实时虚拟技术（共12篇）
实时虚拟技术 篇1
0 引言
随着虚拟现实技术和3D技术的迅速发展和普及,人们对自然界中各种物体进行逼真的模拟成为一个热点。事实上,这种技术已经开始渗透到人们生活的各个角落。这种技术不仅能够用于商业广告、电视片头、电影电视特技、动画片、游艺场所,还可以用于教育、军事、飞机驾驶模拟、科研中。当前对刚性物体的模拟技术已经较为成熟,然而我们生活中柔性变形物体随处可见,若不能完美地模拟柔性物体,不能不说这是一个缺憾,当然,这也引领了一个新的研究方向,十几年前世界各地的研究者纷纷加入到了这一研究领域。近年来,对柔性变形物体的模拟也有不少产品问世,如在《海底总动员》、《阿凡达》等影片中就能看到真实织物的模拟。然而这种模拟通常渲染一帧图形要花几秒钟,甚至是几分钟、几十分钟。在一些需要实时显示的环境,这显然无法让人接受。本文将介绍一种在虚拟场景中织物在外力下运动的方法,既能达到实时的效果,不失真实感,同时可以在具有交互的场景中进行扩展。
1 织物模型
1.1 Kawabata实验
为了对织物形态进行模拟,日本学者Kawabata[1]用一种仪器对纯棉织物、羊毛织物和混合织物的拉伸、弯曲及剪切等物理参数进行了实际的测定,总结出形变与力或力矩的关系。该实验包括拉伸、弯曲和剪切三种。David E.Breen等[1]利用Kawabata对100%纯棉布的实验分析,对它在第一象限的曲线进行拟合,如图1和图2所示。
图1弯曲测试拟合曲线(参见右栏)
图2剪切测试拟合曲线(参见右栏)
1.2 质点-弹簧模型
在Kawabata试验的基础上,X.Provot建立了质点-弹簧模型[2,3]。质点-弹簧模型相对简单,运算效率较高,能达到实时的显示效果。依据他的方法,把一块织物划分为m×n个矩形网格,每个网格结点是一个虚拟质点,每个质点跟其相邻的质点用弹簧相连,弹簧无质量且其长度
不能为零。相邻质点的连接有三种方式(如图3所示):连接质点[i,j]和[i+1,j+1]、连接质点[i+1,j]和[i,j+1]的弹簧,叫作"剪切弹簧";连接质点[i,j]和[i+2,j]、连接质点[i,j]和[i,j+2]的弹簧,叫作为"柔性弹簧";连接质点[i,j]和[i+1,j]、连接质点[i,j]和[i,j+1]的弹簧,叫作"结构弹簧"。
三种弹簧实现了对织物变形的约束,避免过分的拉伸和弯曲。当织物只遇到剪切力的作用时,只有剪切弹簧发生形变;当只有柔性力作用时(如:弯曲),只有柔性弹簧发生形变;当只有压力或牵引力作用时(如:拉伸),只有结构弹簧发生形变。如此,在织物运动中,各种弹簧处于不断的拉伸和收缩中;同时,弹簧的形变产生了弹簧两端的作用力,作用力又产生了质点的运动。织物的动态模拟就归结为个弹簧系统的动力学变化。
X.Provot的质点-弹簧系统是对自然织物一种抽象的模拟,他假设织物是由相同的经纱和纬纱纺织而成的,也即织物的经向和纬向对应图1和图2中同样的参数曲线。如此假定并不影响织物动感模拟的显示效果,而且提高了模拟的运算效率。
在质点-弹簧系统中,假设任意质点[i,j]在t时刻的位置是Pi,j(t),(i=1,…,m;j=1…n)。
质点[i,j]所受到的内力由弹簧力和弹簧阻尼力组成。
弹簧力是连接到质点[i,j]的所有弹簧对质点[i,j]的张力的合力,用公式表示为:
式中R是所有通过弹簧连接到[i,j]的质点的集合,l0i,j,k,l是两质点[i,j]和[k,l]间的自然长度,ksi,j,k,l是连接质点[i,j]和[k,l]的弹簧的弹性系数。
弹簧阻尼力是连接质点[i,j]的所有弹簧对质点[i,j]的弹簧阻尼力的合力,用公式表示为:
式中ksi,j,k,l是连接质点[i,j]和[k,l]的弹簧的阻尼系数,是质点[i,j]的运动速度,是质点[k,l]的运动速度。
内力的计算公式为:
外力包括各种自然力对织物的作用,包括重力、风力、空气阻力、与外界物体相碰的阻力、外界物体的支撑力等等。
设重力加速度为g,则质点[i,j]承受的重力为Fgr=mg。
设vi,j是质点[i,j]的运动速度,则空气阻力为Fdis(Pi,j)=-Cdisvi,j,其中Cdis为阻尼系数。
设在织物表面Pi,j点附近的风速为ufluid,质点[i,j]由于风的作用受到的力为Fvi(Pi,j)=Cvi[ni,j·(ufluid-vi,j)]ni,j,其中是在Pi,j点处的表面法向量。
设质点受到的其它外力如:缝合力和人机交互环境中人为的作用力等力的合力为。
外力的计算公式为:
质点[i,j]在任意时刻所受到合力为:
根据牛顿动力学原理,质点[i,j]随时间运动的加速度、速度和位移表示如下:
2 数值求解方法
选择求解织物模拟运动方程的算法是一个关键问题,选择合适的算法可以使模拟保持足够的精度、速度和稳定性,否则将会事倍功半。可以在织物动态模拟中使用的数值积分求解算法主要有以下几类[4]:显式欧拉法、显式中点法、显式龙格-库塔法、隐式法和近似隐式法。
在上述方法中,隐式法和近似隐式法在任何时间步长的情况下都不会导致结果呈现数值不稳定,因此对于织物模拟的多数情况下它们都显示出高效性。然而,它们的大步长是以牺牲整个模拟的精度为代价的,且过分减少迭代次数将产生不精确性及慢速收敛问题。因而,当需要对动态系统进行较高精度模拟时,该方法并不适合。显式欧拉法和显式中点法只能用于一些离散化程度较低的粗糙织物,对于刚性较强的离散化模型。经过分析,我们认为采用龙格-库塔法可得到更好的解决,该方法在每次迭代时都需进行多次力学求导,并需建立多个存储结构来存储状态向量。使用该方法能达到较高的精度和稳定性,且时间步长越小精度越高。
从数值分析的角度出发,欧拉公式是一阶龙格-库塔公式,其截断误差为o(h2);改进的欧拉公式是二阶龙格-库塔公式,其截断误差为o(h3)。为了保证算法的精度和稳定性,我们选用了四阶龙格-库塔方法,采用的算法描述如下:
四阶龙格-库塔方法每一步的截断误差为o(h5),尽管运算量和空间占用大大增加,但更适合大步长的运算,在不超出实时模拟要求的前提下,大大提高了模拟的运算精度和稳定性。
3 系统开发步骤
3.1 参数录入界面
系统参数录入界面如图4所示。在系统录入界面,根据所设计面料的质感和性质录入相应的参数,系统根据不同的录入数据,生成描述织物的对象,以建立具有不同质感的物理仿真模型。
图4系统参数录入界面(参见下页)
3.2 织物实时动画模拟算法
我们给出一个织物动态模拟算法如下:
(1)对质点-弹簧系统进行初始化:给每个质点的质量、位置、速度、加速度和受力赋初值。其中:N=质点的总数,i=0,k=0。
(2)k=k+1。
(3)若i≥N转入步骤(4)。
1)对系统内第i个质点施加重力、风力、空气阻力。
2)人为的力、弹簧力和弹簧阻尼力等力,合力为:。
3)根据受力计算质点i的加速度。
4)计算质点i的运动速度。
5)计算质点i的位置。
6)i=i+1。
7)转入步骤(3)。
(4)转入步骤(2)。
4 实验结果
试验采用Dell Precision 450图形工作站(Xeon 2.4GHz2G 80GB),操作系统为Windows XP,编程工具采用VC++和Open GL[5]。基于本文采用的方法,对悬垂织物进行了动画模拟试验。表1给出了处理一帧图形的平均时间消耗数据。在一般情况下,系统处理一帧图形的时间小于30ms就达到了实时性的要求。可见本算法能较好地满足实时性的要求。图5给出了质点-弹簧模型在风中随风摆动的图形,图6是将织物加入纹理后在风中摆动的效果图,可见模拟效果较为逼真。
5 结语
在虚拟3D环境中实现物体的动画效果,实时性和真实感是基本要求,然而它们又是相互矛盾的两个方面,织物模拟在这两方面的矛盾更加突出。围绕实时性和真实感,采用了质点-弹簧模型,数值求解采用了龙格-库塔法,获得了较好的实验结果。本文的研究可以应用到计算机动画、计算机游戏以及其他实时3D环境中。
摘要：织物动画模拟在虚拟现实、3D动画和计算机游戏中有着广泛的应用,而真实感和实时性是织物动画模拟中的核心问题。本文在分析织物物理性能的基础上,采用质点-弹簧模型进行织物建模,运用动力学原理,对模型进行了受力分析。给出了一个织物实时动画模拟算法,算法采用四阶-龙格库塔法进行数值计算。实验证明,该方法能逼真地显示织物动画,同时也具有较强的实时性。
关键词：织物动画,质点-弹簧模型,龙格-库塔法,OpenGL
参考文献
[1]Breen D E,House D H,Wozny M J.A particle-basedmodel for simulating the draping behavior of wovencloth[J].Textile Research[J].1994,64(11):663-685.
[2]Provot X.Deformation constraints in a mass-springmodel to describe rigid cloth behavior[C].Proc.ofGraphic Interface 97,Kelowna,Canada.1997.
[3]刘智斌,李占利,曹宝香.虚拟环境中织物的碰撞检测及相应[J].系统仿真学报.2007,17(7):1497-1499.
[4]凌海燕,姜建国,陈守满.数值积分法在织物仿真中的应用[J].计算机仿真,2003,20(4):12-15.
[5]Wright R S,Lipchak B.OpenGL SuperBible[M](FourthEdition).USA:Sams Publishing,2007.
实时虚拟技术 篇2
数控机床实时误差补偿技术的学习总结
第1章
绪论
制造业的高速发展和加工业的快速提高，对数控机床加工精度的要求日益提高。一般来说，数控机床的不精确性是由以下原因造成：
[1] 机床零部件和结构的几何误差； [2] 机床热变形误差； [3] 机床几何误差；
[4] 切削力（引起的）误差； [5] 刀具磨损误差；
[6] 其它误差源，如机床轴系的伺服误差，数控插补算法误差。
其中热变形误差和几何误差为最主要的误差，分别占了总误差的45％、20％。提高机床加工精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法（或称精度补偿法）。
误差防止法依靠提高机床设计、制造和安装精度，即通过提高机床本书的精度来满足机械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于机床精度，因此该方法存在很大的局限性，并且经济上的代价也很昂贵。误差补偿法是认为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减小加工误差，提高零件加工精度目的的方法。误差补偿法需要投入的费用很小，误差补偿技术是提高机床加工精度的经济和有效的手段，其工程意义非常显著。
误差补偿技术（Error Compensation Technique，简称ECT）是由于科学技术的不断发展对机械制造业提出的加工精度要求越来越高、随着精密工程发展水平的日益提高而出现并发展起来的一门新兴技术。误差补偿技术具有两个主要特性：科学性和工程性。1．机床误差补偿技术可分为下面七个基本内容：
[1] 误差及误差源分析；
[2] 误差运动综合数学模型的建立；
[3] 误差检测；
[4] 温度测点选择和优化布置技术； [5] 误差元素建模技术；
[6] 误差补偿控制系统及实施； [7] 误差补偿实施的效果检验。2．数控机床误差补偿的步骤：
[1] 误差源的分析和检测；
[2] 误差综合数学模型的建立； [3] 误差元素的辨识和建模； [4] 误差补偿的执行； [5] 误差补偿效果的评价。
3．数控机床误差补偿技术研究的现状：
[1] 过长的机床特性检测和辨识时间； [2] 温度测点布置位置优化； [3] 误差补偿模型的鲁棒性； [4] 误差补偿系统及实施；
[5] 五轴数控机床多误差实时补偿问题。4．数控机床误差补偿技术研究的发展趋势：
[1] 多误差高效检测方法；
数控机床误差实时补偿技术
[2] 多误差的综合补偿； [3] 多轴误差的实时补偿；
[4] 实时补偿控制系统的网络化、群控化； [5] 补偿的智能化与开放化。
第2章
数控机床误差及其形成机理
一、误差的概念
1.机床误差－机床工作台或刀具在运动中，理想位置和实际位置的差异（机床误差－位置误差）,或就称机床位置误差。机床精度-机床工作台或刀具在运动中，理想位置和实际位置的相符程度。2.加工误差－由刀具与工件相对运动中的非期望分量引起的。
3.运动误差--机床运动元件（如刀具与工件）之间的相对运动所造成的误差。
4.机床几何误差--是指机床上零、部件的制造与安装过程中因几何尺寸、位置等产生的偏差，造成机床上某些零件位置产生偏差，从而使得机床在刀具和工件相对运动中产生位置误差，最终表现在机床的加工精度上。运动误差--机床运动元件（如刀具与工件）之间的相对运动所造成的误差。5.热（变形）误差--机床温度变化引起变形造成的机床零件间相对位置及形状等误差。
6.力（变形）误差--机床受力（包括切削力、工件和夹具重力、装夹力，机床部件本身重力，等等）引起变形造成的机床零件间相对位置及形状等误差，也称刚度误差。7.加工误差－由刀具与工件相对运动中的非期望分量引起的。
二、误差的分类
1.分类一：静态误差、准静态误差、动态误差、高频误差 2.分类二：位置误差、非位置误差
三、数控机床几何误差元素
1.移动副误差元素分析
根据一个物体在空间运动有六个自由度，故机床移动部件在导轨上移动时共有6项误差，其中包括3项移动误差和3项转动误差，同时还存在3个垂直度误差。
Z-AXIS21 Error ComponentsVerticalPitch xyStraightness zyYawRoll yyzyHorizontalStraightness xyX-ZY-ZYLinearX-AXIS-AXISDisplacement yyX-Y SquarenessSxy
2.转动副误差元素分析
转动副绕转轴转动时存在六个误差元素，包括三个移动误差和三个转角误差。数控机床误差实时补偿技术
3.主轴误差元素
机床主轴旋转时存在五个误差元素，包括三个移动误差和两个转角误差。
四、机床热变形机理
金属材料具有热胀冷缩的特性，当机床处于工作状态时，由于机床运动部件产生摩擦热、切削热以及外部热源等引起工艺系统变形，这种变形成为热变形。
五、机床热变形形态及对策(一)机床热变形状况
1、普通车床的主轴箱温度高，其右边温度高于左边，主轴轴线被抬高并右高左低的倾斜；床身温度上高下低，故弯曲而中凸。
2、升降台铣床的主轴处温高，机床中部温高，故主轴被抬高并倾斜，立柱外翻；工作台温度上高下低，故弯曲而中凸。
3、卧式磨床主轴箱右侧处温高，故主轴向内倾斜。
4、立式磨床的立柱左侧温高，主轴被抬高并倾斜，立柱外翻。
5、龙刨或龙门铣的主轴右侧及床身上部温度高，故立柱向外倾斜，床身向上弯曲。(二)控制机床热变形的对策
1、优化机床设计，减小热变形
2、强制冷却，控制机床温升
3、设置辅助热源
4、补偿技术
5、控制温度环境
第3章
机床误差综合数学模型 数控机床误差实时补偿技术
一、机床误差综合数学模型建模的具体步骤：
1、建立坐标系
2、建立误差转换矩阵
3、建立刀具坐标系和工件坐标系之间的关系
二、机床误差综合模型的建模方法：
1、设定坐标系
2、误差运动转换矩阵
3、TXYZ型加工中心的综合数学模型
第4章
机床误差检测技术
一、机床误差检测技术
检测机床几何精度传统的常用检测工具有：精密水平仪、直角尺、平尺、平行光管、千分表或测微仪和高精度主轴芯棒等。
二、温度测点布置技术
(一)温度测点的选择
在机床热误差的补偿中，温度测点的布置是关键和难点。选择适当的温度测点不但能减少用于建模的测点数目，简化建模过程和热误差模型，而且还可提高机床热误差模型的精度。在几乎所有应用的热误差补偿系统中，温度测点位置的确定在一定程度上是根据经验进行试凑的过程，我们称试凑法。它通常是先基于工程判断，在机床的不同位置安装大量的温度传感器，再采用统计相关分析来选出少量的温度传感器用于误差分量的建模。具体步骤如下框图：
(二)温度测点布置策略
1、主因素策略
主因素策略的意思是用于热误差建模的各温度测点数据 Tij 应与热误差数据 Ej 有一定的联系，即具有一定的相关性，用数学式子表达为： 数控机床误差实时补偿技术
其中：i=1, 2,..., m, m为温度测点数；
j=1, 2,..., n, n为测量数据个数。
2、能观测性策略
能观测性策略是指所选温度点的温度信号能否具有一定精度地表达机床热误差。对于机床热动态过程，一般有：
TATBQ LCTDQ其中T为机床温度矩阵，△ L为热误差（输出）矩阵，Q为热源（输入）矩阵，A、B、C、D分别为常数矩阵。
状态完全能观测（即温度T能表达热误差△L）的充分必要条件是其能观测性矩阵
G = [CT
ATCT
…(AT)n-1CT
] 满秩。由此可得下列结论：
(1)可观测性条件或温度对于热误差的表达与温度传感器在机床上的位置紧密有关；(2)只要布置合适，少量的温度测点也能表达热误差；
(3)为了保证可观测性或用温度表达热误差，温度传感器应避免布置在特征函数的零点位置上。
第5章 机床误差元素建模技术
数控机床的误差因素有很多,其中几何误差和热误差是影响数控机床精度的主要误差因素.一般情况下,几何误差和热误差混杂,给建模造成一定的难度。由于几何误差和坐标误差与坐标位置有关，热误差与温度有关，而实际检测到的误差是几何误差和热误差的复合误差，因此可把以上误差分为仅与机床坐标位置有关的几何误差因素、仅与机床温度有关的热误差因素、与机床温度和位置坐标都有关的复合误差因素三类。机床误差元素建模技术
1、仅与机床温度有关的热误差元素建模
由于机床热误差在很大程度上取决于诸如加工条件、加工周期、冷却液的使用以及周围环境等等多种因素，而且机床热误差呈现非线性及交互作用，所以仅用理论分析来精确建立热误差数学模型是相当困难的。最为常用的热误差建模方法为实验建模法，即根据统计理论对热误差数据和机床温度值作相关分析用最小二乘原理进行拟合建模。(1)最小二乘建模(2)神经网络建模(3)模糊理论建模(4)正交实验设计建模(5)综合最小二乘建模(6)递推最小二乘建模
数控机床误差实时补偿技术
2、仅与机床坐标有关的几何误差元素建模
依据刚体假设，可使用机床运动轴位置坐标的多项式模型对某些几何误差院元素进行拟合，即：
Eg(p)= a0 + a1p + a2p+.… 其中：
p 为 p 轴的位置坐标，p 是 x、y 或 z。
应用多项式拟合法的原理建模。
3、与机床温度和坐标有关的误差元素建模
第6章 补偿控制系统一、补偿控制方式
误差补偿实施是移动刀具或工件使刀具和工件之间在机床空间误差的逆方向上产生一个大小与误差接近的相对运动而实现的。机床误差补偿控制方式一般可分为以下三种：闭环反馈补偿控制方式、开环前馈补偿控制方式和半闭环前馈补偿控制方式。
1、闭环（反馈）补偿控制方式
闭环反馈补偿控制在机械加工过程中直接补偿实际测量值和理论值之间的误差。
2、开环（前馈）补偿控制方式
开环前馈补偿控制利用预先求得的加工误差数学模型，预测误差而进行补偿。
3、半闭环（前馈）补偿控制方式
半闭环前馈补偿控制选择几个比较容易检测，又能表征系统状态、环境条件的参量作为误差数学模型的变量，建立加工误差和这些参量的并反映规律的关系式。
比较以上三种补偿系统，闭环反馈补偿控制系统的优点是补偿精度最高，而缺点是系统制造成本也最高；开环前馈补偿控制系统的优点是系统制造成本最低，而补偿精度也最低；半闭环前馈补偿控制系统的功能与价格比最佳，故根据我国的具体情况，以经济、技术、实用和精度等综合考虑，选用半闭环前馈补偿控制系统是相对最优的控制方式。
二、误差补偿控制系统的补偿实施策略
在早期的误差补偿研究中，误差是通过离线修改数控代码而实现的。该方法相当耗时，且假定离线辨识的误差在实际加工中保持相同。近年来，开发了两种不同的策略来实施误差补偿：反馈中断策略、原点平移策略。
1、反馈中断策略
反馈中断策略是将相位信号插入伺服系统的反馈环中而实现的。补偿用计算机获取编码器的反馈信号，同时，该计算机还根据误差运动综合数学模型计算机床的空间误差，且将等同于空间误差的脉冲信号与编码器信号相加减。伺服系统据此实时调节机床拖板的位置。
该技术的优点是无需改变CNC控制软件，可用于任何CNC机床，包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号CNC机床。然而，该技术需要特殊的电子装置将相位信号插入伺服环中。这种插入有时是非常复杂的，需要特别小心，以免插入信号与机床本身的反馈信号相干涉。
2、原点平移策略
补偿用计算机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至CNC控制器，通过I/O口平移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差量的补偿。这种补偿既不影响坐标值，也不影响CNC控制器上执行的工件程序，因而，对操作者而言，该方法是不可见的。原点平移法不用改变任何CNC机床的硬件，但它需要改变CNC控制器中的可编程控制器（PLC）单元，以便在CNC端可以接收补偿值。这种改变在老型号的CNC控制器中也许是不可能的。数控机床误差实时补偿技术
第7章 车削中心热误差实时补偿应用实例
一、车削中心热误差实时补偿应用实例
1、问题的提出
随着加工进行，机床温度升高，机床各部件产生热变形，由此使得刀具与工件的相对位置变化而造成工件尺寸的变化。
2、温度场、热误差的检测和分析
(1)温度传感器布置及试验系统的建立(2)热误差测量试验
(3)一系列影响热误差的单因素试验
3、热误差模态分析
4、热误差建模
5、补偿控制系统及补偿效果检验
二、数控双主轴车床几何误差和热误差综合实时补偿应用
1、几何和热误差综合数学模型的简化
2、误差元素检测和建模
(1)温度传感器的布置
(2)与机床拖板位置有关误差元素的检测和建模(3)与机床拖板位置无关误差元素的检测和建模
3、误差补偿系统
4、误差补偿效果检验
(1)主轴热漂误差检验(2)对角斜线检验
(3)实际补偿切削效果检验
学习心得体会
在提高机床加工精度有两种基本方法中，误差防止法是靠提高机床设计、制造和安装精度，即通过提高机床本书的精度来满足机械加工精度的要求。由于加工精度的提高受制于机床精度，因此该方法存在很大的局限性，并且经济上的代价也很昂贵。误差补偿法是认为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减小加工误差，提高零件加工精度目的的方法。误差补偿法需要投入的费用很小，误差补偿技术是提高机床加工精度的经济和有效的手段，其工程意义非常显著。所以，误差补偿技术必然成为提高机床加工精度的最重要办法，成为研究的前沿和主流。我们通过本课程对误差补偿技术进行学习非常有必要，为进一步的学习研究打好基础。
实时虚拟技术 篇3
Stand Up NY工作室
选用TriCaster Mini转播套件
Stand Up NY工作室搭建了一整套转播系统，他们主要是为网络喜剧拍摄视频内容，并且建立了一系列“播客频道”（Podcast）。一开始这个工作室只是音频“播客”，但是现在逐渐转向了视频内容的拍摄，并通过NewTek公司的TriCaster Mini来向外转播。他们的工作要求制作必须快速、高效，他们会使用多机位拍摄，并且平均每天都会产生4个小时长的视频内容，这些都为设备提供了很高的要求。
制作团队非常喜欢TriCaster Mini最重要的一点是，如果你有准备好的转播字幕包装内容，你可以在拍摄的过程中，就把它实时加入到转播源里，并且一边拍摄一边进行剪辑。它是一个多功能整合工具包。直接在TriCaster Mini中，就能生成视频内容并马上可以在线上转播。
而且在线上他们有一个完整的实时支持技术团队，如果你有问题马上可以得到解答。另外，这套设备的用户界面非常优秀，你几乎不用过多地熟悉就能马上上手开始制作网络转播内容。
“每天我们都要开会讨论新的网络内容选题。然后马上把TriCaster Mini塞到背包里出门去拍摄。我们可能会直接把它带到时代广场，或任何被摄者的家中。它提供的可能性是无限的。最终的结果就是我们可以拍摄庞大的喜剧素材源，在任何有趣的地方都能拍摄。”工作室的创意总监乔纳森·范提盖特说，“无论是纽约肮脏的街道，还是大型的音乐会都没有问题。有了TriCaster Mini，我们就不需要建立一个庞大的拍摄队伍，只需要很少的几个人就能在各种地方同时拍摄，并且实时发送到网络上，这简直是太适合网络内容的制作者了。”
Munzing Media
转播高中体育赛事
Munzing Media 是一个美国缅因州的家庭工作室，最近几年他们一直都在致力于使用基础的网络设备来进行实时高清的网络转播。他们使用的设备是Telestream Wirecast，目前主要的业务是当地的高校体育比赛转播。
“Telestream Wirecast使我们的实时网络转播高清素材达到了新的高度。更重要的是，我们能够把赞助商的Logo，和拍摄的包装内容实时加入到中场休息中。我们在这些高中体育比赛的转播中所积累的经验，证明我们在网络转播上已经占据了很好的优势。”工作室负责人罗伯特·穆恩泽在接受采访时说。
Telestream Wirecast使这种小型工作室接大型体育赛事的转播订单成为可能。他们的灵活机动性，将赢得越来越多的关注，取得更多大型高清体育赛事的订单。当观众从网上看到他们的赛事转播后，都给了转播团队极高的评价。而所有的观众，有了这个方便的转播设备，就不再需要从电视或者是电脑屏幕上来观看赛事了。
随着大家观看习惯从电视转向网络和移动手机平台上，所有的赞助商和广告商也都跟着转移到了移动平台。他们的商业广告，每次都能和体育赛事进行无缝衔接，这就是Telestream Wirecast助力实现的最有效的功能。
AJA Ki Pros
帮助电影节系统管理独立电影素材
作为一个独立电影人，阿伦·欧文深刻地意识到参加电影节是如何重要。这也是为什么他在2013年建立了Cinematiq联盟来帮助有天赋的独立电影人。他们在全美范围内管理着无数独立制片电影的版权，并帮助他们参加各种电影节。同时他们还需要为这些独立影片进行各种转码、重制、标准化盘片和磁带，并提供版权服务。
“在过去几年中，我们使用AJA Ki Pros建立了一套独特的基于文件系统的工作流程，我们可以在现场大银幕上为不同的电影节播放各种格式的素材。”欧文说，“在为各种电影节准备的阶段，我们会从电影人那收集Quicktime格式的文件，并使用Adobe Media Encoder，FFmpeg和苹果的 Compressor等转码工具将它们的格式做标准化处理。”我们把转换后的电影都通过AJA KiStor制作成一个播放列表，然后按照电影节的需求进行高清播放。”
“这种工作流程有许多便利。”他接着说，“当我们带着AJA KiStor到达现场时，我们马上就可以使用10-bit的ProRes格式进行电影播放。我们有自信能够让观众得到一个高质量的观影体验，并且在播放的过程中，导播还可以随时调整播放顺序。”
因为不同的电影节对播放介质有不同的要求，AJA KiStor正好可以满足这些多样化的需求，因为它支持的格式是最广的。
BlackMagic
在委内瑞拉用于转播体育赛事
Promar TV是委内瑞拉最大的电影电视制作公司，他们建立了一个全新的户外实况转播站，专门来转播南美棒球联盟的比赛。凭借着这一套设备，Promar TV电视台也终于成为了棒球联盟的官方转播商。他们负责把所有的转播视频内容通过网络平台发布，这包括了委内瑞拉的福克斯、ESPN和其他主要的体育赛事电视台。
所有的比赛都是用高清格式拍摄，然后使用Blackmagic Design的Teranex 2D Processor进行4种主要格式的转换，这样就能满足绝大多数电视台的不同格式需求。Promar TV的户外实况转播车是一个23英尺长的箱式卡车，它包含了4套Teranex 2D，以及相应的Blackmagic转换格式的设备。
Promar TV电视台的技术总监Jorge Santiago说，“在委内瑞拉，并不是所有的转播都是高清格式的。我们依然有4∶3的转播，同时也有16∶9的体育转播台。我们是用Teranex 2D来管理所有这些不同的故事素材，它十分简单，只要按一个钮，你就能方便找到转换后的素材。而在体育赛事转播领域，时间就是金钱，这样快速的转换是至关重要的。”
Marshall的设备
高效好用
“在Azzurro HD工作室，我们会同时使用Marshall Electronics公司的VS-102编码器进行HD-SDI 和HDMI格式的编码/解码工作。”工作室技术总监戴夫·兰顿说，“它最主要的用途，是用来做监听回馈、提词器监看和视频监看。我们同时还会增加一路导演指令音轨，来取代传统的步话机指令。”
Marshall的编码器非常适合现场实况转播，因为它有极短的延时，这对于现场的掌控至关重要，并且也使得主播和采访嘉宾的沟通更加顺畅。
工作室同时还会进行海外的直播，而许多海外的客户就有一些现场转播的问题，因为他们使用的是50Hz，而不是60Hz。当他们为澳大利亚的客户做产品调研时，Marshall引起了工作室的注意，他们可以第一时间对客户的问题进行反馈，并且在48小时之内就发给他们升级版的硬件，解决问题。“他们的快速反应给我们留下了很深的印象。”兰顿说。
“而且我们在澳大利亚的客户需要7天24小时全天候连接网络，这样我们就需要一个更加可靠的系统来维持这种不间断的转播。”兰顿最后说，“我们相信Marshall的系统可以持续稳定地提供良好的转播效果。”
Monarch HD
提供线上赛车比赛转播源
赛车比赛的“粉丝”是一群永远得不到满足的观众，而MotorSportsBroadcasting. com则给他们提供了一个渴望已久的网络转播平台。在这个平台上可以由观众自主选择转播视角。它的运营经理山姆·普文撒负责这个高清晰转播系统，它是一个极富挑战的项目。
在每个周末，比赛都会发生在不同的地点，这就意味着设备必须能随时移动。而在乡村转播时，网络连接的信号稳定性就至关重要。快速、高效、简洁的连接是至关重要的，而它的稳定性也必须得到充足的保障。
经过了一系列的调研，普文撒选择了StreamVu作为它的服务提供商。Matrox Monarch HD系统是一个基于H.264编码的实时线上视频流转播系统，并且可以同时录制高清晰格式的视频素材，以方便未来的后期剪辑。它可以为任何HDMI视频流提供素材，并衔接不同的摄影机和切换台。
“在线视频流技术就是我们的全部。”普文撒说，“作为一个移动转播服务商，我们必须要以最快速度到达现场，并且往往会在10分钟甚至更少的时间之内，设定好硬件并开始转播。我们会和许多不同的切换台进行衔接，并且把这些信号录制下来，第一时间通过网络转播出去。”
“Monarch HD就像一个万能魔棒，我们既可以在2.8 Mb/s带宽下进行高画质转播，也可以在网络条件不好时，随时切换到700 Kb/s以保证画面的流畅性。它灵活的操作和高超的稳定性给我们带来了惊喜。它可以说是我们的硬件设备中体积最小的，但同时确是最有价值的投资。”普文撒说。
直播暂停
是绝不允许的
Hendrik信息系统是一套多媒体制作系统，主要关注的领域是在线学习。它为许多国家的医学院制作了一系列远程教育视频。帮助全球的医学院，例如Cedars-Sinai医院、迈阿密儿童医院、休斯顿卫生院等等，提供按需订制的远程教程拍摄转播服务。
“我们客户的需求有很多种，从病房案例研讨会，到完整的学术会议都有；既有实时在线转播的，也有用户可以点播的视频。”Hendrik公司的创始人马克·桑格斯特说，“在过去的很多年中，我们使用StreamGuys的基于云的网络视频转播系统，来自动处理这些编解码的任务。”
“在一个典型的案例中，我们会先拍摄演讲者的视频，然后连同他的PPT一起上传到网络，这样在全球所有地方的观众就可以通过不同的终端实时浏览。”他继续介绍说，“一般情况下，我们都会同时发布两个视频种子源，一个重点放在演讲，另一个的焦点是PPT。StreamGuys的转码系统支持各种在线播放平台，以及手机系统。我们目前使用的是自己开发的编码格式，之后也会开发HTML5版本，来适应最新的移动播放终端。”
对于播放中的临时数据错误问题，他们还使用了StreamGuys的数据备份功能，它可以自动录制高画质的视频，让观众在未来可以进行点播。这样所有的视频就都有了完美画质的备份。因为我们的客户是医学院，绝不允许有数据上的任何错误，因此StreamGuys的系统，以及它的可靠性，是这套系统能够完成任务的核心。
PESA Live app
由美国大学生自己制作
为了让今年的全美大学生篮球联赛总决赛转播得更顺畅，高校联赛的媒体部门和PESA Live实况转播公司联手打造了一套多轨道实时视频转播系统，并通过app让观众在移动终端上观看。
PESA Live APP是PESA Live Services实时视频服务的一部分，它使用PESA内建的Xstream视频流技术进行转播。这个APP同时有安卓和IOS版本，并提供4屏显示，观众可以在观看的过程中，自主选择从哪个角度进行实况转播。并且他们可以在观看比赛时，随时发布推特，并不会影响比赛观看。
在篮球比赛的过程中，大学媒体部的学生还可以同时拍摄多机位的现场转播视频，并为PESA Live线上转播APP提供素材。这些转播的技术，都是由计算机系的大学生和导师一起研发的。
能够和产业的领先企业合作，让大学生亲手转播自己的赛事是十分重要的。创造性的APP制作，能够让学生了解观众的实际观赏需求，并亲手练习完成APP的制作。目前已经有两名学生开始了全职的创业过程，这无论对于学校还是行业都是一个标志事件。
大疆飞行器
的全球实时转播发布会
大疆飞行器高调地在全球范围内发布了他们的Phantom 3航空拍摄器。这个大型的发布会在世界各地同时转播，包括了纽约、伦敦、慕尼黑和中国，另外他们也在Youtube上实时进行网络转播。
整个转播的技术团队选择了Teradek Bond II的系统，这套系统的特点就是能够整合世界不同国家的网络制式，以及不同的网速环境，他们可以使用蜂窝状的无线路由器和局域网来解决不同网络的兼容问题。除此之外，这套设备还有体积小巧、价格便宜，以及支持广播级画质信号的特点。
大疆在纽约的体验中心中，转播的实时画面可以通过Teradek Core系统同步在网络上发布，并且还能整合到在伦敦的实时视频转播中。在这个系统架构下，转播团队可以管理所有不同地域的实时画面和视频源。
“使用这套系统，并且与Teradek Core结合，我们就可以为观众提供一个难忘的、在全球范围内的实时转播的观赏体验。每个人都可以分享视频，并且是实时的，这才配得上一个革命性产品的发布会。”大疆的市场总监Willis Chung说，“使用这样一套小巧的和笔记本电脑相结合的设备，我们就能够通过中国的优酷和美国的Youtube实时转播Phantom 3的发布会。”
“Teradek Core的应用是这场发布会成功的关键。”Teradek 的品牌经理Topher Delancy说，“一般情况下需要一整个卫星转播团队和工程师的队伍来执行的任务，现在只需要一个操机员就能管理素材，并把它们实时通过笔记本在网络上转播了。”
Wowza工作室
进行远程培训
一个投资公司最大的成功，就是能够流畅地培训他们的团队。而最大的挑战就是在培训过程中，这些课程能够让团队有效地参与进来，并且产生深远的影响。在LearnCore，我们把面对面的培训，变成了远程的能力建设，并且成功地把普通职员提升成了经验老道的专家，这一切都是通过远程视频完成的，一次视频解决一个问题。
“我们基于云的学习平台，依靠的是Wowza Streaming Engine系统，它可以按需求点播，也可以传输实时画面，这就方便了角色扮演和案例分享的环节。”公司创始人伊森·林克纳说，“LearnCore的客户，可以发布课程并留课后作业，这样就能清晰地知道职员的知识掌握情况，甚至能够通过在线视频的方法，来考验他们的演讲技巧，这对于销售来说是至关重要的。”
在Wowza平台上，职员们可以记录他们对课程的反馈，并录制他们的角色扮演视频，甚至还能模拟与客户见面的过程。同时其他的职员也可以在视频下留言，还可以建议更换不同的远程教练。
这些实时互动的练习，可以让学员长久获益，并且也能使得跨国公司的培训更有效率。当然所有的学员可以在网上通过电脑观看视频，也可以使用移动终端例如手机或平板电脑，打开浏览器观看。在未来他们还将开发移动终端的APP。
“在Wowza的平台上我们有能力平衡内容和画质，这使得我们的视频流服务能够在不牺牲画质的情况下，保证培训内容的流畅展示。”林克纳说。
Comrex LiveShot系统
转播社区体育赛事
North Metro电视台是一个基于社区的私人电视台，它提供了社区内的制作内容，并且还运行着几个独立的体育、新闻和政策频道。
“在引入Comrex LiveShot系统之前，我们是没办法转播社区体育内容的。”公司创意总监马修·沃尔德伦说，“我们只能去现场进行拍摄，然后在几个小时之后才能制作上线。但对于社区互动来说，我们深刻认识到，社区观众的互动有多重要，尤其是体育赛事。如果你已经知道了比赛结果，就没有任何必要观看比赛了。我们需要一个能实时转播的解决方案，它必须能同时提供高画质和低延时。”
“我们一开始就被Comrex LiveShot的画面所吸引，但其实它最令人吃惊的是超短的延时。在使用AT&T的蜂窝移动网络时，使用一条普通的天线我们就能够把延时缩短到半秒之内。
“目前在我们的转播活动中，Comrex LiveShot应用得很好。我们使用它转播了2014年11月的社区选举，并且把导演协调音轨也整合进了系统中，它帮了我们大忙。我可以在工作室中直接就和摄影师进行沟通，而他们在前方拍摄现场不需要任何电话或步话机的硬件设备。”兴奋地说道。
除了使用高清HD转播设备之外，这套线上实时转播系统，可能是他们社区使用过的最酷的技术了。今年工作室还计划用它转播更多重要的活动，比如接下来社区将要举行的游行活动，这在之前是从没有人尝试过的。
VITEC公司
的MGW D265移动编码器方便IPTV的转播
VITEC的MGW D265移动HEVC解码器和H.264 IP解码器，为任何IPTV的转播提供了解码的便利，并且可以做到全画幅画面转制。这个设备可以提供一个压缩的视频转播源，它整合了最好的连接能力和超低的延时。
它支持下一代的HEVC （H.265） 压缩技术，这样通过MGW D265转制的视频，和现有的H.264相比，最多可以节省40%的带宽资源。
实时虚拟技术 篇4
现代战争是复杂条件下的一体化联合作战,是高技术装备体系之间的对抗,战场态势瞬息万变,各种信息数据极其丰富。作战模拟是现代条件下研究战争、进行军事训练、论证武器装备效能、作战方案评估等问题的有效手段[1]。随着战争研究不断地发展,各种新战争形态的出现,以往那种关注局部问题的作战模拟已经不能适应现代战争在体系对体系方面的新需求[2]。在虚拟战场模拟显示技术中,传统的二维桌面显示模式可以在一定程度上观察整个战场态势,但面对综合环境中巨大的信息量也暴露出了多方面的局限性,不能直观显示空间立体信息,不利于指挥人员进行空间范围的部署和战术决断。传统的三维场景显示能够将复杂抽象的事物以直观、用户熟悉的方式显示出来,同时实现用户与三维场景的交互操作,提供身临其境的临场感,但通常只能对观察人员视野范围内较小的局部战场进行描绘。观察人员对视野外的战场信息则一般无法直观获取,显然在全局态势显示方面存在局限性[3]。目前,二维地图显示与三维虚拟场景显示之间相互响应的思想,在城市规划、交通系统中已有不少应用,因此,在实时战场仿真领域,从人员处理信息、解决问题的角度,将二维地图与三维虚拟场景有机结合,能够更好地增强战场感知能力,提升作战仿真研究的效果。
1 虚拟战场的信息表现
虚拟战场中的态势表现形式包括面向观察操作人员把握战场总体情况的二维态势,如各种地图、航线、轨迹、状态信息;面向观察操作人员的三维态势,如地形、风浪、天气、光照、各种平台毁伤效果、各传感器的电磁作用范围等。这些态势的相互融合,涉及电子地图、三维建模显示、立体音效等,开发工作量大,技术复杂[4]。
1.1 二维态势显示
作为虚拟战场显示的一个重要组成部分,二维态势模块主要实现了操作人员与仿真应用之间的接口,它提供给操作人员动态变化的态势信息,帮助用户实时建立战场的全局印象,把握实体的位置、属性和状态等信息。二维态势显示主要提供地图服务,战场实体要素服务,基于此实现地图浏览、平面空间分析、实体查询标注、轨迹绘制、分层管理等功能。目前的工具型GIS系统都提供了功能强大的接口,可以根据应用目的,选择使用通用软件开发工具实现所需的功能,如图层控制、改变视口、地图信息查询、缩放、平移、测量等,同时可以通过态势标绘,将战场演练过程中发生的情况用约定的符号标记在二维地图上,全面、准确、及时的反映虚拟战场攻防对抗的态势,包括双方的兵力部署、运动实体的军标和轨迹、仿真过程中的关键事件等。二维态势表现在实体信息查询、空间分析等方面已经非常成熟,但在战场具体环境的表现上缺乏空间直观性。
1.2 三维态势表现
三维态势显示是将仿真中形成的大量复杂、动态、可见或不可见的数据,以三维图像的形式直观形象的表达出来,并进行交互处理,可以清晰地表达局部范围的战斗行动,使操作人员具有身临其境的感觉,增强战场态势观察的效果。三维虚拟战场视景仿真开发内容可大致分为两部分:战场实体及环境的三维场景建模和仿真驱动,其实现框架如图1所示。
1.2.1 三维实体的建模与渲染
在三维态势表现中,为了给操作人员创建一个能沉浸其中的环境,三维场景必须能准确逼真地显示客观世界,同时还要保证操作人员和虚拟环境交互的实时性。逼真度与实时性是三维态势仿真的两大要求,也是相互矛盾的两方面。实时性是判断三维态势图像是否满足人眼连续图像感受的指标。由于人眼的视觉暂留现象,实时仿真要求数据更新率大于等于24 f/s,否则人眼就会感到图像抖动及延迟,影响三维态势表现效果[5]。所以,在进行三维实体建模时,不仅要求模型在外形、质感等方面逼真,而且需要最终能够通过实时系统的调用和检验,满足实时仿真要求。虚拟战场中涉及的三维模型种类繁多,包括各种飞机,舰艇及武器平台等,所以在设计模型库时就应通过纹理映射、细节层次、外部引用等技术,寻找模型逼真度和满足仿真实时性这一矛盾的平衡点,利用以上原理和技术开发的系统三维模型库部分模型如图2所示。
1.2.2 三维战场视觉环境仿真
战场环境模拟的逼真度直接影响仿真训练效果,由此产生的沉浸感是仿真可信度的先决条件[6]。随着计算机图形技术的发展和仿真训练的广泛应用,用户对仿真系统模拟显示的逼真度要求也越来越高。在增强三维战场场景环境效果方面,系统中采用粒子系统模拟雨雪等天气情况,以光照度及颜色的变化模拟时间变化等等,可以逼真再现地形、海洋等环境效果,同时建立了真实战场中人眼不可见的各类电磁、红外辐射、传感器探测范围、噪声等的可视化模型,增强三维态势显示的表现效果,以适应信息化条件下的作战仿真训练要求。系统中实现的地形、水下、探测及烟火效果如图3所示。
1.2.3 实时战场听觉信息仿真
在战场环境中,声音是不可或缺的重要组成部分。听觉信息仿真主要是通过对战场中各实体的音效、方位、音量及多普勒效应的模拟来保证虚拟战场信息的完整性,增强态势仿真的真实感,降低对视觉信息的依赖,引导操作人员进行更细微的分析判断[7]。
三维声音建模的重点在于虚拟环境中的声音变换。三维虚拟声音不仅要在三维虚拟空间中把实际声音信号定位到虚拟声源所处的特定位置,还要实时跟踪虚拟声源相对于听者的位置变化而变化。为正确描绘出声音效果,需要对声音传播路径的延迟及强度的增强与衰减进行模拟。比如说,随着飞机距离观察者的远、近,或者速度的快慢,感觉到引擎声音的增强与衰弱;又如随着机载导弹的发射听到尾迹声逐渐变弱等。声音控制采用触发机制,虚拟战场中包括水声、爆炸声、机器引擎的声音等,可以通过特殊效果触发、固定时间触发、碰撞触发或随机触发等,具有很好的灵活性。同时,声音效果要与实时变化的视觉相一致,才能产生视觉和听觉的叠加与同步效应,增强真实感。
除了实体在交互过程中产生的声音事件外,由于虚拟战场环境中观察范围很大,在系统中还需要充分考虑全局因素,适当加入一些声音背景和提示音,如在比较小的音量范围内产生一定数量的背景声,根据想定中的控制标志实时播放指挥人员下达的命令声等,可以更好的烘托战场环境,使用户能够清晰地理解仿真所表达的内容,增强对虚拟战场的体验感。
2 二维三维态势信息的融合交互
2.1 集成交互
二维态势与三维场景一体化集成交互设计的主要目标是根据战情的推演和用户的操作,实时在二维电子地图和三维虚拟战场环境中实现相互响应的态势显示。集成后系统从逻辑上可分为数据服务层、业务逻辑层和用户界面层。数据服务层主要包括地理数据、音视频、三维模型和纹理等。各类数据的请求和传输服务均由业务逻辑层提供,系统结构和数据组织如图4所示。
在本系统中,二维态势与三维场景一体化主要体现在以下几个方面:
(1)二维态势与三维态势在位置、状态等各方面的显示一致。二维态势与三维场景一体化集成交互的基本要求就是在任一给定时刻,它们显示的场景内容是相同的,不同的只是提供给用户的显示形式,一个以二维图标线条为主,一个以三维模型效果为主。
(2)二维、三维态势驱动数据同步。态势显示系统中的公用驱动数据包括仿真时间、目标位置、状态、作战指令等,如表1所示。二维战场态势显示节点负责实时显示更新军标位置与方向,并对作战区域、威胁范围等进行标注;三维态势节点负责根据驱动数据实时更新三维实体模型位置、姿态,渲染战场环境,接收控制指令,改变观察视角。二维、三维态势集成交互时,驱动数据都从战场仿真导演节点获得,确保二维、三维态势信息驱动数据的一致性。
(3)二维、三维态势的操作控制同步。二维、三维态势操控同步也就是要求无论用户在哪一种态势显示方式下进行实体查询、标绘等操作时,另一种态势显示方式会实时响应,动态显示该区域的场景或目标,保证态势显示的统一。
由于二维、三维显示系统位于不同的进程,各自独立运行,所以需要建立同步机制来实现二者的实时交互。这种同步机制的实质是二维态势和三维场景两个空间集合建立惟一映射及双向通信,即建立二者坐标系的惟一对应和仿真实体间的一一对应[8]。一般实际应用中,二维电子地图采用地理坐标系,三维虚拟场景采用右手坐标系。二维三维坐标系的惟一对应可以通过点匹配的方式来实现。根据二维地图和三维场景中某个明显对应的特征点,通常选择二维地图中心坐标和三维场景原点为参照点,二维地图或三维场景中其他任一点都可以转换成与参照点相对的坐标。仿真实体间可以采用实体惟一标志号匹配来实现一一对应。操作控制同步一般通过事件消息驱动方式实现。当用户在任意一种态势显示方式下进行查询、漫游等操作时,该系统中的事件响应函数调取另一系统相关接口,进行相应变换操作,保证二维态势和三维场景中实体位置、状态等显示的一致。二维与三维态势集成效果如图5所示。
2.2 场景视点规划
视点是图形坐标系统中的一个瞬间空间位置,仿真中的视点方式就是从空间某一个具体的位置,按照一定的规律运动、以合适的角度观看某个局域场景,它控制着视锥体内的视觉表现[9]。空间战场中实体数量多、事件形式复杂,存在大量的需要显示的信息,将这些信息同时显示,不仅会超出指挥人员对信息的分析和利用能力,而且即使是同一仿真系统、同一想定,用户每次进行仿真时所关注的对象和内容也可能不同,单一的窗口和视点规划难以将战场细节很好地表达出来。
在实际应用中必须根据需求显示相应的信息,通过预先规划路径自动漫游、重要事件触发、人机输入设备切换控制等方式组合规划视点。操作人员对虚拟战场实体进行跟随观察时,可以利用三维场景实时接收二维态势中用户点击查询的目标编号,综合利用键盘灵活控制视点与被观测实体间的距离和角度等状态,实时观察该目标,同时通过对二维态势的观察对整个战场形势进行全面分析,克服单独在三维空间环境中漫游产生的迷失感,使操作控制人员能够实时、全面掌握战场态势,缩短决策、评估时间。
3 数据平滑及回放
由于虚拟战场各仿真平台推进的步长不同,态势显示中各数据接收的周期也不同。当数据接收周期大于40 ms时,数据间隔较大,若不加处理,三维态势显示画面会产生跳跃,严重影响仿真效果。实际应用中,可以采用对仿真数据进行插值或预估递推的方法来解决三维图像的平滑显示问题,即保存仿真实体最新的两周期数据,当接收到某仿真实体当前仿真数据时,开始更新上一帧数据。在接收到的两个数据点间,根据仿真数据推进周期T和帧刷新周期∆t确定插值数TΔt,保证每次图像刷新时,实体的位置均匀变化。但这样会造成三维显示总是滞后仿真系统一个仿真周期T。当T较大造成三维显示滞后较多时,也可采用预估递推的方法,通过接收到的少量数据,根据图像的刷新率需要,计算推测未知点的数据,当预估实体数据与收到的即时数据存在较大偏差时,就直接使用收到的即时数据同步推进显示,保证图像渲染平滑。
同时,记录仿真对象的状态和它们之间的交互信息,仿真推演结束后回放评估,在战场仿真试验过程中也是不可缺少的功能。采用C++文件输入输出流的方法将实体的运动数据保存为数据文件,比用VCR方式记录的视频数据要高效,并且可节省大量的系统资源和磁盘空间,回放过程也可进行人工操控,并按照不同需求进行数据插值或跳点读取,实现不同的回放速度,实现仿真过程的重演。
4 结语
为综合表现虚拟战场态势,将二维地图与三维虚拟场景有机结合,使二维数字地图操作与三维场景展示在数据、显示、操控等方面实现同步一致,消除了三维态势对整个战场态势认识的不足和漫游时产生的方向迷失感,又弥补了二维电子地图认知战场环境所带来的缺陷。应用于某虚拟海洋战场系统[10],实现了战略层面上战场态势的宏观展示和战术层面上参战实体细节的微观表达,取得了较好的效果。
参考文献
[1]张野鹏.作战模拟基础[M].北京:高等教育出版社,2004.
[2]顾浩,王祥祖,程健庆.海上区域作战模拟分析系统技术[J].计算机仿真,2005,22(10):13-18.
[3]吴家铸.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
[4]廖学军.数字战场可视化技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2010.
[5]庞国峰.虚拟战场导论[M].北京:国防工业出版社,2007.
[6]黄安祥.空战虚拟战场设计[M].北京:国防工业出版社,2007.
[7]庄庆鸿,李宁.虚拟环境中的低成本实时立体声显示[J].计算机仿真,2009,26(8):72-76.
[8]刘明皓,康凤举.空间战场一体化视景仿真系统设计与实现[J].火力与指挥控制,2011,36(7):149-155.
[9]刘卫东.可视化与视景仿真技术[M].西安:西北工业大学出版社,2012.
实时虚拟技术 篇5
基于ACARS的飞机航迹实时安全监控技术
首先简述TACARS系统的定义和特点,然后通过试验找到一种合适的航迹数据预测方法,接着用该方法预测航迹数据,最后提出一种符合实时安全监控要求的.航迹数据预测算法.试验结果表明基于三次样条的航迹预测方法具有很高的精度和较强的工程实用价值.
作 者：陆华兴 邓雪云 LU Hua-xing DENG Xue-yun 作者单位：陆华兴,LU Hua-xing(南京航空航天大学,民航学院,江苏,南京,210016)邓雪云,DENG Xue-yun(上海飞机设计研究所,上海,32)
刊 名：飞机设计 英文刊名：AIRCRAFT DESIGN 年，卷(期)： 29(6) 分类号：V328.3 关键词：飞机通信寻址及报告系统 航迹预测 实时监控 三次样条实时虚拟技术 篇6
关键词： 图像采集； 图像缓存； LVDS接口； LUPA13002
中图分类号： TN 274文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.011
引言高帧频相机是研究物体的高速运动或瞬态流逝现象的有效工具，广泛应用于航空、航天以及武器系统等领域，研究高速运动物体的运动规律，在武器试验领域可对舰载、机载导弹发射姿态进行实时记录与跟踪，对其性能进行分析等，为武器系统试验验证提供决策依据。长期以来，中国的高帧频相机主要依赖于进口，尽管进口相机的帧频达到了1 000 fps，可分辨率很低，且使用条件仅限于民用，所采用的技术不对外公开，可借鉴的文献极少。国内目前研究高帧频相机的单位极少，长春光机所在2008年研制的高帧频互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）实时图像采集系统能够满足高速图像数据的采集与处理，且画面清晰，但该系统采用Camera Link接口实现数据的传输，通过PCI图像采集卡将数据采集到计算机上进行处理及显示，系统体积较大，不符合机载相机体积小的要求[1]。本文所研究的高帧频图像采集系统的分辨率为1 024×1 280，采集帧频为500 fps，对实时图像采集和数据处理的要求很高。采用Cypress公司130万像数的LUPA13002型CMOS图像传感器捕获图像信息，以现场可编程门阵列（fieldprogrammable gate array，FPGA）为核心处理单元来完成500 fps的图像数据采集及实时显示，对图像数据的采集，色彩复原，先入先出队列（first in first out，FIFO）缓存，同步动态随机存储器（synchronous dynamic random access memory，SDRAM）存贮及VGA显示进行的研究，可满足机载、舰载和车载环境下高机动性、小型一体化的需求。1图像采集系统的总体方案分析由于要对高速运动物体的瞬态图像进行拍摄，如爆炸瞬间，导弹发射瞬间等，需要较高的分辨率及帧频，为满足需求，所研究的500 fps图像采集与实时显示系统的主要技术参数有：拍摄帧频：500 fps；采集像素数：1 024×1 280；数据位宽：10 bit。由系统的主要技术参数可以计算出高帧频数字图像传感器的图像信息输出速度为781.25 MB/s，并且LUPA13002图像传感器输出格式为Bayer格式，需要转化为RGB格式，格式转化后在FPGA内部的传输速度为2343.75 MB/s[2]。由此可见，系统的数据处理量很大，对FPGA、缓存器件的性能及数据处理算法的要求很高。由于帧频很高，不需要人眼实时观察全过程，仅观察变化规律即可，因此在实时显示环节，采用抽帧显示的方式，可以减小系统的数据处理负担，增加系统的稳定性。光学仪器第35卷
第2期侯宏录，等：500 fps图像采集及实时显示关键技术研究
本文选用Altera公司的Cyclone II系列EP2C35型号的FPGA芯片作为核心处理单元，系统有低压差分信号（lowvoltage differential signaling，LVDS）支持，接收端最高805 Mbit/s数据速率，支持SDRAM、DDR2 SDRAM器件，使系统的硬件结构更为简单。系统的总体框图如图1所示。
系统工作时首先通过键盘启动数字图像传感器LUPA13002，FPGA通过串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）总线将默认参数传输到LUPA13002，如曝光时间、像素数、开窗区域等，并对整个系统进行初始化设置。系统启动完成后由LUPA13002捕获高速运动目标的瞬态图像信息，通过高速LVDS接口将Bayer格式的图像传输到图像采集模块，由色彩复原模块对完成图像色彩重建，转化为RGB格式图像。图像抽帧模块每20帧抽取一帧图像，且通过FIFO1缓存存储到SDRAM中，由FIFO2读取SDRAM中暂存的图像信息并传输到VGA接口，最终在LCD上实时显示[3]。2图像采集模块设计图像采集模块对LVDS信号进行串行数据解析，得到同步信息码，还原出正常的图像同步信息。如行有效信号，场有效信号等，最终完成对图像信息的采集。LUPA13002是Cypress 公司推出的针对机器视觉和运动分析的高性能的CMOS图像传感器，它能够提供无失真图像并执行快速读出。LUPA13002在1 024×1 280分辨率下可实现500 fps的图像采集，利用视窗或子采样读取模式可以达到更高的帧速率；采用12路10位ADC的LVDS以DDR方式输出，每通道像素率最大为630 Mbit/s；采用管线化全局同步快门成像，可有效避免拍摄高速运动所产生的影像模糊和图像畸变；通过SPI接口对 CMOS 传感器内部寄存器配置，控制传感器的工作状态，控制方式简单、灵活；输出图像格式为Bayer格式，要在传感器外部完成色彩重建[4]。
2.1LUPA13002工作时序LUPA13002 的工作流程分为如下几步：初始化复位、训练模式、配置片内寄存器、像素光积分、图像信号放大和量化输出。LUPA13002在工作时首先通过RESET_N 对传感器的片载序列发生器、内部寄存器和时序电路进行复位；复位完成后启动训练模式，确保读出图像数据的正确性；然后通过SPI总线对片内寄存器进行配置，主要包括传感器的帧频、曝光时间、开窗、光积分模式等；寄存器配置完成后开始对图像进行捕获、图像信号放大、LVDS量化输出。
nlc202309011223
2.2SPI总线时序驱动FPGA通过SPI总线对LUPA13002内部105个寄存器进行配置，以使传感器能够正常工作。SPI总线有CS、CLK、IN、OUT四条信号线。CLK提供接口同步时钟，最高速率为主时钟的三十分之一。每组数据有16位，第1位为读写控制命令位，第2～8位为内部寄存器的地址位，第9～16位为数据位，对应于传感器的寄存器配置参数。其中SPI读时序的仿真图如图2所示。
2.3LVDS信号接收LUPA13002输出的图像数据通过LVDS接口以DDR方式输出，每24个像数为一个核单元，每一行总共有54个核单元。每个核单元按照一定的次序，分2次在12个通路中，以双倍数据速率串行输出。先输出第0、2、4…22个像数，再输出第1、3、5…23个像数，接着再输出47、45、43…25个像数，再输出第46、44、42…24个像数，以此类推，直至输出1行的所有像数数据[5]。数据通道与像素时钟的相位关系如图3所示。FPGA在接收到LUPA13002的图像数据后，进过串行数据解析和像素重组，得到场标识信号iFVAL，行标识信号 iLVAL和像素信号[11：0]iDATA，复位信号iRST，开始信号iSTART和结束信号iEND，然后通过对这些信号的时序控制，接收到正确的图像数据。最终在ModelSim中仿真得到图像采集仿真图如图4所示。图3数据通道与像素时钟的相位关系
3SDRAM缓存设计在实时显示图像信息时，尽管进行了抽帧，但数据处理量仍然很大，仅靠FPGA内部的存储空间无法满足需求，需要高速、大容量的存储器来缓存图像数据，采用SDRAM对图像进行缓存。但FPGA的时钟，SDRAM的时钟及VGA的时钟均不相同，需要采用FIFO将两个工作频率不同的器件进行数据的交互。 FIFO是一种先进先出的数据缓存器，分为同步FIFO和异步FIFO两种，异步FIFO是跨时钟域系统设计中比较常见的模块组成，它的主要作用是使2个工作频率不同的器件在进行数据交互时实现数据的平稳传输[6]。人眼的极限分辨时间为1/24 s，每20帧抽取一帧，抽帧后帧频为25 fps，此时RGB格式图像的传输速率为117.187 5 MB/s。为满足实时性需求，SDRAM缓存时，采用乒乓交替读入和写出完成数据的缓存，每个SDRAM的容量需大于一帧图像的大小，即4.687 5 MB，存一帧数据需要的时间为0.04 s。因此，选用的SDRAM的容量应大于4.687 5 MB，读写速度应大于117.187 5 MB/s。设计中选用的2片SDRAM，型号为IS42S16320B，容量为64 MB，读写速度为286 MB/s。SDRAM在上电时，首先要进行初始化，包括200 μs的输入稳定期，LBank预充电，8次自刷新，模式寄存器设置。初始化完成后进入工作状态，其工作时序为空闲状态→行有效状态→行有效等待状态→读/写数据准备状态→读等待潜伏期→读/写数据状态→读/写完后预充电等待状态→空闲状态[7]。用ModelSim对其读/写时序进行仿真，读操作与写操作的仿真图如图5和图6所示。图5SDRAM读操作时序图
4实时显示系统设计VGA时序控制模块的作用是将缓存于SDRAM中的图像数据在VGA显示器上实时显示。VGA工作时采用逐行扫描的方式，扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下，逐行扫描。每扫完一行，用行同步信号进行行同步，电子束对显示器进行消隐，并使其回到屏幕下一行的起始位置。当扫描完所有行时，用场同步信号进行场同步，使扫描回到屏幕左上方扫描起始位置。同时进行场消隐，并预备下一帧的扫描[89]，图7所示为用ModelSim所做的VGA显示时序仿真图。
在此时序图中，有VGA时钟vga_clk，行有效信号hsync和帧有效信号vsync，在其都为高电平并且在VGA时钟的上升沿输出图像颜色信息vga_r，vga_g，vga_b。图8静态图像采集
Fig.8Stationary image acquisition5系统测试为了验证系统设计的正确性，依据总体设计方案制作了采集、记录与显示电路，设计了采集软件，对运动目标进行实际拍摄。在满分辨率条件下对静态物体（花盆）进行实时图像采集与显示，如图8所示，能够很清晰地将物体图像显示在显示器上。以电动小车为目标，移动速度约为4.5 km/h，在一段时间内对小车的移动过程进行拍摄，选取其中连续的6幅图像进行分析，如图9所示。通过图9可以看出，本文所论述的500 fps图像采集及实时显示系统能够完成对高速运动的目标进行高速的图像采集并实时显示，满足现场实时性的需求。
图9连续图像采集
Fig.9Continuous image acquisition
6结论本文对分辨率为1 024×1 280的500 fps高帧频图像采集及实时显示的关键技术进行了研究，提出了实现该技术的基本方案。在设计过程中对各模块进行仿真，验证其可行性，最终设计完成后对整个系统进行性能测试，实现了对视频图像的实时采集、缓存与显示，满足国防与科研试验中对高速视频采集与记录显示的需求。参考文献：
[1]杜鹃.基于FPGA的高帧频CMOS相机数据传输系统设计[D].西安：西安工业大学，2011：2-3.
[2]杨莉珺，刘铁根，朱均超，等.基于CMOS图像传感器的嵌入式图像采集与格式转化[J].电子产品世界，2008（6）：96-98.
[3]侯宏录，杜鹃.基于乒乓操作的千兆MAC中的FIFO设计[J].光学仪器，2011，33（1）：36-42.
[4]杨会伟.高帧频CMOS相机图像采集系统研究[D].西安：西安工业大学，2009：10-13.
[5]郭文豹.高速CMOS智能相机研究[D].长春：长春光学精密机械与物理研究所，2010：13-21.
[6]张涛.高帧频CMOS相机实时压缩与传输关键技术究[D].西安：西安工业大学，2012：24-25.
[7]张文芳.基于FPGA的SDRAM控制器设计方案[J].兵工自动化，2012，31（2）：57-60.
[8]孙艳，孙爱良，王紫婷.基于FPGA的VGA显示控制器的实现[J].自动化与仪器仪表，2008，6（7）：106-107.
[9]董兵，朱齐丹，文睿.基于FPGA的VGA图像控制器的设计与实现[J].应用科技，2006，33（10）：42-45.
实时虚拟技术 篇7
采用Topcon Riper双频GPS接收机, 运用RTK模式完成了多个控制测量项目, 取得了良好的效果。本文主要结合工程实践, 就RTK技术在城市控制测量中的运用谈点体会。
1 RTK技术
GPS实时动态测量 (Real～Time Kine matic) 简称RTK, 是实时处理两个测站载波相位观测值的差分方法。具体作业方法是设置GPS基准站一台, 并将一些必要的数据, 如坐标系转换参数、预设精度指标、基准站坐标等输入GPS手簿, 一台或多台G PS流动站在若干个待测点上设站;基准站与流动站同时接收卫星信号;同时基准站通过电台将其观测值和设站信息一起传送给流动站;流动站将接收到的来自基准站的数据及GPS观测数据, 组成差分观测值进行实时处理。
2 工程案例1
2.1 工程概况
测区位于J市某开发区, 控制网布设面积约8kmz, 设计点位27座, 起算点采用位于测区南侧、东侧约0.8 km的J市四等平面控制点各一座, 测区北侧、西侧边缘四等平面控制点各一座。
2.2 RTK GPS测量
为了保证测量成果的精度及可靠性, 在测区北侧及东侧的起算点分别设置基准站, 分别采集起算点空间坐标解算坐标系转换参数;并分别测量待测点平面坐标, 然后取两次测量的平均值作为最终成果;两次测量结果的坐标差值统计见表1。
根据上述两次测量坐差值的统计, 可算得两次测量平均值的点位中误差为±1.25cm。
2.3 RTK成果的外部检验
2.3.1 相邻点间边长检测
检测采用TOPCONG TS602全站仪, 以两次测量平均值作为实测边长值, 共检测通视边17条;根据实测边长与RTK测量成果坐标反算所得边长的差值统计可算得相邻点间边长中误差为±11.08cm。
2.3.2 采用导线测量方式的坐标检验
在测区南侧选择待测点6座, 按一级导线测量方式观测, 起算点为以上述J市四等平面控制点为起算的按GPS静态方式观测的城市一级控制点;根据测量结果与上述RTK测量成果的坐标差值统计估算RTK测量成果的点位中误差为±1.22cm。
3 工程案例二
由于RTK测量在20KM内点位平面标称精度为±3cm, 根据控制测量规范要求Ⅰ级导线点的点位误差为±3cm, 从理论上讲RTK测量完全可以满足Ⅰ级以下导线点的技术规范要求。
在某工程道路放桩RTK测量中, 对距离基准站1km～6km的一些四等GPS控制点采用一点法进行检核比较, 结果表明平面坐标分量最大差值为3.1cm, 高程最大差值为4.9cm, 完全符合Ⅰ级导线点的规范精度要求。
在某工程1∶1000数字地形图测绘任务中, 测区长约7km, 宽0.7km, 面积约5km2。整个测区采用Ashtech Z～X双频GPS接收机用静态法共布测了5个四等GPS点, 21个一级GPS点, 点位均匀分布, 最弱点点位中误差为 (Mx:4.0cm, My:3.9cm) , 并联测了四等水准高程。为了进一步检核Ashtech Z～X双频GPS系统的测量精度, 采用GPS控制点联测法均匀地检测了其中12个GPS控制点, 基准站设在测区中间。GPS RTK测量坐标值与静态联测法坐标值的较差见表2, 其X坐标中误差为±3.1cm, Y坐标中误差为±2.3cm, H高程中误差为±5.0cm, 结果完全可满足Ⅰ级导线点 (5”以下) 的规范精度要求。
尽管GPS RTK测量的标称精度及实测精度完全满足Ⅰ级导线点5”点以下的规范精度要求, 但目前的规范对利用GPS RTK测量进行Ⅰ级导线甚至更高的精度的控制测量, 其采集数据的方法, 数量等等还没有明确的规定, 因此还需要用大量的实践来证实。实际测量中还必须采取足够的检核手段, 确保测量的准确性。
4 建议
(1) RTK测量与静态GPS测量相同, 首先得到的是WGS～84坐标, 必须通过一定的坐标转换关系才能得到用户坐标系坐标, 转换参数的求取精度对测量成果有很大影响, 因此在实际应用中首先应注意起算点精度, 特别应注意采用一定的方法检核起算点的相对精度;同时, 转换参数有一定的区域性, 它仅适用于起算点所圈定的一定区域, 外推精度随距离增加降低明显因此在实际工作中应尽量选择能覆盖整个测区且分布均匀的起算点。 (2) 若已知起算点为静态GPS控制网成果, 可利用已有WGS～84坐标及用户坐标建立坐标转换关系, 这样可节省采集起算点WGS～84坐标的时间、提高工作效率;但在利用原有成果时应注意所采用的WGS～84坐标应是在同一网平差中得到的, 因为它是由单点定位的WGS～84坐标推算得到的, 只代表某个特定的坐标对应关系。 (3) 基准站应选择位置较高的点位, 这样可明显扩大流动站作业范围, 但根据笔者对多个工程成果的统计分析, 基准站与流动站间的距离对测量成果有一定的影响, 当流动站与基准站间的距离达到5km～6km时, 两次测得的坐标差值及相邻点间距离与全站仪边长测量的成果差值超过5cm的明显增多;笔者建议在采用RTK技术进行控制测量时, 为保证成果的精度及可靠性, 流动站的作业半径应控制在5km以内; (4) 根据上述第一、第三点, 在采用RTK方式进行较大区域控制测量时可将测区划分成若干个工作区;各工作区的划分应有一定的交叉, 观测时应进行相互检核;也可以采用两次工作区划分不同的方式进行观测。 (5) 在城市控制测量中, 点位一般可埋设在建成的城市道路, 选点时应充分考虑使用的方便及安全, 但同时应尽量避开高压线、高大建筑、电台发射塔等;因此RTK方式不适合应用于建筑密集的老城区, 而在新建开发区一般均能取得较好的效果, 本文列举的两个工程实例均是在这样的测区完成的;另外, 基准站更应避开高压线、微波站、变电所等。 (6) RTK测量存在明显的时间段影响, 一般上午11点前、及下午3点之后测得的数据精度较好, 在上述工程实例观测时, 笔者曾尝试在中午12点进行观测, 但很难达到解算状态, 即使得到了坐标成果, 其可靠性往往也较低;建议不要在中午12点至14点间进行RTK测量。
5 结语
利用RTK技术进行城市控制测量操作灵活、简单, 同时减少了大量的观测数据后处理工作, 大大提高了工作效率, 彻底改变了城市控制测量的作业模式;但在实际工作中应充分认识这一技术的特点及其与传统测量模式的区别, 设法提高测量成果的可靠性。
摘要：本文以RTK技术在控制测量中的应用为研究对象, 结合两个控制测量工程案例, 详细分析了RTK控制测量的步骤, 流程和方法, 在此基础上, 笔者结合研究体会给出了7条建议, 全文是笔者长期研究基础上的理论总结, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：实时动态技术,城市控制测量,GPS,工程案例
参考文献
[1]城市测量规范CJJ8～99.中国建筑工业出版社.
器官移动的实时电磁跟踪技术 篇8
器官移动是在正常过程中发生的, 如普遍会有的消化、呼吸和咳嗽;这些活动高度可变且不可预知。跟踪运动的器官, 例如前列腺, 在放疗中非常重要, 只有这样才能确保射线射向目标区, 而不伤及周围的健康组织。通常, 医生采用的办法是增大计划靶区 (PTV) 边缘来确保治疗区在射线路径上, 这实际上是把肿瘤区周围的健康组织也暴露在射线下。这就产生了一种需求:要有一个可靠的器官移动跟踪技术, 以帮助把射线精确地指向靶区, 并因此可缩小PTV的边界, 从而不伤及正常组织。
美国华盛顿州西雅图市的Caplyso Medical公司正在向放疗专家提供一个完全新的器官移动跟踪技术, 该技术被称为“用于身体的定位系统” (GPS for the Body) 。该技术的核心是一个有专利权的定位用电磁应答器, 该定位器在进行放疗前通过手术植入前列腺。就位以后, 定位应答器与卡利普索系统 (Calypso System) 间通过发射安全的射频波实现沟通。卡利普索系统是一个根据GPS定位原理衍生而来的系统, 它可使医生实时地跟踪前列腺的位置和移动情况, 医生可根据运动数据精确而又小心地避开周围健康组织向所需区域提供射线。
这一技术的优点在于它使医生实现了对前列腺的连续实时监测, 在器官移动时实现了目标导向。精确的定位带来快速的病人设置, 这是今日唯一的非电离化的跟踪技术。虽然磁共振成像引导技术即将到来, 但Calypso公司的技术在市场上还是有竞争力的, 它价格低, 也容易使用。Calypso公司的技术也向医生呈现了一个独特的精确地执行低分割辐射技术的机会, 如立体定位放疗[SBRT], 它显著地减少了疗程数量, 最终是便利了病人。
Calypso公司的跟踪系统经美国FDA批准现使用于前列腺放疗, 但该技术也可应用于全身。在《泌尿学杂志》2010年5月号上刊出的题为《边界缩小影响的评估》的临床研究中可以看到, 有关该技术的临床证据越来越多。研究指出, 在调强放疗中, 用于前列腺肿瘤跟踪的Calypso系统允许医生使用较高的放射剂量和较小的计划靶区 (PTV) 边界, 同时减少了与治疗相关的副作用, 如皮肤刺激、呼吸浅短、咳嗽、疲劳和食管炎。
减少副作用的主要好处是治疗副作用的成本的大幅下降。Calypso公司的电磁实时跟踪技术不只给病人带来好处, 也给整个医疗系统带来好处, 它增加了治疗的顺从性, 还允许整个放射剂量增强从而增强了治疗的效力。
基于SPB的实时备份技术 篇9
1 SPB协议概述
SPB支持数据中心虚拟化后的大规模二层网络，其借鉴三层协议IS-IS (Intermediate System-toIntermediate System，中间系统到中间系统)的思想，将其引入二层网络，将二层的简单、灵活与三层的稳定、高性能和可扩展性相结合。从而建立一个大型而扁平的无阻塞二层网络[5]。
SPB协议涉及控制和数据两个工作平面。数据平面基于控制平面正常运行情况下才能进行。SPB的数据平面就是对用户网络的数据信息在SPB骨干网络中进行转发，使其到达目的用户网络中。该工作就是将接收到的用户数据报文进行SPB协议封装[6,7]。
而对于SPB的控制平面就是生成用户数据转发的路径，从而指导SPB的数据平面工作。而本文的NSR技术是将SPB协议的静态配置数据和动态路由链路信息实时备份至分布式设备中的备板，从而提高SPB协议运行的容错性[8]。
2 方法概述
NSR(Not-Stop Routing)技术，是一种分布式设备在主控板发生意外时，依旧能进行不间断数据转发的技术。该技术核心利用实时备份思想，将主控板的控制数据实时备份至备用主控板上，使主、备两块板的数据始终保持一致。而当主控板发生故障，促使备用主控板升级为主控板期间进入NSR数据平滑阶段，将实时备份的数据恢复，使得数据转发不中断[9,10]。实时备份流程如图2所示。
2.1 备份数据封装
由图2可以看到，支持NSR特性的应用进程使能该特性后，若需要备份的数据在运行过程中发生变化，如添加、删除、更新等，NSR就需要将该数据进行一定的格式封装，这样让备用主控板接收到数据消息后，能更好地进行数据解析，并正确的按类型进行备份。
备份数据根据TLV格式进行封装。TLV(TypeLength-Value),T代表数据类型，占1 Byte;Length代表封装数据信息的长度，也占1 Byte;Value就是代表封装数据信息。主控板将备份数据进行TLV格式封装以后，将其发送给备用主控板，备用主控板接收到消息后，进行TLV解析，当读取Length字节时，根据该字节的长度信息，读取Length长度的Value信息，并将该信息按照Type类型备份至备进程相应位置。在SPB的应用中，可以将SPB的控制数据分为以下几种类型:
(1) BK＿DATA＿SPB＿CFG:SPB视图下的配置数据。
(2) BK＿DATA＿SPB＿RUN:SPB的动态数据。
(3) BK＿DATA＿SPB＿MSTP:SPB配合协议MSTP的域数据。
(4) BK＿DATA＿LSP＿RUN:SPB的链路信息。
(5) BK＿DATA＿ADJ＿RUN:SPB的邻居状态信息。
根据以上类型，进行SPB控制数据TLV封装。并将封装数据通过备份缓存发送至备用主控板上的备用SPB应用进程中进行数据实备。使用TLV封装格式，避免了预先分配数据字段长度，当实际需封装的数据信息量少而引起的带宽浪费，提高了板间通信的灵活性。
2.2 板间通信
板间通信是成功进行实时备份的重要机制，它是主控板与备用主控板之间通信的桥梁，没有该机制，NSR技术将无法实现。采用HA(High Available，高可靠性)机制，该机制是Linux Latch系列中的高可靠性解决方案，当主控板发生故障时，触发HA进行故障检测，通知备用主控板进行升级操作，从而进行主备倒换。根据这一原理，进行NSR实时备份时，先将备份数据存储在缓存中，并主动触发HA机制，使HA读取缓存中的数据，然后发送给备用主控板，完成板间通信。而由于HA是一个独立的系统进程，主控板将数据的实时备份委托给HA进程，使SPB实时备份过程在后台操作，这样SPB进程得到空闲，继续处理SPB的控制业务。从而提高了业务处理的吞吐量。
3 NSR数据平滑
当主控板发生故障意外时，需进行主备倒换，备用主控板的应用进程需要进入NSR，进行数据平滑恢复，使得备用主控板升级成为主控板后，无缝接替原先主控板进行业控制务处理工作。
当HA检测到主控板故障后，选取一块备用主控板为新主控板。此时，原主控板进行降级操作，清除所有应用进程中的控制数据，降为备用主控板，等待新主控板的实时备份数据。而新主控板进行升级操作，数据平滑，将业务进程调用至运行态，从而升级成为主控板，继续处理控制平面的业务。而在升级过程中，新主进程需进入NSR数据平滑阶段，按照备份数据信息主次顺序进行阶段性恢复，直到所有备份信息完全恢复，达到平稳状态。根据实际业务应用进行NSR阶段划分。本文根据SPB的应用实例，将NSR数据平滑阶段分为7个阶段:
(1) NSR初始阶段。唤醒备用进程，即唤醒备SPB，使其进入运行状态。恢复SPB视图下的配置数据信息和动态数据，然后恢复SPB邻居接口及其相关配置数据，同时恢复邻居状态信息，从而恢复SPB邻居信息。根据恢复出的信息生成本端链路信息，并挂载在链路信息变化链表下。
(2) NSR数据平滑阶段。分析备份数据中的链路信息，根据备份中链路信息的增删改标记，将其做出对应增删改操作，使其恢复至最终链路信息。
(3) NSR系统平稳阶段。根据(1)中的变化链表下的链路信息与(2)中平滑的备份链路信息，重新组装成包括本地链路信息和非本地链路信息的整网链路信息。
(4) NSR链路报文生成与清理阶段。将(3)中重新组装的链路信息，生成报文，并删除备份连表信息和变化链表信息。生成的报文将在NSR平滑结束后发送至周围邻居设备。
(5) NSR第一次路由计算阶段。根据(3)中的恢复的链路信息，重新进行路由计算，得到最新的转发路径。
(6) NSR表项同步阶段。与周边设备进行表项同步，然后进行表项下发。
(7) NSR平滑结束。平滑结束，SPB继续工作，发送链路报文，同时将重新恢复的数据实时备份至新备用主控板上。
根据以上7个平滑阶段，NSR数据恢复不需要周围设备的协助，就能较好地将SPB控制信息进行恢复。NSR平滑数据，保证了网络设备在发生故障重启时能进行不间断的数据转发。而其数据平滑阶段可以根据实际应用进行划分，结合SPB协议功能数据，将其划分为7个等级。
4 NSR在SPB应用的实验结果
NSR技术主要结合了SPB协议进行阐述，并在s12510X设备上，结合TestCenter测试仪进行模拟打流，验证了NSR在发生故障情况下的不间断转发功能。模拟实验结果对比显示:不使能NSR特性的SPB进行主备倒换，TestCenter测试仪显示流量发生中断，如图3和图4所示;而使能NSR的SPB在进行主备倒换时，流量转发不发生中断，如图5和图6所示。
5 结束语
本文提出了一种新的流量转发不间断技术，即NSR技术，并在SPB协议中进行了模拟验证。NSR技术将分布式设备中主控板上的SPB控制数据进行TLV格式封装，并利用HA机制实时备份至备用主控板上。当主控板发生故障时，备用主控板升级进入NSR数据平滑阶段，用7个平滑阶段将SPB数据进行平滑恢复，实现不间断转发功能。NSR技术不仅可以在SPB中得到应用，而且还可以结合具体协议应用于其他协议中。
参考文献
[1]叶青.基于OSPF的不间断转发语节能技术的研究与实现[D].北京:北京交通大学,2011.
[2]Leelanivas M,Rekhter Y,Aggarwal R.Graceful restart mechanism for label distribution protocol[R].New York:IEFT RFC3478,2003.
[3]Fedyk D,Alcatel-Lucent P.Ashwood-smith IS-IS extensions supporting IEEE 802.1aq shortest path bridging[R].New York:IEFT RFC 6329,2012.
[4]Pollack M G,Fair R B,Shenderov A D.Electrowettingbased actuation of liquid droplets for microfluidic applications[J].Applied Physics Letters,2000(11):1725-1726.
[5]王建刚,顾国昌,芦东昕.高可靠性通信设备主备倒换软件的设计[J].电信科学,2003(11):19-22.
[6]华三通信技术有限公司.IP领航[M].杭州:华三通信技术有限公司,2012.
[7]葛文龙.基于STP的网络环路解决方法研究[J].计算机光盘软件与应用,2013(20):103-104.
[8]章朵朵,许雄飞.热备份路由协议技术[J].江苏通信技术,2002(4):33-37.
[9]Chang Yoonsoon,Samuel A Ajila.Design and implementation of experimental SPB network simulator on NS-3[C].Canadian:26thIEEE Canadian Conference of Electrical And Computer Engineering(CCECE),2013.
红外相机数据高速实时存储技术 篇10
在航天航空技术领域,经常需要采集大容量高精度的红外图像信息,对于有些信息专业人员无法现场进行数据处理,只能先存储备份,然后读取分析采集到的图像数据并还原显示在计算机上。由于图像传输速度快、容量大,而Flash的存储速度一般不超过40 Mbyte/s,本文充分利用乒乓缓存的思想对高速数据流进行实时无缝缓存,避免了图像快速传输过程中的丢数现象,利用流水线技术写Flash,解决了Flash写入速度的限制。与传统的存储系统相比,该系统具有存储速度快、可靠性强、稳定性高、适用范围广等优点。
1 系统组成及设计框架
系统采用Altera公司Cyclone II系列EP2C35F484C6芯片作为主要控制核心[1],红外相机捕捉到的视频图像信号通过LVDS接口电路进入解码模块,经FPGA处理过的图像数据通过乒乓结构实时无缝缓存,最后用流水线写Flash技术将图像数据存储在NAND Flash闪存阵列。存储的图像数据在需要时可用分析软件通过FT245控制的USB 2.0接口读出并将图像显示在计算机上,系统组成框图如图1所示。
1.1 图像解码模块
本系统采用National公司差分接收芯片DS90CR216作为视频解码芯片,经LVDS接口电路解码后的信号主要有帧同步信号(vsync)、行同步信号(hsync)、像素时钟(mclk)以及8位数据,其中,像素时钟为29.5 MHz,行同步周期为64μs,高电平有效,每行有384个有效像素,帧同步周期为20 ms,高电平有效,每帧有289行有效数据,图像数据在时钟上升沿变化,因此选择2片128 kbyte的SRAM即可满足要求。解码后图像信号时序如图2所示。
1.2 数据无缝缓存设计流程
乒乓缓冲技术是FPGA设计中最常用的一种数据缓冲方法,其最大的特点是能实现实时无缝缓冲与节约缓冲区空间[2]。
本系统每秒传输50帧图像,每帧期间帧同步高电平时间约为18.5 ms,低电平时间约为1.5 ms,如果在帧同步低电平1.5 ms的时间内从SRAM中将数据转存至Flash,会产生丢数。因此,为了给数据处理单元赢得更多的处理时间[3],采用的乒乓缓冲模块工作流程为:当帧同步信号为高电平时,将经过FPGA处理过的图像数据写入SRAM1,同时地址计数器1开始递加计数,此时地址计数器的值一方面为FPGA数据处理模块提供触发参考,另一方面也为缓存空间提供了参考。当帧同步为低电平时,FPGA控制乒乓缓存逻辑切换总线开关,开始选择SRAM2为写空间,将SRAM1切换为读空间以读取缓存在SRAM1中的图像数据,此时地址计数器1开始递减计数,当SRAM1中的数据全部读出后,地址计数器1计数到0。当帧同步信号再次变高后,将图像数据写入SRAM2,地址计数器2递加计数,等待帧同步为低电平时,切换读写信号,选择SRAM2为读空间,SRAM1为写空间,开始读取SRAM2中的数据同时地址计数器2的值开始递减计数,同样当SRAM2中的数据全部读出后,地址计数器2计数到0。待帧同步又一次为高电平时,将图像数据写入SRAM1中,地址计数器1开始递加计数。如此循环切换读写空间,将缓存在2片SRAM中的数据读出并存入Flash中。乒乓操作读写时序如图3所示。
2 Flash阵列流水线存储流程
2.1 芯片简介
选用三星公司容量为1 Gbyte的闪存K9K8G08U0A,它由8 192个存储块组成,每个存储块分为64页,每页容量为2 kbyte,其外部有8个I/O引脚和6个信号管脚,而这8个I/O脚既是命令和地址的输入引脚,也是数据的输入输出端口。该闪存是一种高密度非易失性的存储器,主要特点为:1)读、写(编程)操作均以页为单位,擦除以块为单位。2)读取每页时间为20μs,页编程的典型时间是200μs,块擦除的典型时间是1.5 ms。3)页寄存器写入最低时间是50μs,页编程的最大时间是700μs,块擦除的最大时间是2 ms。由于每次进行页编程之前都需要写页地址,不难计算出写一页所需时间为250~750μs,写入的速度约2.600 0~7.812 5 Mbyte/s。实验证明,页编程的时间正是限制Flash存储速度的关键因素,因此在对其进行页编程操作时采用流水线技术来实现高速大容量Flash的存储[4]。
2.2 Flash存储设计流程
本系统所采用的流水线技术主要分为3个步骤实现:1)向Flash加载编程指令、地址以及数据;2)待加载完成之后,Flash芯片会自动执行将载入到页数据寄存器的数据写到内部存储单元的编程操作[5];3)当自动编程结束后,由FPGA下发“70h”读状态指令以检测Flash的I/O口最低位是否为“0”,如果是,表示编程成功,页计数器递加并继续对下一页编程,当页计数器从0加到63后,页计数器清0,块计数器加1,继续进行页编程操作,当块计数器递加至8 192块时,停止对Flash的页编程操作,等待上位机的读Flash指令。流水线存储的示意图如图4所示。
由于每次对Flash加载数据和地址后总是有大概200μs以上的时间花费在芯片编程上,所以可用多片1 Gbyte的Flash组成流水线工作模式:在第1片加载完成执行编程时可以加载第2片Flash,待第2片Flash编程时又加载第3片Flash,依此操作执行,实现时间的复用,缩短了Flash阵列的有效页编程时间,从而提高了写Flash的整体速度。如果工程项目要求写Flash的速度应为60 Mbyte/s,用5片Flash组成流水线操作模式,那么每片的速度应为12 Mbyte/s,经计算加载一页数据到Flash寄存器的时间大概为162.76μs,而700μs÷162.76μs≈4.3,所以采用5级本系统的流水线技术是可以满足设计要求的。
3 实验结果
本系统经多次实际存储红外相机捕捉视频图像的实验,用读数软件从Flash中将数据读取出来后再经过Matlab处理还原,验证了系统的可行性和可靠性。图5为捕捉到的一张男士挥手的红外图。
4 小结
实验结果表明,本系统具有以下优点:1)以FPGA为逻辑控制核心,采用乒乓缓存模块将红外相机下发的高速大容量数据进行缓存能避免因传输速度太快而出现数据丢帧的现象。采用流水线阵列存储,打破了传统存储方式下Flash存储速度不能超过40 Mbyte/s的束缚,实现了高速大容量存储技术的突破。2)系统占用体积小,成本低,硬件电路简单,调试方便,能完成大量视频数据的无缝缓存和实时存储。3)为高速大容量数据可靠记录、高速实时准确存储提供了有效的技术方案,并在多次实际应用中以其稳定、可靠的性能得到广泛的应用。
摘要：介绍了一种高速大容量固态存储器的组成机制和存储技术,以FPGA为逻辑控制单元,通过LVDS接口电路将红外相机采集到的图像数据经过乒乓结构实时无缝缓存,利用流水线写Flash技术提高了Flash写入的速度,可通过扩展Flash阵列来满足速度更高容量更大的存储要求。可用FT245控制的USB2.0接口读取Flash中的数据并上传至计算机,最后用分析软件可以清晰看到拍摄结果。结果表明,该系统稳定可靠地存储了高速传输的图像数据,具有较强的可行性和实用性。
关键词：现场可编程门阵列,乒乓结构,流水线,USB2.0
参考文献
[1]宋海吒,唐立军,谢新辉.基于FPGA和OV7620的图像采集及VGA显示[J].电视技术,2011,35(5):45-47.
[2]姚远,李辰.FPGA应用开发入门与典型实例:修正版[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[3]谭树人,张茂军,徐伟.多传感器同步图像采集系统的设计[J].电视技术,2006,30(9):84-87.
[4]杨海涛,苏涛.基于FPGA的高速大容量固态存储设备设计[J].国外电子元器件,2007(5):68-72.
实时虚拟技术 篇11
【摘要】对于慢性疾病患者、老年人以及一些特殊群体来说，对能够实现24h全天检测生理数据、及时反馈身体状态，并对人体生理参数信息进行医学判定、在危险情况下及时报警等功能的远程医疗监护设备的需求越来越高。然而，目前为止，远程医疗监护技术q-ql，化进程仍然发展缓慢、无法形成统一标准、普及困难。本文从专利文献的角度对远程医疗的便携式实时监护设备的技术发展进行了数据统计及分析，总结了远程医疗的便携式实时监护技术在国内专利中的申请趋势、本领域的主要申请人分布，并对重要分支做了进一步分析，以获得重要技术的演进过程，未来发展方向。
【关键词】物联网 ZigBee RFID 传感器 体域网 远程 监护 无线通信
一、引言
基于远程医疗的实时监护设备的研究已趋近成熟，其组成结构已基本定型，其主要由三个部分组成：（1）实时生理参数采集器；（2）由无线监护终端监控数据存储、显示和用户管理的远程医疗监护中心；（3）无线传输网络。为了突破远程医疗的实时监护设备研究的技术瓶颈，我们对上述三个部分的重要技术发展状况做进一步分析，以获得重要技术的演进过程，进而获得远程医疗的实时监护设备的未来发展方向。
二、国内专利申请状况及授权分析从图1中可以看出，远程医疗便携式实时监护系统的中国专利申请，相关专利申请人主要集中在大学以及公司和个人，其中公司主要是国内小公司，但从专利申请量分析，目前还没有一家专门研究该领域的小公司，国内大公司在该领域申请比较少，其中包括2件中兴，2件移动，1件联想。
其中小型企业技术力量薄弱、生产条件落后，投资资金不足，由于小型企业热衷于投资小、见效快、保证丰厚利润的技术，而对于市场前景不明朗，又要在前期投资大量资金做研发的项目，它们不愿承担风险，因此，它们仍然会用面临淘汰的技术去开发低端的远程监护系统，而不会研究新型技术以更加方便、更加准确、更加美观的产品去迎合大众的需求。
在该领域大学申请仅次于公司申请，原因在于该领域的很多新型技术正处于热门研究阶段如物联网、传感网、智能终端等，但高校的研究仅仅局限于试验阶段并且与产业化脱节。该领域个人申请也比较多，原因在于该领域门槛低，涉及的每一个技术领域都可以用最基本的实现方式代替，但实现的产品效果差，价格昂贵，也无法完成24h的全天自动监护。
由此可见，在远程医疗便携式实时监护系统领域申请人比较分散，由于没有大公司的引领，在该领域无法形成统一的标准，各领域申请人研究开发的系统不能够相互兼容，智能的数据采集终端价格昂贵，无法赢得消费者的认可，因而无法进行普及。
三、远程医疗实时监护系统中实时生理参数采集技术分析
实时生理参数采集设备按照不同应用可分为：血压计、血糖仪、心电仪等，按照不同形式可分为：穿戴设备与非穿戴设备，穿戴设备包括腕式、衣服、项链、腰带等形式。非穿戴设备主要有轮椅、拐杖、手机或其他可随身携带的检测仪器。
早期由于信息采集技术发展的局限，生理参数采集设备体积大、信息采集速度慢，并且需要开发对应各自应用的采集设备，信息采集没有一定的标准，因而，采集设备携带不方便，成本高，不兼容。在早期申请中，远程医疗实时监护设备还仅仅是各部分的组合而不是集成，数据采集设备是一个基于计算机、GSM移动终端和生理参数采集设备相结合的病人终端的移动子系统。这种子系统包括病人的小型电脑、病人的移动数字蜂窝式电话终端，带有各种程序和实时软件，以及生理参数采集设备，实现对病人终端进行控制的功能的控制器，其功能包括向其他单元进行电话拨号及从生理参数采集设备中获取数据并贮存在个人计算机里，然后把它们都传送到其他单元（包括中央单元、实验室终端或医疗终端）。该系统缺点主要在于以下几点：1）数据采集终端在采集不同生理数据时需要接人不同的数据采集器，数据采集器可以根据不同功能采集不同的生理数据；2）由于病情分析需多种生理体征，仅仅通过一种数据采集器采集一种生理参数在判断病情时会产生局限性；3）检测生理参数的过程都是在病人自主操作的情况下进行的检测，病人如果忘记检测就可能发生危险；4）数据采集设备不够美观，也不便携带，并进行24h随时监护报警。
为了解决随身携带并且在不需要病人参与的情况下随时监护的问题，数据采集设备的形式与结构开始被人们考虑，随后数据采集设备出现了佩戴，穿戴等方式，如外套、衬衫、内衣、帽子等，将生理参数传感器布置在其内部，选择合适的传感器并在需要检测的对象处布置，传感器之间进行连接，这样穿戴的衣服或帽子与普通衣物无异，甚至更加舒适，但这种方式由于内置传感器等线路，从而存在不安全、不便清洗、不易修复的缺点，并且该种形式成本高。
随着智能手表的发展，通过智能手表采集人体生理参数，并通过智能手表的通信功能，将数据上传至监护中心的方式成为近几年的主要形式，其他类似方式还有智能手环，其为实时生理参数采集过程提供了实时采集、快捷上传的功能，此外，还自带通信，上网，视频聊天等通信及娱乐功能。其外观时尚、穿戴简便、携带方便，不仅受到患者的喜爱，也很受普通人群欢迎，克服了以往实时监护在生理参数采集及上传的环节中因高成本、不够美观而无法普及的问题。虽然智能手表、手环等方式具有上述多种优点，但由于手表、手环等类似方式与人体接触面小，能够测量的生理参数少，准确率低，一些在医学上作为重要判断依据的数据如心电等不能仅通过手腕部位进行检测，因此，该种形式主要偏向于保健、娱乐功能。为了克服衣服、帽子等穿戴方式与智能手表方式的缺陷，人们开始考虑将智血压等由智能手表采集后上传，而对于复杂的生理参数，如心电图，肌电图，心率变异率等，可以采用单独对应于人体各位置的标签进行数据采集，该标签可以贴在衣服上，也可以随时取下，智能手表作为通信终端将采集的数据进行上传。
另外，在数据采集器的整个发展过程中，植入人体的数据采集方式贯穿在整个研究过程中，随着数据采集技术的发展近几年出现了一种新的网络，即体域网。体域网的组建是由分布在人体表面或者内部的传感器，通过一定的连接方式进行通信，通常称其为穿戴式医疗看护系统，是一种新型的、可移动、实时监测的病理看护系统。其中每一个传感器即可佩戴在身上，也可以植入体内，按照发送信号装置与接收信号装置所植入人体组织的相对深度，人体通信分为“表面-表面”、“表面-植入”、“植入-表面”以及“植入-植入”通信，该技术所面临的挑战主要包括传感器的供能、设备植入、通信安全等。
四、远程医疗监护系统发展趋势分析及总结
下面是近年来以及未来一段时间内健康监测系统发展的趋势及总结：
1）穿戴式、植入式远程健康监护系统：近年来，随着医疗仪器越来越微型化、智能化、网络化和个性化，基于可穿戴、植入技术的健康监护设备呼之欲出，已成为目前各国健康监测研究的重点，在未来的发展中，基于穿戴式、植入式技术和远程医疗的健康监测系统将在不影响患者的正常生活、工作下，无论任何时间和地点，都可实现对患者生理参数的实时监测，达到及早发现、诊断和治疗的目的。
2）基于IPV6和4G的健康监测系统：随着人们对健康监测设备需求的增加以及对传输信息的质量和速度的要求越来越高，基于IPV4和3G的健康监护系统将不能满足人们日趋增长的需求，具有更广地址范围的IPV6以及具有更快的通信速度、更宽的网络频谱、更好的通信质量的4G的出现，使得基于IPV6和4G的健康监测系统可能成为未来发展的主流。
实时虚拟技术 篇12
随着科学技术的日新月异, 传统的仪器已经不适应复杂的、快速、多参数的测试与测量, 迫切要求测试、测量技术的改进与完善[1]。虚拟仪器技术 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, 简称Lab VIEW) 在这种背景下应用而生。Lab VIEW是美国国家仪器有限公司最核心的软件产品, 最大的特点在于它是一种图形化编程语言[2]。
温度是自然界最基本的物理量之一。对自然环境、工业现场、设备等温度的准确测量直接关系到生命财产安全、产品的质量与效益、设备工作的安全性和可靠性。如对不同仓型的粮堆温度的实时准确测量可有效防止火灾的发生[3];温度信号的有效测量对航空发动机的控制、状态监控、安全性、可靠性和可维护性具有重要意义[4]。
本文基于虚拟仪器技术搭建了温度测试系统, 对环境温度可进行实时监测, 通过对大量实验结果的分析以及与商用温度计测量结果的对比, 对温度测量系统进行改进, 测温范围可达0~500℃, 测温精度可达±2%。
2 系统硬件构建
基于虚拟仪器技术的温度测控系统结构框图如图1所示, 该系统主要由8部分组成, 分别是热风枪、待测铝板、K型热电偶温度传感器、智能温度变送器、数据采集卡、光报警系统、散热系统和计算机。
数据采集卡是该温度测控系统的核心部件, 用来采集电压, 将模拟电压信号转变为数字信号。数据采集卡选用NI-USB6008, 该数据采集卡含有8个AI (模拟输入) 端口, 2个AO (模拟输出) 端口, AD/DA的转换精度均为12位。在温度测控系统中主要用到模拟输入端口, 对电压信号进行采集。由于差分接线方式可以抑制传输线上噪声, 又可以抑制接地回路上感应误差, 故信号采集时采用差分接线方式。
计算机作为上位机, 主要功能是进行软件系统开发、数据显示与人机交互, 计算机通过USB下载线与数据采集卡进行通信, 进行在线调试。
当温度超过预设值时, 光报警系统的指示灯闪烁进行提示, 并启动散热系统对被测物进行散热。
3 基于虚拟仪器技术的温度测控系统软件设计
本温度测控系统的软件基于Lab VIEW语言进行开发, 软件系统的人机交互界面、程序框图分别如图2 (a) (b) 所示。
程序运行后, 系统可实时采集温度数据。由图2 (a) 可知, 该系统含有两个温度计, 当被测物温度较低时, 观察量程为0℃~50℃的温度计;当温度超过50℃时, 可观察量程为0℃~500℃的温度计。报警温限可设定, 当温度超过设定值时, 光报警模块的指示灯进行闪烁, 以示报警, 同时启动散热系统进行散热, 停止测量时点击停止按钮。
由图2 (b) 可知, 首先对软件进行端口设置, 再开始采集数据, 然后对采集的数据进行均值滤波, 以便消除某些偶然因素引起的电压波动, 影响测量精度。最后对均值滤波后的数据进行电压-温度换算, 得到温度数据, 显示在人机交互界面上。在温度测试的过程中, 点击停止按钮, 可立刻停止测试, 否则将进行连续测试。
4 温度测试系统实验
温度测试实验数据如表1所示:
数据表明, 一共进行了5组实验, 每组测试5次。实际温度用商用温度计进行测量标定, 通过调节热风枪的加热温度、热风枪加热口与铝板的间距及加热时间等可以使实验点的温度控制在20℃~150℃之间。选取20℃、50℃、80℃、120℃、150℃5个典型的温度点进行测试。图3 (a) 所示为每组温度测量的均值与商用温度计测得值的差值, 图3 (b) 所示为每组所测温度值的标准差。
由图3 (a) 可知, 测量均值与实际温度的差值随着温度的升高逐渐增大, 但保持在±2%内, 测量精度良好。由图3 (b) 可知, 每组测量的标准差均小于1℃, 表明测试系统的重复性较好。
5 结论
基于虚拟仪器技术的温度测控系统, 以NI-USB6008数据采集卡为核心进行构建, 软件系统采用Lab VIEW进行开发。使用热风枪对铝板加热, 通过调节热风枪的加热温度、热风枪加热口与铝板的间距及加热时间等可以使实验点加热温度控制在20℃~150℃。使用该温度测量系统和商用温度计分别对设定的温度进行测量, 将实验结果进行对比, 可得在20℃~150℃温度范围内, 测试精度在±2%内, 标准差在1℃以内。
摘要：基于虚拟仪器技术构建温度测控系统, 软件采用Lab VIEW进行开发。使用热风枪对铝板加热, 通过调节热风枪的加热温度、热风枪加热口与铝板的间距及加热时间等可以使铝板上实验点的加热温度控制在20℃150℃。采用均值滤波对采集的数据进行处理。实验表明:该温度测控系统可进行实时测量, 在20℃150℃范围内测试精度小于±2%, 数据标准差在1℃以内, 理论上的测量范围为0℃500℃。
关键词：虚拟仪器,温度,精度
参考文献
[1]张毅刚.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术, 2006.
[2]阮奇桢.我和Lab VIEW[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009.
[3]尹君, 吴子丹, 张忠杰等.不同仓型的粮堆温度场重现及对比分析[J].农业工程学报, 2015.
[4]许元, 李华聪.航空发动机温度测量电路设计[J].测控技术, 2012.