虚拟检测系统（精选12篇）
虚拟检测系统 篇1
自从2010-2011跨年晚会, 湖南卫视首次使用了虚实结合技术, 传统的虚拟演播室系统 (The Virtual Studio System) 已经突破了室内蓝 (绿) 箱的约束, 越来越多地应用到了实景演播厅, 在各大小晚会直播节目中, 为观众创造出亦真亦幻, 绚丽夺目的效果。
一需要解决的问题
随着使用的频繁, 对系统的要求越来越高, 稳定、安全、灵活成为长远发展的关键。不同于演播室的固定使用条件, 虚拟演播室系统的虚实结合应用, 需要在各类大型活动中交替使用, 与不同的转播系统对接, 根据节目需求不同, 随时更改功能分配。经过几场晚会, 主要问题显现出来。
1. 设备相对零散
每一个机位对应就有一台工作站, 通常3机位情况下, 就有3台工作站+2台控制机 (一主一备) , 以及对应显示器、监视器、分割器、网络交换机、工具耗材等等, 这些设备都需要一一搬放、编号, 此外还有云台脚架、摇臂、跟踪组件……尽管我们已经将摇臂、云台脚架等大件设备定做了专门的航空箱以方便运输, 但是每次在场馆内搭建系统, 都像摆“地摊子”似的, 首先需要节目组提供足够多的桌子椅子, 一排散开, 将各个工作站分别连接, 一方面耽误时间, 需要较多的前期准备条件;另一方面, 接线的凌乱和繁琐相当不专业。
2. 信号的对接冗余
目前我们使用的是Vizrt虚拟系统, 每个工作站根据使用情况, 最少需要1路输入+1路输出+1路同步信号, 最多2路输入+2路输出+1路同步, 外加2路音频信号, 并且工作站板卡不具备信号环通功能。根据我们系统本身的条件和系统连接需求, 每次要从转播车对接十多根视频信号线, 其中同步信号根据虚拟机位数量, 需要逐个单独放置, 工作站输出返监看又额外需要4路信号, PGM监看需要1路, 如果有视频插入的场景设计, 还需要将插入信号或者其他机位信号4路送分割器……对于机位较多的大型晚会, 在转播车承载20多个机位的情况下, 再额外提供我们3路以上相同的BB同步信号, 或者4分割信号、录放带信号等等, 无疑给转播系统也造成压力和繁琐。
3. 供电的不稳定
插线板从来都是一个接一个挂一串, 受插线板、电源线各种功率限制, 主电源经UPS提供了主机, 就不能负载备份及显示设备, 一旦场馆出现供电问题, 设备安全受挑战, 大大影响工作效率。
此外, 还有无工作站本机输出监看, 功能变动灵活性不够等问题。
二新系统设计思路
针对虚拟演播室系统虚实结合应用中的问题和需求, 参考EFP移动演播系统的做法, 在考察国内外各种移动集成箱体的产品后, 自行研究设计出The Virtual Studio System的箱载集成EFP设备——高清虚拟EFP系统。
高清虚拟EFP系统设计为配合台内所有节目类型的需求, 尤其是转播车等外出的直播系统使用, 对原有虚拟设备进行一次整合, 即“集成虚拟系统”, 以提高虚拟系统的灵活性、可操作性, 提高设备的利用率 (小型化高端制作) 。虚拟EFP系统稳定可靠, 具有较高的安全系数, 操作安全、快捷;具备完善的信号功能, 信号接口丰富、调度灵活、流程简洁。总体设计参考以下原则:
1. 运行可靠性原则
z作为异地制作平台, 系统设计及设备选型要求稳定可靠、简单安全;
z系统必须高度可靠, 对环境温/湿度、震动有较宽的适应范围;
z系统设计必须具备完善的备份方案, 应急操作安全快捷;
z整个系统的各种软硬件均应符合国际或国内的相关标准。
2. 功能实用性原则
z能够满足大型晚会, 户外直 (录) 播节目的各项功能需求;
z系统和工位设计以人为本, 充分满足人体功能学的需要, 空间和设备利用率高, 箱体设计和设备装载分布合理, 符合节目制作流程和操作习惯。
3. 技术先进性原则
z系统设计保持与国际先进设计理念同步, 采用开放性系统架构, 具备较强的扩展性, 以适应未来节目的制作和直播要求;
z系统设备采用技术先进、稳定成熟并具有实际应用成功案例的设备;
z承载箱体采用技术先进、稳定成熟和具有实际应用成功案例的防潮、防震、密封性好、强度高、轻便的材料制成。
4. 系统灵活性原则
z作为具有直播功能的虚拟制作移动式演播系统, 在满足功能的前提下, 系统应具备结构的灵活性、接入的灵活性和操作的灵活性;
z系统操作简单直观、维护管理方便;
z系统设计、工位设计、信号接口具有可扩展性, 便于今后的系统扩展和升级。
三高清虚拟EFP系统特点
针对虚拟使用中的各种需求, 设计该系统的集成特点如下:
1. 集成度较高
整个虚拟系统集中于两个箱体中, 收纳时紧凑放置设备, 收纳方式在满足小型化制作需求的同时, 尽量做到体积小、重量轻, 方便携带。箱体采用高质金属材质航空箱, 结构上具备防水、气密、防潮、防冲撞等功能。其中Rack箱的安装设备深度为650mm, 22RU尺寸高度, 19英寸标准机架宽度。翻盖带有金属锁扣, 侧面带提手和锁扣, 每台工作站的抽屉架板均带有活动插销, 既能保证运输时牢固稳定, 又能方便设备抽出来检修维护。
2. 设备配置丰富
z配备工作站HP Z800主机5台。空间占用为定制。作用:每台可独立作为工作站, 对应各个虚拟机位, 也可转变成为控制机, 进行调试操作, 或者作为数据库, 集中调用参数进行备份;
z Harris FR6822+QXFE机箱一台, 其中高清数字视分板卡DA-H6802+S (1分4) 5块, 模拟视分VDA6800+S (1分4) 4块, 四画面分割器QvM6800+T (4路HD/SD-SD/模拟输入自适应, 支持嵌入音频, DVI输出及HD-SDI, 输出分辨率1920×1080, 延时小于1帧) 2块。空间占用为2U。作用:可以解决多路信号分配和放大, 通过增加板卡, 方便功能扩充;
z四联高清小监视器。空间占用为4U。作用:实时监看工作站的渲染合成输出信号, 对比由转播车返送回分割器的监看画面, 方便掌握输出信号状态, 及时排查故障;
z千兆网络交换机1台。空间占用为1U。作用:控制机和各工作站之间连接, 统一控制调试, 设置直播操作;
z此外, 考虑到运用环境的不同, 有时需要在离箱体比较远的地方来操作主机, 还配备了USB/DVI延长器。键盘鼠标显示器可以在多达60米外的区域来操作此系统, 使操作人员更加灵活方便, 不会因为连接线过多或者不够长出现安全隐患, 系统的应用性更强。
3. 功能拆分或组合灵活多变
(1) 工作站组合
两个箱体集成5台工作站, 分配为A箱体承载2台, B箱体承载3台, 功能组合方式多种情况:
z虚拟4机位4通道, 备控工作站作为控制机, 其余4台作为渲染引擎;
z虚拟3机位3通道, A箱主控工作站做控制端, B箱备控机除了作为备控工作站外, 作为数据库终端, 所有渲染数据连接至备控机, 避免主控制端死机而导致所有渲染工作站数据丢失, 全部重启的安全问题;
z在5机位5通道满负荷情况下, 使用笔记本作为控制端, 只需一根网线与整个系统接入即可;
z虚拟演示或者系统测试情况下, 只需单独使用A箱工作, 具备1通道工作渲染设备及控制端。
考虑到散热及受热情况, 渲染工作站相对于控制机, 靠下放置。
(2) 周边设备配置
a.四画面分割
提供额外视频插入信号, 将多路合成1路, 可做动态视频开窗, 画中画等特效。
b.高清数字视分
z同时提供渲染输出合成信号的本地监看和送转播车播出信号;由于Vizrt系统的DVS卡虚拟合成信号 (Fill) 输出只有一路, 以往做法是将虚拟的合成信号直接输出给转播车, 再从转播车返回合成信号进分割器到显示器监看。如果发现返送监看的合成信号不正常, 虚拟本地输出和转播系统信号都有可能存在问题, 经常需要多次往返虚拟控制室和转播车, 查看输出信号和返送信号才能找到问题所在, 不利于快速判断问题及解决故障;通过此高清数字视分, 可以同时监看本机输出和转播车返送, 方便第一时间判断对比出现的问题, 解决起来高效精准;
z提供给每个工作站四分割信号:配合四分割板卡, 将四分割后的信号分配给每个虚拟工作站的外接视频输入2, 使每台虚拟机位均可实现多视窗输入效果。
c.模拟视分
分配多路REF同步信号, 只需转播车提供1路BB同步信号, 通过板卡视分, 提供给各个工作站, 以及虚拟机位的数据盒;由于使用的是DVS视频板卡, 无REF分配, 通常做法是:虚拟有几个机位就需要从转播车接几路同步信号;另外, 在场内的虚拟机位处, 如果数据盒所需的同步信号无法正确取用摄像机直接接出的模拟信号, 还需要从转播车额外放线, 以提供给虚拟数据盒。不但放埋视频线的繁琐工作占用大量人力、时间, 还给转播车增加额外信号负担。
(3) 供电、散热安全稳定
箱体前后贯通, 工作站平置, 前后通风散热不受影响。
箱体的电源部分, 安装总电源进入到A箱后直接分配到B箱, 使得两个箱体的电直接来自总电源, 同时均衡两箱体的功耗。
考虑到箱体的两用:机柜箱及工作台;以及设备的散热等因素, 把外置显示器用电源分配板安装在箱体顶部, 方便使用。
(4) 附带桌板, 便携精巧
两个箱体均有功能为开盖侧台办公桌, 即箱体翻盖打开, 可以支撑到箱体侧面形成两个办公桌, 可以方便进行现场制作, 同时提高空间利用率。实际使用情况如图6。
此次制作的高清虚拟EFP系统, 经历了湖南卫视“2013跨年狂欢夜”, “2013春晚小年夜”的直播, 虚拟的制作、播出运行稳定, 系统功能基本满足要求, 灵活更改的优势得到充分发挥, 临时更改两机位为三机位、备控机改做数据库、声音输出主备切换等问题, 只需接几根线的变动;在排查视频延时的问题时, 通过短线调换输入信号, 多视窗对比分析, 以往几个小时排查的故障, 现在几分钟可以解决, 并且可以很方便地反复做测试, 更加精准地找出问题, 解决问题, 大大提高了系统工作效率。
四未来改进空间
系统的完善还需要不断斟酌, 此高清虚拟EFP系统虽然完全胜任现有节目需求, 但随着设备的改进, 整个系统运行能力的提高还有可发挥空间。
1. 光纤传输
虽然高清虚拟EFP系统大大减少了信号线的对接, 但是与转播系统之间还是存在一定数量的视、音频线路, 目前还没有实现虚拟系统接入内部通话环节, 这些情况的改进, 拟通过加入光纤传输设备进行完善。光纤传输系统具有传输频带宽, 通信容量大;传输速率高, 衰减低, 串扰小, 抗干扰能力强, 信号传输质量高的优点, 同时光纤尺寸小, 重量轻, 便于传输和铺设;将虚拟系统需要对接的所有信号, 通过光端机与转播车连接, 不但最大化减少铺设线路的工作, 增加传输距离, 同时可方便增加内部通话等其他辅助功能。随着光纤传输系统的越来越小巧化, 加入到虚拟EFP系统中, 可更好地发挥集成优势。
2. Server服务器
出于对虚拟系统运行时, 所有虚拟制作场景数据库的安全考虑, 最好能实现单独一台服务器存放数据库, 而专门使用一台Z800工作站来跑数据库资源, 功能上有些“大材小用”, 同时也影响机位的扩展。在功能上满足要求, 同时空间占用最小的情况下, 拟采用1U的Server服务器作为数据库存放处理单元, 目前虚拟EFP系统中还有空间可以放置, 这样方便所有机位安全稳定地调用数据库, 将来还可扩展中央数据处理单元, 增加跟踪数据集中处理。
通过制作高清虚拟EFP系统, 其功能上的优势已在使用中得到良好发挥, 随着设备的提升和需求的增加, 在有较大制作播出工作量的情况下, 希望能构建专门针对虚拟制作方面的转播系统, 比如虚拟制作转播车, 在集成上更加扩展功能和发挥优势, 在与转播系统对接上, 更加便捷安全, 将虚拟技术放开“脚”, 奔向各个大型活动需要的地方, 不受环境、空间限制, 简化一切繁杂准备, 更专业更安全有效地实现虚拟技术, 发挥其特色优势, 为节目增光添彩。
虚拟检测系统 篇2
信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算，得到电压、电流信号并以单端方式输出至数据采集卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含一定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用LM318高速宽带运算放大器，其增益带宽为15MHz，转换速率为70V/μs。为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理的难度以及减少运算量，在LM318的电源部分加入了2个1000μF的电解电容退耦合，在其输出端加入了0.2μF的瓷片电容以滤除高频噪声。
虚拟仪器的硬件采用基于pCI总线技术的DAQ数据采集系统，选用的pCI-6071E数据采集卡可实现对32个步进电机及其驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。
2软件设计
根据模块化的编程思想，检测程序(图3)的结构自上而下分为主程序层、逻辑层、驱动层。主程序层由用户界面和测试执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通信。软件的开发平台为NI公司的LabVIEW。检测程序的主要任务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运行效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了LabVIEW所支持的多项先进编程技术，如数据流、多线程、定时循环、状态机等。
3信号处理
虚拟仪器的实质是对模拟信号进行数字化处理，具体分为在线处理和事后处理两部分。在线数据处理主要包括运算量较小的电流、电压以及脉冲的时域分析。对于系统的运转状态通过对对应信号的计数得到电机运转的步数、驱动板提供的电压周期数、脉冲控制器发出的脉冲数；对于电机的运转参数通过测量电流的频率得到电机的速度曲线，对此进行微分得到电机的加速度曲线，通过对电流进行数值积分得到电机的功率曲线。
另一方面对电流信号进行较为详细的时域分析以提供系统分析的时域特征值。使用peak Detector进行信号的波峰检测得到每个周期内最高点的数值、位置等数据，以此为基础作出电机的特征曲线。电机正常运转时特征曲线近似为一条水平直线，运转异常时则会产生平移和起伏，其均值和方差都有较为显著的变化。使用pulse parameters进行信号的参数检测，得到信号的超调量、上升时间等参数，这些参数描述了电流波形的细节信息。因此选取了电流信号的超调量和幅值之比、上升时间和频率之比以及特征曲线的均值和方差作为系统状态分析的3组时域特征值。
事后数据处理主要包括电流、电压的频域分析。对于步进电机系统的检测，一个较为重要的应用是识别出正常信号中夹带的短暂反常现象并展示其成分，为了克服傅里叶变换没有时间分辨率的缺陷，采用了对异常信号段进行短时傅里叶变换的分析方法。信号
算法实现短时傅里叶分析得到信号的幅值谱，表明了在短时间段上绕组电流、驱动电压的能量分布。电机系统发生异常时的电流、电压信号除正常的基频及倍频成分外，出现了额外的低频成分或直流分量，其倍频和基频的幅值之比也有明显的变化，因此选取了信号的3倍频和基频的幅值比作为系统状态分析的频域特征值。
对于在线检测及故障诊断系统来说，除了选取适当的信号处理算法提取有效的特征值之外，更为重要的一点是对被测系统的历史数据的归纳和分类，给出各特征值的典型值作为系统状态的判别条件。以下是在瑞士ARSApE公司的微型两相永磁式步进电机1020上测得的典型值，其驱动方式为采用A3966SLB驱动模块的两相单四拍驱动。
基于虚拟仪器技术开发的步进电机检测系统，在发生故障时针对故障单元进行的诊断提高了系统的维护效率，大大缩短了故障恢复时间。
参考文献
如何正确设置系统虚拟内存？ 篇3
我的电脑安装的是WinXP系统，我在运行一些游戏软件时，系统经常会出现虚拟内存不足的提示，有什么方法可以解决呢？是否需要添置物理内存呢？
Windows系统在运行时会对内存进行动态管理。当物理内存不足时，为了提供更多的内存容量，系统会将硬盘上的一部分空间作为虚拟内存来使用。当CPU有需求时，首先会读取内存中的资料，当所运行的程序大小超过内存容量时，Windows操作系统会将需要暂时储存的数据写入硬盘。所以，计算机的内存大小等于实际物理内存容量加上“分页文件”（就是交换文件）的大小。如果系统的虚拟内存设置得太低，就会出现虚拟内存不足的提示。用鼠标右击“我的电脑”选择“属性→高级→性能设置→高级→打开虚拟内存设置”，在这里可以重新设置虚拟内存的最大值和最小值，你可以将虚拟内存设置到磁盘剩余较大的硬盘分区。虽然虚拟内存的速度较慢，但通过正确设置你可以不添置物理内存。
双核电脑是否需要“双核电源”
前几天我帮朋友配置了一台双核电脑，商家向我推荐购买一款“双核电源”，据称是专门为双核处理器设计的，我想问一下这种双核电源和普通电源有什么区别，配双核处理器一定要选择双核电源吗？
应该说“双核电源”仅仅只是一种宣传上的名称，Intel和AMD的双核处理器都没有对电源产品提出供电结构上的改进要求。所谓双核电源实际上就是在处理器的供电部分进行加强，由于双核处理器的功率都很高，Intel 双核心处理器的最大功率为130W(Pentium D)，AMD双核心处理器的最大功率也达到110W(Athlon64 X2)，所以最好配置一款质量稳定的大功率电源，没有必要刻意追求“双核电源”。
在老主板上使用大容量硬盘
最近经不起价格诱惑我买了块160GB的大硬盘，但是买回来才发现，在我的老机器上无法使用，请问有什么办法可以解决吗？
一般新版本的主板BIOS程序都能对大容量硬盘提供良好的支持。找到主板厂商的网址，下载并更新主板的BIOS文件。如果已经无法找到主板的新版BIOS文件，还可以使用硬盘厂商推出的硬盘工具来解决问题。如迈括硬盘就可以使用“MaxBlast”这款硬盘工具，使用起来非常方便，支持图形界面，能够帮助用户突破主板137GB的硬盘容量限制。运行该软件的安装程序后，根据提示创建一张启动软盘，然后用软盘启动电脑安装硬盘即可。此外使用超过137GB的大容量硬盘，需要Win2000或者WinXP操作系统，并且安装最新的SP补丁，这样系统才能识别超过137GB容量的大硬盘。
让DVD刻录光盘上的数据保存更久
我经常使用DVD刻录机来备份数据，但是我发现半年前刻录的DVD光盘有很多都无法读取了。在刚刻录完成的时候，这些DVD刻录盘都能很顺畅读取的，是刻录盘的质量问题，还是刻录机的出现老化，DVD刻录盘上的数据可以保存多久？
DVD刻录盘上的数据通常可以保存数年之久，你所说的这种情况，很有可能是刻录盘的质量问题。刻录盘由盘基、记录层和保护层三大部分组成，而盘基和保护层平时除了受到物理作用而发生变形之外，基本上不会损坏；但是记录层就不一样了，因为使用了对光敏感的记录结构，当数据面受到强光照射(尤其是阳光中的紫外线)时，便可能引起记录坑道信息的染料结构发生变化，造成坑道信息对比度下降甚至完全丢失。所以建议大家购买DVD刻录盘时，一定要选择质量较好的盘，而不要一味的图便宜。另外由于DVD刻录盘也很容易受到高温和氧化的影响，因此在日常保护DVD刻录盘的时候，应当放在阴凉、干燥之处，尽量避免强光直射，这样就可以延长DVD刻录盘的保存时间。
Temp1、Temp2 、Temp Sens0含义
我的处理器温度一直比较高，别人建议我用CPUCool软件来监测和降低处理器温度，不过我发现软件上有三个温度项，分别是Temp1、Temp2、Temp Sens0，请问这三个温度分别是指的哪里的温度呢？
CPUCool软件中的Temp1显示的为主板温度，Temp2 是CPU内部的半导体二极管测试的CPU温度，而Temp Sens0显示的为硬盘温度。你可以通过设置Update Rate选项中刷新时间，实现实时监控硬件的运行温度的目的。
基于虚拟仪器的汽车侧滑检测系统 篇4
汽车前轮侧滑量是机动车辆安全技术检测的重要指标。为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动,要求车轮外倾角和车轮前束有适当配合,当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时,车轮就可能在直线行驶过程中不作纯滚动,产生侧向滑移现象。当这种滑移现象过于严重时,将破坏车轮的附着条件,丧失定向行驶能力,引发交通事故并导致轮胎异常磨损。根据GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》规定,车轮侧滑量应小于或等于5m/km。所以,定期对汽车转向轮侧滑量进行检测,发现问题及时排查,对汽车的使用性能和经济性能具有重要意义。
1 侧滑检测原理与系统构成
转向轮横向侧滑量的检验可以在侧滑检验台上进行。目前国内侧滑检验台大多数为滑板式,其位移检测传感器采用电位计式,其触点的位移与滑动板的移动量成线性关系。检测时,汽车前轮驶过检验台,台上的滑板可向两侧滑动,滑板侧滑时,传感器触点随之位移,从而引起电压量的变化。检测计算机通过不断检测传感器的输出电压,并乘以一定的转换系数就可得到侧滑量。
电位计式传感器的测量电路(见图1),在电位计两端加上一定的电压,当电位计的滑动触点随滑动板移动时,触点的输出电压与位移量成正比,通过放大后可送数据采集电路。
侧滑检测系统的结构框图(见图2)。汽车横向侧滑量由电位计式传感器转换为电压信号通过调理放大后,送数据采集卡的模拟输入端。为实现自动测量,将接收光电管输出的指示车辆是否到位的状态信号送数据采集卡的数字输入端,作为检测系统开始采样的触发信号和结束采样的触发信号。
检测系统采用NI USB-6009作为数据采集卡。该卡为美国国家仪器公司(NI)推出的带有USB接口的多功能便携式数据采集卡,具有8路模拟输入、2路模拟输出、12路数字I/O和1路计数器端口,采样速率可达48KS/s,能满足侧滑检测系统的采样速度和实时性要求。NI USB-6009数据采集卡的内部结构和信号端子分配(见图3)。
NI USB-6009数据采集卡的信号端子分配(见图3b)。模拟输入端子为AI0~AI7,模拟输出端子为AO0,AO1,数字I/O端子为:P0.0~P0.7,P1.0~P1.3,定时/计数器端子为PFIO,并可对外提供+5V和+2.5V的电源。
2 系统软件设计
软件是虚拟仪器的核心。汽车侧滑检测系统的应用软件采用Lab VIEW图形化编程语言开发。Lab VIEW是美国国家仪器公司的创新软件产品,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。Lab VIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台,广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件,利用它可以方便地组建自己的虚拟仪器。
按照GB7258-2004的规范性要求,横向侧滑量检测时,汽车应对正侧滑检验台,以3~5km/h车速平稳驶向台板,当转向轮通过台板时,测取横向侧滑量。在侧滑检验台的前端和后端,装有两对收、发光电管,汽车行进过程中,转向轮会先后遮挡住发射光电管,使接收光电管的输出状态发生改变。当检测计算机通过数据采集卡的数字输入端口检测到接收光电管的输出状态改变后,就可触发数据采集或停止数据采集,并对采集的数据进行分析、处理,按照国家标准评价侧滑参数。利用Lab VIEW8.2函数模板中的DAQmx子模板所提供的数据采集VI开发的数据采集程序框图(见图4)。
侧滑量数据采集程序的执行由Lab VIEW8.2的层叠式顺序结构控制(见图4)。首先,采集程序执行图4a所示的检查车辆是否驶向侧滑台帧程序,在被检车辆平稳驶向侧滑检验台的过程中,转向轮遮挡住检测线上安装在侧滑检验台前端的发射光电管时,对应的接收光电管的输出状态由“0”变为“1”,检查车辆是否驶向侧滑台帧中的while循环停止,该帧执行完毕,程序顺序执行数据采集帧(见图4b)。在数据采集帧中,主要利用Lab VIEW8.2提供的“DAQmx Data Acquisition”数据采集VI来设计数据采集程序。其中“DAQmx Create Virtual Channel.vi”的功能是创建虚拟数据采集通道,“DAQmx Timing.vi”的功能是配置采集速率和创建缓冲器,“DAQmx Start Task.vi”的功能是启动数据采集,“DAQmx Read.vi”的功能是读取采集数据,“DAQmx Clear Task.vi”的功能是清除数据采集任务。并采用While循环结构循环采集侧滑量数值。当车辆驶过侧滑检验台,转向轮遮挡住安装在侧滑检验台后端的发射光电管时,数据采集帧停止执行。在后续的程序中将读取存储在数据文件中的采集侧滑量数据进行处理、分析,并判定检测结果是否合格。
采集程序设计中,选择NI USB-6009数据采集卡的模拟输入通道0作为侧滑量采集通道,模拟输入范围设置为±10V,采样速率设定为1000Hz。
3 结束语
虚拟仪器技术是计算机技术和测量技术在仪器仪表领域相结合所形成的一种全新的仪器种类。本文所介绍的基于虚拟仪器的设计思想,采用NI公司的USB数据采集卡和图形化编程语言开发的汽车侧滑检测系统,不仅检测过程易于实现,同时具有界面友好,操作简便,可视性强,易于修改,扩展灵活,通用行强等特点。另外,通过测控计算机的网络接口和Lab VIEW所提供的TCP/UDP网络通信VI,很容易实现汽车侧滑量的联网检测。
摘要：虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物,代表着仪器发展的最新方向和潮流。本文介绍一种基于虚拟仪器技术的汽车侧滑检测系统的设计方案,着重讲述利用NI公司的USB-6009数据采集卡开发侧滑量数据采集硬件电路和利用图形化编程语言LabVIEW8.2编写数据采集程序的设计方法。
关键词：虚拟仪器,侧滑,LabVIEW,数据采集
参考文献
[1]杨非.汽车侧滑检测技术,汽车实用技术,2003,(11):56~58
[2]冯文彩等.汽车转向轮侧滑量测量技术研究,2005,25(6):5~8
虚拟声学信号采集系统设计论文 篇5
1.1系统前面板的设计
虚拟仪器的前面板设计是否合理对虚拟仪器的使用效果有着重要的影响，它直接面向使用者，使用者对其分布的合理程度也有着很高的要求。
1.2系统的程序框图设计
对各个的功能模块进行分割编写，采用模块式的编写方式逐个进行分割，然后将分割编写的模块整理集合以构成一个新的系统控制程序。程序模块主要包括三个模块，第一种是实时信号采集模块；第二种是信号处理分析模块；第三种是仿真信号模块。这三种模块对系统都有着很重要的影响，它们以不同的角色为系统提供服务，满足用户的需求，产生令用户满意的信号。另外，对这三种模块的编写整合构成新的程序框图。
1.2.1实时信号采集模块实时信号采集模式可以通过对信号的有效分析处理对所采集的数据进行系统的分析，并且实时信号采集模式可以根据用户所设置的声音格式从声卡中得到相关数据，然后对数据进行保存。这种模块在开始采集数据前要注意，参数的设置要根据实际的情况和参数设置好以后将信号选择的按钮调制实时信号档上。开始设置各个快捷按钮，如停止按钮、退出按钮、对信号的采集保存等按钮。
1.2.2信号处理分析模块设置完成应用信号处理分析模块一般是对数据进行时域分析以及频域分析。其中时域分析可分为对参数的测量、对谐波失真分析、最后是自相关分析。在对信号进行分析处理的过程中，如果单单只对信号进行频域分析，信号所具有的全部特征并不能完全的显示出来，也就是时域分析有时候不能完全满足对信号的分析，这就需要对信号进行频域分析，以更加全面完整的分析出信号所具有的全部性质。在LabVIEW中，如果要对信号进行频域分析，就要以FFT为分析的基础，才能进行具体分析。
1.2.3仿真信号模块的完成应用仿真信号模块的作用我们不可忽视，生活中并不是所有的信号都能用实际的仪器产生，当无法获得实际的信号时，可以用仿真信号作为任意频率的信号，也可以用仿真信号作为标准的信号源，对其产生的信号做信号的检测系统。这种仿真信号模块包含波形显示以及噪声的添加等功能。仿真信号可以产生一些日常生活中我们常见的信号，如正弦波、方波以及三角波等。并且用户可以很据自身的需要对信号的频率、幅值、以及采样频率进行调节，从而产生用户所需要的信号。
2研究应用
整流电路中应用虚拟声学采集分析系统研究采集系统的采集性能。在整流电路中应用虚拟采集分析系统时，应该注意采样的频率要保持20Hz~20kHz之间，如果想得到更加完整较好的波形，就可以将频率控制在100Hz~15kHz之间。在整流点路中要进行对正弦先好进行整流的过程中，可应用二极管半波整流电路对其进行整流。输出信号以后接入虚拟信号采集分析系统，可以得到一些波形。事实证明，虚拟仪器的信号采集分析系统的采集性能可以达到人们所需要的理想信号。实践证明，虚拟仪器信号采集分析系统已经被广泛的应用在噪声监测、信号分析以及实验教学当中。
3结语
不用安装 急速打造虚拟机系统 篇6
如果我们想在Win 7下快速安装虚拟的WinXP系统，可以使用Ghost和VHD这两大技术帮忙。原理很简单，Win7和虚拟机都支持VHD磁盘文件的加载和管理，那么我们先建立一个空的VHD磁盘，然后用Ghost还原的功能将系统丢到VHD磁盘中，再让虚拟机（这里以“Microsoft Virtual PC 2007”为例，下载地址：http://tinyurl.com/7hs4ly6）直接加载它就好了。
准备好“winxp.gho”文件和用于还原的“Ghost32.exe”程序，“winxp.gho”可以在各种Ghost XP系统光盘中找到。其名字可能不是“winxp”，但只要格式为GHO，大小约600MB大小的文件就是它了。
右键点击桌面的“计算机”选择“管理”，在打开的管理窗口中展开“计算机管理（本地）→存储→磁盘管理”选项。再右击“磁盘管理”选择“创建”，按提示在任意NTFS分区（假设为J盘）中创建一个名为“winxp.vhd”、类型为“动态扩展”、大小为10GB的VHD文件（如图1）。
VHD文件创建完成后，按后续提示完成VHD磁盘分区的初始化，并将其创建为主分区。创建完成后右键点击VHD磁盘，选择“将分区标记为为活动分区”（如图3），这样一个可用于虚拟机启动的VHD空磁盘就建立好了。
运行“Ghost32.exe”程序，选择“Partition→From Image”，弹出选择框，先是选择“Image”文件，定位到“winxp.gho”文件上即可，然后选择被还原的磁盘分区，点中名为“Msft Vitrual Disk1.0”（即VHD磁盘，如图4）的磁盘主分区，点击“OK”进行还原。
因为所有操作都在一块硬盘中，所以这还原速度飞快。普通情况下，一个WinXP还原也就是3分钟不到。还原完毕，虚拟WinXP的安装就完成了一大半。返回“计算机管理窗口”，右键选择VHD分区，选择“分离VHD”（如图5）。
接下来就是用虚拟机加载这个分离出的VHD文件了。运行“Microsoft Virtual PC 2007”，按向导提示创建虚拟机，在“虚拟硬盘选项”这一步，选择“一个已存在的虚拟硬盘”（如图6），然后导入之前制作的“winxp.vhd”文件。
创建完毕后就可以用虚拟机加载它并运行了，其具体效果与用Ghost XP光盘在实体机上刚装完是一样的。对于熟练者来说，该虚拟系统的安装不会超过10分钟，如果是常规安装可能还在慢慢地复制文件……
巧借软件，WinXP虚拟Win7迅如雷
在WinXP 下安装Win7虚拟系统的原理其实都一样，只是WinXP不支持VHD文件的创建和加载，我们需要借助第三方软件。
这里我们需要能创建和加载VHD文件的“WinXP_VHD辅助处理工具”，然后还要能合并Win7文件到VHD分区的“gimagex”程序，最后为了保证虚拟机系统的启动，还需要能修改VHD分区里面启动项的“bootice”程序（这些程序在http:// work.newhua.com/pcd中能找到）。当然，Win7的安装盘文件也需要准备好。
运行“WinXP_VHD辅助处理工具”，单击“创建V H D”。在创建的设置中，“VHD的位置”选择“J:win7.vhd”（J盘可以是任何空间足够的NTFS分区），VHD大小和格式使用默认设置。在“装入VHD的GhostXP的位置”处，把Win7的光盘文件路径添加进去，点击“确定”（如图7）。
此时程序会自动创建VHD磁盘并加载到系统中，等到屏幕出现“成功指派驱动器号或装载点”提示时，则表明VHD创建加载成功（如图8）。
然后程序会开启Ghost程序进行还原，当然这里是不会成功的。屏幕会马上提示操作失败，请不要关闭该窗口（如图9，否则VHD磁盘会自动卸载，无法继续），继续后续的操作。
打开“我的电脑”，会看到新增一个Z盘，这是程序自动创建的VHD磁盘，右键点击它在弹出菜单中选择“格式化”，按提示将其格式化为NTFS分区。
将Win7安装盘文件解压到额外的分区中（这里是N盘），启动“gimagex.exe”程序，切换到“应用映像”标签。在“选择映像”处选择刚才解压出来的“N:sourcesinstall.wim”文件，“应用到”的盘符选择刚新增的Z盘，“选择应用的映像”选择5，最后单击“应用”（如图10）。这样就能把Win7的内容复制到Z盘，也就是创建的VHD磁盘中去。
此时的VHD磁盘已经有Win7系统了，不过还不能实现自我启动。将N盘被解压出来的“bootmgr”文件和“boot”目录复制到Z盘中，接着启动“bootice.exe”，在目标磁盘选中“MSFT Vitrual Disk”（即加载的VHD磁盘），单击“主引导记录”（如图11）。
在打开的新窗口中，勾选“windows NT6.x默认引导程序”复选框，然后单击“安装/配置”更改VHD磁盘引导记录为NT60格式。
返回bootice主界面，单击“分区管理”，在打开的窗口中选中主分区，单击“激活”按提示将虚拟磁盘分区设置为“活动主分区”。再次返回主界面，切换到“BCD编辑”标签，单选“其他位置BCD”，选择“N:bootbcd”文件，然后单击“查看/修改”。接着在弹出的编辑窗口单击“添加→Windows 7/vista/2008启动项”，将“启动磁盘”项选为当前VHD磁盘，然后“启动分区”项改成VHD磁盘分区，“菜单标题”写为“Windows 7”，其他设置保持默认状态（如图12）。最后依次单击“保存当前系统设置”和“保存全局设置”退出。
三维虚拟投影系统 篇7
全息投影是近期非常流行的技术, 它采用全息膜配合投影展示产品, 提供了丰富的全息影像, 可以在玻璃、亚克力等材质上成像, 将装饰性、实用性融为一体, 成为现在一种前沿的市场推广手段。2008年美国CNN电视台首次在总统大选的报道中应用了全息投影技术, 动用了35部高清摄像机, 从各角度同时对主持人进行拍摄, 拍摄的图像数据传输到20台电脑中进行合成处理, 最终通过高清投影仪实现全息人像的真实再现。全息投影技术是通过在空气或特殊镜片上形成立体影像, 是全息摄影术的逆向展示, 可以从任何角度观看全息影像的不同侧面。目前市场上可实现的全系投影从技术上分为四种: (1) 空气投影。美国麻省的一名29岁研究生发明了一种空气投影技术, 可以在气流墙上投影图像, 并且使其具备交互功能。这一技术灵感来源于海市蜃楼原理, 将图像投射在大片的水蒸气上, 由于组成水蒸气的水分子震动不均衡, 可以形成立体感很强的全息图像。 (2) 激光束投影。日本公司研制了一种利用激光束来投射实体的全息影像投射方法。这一方法主要利用了氧气和氮气在空气中散开时, 两者混合成的气体变成灼热的物质, 并在空气中通过不断的小爆炸形成全息图像。 (3) 美国南加利福尼亚大学的研究人员研制了一种360度全息显示屏, 将图像投影在高速旋转的镜子上, 从而实现全息影像。 (4) 雾幕立体成像系统。雾幕立体成像, 也被称为雾屏成像, 通过镭射光借助空气中的微粒, 在空气中成像, 使用雾化设备产生人工喷雾墙, 利用这层水雾墙代替传统的投影屏, 结合空气动力学制造出能产生平面雾气的屏幕, 再将投影仪投射喷雾墙上形成全息图像。
1 系统总体设计
全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示, 本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感, 全息投影技术是真正呈现3D的影像, 可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。产品系统是由三维显示系统、计算机多媒体系统、控制系统所组成。下图1为系统流程框图。
1.1 三维显示系统
三维立体显示系统提供了良好的沉浸式虚拟场景。在虚拟现实应用中用以显示实时的虚拟现实仿真应用程序, 该系统通常主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分, 三维显示系统在360度全息投影技术中完成活动三维立体视频的在场景造型上的再现, 使立体影像与周围的人造景观背景有比较“真实”的结合。下图2为成像系统图。
1.2 计算机多媒体系统
多媒体计算机系统是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来, 对音频信号、视频信号的获取、生成、存储、处理、回收和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。具有同步性, 集成性, 交互性, 综合性等特征。在360度全息投影技术中, 计算机多媒体系统利用先进的多媒体技术和计算机控制技术, 可以实现大的场景、复杂的生产流水线、大型产品等的逼真展示。
1.3 控制系统
控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。在360度全息投影技术中, 控制系统完成活动模型控制、电源控制、播放控制等。
2 视频制作
本系统不可或缺的便是在视频制作上, 因此为了视频的精彩呈现, 选择基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max以及视频处理软件Adobe After Effects。
3DSMax在应用范围方面, 广泛应用于广告、影视、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏以及辅助教学等领域。该软件的突出特点:1) 基于PC系统的低配置要求;2) 安装插件 (plugins) 可提供3DSMax所没有的功能 (以及增强原本的功能;3) 强大的角色 (Character) 动画制作能力;4) 可堆叠的建模步骤, 使制作模型有非常大的弹性。
AE的全称是After Effects, 一个影视后期特效合成及设计软件。AE软件可以帮助您高效且精确地创建无数种引人注目的动态图形和震撼人心的视觉效果。利用与其他Adobe软件无与伦比的紧密集成和高度灵活的2D和3D合成, 以及数百种预设的效果和动画, 增添令人耳目一新的效果。
3 电路模块控制设计
3.1 单片机STC15W408AS
STC15W408AS是STC生产的一款高速、可靠、抗强干扰的新一代单片机, 内置晶振及复位电路, 减少最小系统的外围电路、PCB板面积及设计成本。另外此芯片资源丰富, 功能强大, 符合本设计要求。本设计使用三路PWM为LED驱动电路提供PWM输入信号, 通过SPI控制ESP8266无线通信模块的数据收发。
3.2 ESP8266无线WIFI模块
本设计采用ESP8266无线WIFI模块控制视频的播放、暂停、停止。
3.2.1 ESP8266简介
ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi Fi透传模块, 拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术, 专为移动设备和物联网应用设计, 可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上, 进行互联网或局域网通信, 实现联网功能。
ESP8266封装方式多样, 天线可支持板载PCB天线, IPEX接口和邮票孔接口三种形式;
ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。
3.2.2 ESP8266主要功能
ESP8266可以实现的主要功能包括:串口透传, PWM调控, GPIO控制。
3.2.3 ESP8266内部结构
ESP8266高度片内集成, 包括天线开关balun、电源管理转换器, 因此仅需极少的外部电路, 且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。下图3为ESP8266结构图。
3.3 人机界面软件程序设计
三维虚拟投影系统的控制程序设计流程图如下图4所示, 其主要包括:
3.3.1 系统初始化
在系统初始化程序中, 主要完成对各模块的启动处理, 其中包括:显示屏进入播放界面、无线模块ESP8266启动。
3.3.2 检测系统状态
系统初始化以后, 开始检测wifi模块, 并且检测视频播放状态, 一切正常后, 等待进入系统启动状态。
3.3.3 启动任务
检测系统状态正常后, 开始检测触摸屏是否有事件发生, 即用户是否对触摸屏操作, 如果有那么系统开始发送相应的指令到视频控制, 从而实现智能播放停止的功能, 如果没有系统保持待机功能。
4 结论
通过把物理学光学技术、三维动画技术、物联网技术和嵌入式技术融合, 应用于投影技术中, 不仅突破了传统声、光、电局限, 将美轮美奂的画面带到观众面前, 给人一种虚拟与现实并存的双重世界感觉, 给人们带来新的视觉享受。而且还克服以大屏幕为主的传统展示方式的缺点, 体现了融合展示及互动展示。本设计尺寸灵活、成像清晰度高、安装便捷、形式新颖、内容多样, 适用于虚拟样机、生物医学以及建筑视景与城市规划、地震及消防演练仿真、军事模拟战场、电子对抗、航空航天模拟等领域, 具有较高的推广与应用价值。
参考文献
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[5]余锡存.单片机原理与接口技术[M].西安电子科技大学出版社, 2002.
虚拟加工系统的研究 篇8
现代制造技术正朝着高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向发展,加工智能化和虚拟制造已成为现代制造业中最重要的组成部分和发展方向,并成为提高产品国际竞争力的关键技术。数控设备又是现代制造业中不可缺少的基础设备,为此研究开发一套数控设备加工仿真系统是企业所需,是社会所需。以计算机技术、虚拟现实技术、仿真技术为支持的虚拟制造技术的发展,使虚拟制造系统虚拟建模以及所建环境的三维可视化、可交互性、可漫游性等技术得以实现[1]。由于虚拟制造技术在制造业中发挥的重大作用和对未来制造业发展所产生的深远影响,可知随着现代化制造业高效、高智能化及自动化要求,应用功能完善的虚拟加工系统是未来制造业发展的必然趋势。因此研究虚拟加工系统的实现方法具有重要的现实意义。.
1 系统开发平台与工具
Visual C++是Microsoft公司推出的可视化编程软件,它是目前综合性最高、最强大也是最复杂的软件开发工具之一,应用极为广泛。因此,在Windows XP平台下,采用Visual C++作为开发软件,通过MFC基础类库和面向对象的方法建立系统的基本框架。Open GL作为创建实时3D图形的编程接口,可以执行如数据输入、指定光照、颜色、生成纹理坐标、转换窗口坐标、逻辑缓存等操作,是编制交互式三维真实场景非常好的软件。因此系统采用Visual C++和其内置的Open GL来实现设备模型的建立、设备的几何仿真以及所建场景的实时漫游等功能。
2 仿真系统的组成
系统主要由四大模块组成:生产线设备模块、生产线设备操作模块、生产线设备仿真模块以及生产线视图操作模块。
2.1 设备模块的构建
设备建模所采用的方法是构造实体几何法(Constructive Solid Geometry)简称CSG法,也是在实体的表示、构造中得到广泛应用的一种方法。它的基本思想是将简单的实体(又称体素)通过集合运算合成所需要的物体[2]。CSG是用体素(如长方体、圆柱、正棱柱、球、圆环等)拼合物体的有效表示法,它将物体的组成结构与有序的二叉树联系起来,形成CSG树,紧凑地描述物体的几何模型。CSG的树根表示物体:非叶子节点是运算符(运动算子,如平移、旋转等;正则化集合算子如交、并、差等);叶子节点一般代表基本体素或扩展体素(如变截面扫描体,边界表示法表示的物体)。考虑到虚拟加工系统的几何模型较为复杂,在运动仿真中需要做大量的平移、旋转等变换,而且要求仿真动画的实时性、平滑性较高,而CSG法在构造复杂三维实体模型时简洁方便,以体素为单元的各种坐标变换计算迅速,能够满足动画仿真的要求,所以采用CSG法构造虚拟设备各部件的三维几何模型。当虚拟设备各部件的三维模型建立后,可以采用CSG法组成虚拟设备了。本系统中的所有设备部件的三维模型都是通过Visual C++和内置的Open GL函数完成的。
2.2 设备操作模块
常见设备操作包括:设备本身的放大、缩小、平移、旋转以及设备加工过程中相应部件的旋转、平移等操作,操作功能的实现是通过Open GL中的模型变换函数实现的,为了实现设备的单独操作,并且在操作过程中不影响其他设备在全局固定坐标系[3]中的位置状态,因此不同设备的模型变换都是在其自己的设备局部坐标系[3]中进行的,并且每进行一次模型变换后都必须作一次相对应反变换。这样可以实现不同设备在全局坐标下整体动态仿真,就像在实际工厂中每个人单独操作自己的设备一样,而互不影响干涉。
2.3 设备仿真模块
数控设备加工仿真主要是提供一个逼真的仿真加工环境。通过交互完成数控设备加工的动态仿真等功能,其实质就是在计算机上利用虚拟机床设备模型对实际机床设备进行模拟仿真的过程。因此,我们以实际数控设备的组成、功能为对象,根据实际需要,提出了如下的数控设备加工仿真的总体设计结构体系如图1所示。仿真过程中工件的建模是采用基于三角网格法[4]方法完成的。设备仿真过程是在NC代码驱动下完成的,并对NC代码进行了识别、分析、错误检验等过程。经过识别、分析、错误检验的NC代码被保存在不同的数据结构数组中,例如用mgz[]:用来存储G命令的Z轴的坐标信息。在数控设备加工过程仿真的程序开发设计中,直接调用Open GL中的平移函数gl Translatef()和旋转函数gl Rotatef()来实现数控设备的加工运动仿真。利用定时器来控制虚拟设备的相应部件按照数控代码中设置的值进行一步一步地移动或旋转,同时刀尖和工件表面接触进行布尔运算得到加工效果图,见图2车床加工图和图3铣床加工图。为了达到仿真的目的和切合实际,加工仿真过程中又进行了碰撞检测,即对将要发生的碰撞进行了提示,如图4所示。
2.4 生产线视图操作和三维实时漫游
利用该系统的功能模块进行生产线的布局,设备的位置布局是通过位置对话框进行的,以车床为例如图5所示,本系统以场景地板的形心为场景的布局坐标系的中心。当各设备布局完成后可以按照“加工参数对话框”(如图6所示)进行设备加工参数的设置而进行独立仿真,并且可以预测车削力的大小(如图7所示),本系统的车削力模型是采用车削力经验公式[5],其公式中的指数、系数、修正系数均按照标准进行了选取[5]。同时该系统提供设备状态功能,当选择图8“损坏待修”菜单项,让该设备处于损坏等修状态,那么该设备加工仿真等相关操作菜单变灰而不能进行命令响应。同时用户可以通过图8“损坏待修设备”菜单可以直接查看生产线中所有设备的损坏待修设备号,因此用户可以通过屏幕实时查看所有设备的运动、停止、待修等状态。
当加工生产线布局好后可以通过“加工线视图操作模块”实现整个场景的放大、缩小、旋转、主视图、俯视图、侧视图等功能,该功能是用Open GL中的模型变换函数在全局固定坐标系下实现的,故是对整个场景操作而言的,所建场景俯视图如图9所示。当所有的场景创建后,可以进行整体加工仿真和所建场景三维实时漫游,目的是使观察者有丰富视觉与沉浸特征[6]。一般而言,漫游交互主要有前进、后退、左移、右移、仰看、俯看、左转、右转、上升、下降十个动作组成[7]。系统漫游是通过操纵键盘实现用户在三维场景中的任意漫游,通过键盘用户可以灵活、准确地对场景进行全方位的观察。键盘漫游的过程就是通过键盘连续不断地改变视点位置或视线方向并渲染场景的过程。利用Open GL辅助函数库中glu Look At()函数,通过键盘改变相应的参数来实现场景的漫游效果,场景漫游图如图10所示。
3 结束语
虚拟场景构造是虚拟加工系统的基础,基于Open GL和Visual C++的虚拟加工系统框架的设计与研究为创建更加完善逼真的虚拟加工系统打下了一定的基础。本人只是对虚拟加工系统框架上做了初步的研究。由于系统中的机床模型外观与实际机床外观还有一定的出入;虚拟设备还没有和实际机床进行网络通讯;搬运小车导轨等虚拟加工线中的一些必要设备等,同时只是对加工线的动态几何仿真做了比较深入的研究,对设备的加工过程中的物理仿真研究较少。因此该系统还有不足之处,要建立功能完善的虚拟加工系统还需要进一步的研究。
摘要：论述了基于OpenGL和Visual C++的虚拟加工系统的设备建模、设备仿真的实现方法,并实现了加工设备的布局和在NC代码驱动下所有加工设备的动态仿真,以及对所建场景进行三维实时漫游等功能。
关键词：虚拟车间,加工线,漫游,OpenGL
参考文献
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虚拟试衣系统研究与实现 篇9
近年来, 随着电子商务的发展, 网络服装销售量逐年增加, 仅在网络上看到服装的颜色、款式、尺码等信息已不能满足人们的需求, 人们希望进一步知道服装是否适合自己的体型、肤色等。为了体验更真实的穿着效果, 让消费者购买到满意的商品, 三维虚拟试衣系统应运而生, 能够快速有效地模拟衣物在人体上真实的穿着效果, 给消费者带来更直观的感受。
虚拟试衣的关键技术之一在于对衣物和人体模型的建模。以往对于织物的模拟, 大多都基于物理的建模, 或结合物理与几何方法。基于物理的建模通过引入质量、力、能量等物理量, 将织物各部分的运动看作是各种力的作用下质点运动的结果。Terzopoulos等人把柔性物体的变形描述成柔性物体内部组织抵抗形变产生的弹性力、外界作用力和阻尼力共同作用的结果, 为柔性物体提出了弹性形变模型, 建立了物理基础[1]。
Miralab发展了弹性形变模型, 用于虚拟演员的服装模拟和3D时装辅助设计, 并且他们对布料的碰撞检测及其优化进行了讨论[2]。Breen等人研究了不同织物的力学特性, 提出了将质点系统应用于织物模拟[3]。
本文的研究是在目前研究的基础上, 对现有的衣物模拟方法进行改进和创新, 实现一个快速模拟衣物穿着于人体上物理效果的系统。本研究主要关注于衣物模型构建、衣物动力学方程求解、碰撞检测和响应等方面的算法探索和创新, 提升算法的速度和稳定性, 解决衣物模拟的时间复杂度和模拟准确性的矛盾。这些研究可望为衣物模拟开拓更广泛的应用范围, 为三维游戏、试衣程序提供真实的衣物效果。
1 衣物物理模型的构建与受力学分析
对于衣物物理建模, 常用的一种模型是从基于能量最小系统模型改进而来, 具有构造简单、实现方便的特点, 为衣物模拟广泛采用。Provot提出的弹簧-质点模型是一种有效表达衣物物理特性的模型[4]。如图1所示, 该模型的拓扑结构是一个质点以二维方式排列而成的矩形网格, 质点之间以质量不计的弹簧连接。为了模拟衣物纤维之间多种方式的连接, 弹簧分为三类:结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧。
弹簧-质点模型可以较容易地表示一块矩形布料, 如桌布、窗帘等物体, 但复杂的衣物模型用矩形的网格表示不太理想。通常设计师设计的衣物几何模型和计算机生成的衣物模型大多使用三角网格表示, 即模型中储存衣物所有顶点的三维几何位置, 以及所有构成衣物的三角面片。系统首先从模型中读取衣物的顶点位置, 并构建衣物质点对象。衣物质点对象保存质点的质量、速度、位置等信息。衣物质点间的结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧使用构成模型的三角形确定。三角形本身具有抵抗形变的能力, 因此结构弹簧和剪切弹簧可合并为结构弹簧表示。连接的衣物质点之间加入弹簧即为结构弹簧。两个顶点的连接边一般情况下属于两个不同的三角形, 为避免顶点之间重复加入弹簧, 可以在顶点中保存弹簧的数据, 并建立一个临时二维数组保存已连接质点编号来减少构建模型的时间开销。
为了实现弹簧—质点模型, 本文设计了几个相关的基础类, 包括三维空间矢量类、顶点类、面片类、顶点模型类, 设计了几个相关的派生类, 包括面片模型类、模型类、布料类等等。这些基础类封装了相关的基础数据和操作方法, 并重载了常用运算的操作算子。
2 衣物动力学和受力分析
设衣物模型总计有n个质点, 质点的集合记为P= (P1, P2, …, Pn) 。质点 (i∈{1, 2, …, n}, 下同) 的质量记为mi, 位移记为mi, 速度记为vi, 加速度记为ai, 所受合力记为Fi。则根据牛顿第二定律有:
其中Finternal指质点受到内力的合力, Fexternal指质点受到外力的合力。
质点所受到的内力包括衣物的结构弹簧、剪切弹簧、弯曲弹簧对质点的作用力。质点所受到的外力包括重力、风力和空气阻尼力等。下面分析质点所受内力、外力和阻尼力。
2.1 内力
模型中, 衣物系统质点间的内力指弹簧的弹性形变力。质点所受到的内力可以表示为:
其中Fstretch指质点受的拉伸弹簧力, Fshear指质点受到的剪切弹簧力, Fbend指质点受到的弯曲弹簧力。
理想情况下, 弹簧的弹性形变力可由胡克定律计算。根据胡克定律, 在弹簧的弹性限度范围内, 弹力与弹簧的拉伸量 (或压缩量) 成正比, 即:
其中k (i, j) 指连接Pi和Pj之间的弹簧弹性系数, l (i, j) 指连接和Pj之间弹簧的原始长度。
如图2所示, 用线性弹簧代替布料来模拟内部牵引力, 当内力在一定范围之内时, 曲线拟合较为接近。但当内力超过一定值Imax, 弹簧形变将远远大于相同受力情况下布料的形变量, 这就造成了布料仿真中不真实的“超弹性”现象。
本文解决此问题是通过给布料中的结构弹簧设置一个拉伸的上限, 这样可以控制弹簧内力不至于过大, 同时使布料具备一定的弹性又不会拉伸过度导致“超拉伸”现象。在弹力运算中, 如果弹簧系数过小, 则弹簧极易拉伸, 加剧了“超拉伸”现象的发生;但如果选取的弹簧系数过大, 根据弹簧积分步长自然周期关系, 在布料仿真中, 弹簧系数与数值积分时间步长呈反比关系, 因此, 大系数的弹簧必然导致较小的时间步长, 导致了单位时间内积分次数的增多, 系统整体效率下降。
本系统采用动态调整劲度系数的方法来避免过度拉伸问题。当伸长量在原来的0.1倍以外时, 劲度系数将扩大为原来的4倍, 实验结果表明, 在采用大步长隐式积分的前提下, 这种方法在保证实时性的同时, 有效地避免了过度拉伸。
2.2 外力
在实时布料运动仿真中, 为了提高布料运动的真实感, 往往还要考虑重力、风力、空气阻力等自然世界里真实存在的外力对布料运动的影响。本文主要考虑了重力、风力和空气阻尼力的影响。
1) 风力
假设风力影响布料的运动, 但是布料的运动并不会影响风力场。根据流体力学的方法, 通过计算风力作用在模型中每个三角面上的力来计算风施加在相应三个顶点质点上的力, 这样每个质点所受的风力为它所在三角形面受力的合力。由流体力学定律可得, 施加在每个三角面上的力为:
式中ρ是空气密度;cd是布料的拖曳系数;α三角形的面积;N是三角形的法线;Vrel是三角形表面相对风的运动速度。图3为风力作用下布料包围球体的效果。
2) 空气阻尼力
衣物在空气中运动受到空气阻力使速度下降, 其自身结构的内部摩擦力也会减小衣物运动的速度。考虑空气阻力, 根据Stokes公式, 衣物受到的粘滞阻力和质点的速度大小成正比, 方向相反, 即:
若考虑弹簧的阻尼, 将弹簧内部的阻尼表示为与质点相对速度成正比的作用力, 则:
其中kdamping (vi-vj) 指连接Pi和Pj之间弹簧的阻尼系数。
3 动力学方程求解
对衣服进行建模和受力分析后建立了衣服质点的动力学方程组。数值计算并非可以完全准确地求得微分方程的解, 而是通过计算机的数值计算得到微分方程的一个近似解。本文介绍几种常见的数值求解方法, 并讨论经改进的隐式积分法。
3.1 显式欧拉法
显式欧拉法又称前向欧拉法, 使用前向的函数增量比近似代替导数, 属于差分方法。若将显式欧拉方法应用于弹簧-质点模型, 从时间开始计算, 在时间步长Δt之后质点的速度和位置分别为:
其中x (t) 、x (t+Δt) 分别指质点在t时刻和t+Δt时刻的位置。v (t) 、v (t+Δt) 分别指质点在t时刻和t+Δt时刻的速度。a (t) 指质点在t时刻的加速度。
显式欧拉法属于一阶数值微分方法, 由于该方法的误差O (Δt2) 为步长Δt的平方, 误差较大, 在设置时间步长时Δt必须很小才能保证数值求解的稳定性, 而对于布料仿真, 由于外力通常较小, 采用较大步长的显式积分法也能保持较好的稳定性。但是在引入碰撞检测的前提下, 可能会导致布料质点发生振荡, 使得仿真系统不再保持数值稳定。如图4所示, 仿真中出现衣服的穿透现象。
3.2 Verlet积分方法
Verlet法通过前一步和后一步时间步长位置的计算减小了误差, 提供比显式欧拉方法高的数值稳定性。Verlet法由向时间轴前后进行Taylor展开计算而得, 如下:
两式相加得到:
由上式可知, Verlet方法不涉及到质点速度的计算, 可用于求解质点运动的轨迹, 通过计算上一时间步和下一时间步, 精度更高。Verlet方法中不涉及质点速度的计算, 误差O (Δt4) 为步长Δt的四次方。在步长相同且小于1的情况下, Verlet方法的误差将远小于显式欧拉法, 且稳定性更好。
3.3 隐式积分法
本文在Verlet方法的基础上, 对梯形法进行了改进, 得到了更加高效的数值求解方法。通过Verlet法对下一时刻的位置进行预测, 由预测得到的下一时刻位置和当前时刻位置, 通过差分运算求得下一时刻的速度, 进行运用梯形公式法求得下一时刻的位置。
改进后的梯形算法具有Verlet方法误差上的优势, 且Verlet可以省去对速度的计算, 以进一步减少计算量和累计误差。实验表明, 改进的隐式积分方法保证了系统的稳定性, 在较大时间步长条件下系统也能保持稳定, 但计算时间复杂度略高于显式积分方法。算法比较如表1所示。
4 基于AABB层次包围盒的碰撞检测和响应
衣物模型和人体模型交互作用的主要方式就是衣物和人体之间的碰撞。本文使用了基于AABB层次包围盒树的碰撞检测方法和判断质点距离的衣物自碰撞检测方法[6,7]。
本系统中, 通过检测衣服质点和人体面片的相对位置来判断衣物和人体是否发生了碰撞。为了加速检测, 分别对衣服质点和人体面片建立了两棵AABB层次包围盒树, 两树同时比较、检测。对于衣服质点, 由于同层AABB盒位置不会重叠, 盒子划分易使用二分法, 因此采用了自顶而下的建树过程。首先将物体对象或者所有元素所占据的整个空间作为AABB树根节点, 然后对该根节点进行左右划分, 自顶向下为父节点建立两个子节点, 直到每个叶子节点中只包含一个衣服质点为止。在实现中, 沿着空间体的最长轴划分为左右两个子节点, 然后继续再对这些子节点分别沿着各自的最长轴进行左右划分, 这样最终将得到一个AABB二叉树结构, 如图5所示。对于人体模特面片, 同层AABB盒位置很难确定边界, 不适合二分法, 而采用邻近面片组合法, 自底而上建树, 免去了确定AABB盒的复杂性。自底向上的建树方法首先遍历叶子层中的每个AABB包围盒节点, 按照相邻关系将指定邻域范围内的若干个节点合并成一个父层节点, 其中父节点管辖的空间域正好能包围住它各个子节点所对应的空间域。根据子节点的邻接节点所对应的父节点, 可以得到当前父节点的邻接关系。进一步利用父层的邻接关系合并, 可得到祖父层的节点。依次类推, 最终可以建立整棵BVH树, 如图6所示。实验结果表明, 对于顶点树, 自顶而下建树法速度较快, 对于面片树, 自底向上建树法速度较快。AABB间的相交测试最多只需要6次比较运算。
建好BVH树后, 即可进行动态仿真中的碰撞检测。在仿真过程中, 随着时间的推进, 物体对象或可变形体元素的空间位置可能已经发生了明显的变化。实际上, 大多数情况下, 在每一个时间步长内, 物体的位置变化通常并不是很大。为了保证碰撞检测的有效性, 只需要对现有的BVH树进行更新即可, 无须重建。为了充分发挥出系统的高效性, 我们使用较为高效自底向上标记、自顶向下只更新标记AABB分支树的方法。
5 实验
本文使用C++语言和SGI的开放图形库技术 (OpenGL) [8,9]作为工具实现了衣物人体交互仿真。系统的功能可以分为如下几个模块:
(1) 显示模块渲染衣物和人体面片;
(2) 输入模块从衣物几何模型输入根据用户设定的参数转换为衣物弹簧-质点物理模型;
(3) 数值计算模块更新质点物理数据, 利用数值积分方法和设定时间步长求解质点微分方程, 计算质点物理数据;
(4) 碰撞检测模块检测衣物和人体的碰撞以及衣物间碰撞;
(5) 输出模块输出质点的位置数据和法向量数据, 以供其他基于衣物物理的程序使用。
实验仿真流程如图7所示。
系统使用面向对象方法, 首先抽象出一个模型基类, 具体的模型基类由基类或子类派生。主要的数据结构的定义如下:
(1) Particle类保存质点的物理数据。
(2) Constraint类保存质点对之间的约束信息。
(3) Cloth类保存质点的集合和约束的集合, 提供数值计算和碰撞检测的方法。
(4) Mesh类保存三角面片模型的几何信息。可以从3ds模型导入数据。
6 结果分析与展望
系统在CPU为Core i3-2310M 2.10GHz, 内存为2G, 显卡为AMD Radeon TM HD 6630M的PC机环境下进行了测试, 实现衣物布料仿真和人体模特的穿衣动画, 如图8所示。从模型基类派生出布料类、衣服类和人体类, 以及相应的顶点类、面片类, 基于层次包围盒抽象层次模型, 派生了AABB包围盒相关的子类, 并以此为例实现了布料、衣服等织物仿真中的碰撞检测与响应。由于织物的自碰撞发生在可变形体本身的不同部位, 是一种特殊的碰撞, 为此我们也基于AABB树实现了可变形体的自碰撞与响应算法模块。在数值方法方面, 与显式欧拉积分方法相比, 本文的方法具有一定的稳定性。本实验中, 对3400个顶点的衣服和6万面片的衣服模特进行穿衣, 采用改进后的梯形法, 每秒可生成3至4帧的数据, 步长为0.2秒, 且稳定性非常好, 在迭代6次后, 在处理过度拉伸时依然能处于稳定状态, 从穿衣过程的仿真结果来显示, 本模型基本达到了物理仿真的逼真性要求, 满足了布料、衣服等可变形体和人体模特的虚拟动画需求。人体穿衣仿真有望为网络虚拟试衣提供技术支持, 促进国内网络试衣间的发展, 并将促进人们对网络购物的热情。
参考文献
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[8]谭浩强.C++程序设计[M].2版.北京:淸华大学山版社, 2011.
虚拟手机交互系统的研究 篇10
虚拟现实很久以前就有人提出这一构想,但由于当时各方面的条件制约,如缺乏相应的技术支持、没有合适的传播载体、硬件处理设备缺乏等原因,虚拟现实技术并没有得到很大的发展,直到20世纪80年代末,随着计算机技术的高速发展及互联网技术的普及,才使得虚拟现实技术得到飞速的发展[1]。
目前,在手机领域中,虚拟现实也已经得到了广泛的应用[2]。利用VR-Platform三维平台软件结合3DSMAX软件设计并实现了一个虚拟手机交互系统,并发布至网上,使用户能在一个虚拟的三维手机上进行各种模拟操作、体验,对该款手机有一个真实的体会,也更能进一步了解其具体功能。这样,在购物平台上,既可以展示商品的魅力,也能使客户在足不出户的情况下就能对产品有一个详细的了解,为顾客提供了一个客观判断商品价值的平台。
2 VR-Platform
VR-Platform三维平台软件是一套虚拟现实平台软件,它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。与国内外常见的几种虚拟现实制作软件如VRML建模语言、Cult3D、EON Studio、Java3D、WebMax等相比,VR-Platform的特点是适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得,可广泛的应用于城市规划、室内设计、环境艺术、产品设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。从测试来看,无论是场景的导入导出、实时编辑,还是独立运行,VR-Platform速度明显快于某些同类软件,而且用该软件制作的演示可广泛的运行于各种档次的硬件平台,尤其适用于Geforce和Radeon系列民用显卡,也可在大量具有独立显存的普通笔记本上运行[3]。因此本设计选用VR-Platform来实现手机的交互功能。
3 虚拟手机交互系统流程
本系统设计开发的工作流程如图1。
(1)利用3DSMAX建模,然后用VR-Platform所提供的、已经嵌入到3DMAX软件中的插件VRP-FOR-MAX将该模型文件转换为后缀名.vrp的格式文件。
(2)把得到的vrp文件导入VR-Platform三维平台软件中进行界面设计。
(3)加入交互模块,在脚本编辑器中加入事件代码,进行交互设计。
(4)利用VR-Platform三维平台软件将设计导出为Web页支持的格式,即vrpie文件,以便于在互联网发布。
(5)利用Microsoft Visual Studio 2005平台设计一个模拟手机导购网站,并把所设计的虚拟手机放入网站中,顾客就可以与之交互。
4 虚拟手机交互系统的实现
4.1 模型制作
虚拟现实系统要求实时动态地模拟环境,由于受到PC硬件的限制,虚拟现实系统的建模与以形体塑造为主的影视动画的建模有着显著的不同,目前虚拟现实中的虚拟场景的构造主要有以下两种途径:基于模型的方法[4]和基于图像的绘制(IBR)方法[5]。本文中的模型采用基于模型的构造方法。3DSMAX的建模方法主要有:多边形(Polygon)建模、非均匀有理B样条曲线建模(NURBS)、细分曲面建模(Subdivision Surface)[6]。
手机的制作主要是通过3DSMAX使用多边形(Polygon)建模。也就是直接创建基本的模型几何体,然后再通过修改器中的可编辑网格调整物体形状,或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作模型,最后赋予模型关键桢动画。
利用3DS MAX制作出的手机模型最终效果如图2所示。
这里暂不对这些模型块进行色彩渲染,等导入到VR-Platform平台上再对其修饰。VR-Platform软件提供一个可以嵌入3DSMAX软件的转换插件,用这个插件可以成功将模型导出为VR-Platform平台所支持的格式以对模型作进一步的设计。
4.2 界面
模型设计出来之后,就进入后期制作阶段。首先是将场景文件导入到VR-Platform设计平台,然后进行界面设计,依照构想设计将一些背景图、模型色彩、功能按钮等做好。如图3所示界面。
4.3 交互
做好了界面,那么下一步就是做交互功能了,简单来说就是使该设计能“活”起来。在交互设计时,首先把按钮上的功能逐个实现,然后在其中插入脚本代码。图4是“功能介绍”按钮实现后的截图。
手机按钮中“选歌功能”实现的效果为:当点击“音乐上翻键”时,手机屏幕中所示的音乐菜单会向上移动选择歌曲,并播放出来,点击“音乐下翻键”则刚好相反。图5为该功能实现的原理示意图。
根据原理图,设置音乐上翻键的部分脚本伪代码为:
其余各种功能的交互设计就不在此一一讲述了。最后,设计完成后,将该设计导出为Web页支持的格式,即vrpie文件,以便于在互联网发布。该文件在本地浏览时需下载VRP-player插件支持其播放。
4.4 网站
手机展示网站主要是使用Microsoft Visual Studio 2005设计平台,用.NET技术和Dreamweaver网页制作工具进行设计开发[1,2,3,4]数据库方面,采用Access数据库,代码用C#实现[1,2,3,4,5]。在网站中嵌入前面制作好的虚拟手机,最终效果如图6所示。
5 结语
本系统利用VR-Platform三维平台软件结合3DSMAX软件设计并实现了一个虚拟手机交互系统,并使之发布至网站,实现了一个商业手机的虚拟展示系统,使用户在足不出户的情况下能完整了解功能并操作手机,实现了真实情境下的“虚拟购买”。
摘要：虚拟现实是近年来出现的高新技术,在许多商业领域中得到广泛的应用。利用VR-Platform三维平台软件结合3DSMAX软件设计并实现了一个虚拟手机交互系统,并发布至网站上,使用户在足不出户的情况下能操作虚拟手机,实现“虚拟购买”。
关键词：虚拟现实,VR-Platform,交互,手机
参考文献
[1]黄心渊.虚拟现实技术与应用.北京:科学出版社,1999.
[2]汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论实现及应用.北京:清华大学出版社,1996.
[3]中视典数字科技有限公司.
[4]吴起著.3ds max4三维艺术与技术.北京:希望电子出版社,2002:95-118.
[5]徐丹,潘志庚.虚拟现实中基于图象的绘制技术.中国图象图形学报A辑.1998,3(12):1005-1010.
互动虚拟旅游信息系统设计研究 篇11
关键词：旅游信息；虚拟交互；移动终端；旅游路线；自助旅行者
中图分类号：C913 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0031-02
旅游已经成为大众消费品，但是随着需求量的增大，旅行线路的丰富，游客需求的多样化，游客对旅游服务的满意度也在逐步下降。除了市场的压力过大导致的不良竞争之外，我们认为旅行社与客户的沟通不良，旅游线路内容传递不良也是造成这一现象的重要原因。20世纪中叶以来，随着新技术革命的不断深入，特别是计算机技术、多媒体技术和网络技术的崛起，人类再次在现实世界之外开辟了一个新的领域，这一领域是人类现实生活的物质世界、精神世界并存的一个新空间，即虚拟世界。虚拟技术的革命引起了人类生活方式和思维方式的双重改变。一种与人的现实存在不同却又与之息息相关的虚拟世界正逐渐进入到人类的生活中，成为一种崭新的，快速探索当今世界的触角。与此同时，作为人类生活方式一部分的旅游也理应跟上这种不可逆的前进步伐，于是我们的构想“互动虚拟旅游路线系统设计研究”诞生了。
1 作品创作背景
1.1 社会背景
旅游的跨地域性、不可转移性和旅游服务的无形性是现实旅游发展中固有矛盾的主要方面，同时伴随着现实旅游发展过程中的“真实性”问题、文化“商品化”、消费者旅游需求与供给的矛盾等问题。这些问题在旅游业的发展中不仅没有得到很好的解决，反而使矛盾不断升级。虚拟技术介入现实旅游产业势在必行。虚拟技术的应用将加快现代旅游体系的深入发展，极大地便利人们的旅游生活。旅游搭配虚拟技术，它们之间的互补性将共同促进现代旅游的发展，给予旅游业新的活力。
1.2 设计背景
当人们在物质世界中获得满足时，消费者对于感官世界的需求不再只是单调的文字，被动的感受。现在虚拟现实技术已日趋完善，而且在现代社会的应用中有着越来越大的舞台。虚拟现实技术的载体便是各种移动终端。有了这些载体，旅游景观将动态地呈现在人们面前，让广大的旅游爱好者根据自己的意愿，来选择游览路线、速度以及视点，可以随时详细地观察旅行社给出的旅游路线，从而直观地选择自己心目中最佳的旅行方案。
2 作品阐释
2.1 互动虚拟旅游路线系统设计研究作品解析
随着新技术革命的不断深入，多媒体技术的应用日渐广泛。多媒体的互动性与人们对数字媒体的主动操控，成为了当下多媒体发展的主要方向。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。这项技术具有浸没感、交互性、构想性这几大特点。这种适人化、智能化人机交互的特点以及遵循“低成本、高性能”的原则使这种技术取得了快速发展。
2.2 互动虚拟旅游路线系统设计研究创意点解析
2.2.1 一种全新的旅游路线指导方案。充分发挥专业与技术优势，为不同的旅行线路定制个性而富有设计感的全套虚拟交互线路方案，使项目在具备实用性的同时也兼具艺术的美观性，提高旅行机构的整体档次。借助网络扩大旅行机构的宣传力度，提升其知名度。在旅行者确定路线后，我们还可制定作用于移动终端的旅客版《旅行先知》，它可存在于手机、ipad 等随身移动电子设备之中，成为旅行中不可或缺的“定制旅行书”。
2.2.2 具有设计感、图像化的旅行资料。打破以往传统旅行宣传模式，加入实时信息，将旅行信息通过视觉的形式传达出来。结合美术基础，将二维与三维相互结合，丰富画面，突出旅行线路特色。路线用具有设计感的图象表述，可调动消费者的主动性与积极性，也能使信息传递更加清晰，并在一定程度上加快商家服务效率。更能避免文字上带来的歧义，减少不必要的矛盾。
2.2.3 三位一体的交互工具。这是一份以展示、网络应用、移动终端三位一体的全套交互体验系统的设计方案。这套方案不仅仅是一个APP应用程序，简单地满足旅游机构的宣传，也可成为导游与游客间的实时交互工具，既方便导游管理游客，也方便游客有任何需求以便咨询。甚至还可以定制旅行纪念周边供游客收藏，整个系统市场覆盖十分全面。
2.2.4 量身定制。可以根据不同旅行社、不同线路定制独有特色的应用程序。应用程序的风格可以搭配旅游主题，进行不同程度的修改，如手绘、电子、民俗风情等，让旅客更好地融入到这场与众不同的旅行中去。
3 作品意义
3.1 现实意义
目前国内相关机构对于旅行线路的描述多是文字为主、辅以图片的传统形式。可是目前大多数消费者对于长篇大论的线路描述以及旅行指南缺乏阅读兴趣。 在这个信息高速发展的时代，互动虚拟旅游路线系统设计将很好地解决这个问题。利用三维技术完美地模拟旅游路线，减少模糊信息量，精准传达线路内容。
3.2 理论意义
从旅行机构来说，在这个网络传媒、平面传媒急剧发展的时代，“酒香不怕巷子深”这句话早就不能符合当下社会的发展了。宣传方式对企业而言有着重要的作用，而好的宣传就需要手头抓住有分量的筹码。
从旅游业发展来说，创新科技的应用在很大程度上可以提高旅游企业的竞争力。旅游企业全新的路线展示方式能够有效地吸引群众的眼球，对于提高同行业内的竞争力有着重要的作用。这种竞争力一旦上去了，将会进一步扩大旅游机构在旅游市场的占有分额、开发更多的潜在客户，不断提升和完善旅游业的发展。
从技术角度来说，这将是关于虚拟现实在现代生活中应用的一个良好实例。如果获得成功，那么虚拟现实技术将更好地被世人所认识并接受。它所带来的实际价值也将是不可估量的。
4 未来发展趋势
在未来，每一位出行的旅客手中，可能都将会有这样一个出行软件。这种移动可视化旅行书将是旅行社与自助旅行客手中重要的信息获取工具。这将是新技术应用的开端，在未来这可能成为所有旅行者出行前的必然选择。甚至有可能虚拟技术的进一步发展，我们将在全息影像中提前体验旅行的魅力，增加旅行者对旅行地的兴趣与期待，为我们带来更多的便利。
5 结语
经过对“互动虚拟旅游路线系统设计”市场的全面分析和深入了解，我们已经明确产品市场可行性，确定产品市场定位。这是一个完全有条件实行的计划，也将是未来生活中高新技术应用的试水者。分析结论表明了此项目产品开发应用的科学性、创新性以及实践性。我们的目的是为此类产品的后期开发与推广打下坚实的基础，并希望在不久的将来，看到更多的新技术在现实生活中的实际应用。
参考文献
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[5] 鄢志武，马祥山，吴丽.旅游景区三维全景虚拟展示研究——以云南石林世界地质公园为例.
基金项目：吉林动画学院大学生创新创业训练计划项目资助
虚拟检测系统 篇12
快速而精确的碰撞检测及软组织形变是虚拟现实中重要的、富有挑战的研究课题之一。在虚拟手术系统中, 为了给训练者提供精确的力反馈以及沉浸感, 碰撞检测模块必须能够把手术器械和人体软组织的碰撞的结果准确而又实时地传递给力反馈设备, 并将其形变输出至显示界面中。近几年来, 随着虚拟现实技术和分布式仿真技术的兴起, 碰撞检测及形变问题成为一个研究的热点。
在过去的几十年中, 碰撞检测取得了很大的进步, 形成了一些较为成熟的技术和算法[1]。在这些算法中, 层次包围盒的应用比较广泛。尽管在碰撞检测领域国内外学者做了大量的工作, 但是这些科研工作大部分都集中于解决虚拟场景中刚体之间的碰撞检测。相对于刚体对象, 变形对象表现在组成软体对象的顶点之间的相对位置发生变化, 但对于软体对象, 适用于刚体的碰撞检测算法将不能直接应用。并且随着计算机硬件处理能力的不断增强, 对处理复杂场景以及细节渲染方面提出了更高的要求。其中的一点就表现在当虚拟场景中包含变形对象时, 例如人体的软组织。目前, 物体建模的典型方法有质点弹簧模型和有限元方法。有限元模型与其它模型相比, 属于数学物理问题中的偏微分方程数值分析求解方法, 对可变形物体的物理形变建模有着很高的精确性, 使得求解结果更接近于真实物理现象。本文就是在这样一个指导思想下, 对虚拟手术仿真中的碰撞检测及弹性形变进行了研究。
1虚拟手术仿真系统的结构
1.1基于力反馈的虚拟手术仿真系统的结构
基于力反馈的虚拟手术仿真系统结构如图1所示。
从整体看, 系统是一个大循环, 当单自由度力反馈机械手提供一个新的坐标位置 (x, y, z) 时, 通过数据采集卡采集的位置信息传输到碰撞检测模块, 碰撞检测模型会检测出手术器械和可变形体是否发生了碰撞及碰撞位置坐标 (x, y, z) ;然后将位置信息提交给反馈力计算模块和软组织形变计算模块;反馈力计算模块将计算出的力传输到机械手驱动控制电路以驱动单自由度力反馈机械手;软组织形变计算模型将变形体重绘并显示到显示设备上。
1.2单自由度力反馈机械手
单自由度力反馈机械手由1—机械臂, 2—力矩电机, 3—位置传感器, 4—力传感器, 5—电机支撑盘和6—底盘等组成, 如图2所示。
单自由度力反馈机械臂采用硬质铝加工而成, 有效长度为270 mm, 机械手臂的非弹性部分采用框架结构;伺服系统采用的是北京勇光高特微电机有限公司生产的LY系列稀土永磁直流力矩电动机 (型号110LY53) , 其主要指标如下:最大空载转速400 r/min, 峰值堵转时力矩大于等于2.45 N·m, 电压27 V, 电流3.08 A, 功率83.16 W;位置传感器是便于安装的滑动电阻器式角位置传感器。力传感器是北京鸿基点科技发展有限公司的BK5B型负荷传感器, 精度为0.1%。电机支承盘及底盘都是由铝加工而成, 从而减轻了整个系统的重量, 其中的支柱选用45钢。
2计算与显示设备
2.1碰撞检测
虚拟场景中两个或两个以上物体的碰撞检测是虚拟现实系统中经常遇到的一类问题。目前, 碰撞检测中最常用的方法是使用层次包围盒, 采用包围盒进行碰撞检测的最大好处是可以实现快速的碰撞检测。本文选用了计算量小、实时性高的AABB包围盒方法来解决肝脏和手术器械模型的碰撞检测计算。算法的核心思想如下:首先对模型中每个三角面片构造AABB包围盒, 然后采用自底相上的方式构造整个模型的包围树。最后对人体器官模型和手术器械模型的AABB包围盒进行碰撞检测, 以提取碰撞区域。再对重叠区域的进行检测并进行相交测试, 这样就可以计算出对象的碰撞位置。主要程序如下:
判断盒子是否相交, 如果相交则返回真
2.2有限元形变
2.2.1 有限元模型
有限元模型解算方法具有较好的可伸缩性, 即使用同样的网格, 可以很方便地控制计算地复杂程度和精度。但是, 有限元最大地问题时计算复杂度非常高, 尤其是当几何模型很精细时, 网格结点数非常高。为了达到虚拟手术所要求地实时交互性, 人们通常采用线性弹性理论与有限元结合起来, 通过求解线性弹性公式得到模型地全局变形。大量关于柔性体建模的研究极大的推动了计算机动画、外科手术仿真及其其它领域的进程。常用的柔性模型的建模的建立方法有:有限元法、边界元法、长单元法、质量弹簧模型等。
2.2.2 线弹性有限元模型[2]
有限元法被越来越多地应用到求解可变形体地变形问题。本文采用经典的有限元法, 将弹性体Ω分解为一定数量的小四面体Ωe, 这样线弹性模型的问题就分解成为由四面体单元组成的有限元问题。将弹性体受到的外力分解到每个四面体上fβ, 则平衡方程为:
0=∫Ωe∫BeT∫DBeTuedx-fβ (1)
其中D, Be是与弹性体的材质有关的常数, 式 (1) 可改写成:
Keue=fβ (2)
(2) 式中, 叫做单元刚度矩阵, Ve是四面体单元的体积。将四面体单元刚度矩阵整合候, 线弹性模型的问题就变成求解线性系统KU=F, 当弹性体的拓扑结构没有发生变化时, 弹性体中节点的位移U可由 (3) 式计算。
U=K-1F (3)
2.3力反馈模型
软组织通常表现出不均匀性、各向异性、准不可压缩性、非线性-塑性-粘弹性等材料性质, 近年来研究较多的软组织插针实验结果表明, 动物体软组织插针交互力具有非常明显的非线性。医用插针与器官组织的主要作用力还是惯性力、摩擦力和弹性力。当器械作用力方向与器官表面法向之间存在倾角时, 其受力为弹性力和表面摩擦力, 而当刺穿表面胶囊 (膜) 进入组织后受到的主要是摩擦力。文献[3]给出了实际活体实验受力数据, Barbe采用该数据并在文献[4]基础上研究得出了经实际活体实验受力曲线而拟和 (或辨识) 的动力学模型为:
(4)
(4) 式中:d0是针插猪肝的起始位置, 为一常数;d1是针刺破猪肝膜的位置。参数是与软组织机械特性有关的常数。经辨识结果如下:
[f0;a0;b0;d0]=[0.2;0.121;-0.098;
11.45],
[f1;a1;b1;d1]=[-3.39;-0.031;1.7;
19.65]。
2.4有限元仿真
选择SOLID92单元, 为有10个节点的三维实体模型, x, y, z三个方向的自由度。设置弹性模量Ex=2 000, 泊松系数为0.3。选择球形区域作为软组织的一部分, 对此区域进行网格划分, 取网格幅度为0.1, 划分之后的区域变为如图4所示。
约束条件为;对上述区域的左边施加全自由度限制的约束, 大小为0;施加外力:大小和方向固定的一集中作用力, 施加外力的位置为节点38, 方向为x轴负方向;显示形变模型如图5所示。
形变位移与施加外力得关系曲线如图6所示:施加得外力与动力学模型相一致, 仿真过程施加得作用力也分情况讨论。插针位移大小决定外力的方程的形式。在仿真前已经假定软组织为一线弹性模型, 得到得关系曲线也应为一线性分段曲线, 仿真结果与理论结果相一致。
(X轴为形变位移, Y轴为外加荷载)
3实验仿真
本实验系统采用的硬件为PC机 (PC2.66, 256M内存) , 软件:WINDOWS XP操作系统, OpenGL, VisualC++6.0, ansys8.0, 3Ds Max。利用建模软件3Ds Max和OpenGL进行虚拟设备建模和场景融合, 并且利用人体肝脏的线弹性有限元模型, 使用非线性力反馈模型仿真了软组织对手术器械的反馈力, 对其进行仿真。实验照片中左边为虚拟环境, 右边为力反馈装置。如图7所示。
4结论
虚拟手术仿真是培训医生的有效手段, 也是虚拟现实应用中较难的技术之一。本文设计了一套用于外科医生手术仿真训练的具有实时力反馈的虚拟手术仿真系统, 先根据碰撞点的位置将力作用在节点上, 计算整体位移后, 根据节点变形产生的反馈力反馈到手术器械上 (如针) 。无论在视觉还是在力觉上, 都能够使操作者体验到真实的感觉, 得到比较满意的结果。
摘要：设计了一套用于外科医生手术仿真训练的具有实时力反馈的虚拟手术仿真系统。阐述了反馈设备通过带有力/位置传感器的单自由度的机械手和电机控制电路实现实时模拟手术仿真的位置采集和力反馈功能。通过碰撞检测、非线性力反馈计算和软组织形变计算等算法实现逼真的视觉反馈功能。仿真实验表明该系统提供了实时的视觉反馈, 具有很强的真实感。
关键词：虚拟手术,力反馈,碰撞检测,有限元
参考文献
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