚拟现实的变电站仿真培训系统的研究[D].北京：华北电力大学，2009：1-58.
[2]陈奇朋，罗滇生，胡强，等.基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统[J].计算机工程与应用，2012，（3）.
[3]李锦涛，刘国香，等.虚拟环境技术[M].北京：中国铁道出版社，1996.
[4]陈定方，罗亚波.虚拟设计[M].北京：机械工业出版设，2002：82-106.
[5]周泽伟，冯毅萍，吴玉成，等.基于虚拟现实的流程工业过程模拟仿真系统[J].计算机工程与应用，2011，4（10）：204-16.
[6]B Anderson，A McGrath.Strategies for Mutability in Virtual Environments[C].In：J Vince，R Earnshaw eds.Virtual Worlds on the Internet，Los Alamitos. Calif：IEEE CS Press，1988：123-134.
[7]刘检华，姚瑁，宁汝新，等.基于虚拟装配的碰撞检测算法研究与实现[J].系统仿真学报，2004，16（8）：1775-1778.
[8]马登武，叶文，李瑛.基于包围盒的碰撞检测算法综述[J].系统仿真学报，2006，18（4）：1058-1064.
三维虚拟仿真系统 篇12
一、三维GIS的简介
1.1三维GIS的概念
三维GIS尽管是一门新型的技术, 但是在近几年的发展中, 已经初具雏形, 在实际的应用中也取得了良好的成效。这是一门综合性较强的技术, 涵盖了计算机科学、地理系统学以及信息学, 在实际应用的场地中, 还与土木工程学科的内容相关。可以说, GIS技术在理工科的各个专业都有渗透, 并且随着技术的成熟, 它的领域也在不断地向外界拓展。在延伸的过程中, 在战场地形的模拟上最为成功, 实验也证明了三维可视化技术能够满足作战场地模拟的需要, 为科学管理战场环境, 综合训练战士的整体素质起到了良好的效果。
1.2三维可视化的分类
根据功能的不同和使用者目的的差异, GIS按照不同的类别, 可以分为很多的种类。从GIS提供的性能的角度来看, 可以分为三种, 分别是空间管理GIS, 空间分析性GIS和空间决策型GIS, 其中空间管理型的GIS是应用最多的一种, 也称大众性;分析型GIS使用的频率不高, 是传统型的一种;而决策型GIS则属于决策型。从系统开发的角度来看, 又可分为最终用户用GIS, 专业人士用GIS和软件开发者用GIS, 总之, 不同类别的GIS适合不同的人群, 具体情况还需按照使用者的目的来细分。GIS分类的标准除了上述两种之外, 还有很多, 如按照系统结构来看, 可分为单机GIS和网络GIS。此外, 数据结构也可作为其分类的一种方法。
1.3 GIS可视化原理
GIS作为一门综合的技术, 与地理学和计算机学有着密不可分的关系。对于所以涉及到GIS技术的领域而言, 地图既是输入数据的来源, 又是系统说出的一种形式。而地图是地理信息系统的一个分支, 为三维可视化技术的研究做了良好的参考依据。此外, 在三维技术的发展过程中, 地理信息系统的作用还在于为GIS提供查询和检索等服务, 在模拟过程中, 空间分析和系统分析时, 也会用到地理信息技术。而计算机学充当的主要是绘图软件的作用, 能够在最快的时间段内借助于相关软件将所要模拟的场景在电脑上呈现出来, 这就是计算机学的作用。总体来说, 地理学和计算机学两者相互作用, 为信息的贮存, 决策的的判断提供了定性和定量的数据。
在GIS技术中, 主要是通过地形的模拟来改变战场的环境, 让受训人员能够在不同的场景中体验不一样的作战环境, 从而为实地战场做好充分的准备。当然, 在三维可视化技术应用中, 对于地形的分辨率和地表的特征都有很高的要求。此外, 在构建地形时, 还需要考虑到计算机对于图形的处理能力, 所以对于系统的硬件也提出了进一步的要求。
二、三维地形仿真需满足的要求
2.1地形模拟分辨率要求
地形的分辨率将直接影响到虚拟现实、军事可视化等重要的因素。所以保障地形的高清晰度和高分辨率对于战场的模拟有着极其重要的意义, 否则, 将失去参考价值。作战环境越真实, 那么参考价值就越大, 对于地形分辨率, 要求模拟情况和真实战场有着极大的相似性, 那么所模拟的场景才会更加可靠, 对于军事环境的应用的意义也会更大。然而, 由于GIS技术还处在成长的阶段, 想要获取高分辨率的地形数据是一项高难度的工程, 期间需要花费大量的人力和物力, 但是低分辨率的地形又不能满足战场的模拟。所以还需采取相应的技术, 将低分辨率的地形转化为高分辨率的地形。
2.2地表特征表现要求
对于地表结构构造和地下构造的研究对于资源的合理利用, 人员的均匀分配以及经济的协调发展都有着重要的意义。多年来, 科学家们对于两者的研究一直是一项热门的工作, 从不止步。而GIS技术的应用恰好适应了这一需要, 对于地表的剖析和解读提供了重要的参考意义。地质学家认为, 地表构造的南北分带和东西分带主要受到低下主断裂的分布状况的控制, 而GIS技术要求地表比较稳定和均衡, 对于地表上的环境也有一定的约束。所以说, 三维可视化技术适合在地表相对比较平坦, 地下无明显断层的区域应用。
2.3系统硬件平台处理性能要求
在三维技术的实现和转换中, GIS空间数据的精度与质量直接影响一个国家GIS应用的广度与深度在系统的计算过程中, 主要有三个方面的数据分析, 即空间数据、属性数据、空间数据拓朴数据。由于工程量较大, 如何在最快的时间内模拟出及时的战场, 是研究的关键, 这对系统的硬件提出了进一步的要求。而服务器可以说是整个网络的核心, 如何选择与业务规模相适应的服务器, 是有关决策者和技术人员都要考虑的问题, 选择网络服务器时在综合考虑各项因素的同时, 应当特别注意它的性能和售后服务。不同区域的地貌不同, 有山地、平原、丘陵等, 所以在配备硬件设施时需要考虑很多因素。
GIS可视化技术是一个连续的过程, 在仿真目标和地形场景控制的基础上, 通过硬件处理器的平台模拟作战场景, 最后一步则是发布仿真系统。当然, 其中还有很多复杂的步骤需要我们的专业人员去研究和计算。三维模拟在实际的应用中有很多的计算步骤, 如何实现其虚拟战场的模拟, 靠的是技术的实现。
三、三维地形模拟的实际应用
3.1三维地形的动态分析
三维地形图的主要的数据来源是DEM数据, 也就是说, DEM数据是三维地图的前身。在数据显示过程中, 常用的方法是两种, 即矩形格网和三角形网。虽然是两个不同的图形, 但是通过一定的技术处理后, 两者之间是可以相互转化的。在地形的动态分析时, 一般会把图形转换为三角形, 因为大部分三维显示设备的工作效率在很大程度上取决于三角形的数量。当DEM数据传给DEM库时, 就形成了透视。同时, 影像库的图形发生文理叠加, 地图发生矢量叠加, 在文理叠加、透视和矢量叠加这三者的作用下, 形成了三维可视化, 通过进一步的分析和统计, 地形就可以模拟出来。
3.2二维到三维技术的转换
在进行数据的计算时, 数据的输入一直是三维技术发展的瓶颈。大量数据的输入是一个复杂的过程, 很容易在人工输入时出现错误, 此外, 由于数据较多, 计算机的运行也是数据处理中的一个难点。在现代科技中, 一般会采用四叉树分割技术对数据实现从二维到三维的转换。在技术的实现中, 需要解决的关键问题是二维图形的拓扑结构, 在结构分析的基础上对二维图形进行加厚处理, 从而得到三维图形的平面。在坐标变化和投影技术的辅助下, 就形成了立体的三维效果。
3.3地形剖面图中的距离计算
地形剖面图是在等高线地形图的基础上绘制的、用来描述地形起伏的一种图形, 在三维效果图的制作中, 地形剖面图的距离计算是一项重点工程。在地形剖面图中, 要计算相对距离, 必须有要计算两点的海拔高度。如在绘制MN的地形剖面图时, 主要包含以下几个步骤:1作一条与MN线段等长的水平线;2用分规在MN线段上量取每两条等高线之间的距离;3定出合适的垂直比例尺, 以决定剖面的高度;4在各点垂直线的顶点用曲线加以连接, 就成为MN线的地形剖面。
小结:从上述分析来看, 虚拟战场的模拟是一项长期的任务。由于其中的技术含量较高, 目前还处在发展阶段, 还有很多的问题需要我们去解决。但是就目前看来, GIS三维可视化技术对于战场的模拟确实起到了良好推动作用, 为实地信息提供了准确的数据, 可视化技术的应用有着很大的发展空间。H
摘要：随着科技的发展, 军事力量成为各国之间综合国力较量的一大重要组成部分。而军事行动的基础是战场环境, 所以, 如何对实地战场进行模拟, 从而在实际作战过程中掌握各个突破口成了关键。笔者将通过对GIS三维可视化技术的认识, 进一步介绍GIS三维可视化仿真技术的虚拟战场的地形研究。
关键词：三维GIS,仿真技术,地形研究,模拟
参考文献
[1]孙柏林.计算机战役技术训练模拟系统军事总体设计的原理[M].解放军出版社, 1994:56-18.
[2]何江华.三维技术导论[M].科学出版社, 2001:34-37.