虚拟仿真技术的基本步骤篇1
关键词：虚拟仿真；砂型铸造；金工实习；机械制造技术
虚拟仿真技术是21世纪信息技术的代表，它的互动性和逼真性有望给传统教学方式带来革命性的升级[1-5]。教育部2018年4月18日印发了《教育信息化2.0行动计划》，明确提出加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设的智慧教育创新发展行动，其中示范性虚拟仿真实验教学项目是重要的载体[6]。目前，虚拟仿真技术在冶金教学方面已有不少成功引用的案例[7-9]。本文通过构建金属砂型铸造成形虚拟仿真实验平台，以交互式的虚拟三维模型，引导学生熟悉砂型铸造的步骤、工艺及质量分析等，以期探索虚拟仿真技术在金属成形实践教学中的应用方式，为教学模式的革新提供借鉴。
一、平台架构及操作
平台架构虚拟仿真实验平台采用Unity3D制作，平台架构如图1所示。置入不同模具（零件），学生根据所学知识选择浇铸系统与分型面，确定成形工艺，按照步骤执行，仿真最后铸件成形质量，反推成形工艺对成形质量的影响，总结出影响铸件质量的关键因素，生动、快速理解液态金属成形技术要点。虚拟仿真砂型铸造交互操作分为13个步骤：安放模具，用鼠标将所选零件放置于砂箱内；填砂紧实，通过控制铲子，将型砂填入砂箱，并用压头压实；修整，控制模板，将型砂抹平；翻转下砂箱，控制下砂箱，将其翻转；修整分型面，撒上分型砂；放置上砂箱，控制浇口棒放于合适的位置；填砂紧实，控制铲子，用型砂填满上砂箱；修整，控制模板修整；插通气孔，用针在合适位置布置通气孔；拔出浇口棒，并分开上下砂箱；起模，用针起模；修型，挖内浇道；合箱，将上下砂箱合上，开始浇筑。学生首先在模具库中选择要铸造的零件，每种零件对应有1种或多种成形工艺方案，选择完成后进入交互场景。场景中有上下箱体、铲子、刮刀、型砂、木板、模具等，学生用鼠标点击工具可进行拖动与操作，场景中有文字提示，可引导学生操作。主要面向机械设计制造及其自动化、车辆工程、机械电子工程、工业工程等机械类及近机械类专业的二、三年级本科生开设。在使用该虚拟仿真实验平台前，要求学生已经修习了机械制图、金属工艺学等课程内容，已经熟悉和掌握相关专业知识。
二、特色与创新
平台特色液态金属成形实验涉及高温金属，学生必须在充分掌握成形技术后方可实际操作，难以做到铸造零件的多样性，也难以做到浇铸系统和分型面选择的多样性。因此，本平台采用虚拟动画，选择不同零件，根据不同零件设置不同成形工艺，最终得出铸件，仿真铸件的质量，并进行质量分析，反推工艺参数的确定。软件经过编译后，可在个人电脑安装程序，对电脑配置要求较低，目前市面主流配置的电脑皆可流场运行。该教学方法的创新具体体现在以下三个方面。首先，实现理论课堂和实验教学的结合。采用所开发的虚拟仿真实验平台，在理论课堂可方便进行实验操作，打破了传统实验教学与理论课堂的脱节现象，实现了理论和实验教学的紧密结合。其次，实现课堂翻转，使学习的决定权从教师转移给学生。采用该虚拟仿真实验平台，学生可以在渲染的虚拟信息指导下进行实验操作，多样的互动性使学生迅速理解机构的工作原理和特性等，促使主动学习。第三，实现虚实融合互动的机构虚拟仿真实验教学。采用该虚拟仿真实验平台，可在真实的环境中通过交互操作来实现虚实融合的实验体验，克服了传统纯虚拟仿真实验教学存在的脱离实物、不能进行实践教学的现象，易使学生从被动的接受者转变为主动的学习者。完成实验步骤后，通过铸件质量的仿真及质量分析，提供铸件成形工艺的判断，可视化的评判，使学生更易发现问题所在。传统的实验教学提升了材料成形技术基础和金工实习中液态金属成形的教学效果，但仍然存在零件多样性差、工艺单一的问题。本项目在此基础上，借助虚拟仿真技术，通过虚实融合实现自然的人机交互，提供了更智慧化的学习环境，是对传统虚拟仿真实验教学的延伸。该虚拟仿真实验平台，提供多样化的零件及成形工艺，为学生提供了一个不受时间、空间限制的智慧化学习环境，并且实现了理论课堂和实验教学的结合，是对传统的实验教学的拓展。使用该辅助教学平台后，采用不记名问卷调查方式，统计学生主观评价。83.3%学生认为，该虚拟仿真实验平台有助于快速熟悉砂型铸造的工艺流程。75%学生认为通过平台的使用，加深了对金属铸造成形知识点的理解。87.5%学生认为该虚拟平台增加了学习的趣味性。66.7%学生认为用过平台的使用增加了对课程的和专业的热爱度。在意见或建议一栏，学生主要反馈模型数量偏少，操作流畅度需要进一步提升。从调研结果来看，虚拟仿真在金属铸造成形中有较好的应用效果，大部分学生对互动教学内容感兴趣，加深了对课程教学内容的理解，拓展了铸造知识面，有助于实习的顺利进行。调研结果表明，虚拟仿真技术在金属成型技术的教学中有较大的应用前景。随着模型库的扩展，本平台可逐步实现复杂零件的砂型铸造演示，并可向其它铸造工艺拓展。
三、结语
虚拟仿真技术的基本步骤篇2
关键词：虚拟装配；仿真；印刷机；VRp
中图分类号：tp391文献标识码：a文章编号：1009-3044（2013）33-7599-05
虚拟装配培训可以非常方便地解决现场教学中关于机械装配培训中的理论与实践问题，是增强现场教学和扩大培训效果的有效手段。目前国内的印刷高校科研人员或者企业工程师们也在探索着通过建造“虚拟样机”，真实地仿真其运动过程，目的是虚拟装配系统发现新设计产品在装配中的问题，并且可以迅速地分析比较多种设计方案，测试并改进装配工艺规程，直至达到最优化[1]。另外虚拟装配与培训的应用范围正在不断扩大，这些逐渐发展成为一个新的应用领域，开创了虚拟装配培训的新局面[2]。
目前我国的高校。在印刷机机械装配的仿真方面的研究正在探索阶段，因此本文将就数码印刷机的外部装配过程为例，以VR-platform（VirtualRealityplatform，简称VRp）为主要的开发工具，就装配流程系统的设计与实现上进行阐述。
1基于VR-platform的仿真交互平台
仿真交互平台的开发方面，国内外主要使用的虚拟现实软件主要有Vega，Quest3D，Virtools，VRp，Converse3D等[3]。目前我国虚拟现实领域，市场占有率最高的一款虚拟现实软件是VRp，它是一款由中视典独立开发的一款虚拟现实软件，所包含的平台如图1所示分为八个方面。该虚拟现实软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。
VRp可广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真等方面，其中工业仿真平台集工业逻辑仿真，三维可视化虚拟表现，虚拟外设交互等功能于一体。
VRp目前支持支持多种工业数据格式，支持mayapro/e，Catia，Solidworks工业软件导入到VRp中进行编辑，以及Dassalt系统的3DXmL文件[4]。VRp全新的UCoS（即用户User、相机Camera、对象object、场景Scene）体系构架，而且软件内部所有的技术原理和实现方法是透明的，制作过程不需要程序员参与，减少了二次开发的时间。
另外其虚拟装配系统可以实现自定义支持多种装配方法；支持实时调整设计装配方案；参数编辑与3D装配模型变化同步可视化；自定义虚拟装配仿真动画；支持宏观装配规划，分步设计装配；可视化验证装配流程，优化装配工艺[5]。
2虚拟装配
虚拟装配结合了众多技术如可视化、仿真、决策理论、装配与制造过程和装配/制造开发等的综合，这些技术的有机地协调统一，促进了虚拟装配方面在我国工业界逐步走向成熟。虚拟装配技术是一种全新的装配工艺规划方法，它可以在不利用物理模型的条件下，对产品进行装配工艺规划并和装配过程仿真，并能有效的将装配工艺规划过程与装配过程仿真结合起来，为装配工艺设计人员提供一个可见、可触和逼真的虚拟装配环境，该文中虚拟装配系统所包含的内容如图2所示[6]。
3数码印刷机装配系统
3.1虚拟装配平台制作流程
虚拟装配展示系统可以化为五个核心部分，分别是印刷机外部构造的安装动画，印刷机组件安装步骤，外观展示，零件列表和现实照片，本实验以数码印刷机富士施乐DocuColor5065，该机器的虚拟装配仿真设计流程如下图3所示[7]。
3.23ds-max模型的建立与优化
整个三维模型创建的目的是集机械设计、模具设计、组装过程设计等功能于一体；任意角度对模型进行镜像、旋转、缩放和平移等操作；内嵌高效渲染引擎；任意角度，实时3D显示。
整个系统模型的实验与制作过程主要是通过建模软件3ds-max实现，首先将外部设备分成下图7个部分，如图4所示，①为输出接收盘部分，②为装订部分，③为底部纸柜部分，④为侧方纸柜部分，⑤为印刷成像部分，⑥为图文扫描部分，⑦为控制面板部分，如图4所示为该机器的三维引用效果图，各部分需要在建模软件3ds-max中分步实现[7]。在VRp中，主要是体现的是虚拟装配系统的如下特征，如图5所示，主要分成如下几个方面：
另外在模型建立和导入到VRp中得到的结论如下：
1）在建模过程中需要删除看不见的线和面，这样有利于减少模型在设备的占据容量，加快后期运算速率，模型的三角网格面尽量为等边三角形，不要出现长条型8]。
2）在表现细长条的物体时，尽量不用模型而用贴图的方式表现，重新制作简模比改精模的效率更高。
3）模型的数量不要太多，可以通过两种方法进行调整，首先是调整物体贴图坐标，即先给物体赋一张合适的贴图，并独立调整好每个物体的贴图坐标，方法二是通过attach（合并）命令精简模型个数，即将模型转换成editmesh，然后通过将鼠标放在模型上右击，选择attach（合并）命令，最后通过鼠标单击其他相同材质的物体，单击后的物体就被合并到了一起[8]。
4）合理分布模型的密度，相同材质的模型，远距离的不要合并，保持模型面与面之间的距离，用面片表现复杂造型.
3.3VRp交互实现与
3.3.1刚体动画与相机切换
VRp支持3dsmax中的“路径动画”、“精确的参数关键帧动画”、“刚体动画”等机械拆装的过程都包含动画表现，动画部分可以在3ds-max中制作，也可以在VRp中实现。该文的虚拟装配过程的动态过程就是在3ds-max中以刚体动画的形式制作的。
VRp的脚本可进行场景的交互设置，主要体现在多次使用变量，切换不同步骤，播放刚体动画和时间轴动画等方面。主要的制作步骤如图6所示：
3.3.2主页面与脚本交互运用
1）初始化变量设置
在整个脚本的运行中，需要对多个部分进行初始化的变量设置，整个制作过程中，需要进行的初始化脚本输入内容如下图7所示：
2）安装按钮脚本
脚本输入内容如下图，其中需要使用二次变量，即二次单击事件，如图8所示，图中的参数中“1”表示显示，“0”表示隐藏，下列代码的现实效果是单击一次显示【步骤一】与“atX箭头”控件，再次单击就将二者隐藏。
3）拆装步骤脚本
由于整个动画过程中拆装步骤分成七个部分，因此需要添加多次变量，添加变量递增脚本，实现多次单击事件，具体内容如如图9所示，其中的，，为播放动画的具体的某一帧。其六个步骤，以此类推，继续添加脚本。
3.3.3项目格式
最后，在VRp中可以成两种格式，编译独立执行exe文件，主要用于pC机端浏览使用，还有就是输出为可的VRpie文件，可便于将各模块的内容，整合在网站系统上，方便学习者便捷，快速的学习系统内容。最终的启动界面如图10所示：
4结果与讨论
整个装配系统的设计与实现过程中，主要体现的是设备操作，组装流程，设备外观，组件识别等内容。整个装配系统中各个组件的建模是整个虚拟装配系统建立的基础，整个系统在实现的过程中总结结论如下：
1）模型在在导入VRp中，材质类型可以是advancedLighting、architecturd、Lightscapemtl、Standard。需要给定基本贴图：Diffuse（漫反射）通道上添加一张基本的纹理贴图，Diffuse（漫反射）通道上没有添加纹理贴图的话，也只能将该物体烘焙为Completemap[8]。
2）刚体动画的导入过程中需要特别注意：将制作好的刚体动画模型添加到一个aBC组中，同时该aBC组命名为“VRp_rigid”。
3）利用VRp中的activeX插件，可以嵌入所有支持activeX的软件中，通过多媒体软件进行包装，成为多种元素为一体的多媒体应用程序。此文中VRp的场景文件可以不加修改，直接嵌入ie，通过插件实现web3D的功能。此外，对于Director、authoware等各种多媒体软件，VRp场景文件也可以嵌入。
另外，VRp种可基于脚本方式，用户可以通过使用命令，来实现对VRp系统最基本的控制。同时，针对部分的使用者，VRp也可以提供SDK（C++源码级的），使用者可以在此该软件的基础上进行自己所需要的高效仿真软件[9]，此方面的研究还需进一步扩展。
总之，VRp与3ds-max无缝集成，通过3ds-max建模与VRp的交互制作，可以达到预期的展示效果，，对今后印刷机虚拟装配方面，和其操作系统设计与仿真的完善方面，将会奠定一定的基础。
参考文献：
[1]贺兵.基于虚拟样机技术的包装机械系统仿真研究[J].包装工程，2008，29（2）：47-49.
[2]张晓桂，高波.基于Solidworks二次开发的印刷机虚拟装配技术[J].包装工程，2007，28（11）：86-94.
[3]陆凯，虚拟校园三维场景表现方法与实现[D].石家庄：河北师范大学，2011.
[4]邢宝艳，张少龙.基于3D和VRp技术的滑模仿真系统设计与应用[J].电脑知识与技术，2010，6（33）：9638-9640.
[5]Shu-KamChow，Kwok-LeungChan；Reconstructionofphotorealistic3Dmodelofceramicartefactsforinteractivevirtualexhibition[J].2009，10（2）：161-173.
[6]桑小冲.基于wtK虚拟现实平台的装配规划与仿真技术的研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[7]司占军，李煜.基于Virtools的虚拟印刷流程展示平台的设计与研究[J].包装工程，2013，34（7）：101-104.
虚拟仿真技术的基本步骤篇3
关键词计算机仿真技术网络技术医学机能实验应用
一、计算机仿真技术和网络技术相结合是实现医学机能实验的关键技术
与传统医学机能实验手段相比，利用计算机仿真技术和网络技术相结合的医学机能虚拟实验具有实验内容的丰富性、实验过程的完整性和实验结果的及时性、直观性。由于模拟仿真医学机能实验无需相关实验器具，无需实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果，可以作为机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用，对学生而言，则起到对所学知识的理解和强化作用。
（一）计算机仿真技术的发展为医学机能仿真实验提供了必要的技术条件
（1）仿真技术：仿真就是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。我们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助我们对现实中的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。
（2）传统的仿真方法：是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
（3）计算机仿真技术：即是利用计算机进行仿真实验，也称为仿真机。从70年代末起，应用大规模集成电路计算机的发展，各种专用和通用仿真机得到极大普及和推广。随着计算机技术的迅猛发展，人们在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上，设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机，在一些特定的仿真领域内，这种智能仿真计算机机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的成果。
（4）计算机仿真系统构成：为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。
（5）医学机能虚拟实验（仿真系统）：随着现代医学的不断发展，对医学工作者提出了更高的要求，即不但要掌握人类已知医学领域的医学知识，也要具备解决未知医学问题的能力，即创新能力和科学实验的能力，而实验学科在医学学生能力培养中起着至关重要的作用。现代机能实验学把生理学、病理生理学和药理学实验有机的融合在一起，成为一门独立实验学科。医学机能实验课程以活体为主要实验对象，以正常生理功能——疾病生理——药物作用为主线，把机体的不同功能变化通过实验设计有机的联系起来。医学机能实验中，部分实验具有操作难度大、实验具有一定危险性，实验成本高等问题。譬如：医学机能学中研究药物对动物记忆的影响、安定的抗惊厥作用、杜冷丁的镇痛作用、神经体液因素及药物对心血管活动的影响、药物急性毒性实验、药物半衰期的测定等实验就存在一定的危险性，实验操作难度大等问题。我们利用计算机仿真技术，则可以在很大程度上解决目前医学机能实验中所面临的这些困难，并取得良好的教学实验效果。由于模拟仿真实验无需相关实验器具，无需复杂的实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果，因此医学机能虚拟实验与传统医学机能实验有机整合，既丰富了实验教学手段，又提升了教学质量，有助于培养学生的实践操作能力、创新精神和科研兴趣。
（二）网络技术的飞速发展为计算机仿真技术在医学机能中的应用提供了广阔前景
（1）网络技术：网络技术是从上世纪六十年代末美国国防部远景研究规划局为军事实验用而建立的网络，名为aRpanet，八十年代初期aRpa和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的tCp/ip协议（网际传输控制协议），并投入使用；1986年在美国国会科学基金会的支持下，用通信线路把分布在各地的一些超级计算机连接起来，以nFSnet接替aRpanet；进而又经历十几年的发展形成internet（互联网）。其应用范围也由最早的军事、国防机构，拓展到科研教育机构，进而迅速覆盖了全球的各个领域。网络把分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使我们能够透明地使用资源并按需获取信息。网络可以构造全球性和区域性的网络，有广域网、城际网、企业内部局域网等。网络的根本特征就是实现资源共享，消除信息孤岛。
（2）网络的关键技术：网络结点、宽带网络系统、资源管理和任务调度工具、应用层的可视化工具。网络结点是网络计算资源的提供者，包括高端服务器、集群系统、mpp系统大型存储设备、数据库等。宽带网络系统是在网络计算环境中，提供高性能通信的必要手段。资源管理和任务调度工具用来解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调度，提高系统的运行效率。网络计算主要是科学计算，它往往伴随着海量数据。如果把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难。这需要开发能在网络计算中传输和读取，并提供友好用户界面的可视化工具。
（3）网络技术在医学机能虚拟实验中的运用：实验设备功能雷同的实验室，造成了实验场地、仪器设备、实验技术人员等教学资源的极大浪费。而通过网络技术将医学机能虚拟实验机联网组成医学机能虚拟实验室，既实现医学机能信息资源的共享，同时也大大降低了实验成本。教师利用网络技术可以方便地为一个班或几个班的学生演示和操作医学机能实验，大大提高了教学效率，而学生同样可以利用网络中的医学机能虚拟实验机跟随教师的演示进行实验操作，对提升学习效果也有一定的帮助。
二、计算机仿真技术和网络技术在医学机能虚拟实验中的应用
（1）医学机能虚拟实验系统是采用计算机虚拟仿真与网络技术相结合，运用服务器和客户端的构架模式，涵盖了目前大部分医学机能学实验而建立的模拟仿真系统。包括生理实验项目、药理实验项目、病理实验项目、人体实验项目以及综合实验项目等。随着医学机能仿真技术的发展，利用计算机技术和网络技术也便于对医学机能虚拟系统进行扩充和升级，这样可确保医学机能虚拟实验系统的长期生命力。
（2）医学机能虚拟实验均应包括该机能实验的总体介绍、原理、相关实验录像、模拟实验过程、仿真实验操作等部分。全方位介绍了整个实验，既注重整体，也着眼于细节，便于学生对实验操作的充分理解和掌握。譬如利用血压波形的核心模拟算法，对每一个波形的模拟都如此逼真，比如血压模拟，不仅模拟出每个血压波形的细节：收缩期、舒张期、心房波等，而且连二级呼吸波也进行了逼真的模拟。并且将刺激强度与反应的关系，刺激频率与反应关系等实验波形和肌肉收缩图形同步反映。为学生进一步理解和掌握书本知识提供有益的帮助，大大提高学生的实践操作能力。
（3）由于采用客户/服务器的体系结构，并通过网络将医学机能虚拟实验机连接在一起组成医学机能实验室，并在校园网范围内进行教学和实验，既方便教师教学，又方便学生的实验操作，最大限度地合理使用学校有限的教学资源。以我校的实际应用为例：首先我们将医学机能虚拟实验系统安装到教室里的教学用机上，教师可以在进行医学机能学方面教学时，通过学校的校园网络在任何一间教室都能很方便地使用医学机能虚拟实验中的资源和信息，极大地提升了医学机能学的教学效果，也充分激发了学生的学习积极性。同时我们在学校计算机机房内集中安装组成医学机能虚拟实验室，学生可以在教师的指导下进行医学机能虚拟实验操作，通过虚拟实验，将一些平时不具备实际操作条件的医学机能实验过程完整地展示给学生，不仅能加深学生对医学机能学知识的认识和掌握，更能在一定程度上提高学生的实践操作能力。
三、医学机能虚拟实验在卫生职业学校实验教学中的前景展望
（1）由于医学机能虚拟实验无需实验动物，无需实验准备即可帮助学生理解实验的操作步骤以及实验效果，可以作为医学机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用，对学生而言，则起到加强知识的理解和强化作用。
（2）通过医学机能虚拟实验系统对医学机能学的背景知识、实验设备的用途、原理和操作进行大量的介绍，既开阔了学生的视野，又为学生进行探索性实验以及自主性设计实验提供了新的科学指导。
（3）医学机能虚拟实验还可以对相关医学知识进行模拟介绍，譬如信号采集的原理和性能指标，传感器原理及各种传感器介绍，试验试剂的配置，手术器械的介绍等。极大地丰富了学生的知识面，对他们今后的学习工作都起到很好的帮助作用。这也是我们传统医学机能实验由于受实验场地、实验仪器、实验经费等的局限所不能实现的。
参考文献：
[1]赫培峰等.《计算机仿真技术》.机械工业出版社
虚拟仿真技术的基本步骤篇4
“桥梁施工技术”是路桥专业学习中的一门重要专业课程，在以往的教学中，因为受到教学条件和教学资源的限制，传统教学方法不能够满足这门课程的教学需求。这门课程的特点是实践性强，需在教学期间设置实训课程，加强对学生实践及创新能力的训练。但是，由于场地、设备有限，校内难以提供学生综合实践的场所，随着信息技术教学手段的发展，虚拟仿真为教学双方提供了很好的平台，突破了时空界限，实现了虚实结合、相互补充。虚拟仿真具有模拟性、低能耗、低投入、易共享等特点，能有效弥补传统教学的不足，使教学内容更加丰富完整，大大方便了学生的学习交流，也激发了学生主动学习的热情，提高了学生学习的兴趣。
1虚拟仿真教学软件的开发思路
在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真实训软件的开发中，我们必须弥补传统教学方法的不足，最大限度地发挥虚拟仿真的优势，这样才能最大限度地提高教学质量和教学效果，激发学生的学习兴趣，所以，在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真软件的开发中，我们要弥补传统教学资源和教学场地的不足，掌握相关实训技能。为解决教学资源的限制造成日常教学中无法进行计划内的实践教学这一问题，开发该软件旨在提供一个虚拟教学平台，从而摆脱资源、时间、空间的限制，便于学生学习和使用。
“桥梁施工技术”是一门实践性比较强的专业课程，虚拟仿真教学要与传统实践环节相结合，提供基于信息技术的新型实践环境。虚拟仿真课程体系主要包括演示性和人机交互式两种类型。
第一，演示性教学。按照课程学习大纲的要求，制作相应的工程图片、文字、动画和施工视频，方便学生进行学习，同时，了解和掌握相关桥梁施工技术的操作步骤。
第二，人机交互教学。开发相关的人机交互模拟软件程序，满足学生模拟实际情况的需求，给他们提供动手操作的机会，最后由系统记录其操作并自动生成成绩考核；教师可以根据课程教学的需要，给学生指定实训题目，由学生自行设计，最后提交电子成果。
我们通过基于虚拟平台系统的建设，为学生们提供一种基于信息技术的新型实践环境。在这种虚拟仿真的教学中，学生可以不用四处走访工地，更加安全地了解更多各类工程的实例，增加对桥梁工程施工的认识，虚拟仿真课程实训可以更贴近实际工作环境，使得教学实践?c社会需求更加一致，避免教学与社会需求脱节。
2虚拟仿真教学的开发过程
2.1实训内容虚拟化
按照高职院校学生就业岗位的职业技能要求，通过虚拟仿真技术实现仿真实训教学，建设虚拟化、立体化、结构化展示专业机具设备及工程案例、工程项目施工流程工艺，实现学生游走在三维的虚拟空间中，通过趣味性的操作技能，让教学知识点深入浅出地被学生掌握，更好地培养学生的职业能力，增强岗位核心竞争力。
2.2教学方式多样化
虚拟仿真教学打破了现实空间、时间、环境、资金等客观因素的限制，为教师提供了课程设置、任务设置、考核方式设置等多种功能，使教师能够轻松安排教学中所需的课程、任务和考核评价，并可以将施工企业的新材料、新技能、新工艺等知识及时录入系统，使教学内容始终保持与企业同步。同时，通过系统的任务设置、自动考核、数据自动分析等功能，让教师在第一时间得到学生技能掌握情况的信息反馈，更好地调整教学重点与教学方式，提升教师实践教学效率。
2.3实训建设专项化
通过虚拟仿真和最先进的计算机软件技术建设桥梁施工的虚拟仿真教学资源，让每个课程都能够实现实践操作。同时，信息化实践教学课程的率先开展，实现了课程创新并完成了认证注册，有效提升了专业课程的质量。
3桥梁施工虚拟仿真教学的具体开发过程
第一，通过问卷调查，询问已毕业踏上工作岗位的学生桥梁传统教学中有哪些优缺点，从而确定虚拟仿真实训教学需要重点关注哪些知识和能力，梳理出典型的工作任务，归纳出典型的实训项目，确定相应的资源模块。
第二，经过比较，选定典型的施工图纸和桥梁专项施工方案，以此为基础建立虚拟仿真实训的分项项目任务。如图1所示。
第三，桥梁施工仿真教学系统根据行业典型案例，以虚拟仿真形式整体呈现涉及施工的所有知识点。避免传统教学中工程建造空间与时间问题，实现全面一体的课堂教学呈现。软件应遵循分项工程――施工流程――操作步骤的任务表达方式，进入单个任务模块进行学习操作时，操作任务本身需以某个案例工程为依托，结合标准的现场施工工艺流程，以具体化施工步骤的方式，通过调取系统为当前任务配置施工机具、材料的工具，最终完成该项施工操作任务体验。开发软件可以具备教学模式、学习模式、考核模式三种操作模式，教师可以进入“授课模式”进行教学，教学系统实操过程中有声音文字提示；学生可进入“学习模式”“考核模式”进行自主学习和参加考试。进入考核模式时，操作过程中无声音文字提示，并有完成操作计时的功能，同时，对学习考试结果进行分数统计及错题分析，以满足多样化教学应用的需求，如图2所示。
虚拟仿真技术的基本步骤篇5
关键词：气源设备；虚拟维修系统；功能模块；评估系统
中图分类号：tp319文献标识码：a文章编号：1672-545X（2015）11-0243-03
作者简介：周弘扬（1991-），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：机载武器系统与运用工程；戴革林（1966-），男，江苏泰州人，博士，教授，研究方向：机载武器系统与运用工程；王为奎（1962-），男，江苏徐州人，硕士，副教授。研究方向：指挥控制自动化
空导弹气源设备目前存在型号多、功能单一、配套器材多、维修保障困难，严重影响机动转场与快速敏捷保障的问题，而且军械系统自身不具备现场维修能力，不能满足在野战条件以及各种复杂环境下的气源保障需要。为此专门研究设计了气源保障设备虚拟维修系统，其目的是为使受训人员能够在虚拟的环境中，通过计算机交互的方式实现对气源设备模型的虚拟维修训练，并能给用户提供相应的维修数据和过程指导。因此系统应具备以下功能：
（1）教学功能。能够指导受训人员进行理论学习和快速查阅相关信息，使受训者掌握基本理论和基本知识。主要通过电子教材、图片、视频和动画等资源面向受训人员进行教学；
（2）训练功能。能够在虚拟环境中实现虚拟场景识别、辅助设备使用操作、维修训练、维修工具的选择和使用等功能，使受训者掌握其基本技能；
（3）评估功能。能够针对不同层次、不同对象进行理论和操作考核，通过理论知识考核和操作训练考核对考生的学习训练效果进行检验。
1系统硬件结构与模块组成
1.1硬件结构
目前基于pC的虚拟现实系统通常为非沉浸式，它们通常具有高性能图形加速器和多条图形输出通道。在系统硬件构成通常除了基本的pC电脑外还有：
（1）三维位置跟踪器。3D跟踪器是指虚拟场景变化依赖于跟踪器的跟新频率，是一项传感技术。
（2）力反馈手套。力学反馈起始于机器人领域，提供了一种虚拟手控技术，用户自然感觉到触觉和力量模拟反馈。
（3）压力反馈系统。有些虚拟环境系统要求下在虚拟物被抓取时，有真正的力量反馈，即力量反馈操纵杆。（4）头盔显示器。在头盔上装上位置跟踪器，可实时测出头部的位置与方向，并输入计算机，计算机根据这些数据会形成图像反馈到头盔显示器上。
1.2模块组成
根据以上系统具有的硬件结构分析，该系统可分为虚拟维修场景模块、维修过程仿真模块、人机交互模块、故障模拟模块和训练任务管理模块：
（1）虚拟维修场景模块，为受训者提供气源设备的虚拟维修仿真环境。它包括虚拟维修样机、虚拟维修工具和虚拟维修环境。主要是建立如图1所示具有装备几何、外观以及拆卸等动作的虚拟维修样机模型和具有拆卸动作的维修工具。
（2）维修过程仿真模块。主要包括维修过程描述、维修过程仿真方法及基本维修作业仿真。维修过程描述是以文字、图等表达方式对整个故障排除过程的描述，以指导维修过程仿真实现。对整个维修过程进行分解，可得基本维修作业序列。按时序运行基本维修作业模型则可完成整个维修过程仿真。基本维修作业按照其种类划分可分为拆卸、装配、检测、更换/修复、功能动作5种类型；
（3）人机交互模块。桌面式虚拟维修训练系统人机交互主要通过鼠标、键盘等标准外设，利用USB总线技术，经仿真应用程序接口采集交互设备输出的数据，最后在仿真应用程序中进行数据处理；
（4）故障模拟模块。它是根据受训者所要面对的故障难题所设置的模拟模块，结合故障规则知识库给出相应的故障部件以及故障原因，通过3D图像的方式来反应问题，模拟出设备所有的故障现象。
（5）任务管理模块。基层一级，官兵有着不同的文化层次和不同的业务熟练程度，系统为解决不重复训练的问题，设立任务管理模块，根据用户层次差别，训练不同难度的维修问题。
2系统逻辑构成
根据系统实现的功能和组成，系统的逻辑结构将设计成。系统需要3个方面的支持，主要为维修模型库（零件库，模型库，型号库），维修数据库（故障库，维修方案，专家评估）和虚拟维修仿真系统。其中最主要的模块为虚拟维修人员成绩评估系统模块，其由定性分析与评价、拆卸时间估算、操作修改建议提出、分析评价报告生成组成，主要功能有：获取仿真检侧得到的故障数据，进行故障分析及故障的等级评价；提出操作修改建议并保存分析评价结果；根据障碍的分析评价结果进行拆卸时间的估算以及维修性评估，从维修动作、维修作业及维修任务二个层次进行评估，保存评估结果并生成分析评价报告。其评价报告内容包括:任务名称、操作人员、审核人员、操作日期、任务注释；步骤编号、步骤名称、工具、故障原因；作业名称、操作时间、操作评价、评价等级等项。
（1）任务名称，一般固定为气源设备维修：操作人员为系统认可事先存入电脑的基层部队操作人员，一旦有非法用户尝试登陆将自动关机，起到保密作用；审核人员为机关或有一定评审资格的专家教授；操作日期自动形成：为当日操作时间；任务注释即提醒人员此为基层级操作，有操作范围；
（2）步骤编号：为实现操作的精细化，将所有步骤进行编号同时对应相应的步骤名称；工具显示为操作人员根据情况所选的专用工具，错误则不显示且扣相应时间，故障原因为导弹检测仪检测出的问题；
（3）作业名称是具体到某一小步骤并以记录时间；操作评价即针对在虚拟维修操作时出现的错误进行点明，等级分为a、b、c、d三级：a级（85-100）为优秀，可进行实操练习，b级（75-85）为良好，基本理论已掌握，c级（60-75）为合格，但建议重新学习，d级（60以下）为差，必须重新学习，并且存档，下次必须达到b级以上才可通过。其中训练成绩评定是以标准参考数据库为基础，标准参考数据库中存储了导弹检测的主要内容及它们所占的分数值。在模拟训练过程中，每当用户完成一个训练内容，系统自动在总分上增加该内容所占的分数值，否则不计分。用户每完成一个步骤的操作，计算机自动采集并计算，将每一个步骤操作对应的成绩加到总分里面，总分满分为100分，同时每项任务有对应时间，超过时间会按百分比折算成分数扣除。当训练结束，系统将会把总分反馈给用户，用以检查用户训练过程是否有遗漏或错误的操作，从而实现训练成绩的评定。
3结束语
根据气源设备虚拟维修训练需求及相关军标规定，进行了桌面式虚拟维修训练系统的设计研究，首先分析了系统的主要功能，然后根据系统功能分别介绍了系统的组成、系统的逻辑结构，提出维修四要素（维修要素：维修人员；维修工具、设备与设施；维修作业过程信息），对维修过程评估信息进行分析，采用知识库模式集成，实现虚拟维修。
参考文献：
[1]杨炎，蒋科艺，李本威，等.虚拟维修仿真的研究进展[J].海军航空工程学院学报，2009，24（4）：24-25.
[2]马亮.武器装备虚拟维修训练系统的设计研究[J].电子工程，2010，1：133-136.
[3]解璞，郭英耳.基于虚拟维修的场景图研究[J].航空维修与工程，2006，3：41-43.
[4]崔凯旋，石全，张文宇，等.云理论在装备保障训练效果评估中的应用[J].火力与指挥控制，2013，38（3）：108-111.
虚拟仿真技术的基本步骤篇6
【关键词】电工电子技术；multisim；教学
随着现代计算机技术、虚拟仿真技术的迅速发展，对各行各业的进步产生了深远的影响，对教育领域的影响也越来越大。就电工电子技术课程而言，利用虚拟仿真软件来实验教学能有效的提高实验效率，在教学中得到了广泛的应用，取得了很好的教学效果。
一、基于仿真软件multisim的实验教学的必要性
电工电子技术课程是一门理论联系实践紧密的课程，课程教学离不开实验。但是，往往实验设备和实验场地达不到要求，使得课程实验无法全部开出。而且目前来看，实验室传统仪器在实验教学中存在一些不足，主要表现在：
（1）功能相对单一。现代测控技术要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之问能够互通信息，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至不可能实现。
（2）利用率相对偏低。对复杂的被测系统，面对各厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多，这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。
（3）操作复杂容易损坏。实验项目要求学生能举一反三，总结规律，在传统仪器中往往要重复测量，且调试过程中极易出现硬件损坏，造成人力、物质的浪费。
基于以上原因，仿真软件越来越多地在实验教学中得以应用。其中multisim由于功能强大，交互性好得到广泛的应用。
二、multisim软件应用于实验教学的优势
首先，multisim本身具有优势。该软件不仅提供了电路的多种仿真分析方法，如交、直流扫描分析，参数扫描分析，交流频率特性分析，瞬态分析，等等，而且也提供了多种虚拟仪表和仪器，如：直流电压表、电流表、数字万用表、函数信号发生器、功率表、逻辑分析仪和逻辑转换仪等。实验过程中能观测到一些连续变化的波形和参数。它提供了模拟和数字电路的虚拟实验环境。软件具有和真实环境一样的可视化界面，含有丰富的电子元件模型，能根据用户需要自选扩充器件库，实验所得结果与实际调试结果十分接近。
其次，multisim应用于实验教学的优势。利用multisim软件进行电路的仿真测试，不仅可以提高实验效率，而且在教学中可以方便、直观的进行实验和演示各种电子电路的工作原理。比如，理论课教学中难以讲清的重点和难点问题，可以通过验证性虚拟实验来进行演示，提高课堂的生动性和趣味性。其二，利用该软件可以检查学生实验能力，比如，可以在仿真电路上进行故障的设置，让学生进行故障排除，借以锻炼学生的动手操作能力。再有，利用该软件可以进行实验。还有一个真实实验无法比拟的重要作用，就是可以进行破坏性实验，而不用担心造成危险和物资的浪费。
三、multisim仿真软件在实验教学中的典型应用
目前，利用multisim进行实验教学，比较典型的应用是与实物实验相结合。这样做的好处是可以大大节省电路的调试时间，同时可以用实物实验的结果来验证虚拟实验的正确性。应用的步骤是：
1.根据实验电路原理图创建虚拟实验电路
在multisim界面上，根据实验内容从部件箱中选择所需元件，用鼠标拖放在软件工作区，将元件按实验电路的布局进行放置。从仪器架上将要用到的仪器拖放到工作区，用导线将仪器与电路相连，并对它们的参数进行合理的设置。
2.闭合仿真开关，进行仿真实验
闭合仿真开关，就可对电路进行仿真。双击所要观察的仿真仪器，即可观察电路某点的波形或参数。如测量结果达不到实验要求或者实验目的，可以通过进一步的调整电路的参数进行调试，直至达到实验要求。
3.根据虚拟实验电路的参数搭接实物电路，进行调整测试
由于已经有了虚拟实验的结果作为支撑，实物实验电路元件的相关参数以虚拟实验电路的元件参数为准。学生可以比较迅速的完成实物实验。并将实验结果与虚拟实验结果进行比较，加强对实验的理性认识。
4.按照实验要求，完成实验报告
根据实验要求，对实验步骤、实验结果、实验数据等进行梳理、总结、分析，写出实验报告。
四、基于multisim仿真软件的实验教学所需的主要保障条件
1.编写实物实验与虚拟实验相结合的实验教材
与传统的实物实验一样，利用multisim软件进行虚拟实验也应该具有实验目的、实验原理、实验步骤等基本要求，因此要想很好的发挥虚拟实验的教学功能，也必须要有合适的教材。教材内容应该是虚拟实验与实物实验相结合，既充分发挥虚拟实验和实物实验各自的优势，又能使得两种实验的实验结果相互支撑，提高实验结果的可信度。
2.适当增加学习multisim软件使用的学时
学会并熟练操作multisim软件需要一定的时间，这就要求在电工电子技术实验课程中增加额外的学时。
3.实验室配备必要的电脑
使用软件进行实验，需要实验室配备必要的电脑。比较流行的配备方式是构建一体化实验室。该实验室在每个实验台上都配备一台电脑，学员在实验台位上既能做实物实验也能做虚拟实验，实现虚拟实验和实物实验的统一。另外就是建设eDa实验室，学员在该实验室完成虚拟实验后再进行实物实验。
参考文献
[1]王艳新.电工电子技术教学改革的研究与实践[J].教育研究，2007（1）：33-35.
虚拟仿真技术的基本步骤篇7
关键词：3D实景漫游技术变电站培训3D实景漫游平台
中图分类号：tp3文献标识码：a文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0126-01
1发展和现状
近些年来国内电力企业多利用变电站模拟仿真培训系统对变电站值班员进行培训。这种仿真培训系统的的应用，解决了因真实变电站现场设备不可随意操作带来的工作人员培训不便的难题。培训仿真系统以变电站为原型，测量变电站的各项场景数据和设备数据，通过几何建模和模型导入技术，利用造型软件（如3DSStudio，autoCaD等）人工搭建3D模型，建立场景和仿真设备。营造出于与真实变电站主控室相似的环境，使受训人员尽可能达到类似于在变电站现场工作的感觉，但是这种仿真培训系统需要耗费大量人力和时间去测量现场、建立模型，工作量很大，成本也很高；另外还涉及到定位、数字化结构平面、转换现存CaD数据，对计算机的运行处理能力和存储能力要求较高；其中漫游场景是由人工建模而成，然后由计算机根据一定的光照模型绘制，色彩层次没有真实场景丰富，且带有明显的美工痕迹，不能逼真地再现真实场景，真实感不强。
基于以上情况，本文研究的变电站3D实景培训平台则是就是基于虚拟实景（境）技术的一种虚拟漫游技术，而这种技术又是通过基于图像的绘制技术设计和实现的（也称基于图像的虚拟场景漫游技术）。
2变电站3D实景培训平台的实现
2.13D实景漫游技术的原理
3D全景漫游技术的重要技术组成部分是基于静态图像的虚拟现实技术，原理是将相机环360°拍摄一组照片拼接成一个全景图像，并用一个专用的播放软件在互联网上显示，让使用者能用鼠标控制环视的方向，可左可右、可近可远观看物体或场景。3D全景技术是一种桌面虚拟现实技术，并不是真正意义上的3D图形技术。3D全景技术具有以下几个特点：一是实地拍摄，有照片级的真实感，是真实场景的3D展现；二是有一定的交互性，用户可以通过鼠标选择自己的视角，任意放大和缩小，如亲临现场般环视、俯瞰和仰视；三是不需要单独下载插件，一个小小的java程序，自动下载后就可以在网上观看全景照片，或者使用quicktime播放器直接观看。并且，全景图片文件采用先进的图像压缩与还原算法，文件较小，一般只有100～150k，利于网络传输。
3D实景漫游技术主要依靠Silverlight渲染技术实现3D实景漫游平台的构建。Silverlight渲染技术是近年来兴起的一种倍受关注的场景建模和绘制技术，也是目前虚拟场景漫游领域中的主流技术，原理是基于球形环境映射原理（Sphericalenvironmentmapping）。球形环境映射是模拟在球体表面产生环境映射的技术，通过对普通贴图的UV坐标进行调整计算来产生在球体表面应产生的扭曲。UV的计算利用球体表面的法线来计算。计算公式如下：u=nx/2+0.5v=ny/2+0.5。计算公式中的nx和ny是表面法线的x和y分量，除以2将区间限制在[-0.5，0.5]，+0.5将区间调整至UV坐标应在的[0，1]区间。在这个公式的计算下，当球体正中表面法线正对摄像机的地方，坐标不会有任何扭曲；周围点依次随着nx和ny分量的增大而产生扭曲。而球体背面的剔除面可以根据法线Z分量的正负来判断。因此这种技术实现主要通过将一张带有周围环境的贴图进行扭曲渲染，将其进行球形扭曲化以达到模拟现实的效果。基于该技术原理采用了微软推出的高级着色器语言（HighLevelShaderLanguage，简称HLSL），HLSL的主要作用为将一些复杂的图像处理，快速而又有效率地在显示卡上完成。
2.23D实景培训平台的构建
3D实景漫游平台系统由数据库、webService服务、web端及必要的辅助工具组成。数据库负责管理和保存数据；web端用于系统展示。系统具有以下功能：变电站内3D实景漫游、设备台账信息管理、SVG一次接线图仿真、雷达地图、地图导航、指定巡检路线、场景设备定位、热点展示、模拟操作视频&动画观看、制度管理、资料上传&下载、在线测试等多项功能。
3D实景漫游平台的构建大致可分为以下几个步骤。
（1）搭建数据库。可新购或使用原有数据服务器）上搭建一个3D实景漫游平台的数据库用于数据的存储和管理。
（2）构架webservice服务。在服务器（与数据库同一服务器）上构建webservice服务，为未来可能的数据的采集与通讯提供服务。
（3）构架web程序。在服务器（与数据库、wCF服务在同一服务器）上构架web程序，为系统和模块的人机界面和数据展示提供服务。
（4）展示插件代码的内嵌。将3D实景漫游平台的展示插件嵌入到需用于展示的门户网站的网页中，通过点击门户网站的特定模块进行展示。
（5）场景和设备信息采集。由工程人员前往变电站现场使用单反相机、鱼眼镜头及其它必要配件等设备对现场场景、设备进行取景拍摄，并保证拍摄的图片清晰美观利用合图工具将图片合成实景漫游图并上传由工程人员对所拍摄的图片进行必要的美工处理后，利用合图工具将拍摄回来一个场景的6张照片合并为一张全景图，然后通过web端将图片上传至数据库中。
（6）web端配置。经过上述七个步骤的操作，实现了3D实景漫游平台的构建。当用户通过浏览器打开指定的网址时，平台会利用Silverlight渲染技术将第6步骤合成的全景图经过球形渲染展现给用户，使用户可以通过鼠标操作或以自动巡游模式实现在变电站内360度全方位的虚拟实景漫游体验。
3结语
本文深入介绍了3D实景漫游技术的发展历史和原理，并以广东电网公司汕尾供电局变电站3D实景培训平台的开发和实践经验为例，详细描述了变电站3D实景漫游平台构建的具体实践方法和步骤。变电站3D实景培训平台的建设和应用有助于提高变电站培训工作的质量和效率，同时降低供电局和变电站的培训成本，具有很好的推广意义和市场前景。
参考文献
虚拟仿真技术的基本步骤篇8
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
Securitythree-dimensionalSimulationSystemDesignandimplementation
GuangKuan
(Chinesepeople'spublicSecurityUniversity,Beijing100086,China)
abstract:thesystemisbasedonsystemsimulationandvirtualrealitytechnologydevelopmentsecuritysystemsbuiltthree-dimensionalsimulation.Fromthesecuritysystemdesign,validationandoptimizationofthedeployment,theimplementationofemergencycommandandothertraining,themaintenanceofpublicsecurityhasacertainpracticalsignificance.
Keywords:Virtualreality;Simulation;Securitysystem
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multiGenCreator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multiGenCreator3.0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。
multiGenCreator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Vegaprime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]GB50348―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
虚拟仿真技术的基本步骤篇9
【关键词】oGRe引擎；虚拟场景；场景漫游；人机交互
1.引言
虚拟现实技术主要应用与场景仿真及漫游领域，通过人机交互功能可以为用户提供身临其境的交互体验。场景漫游系统是虚拟现实技术应用的主要形式，主要采用基于三维图形引擎的开发平台，避免了直接基于图形api开发的复杂性。oGRe引擎就是为设计和实现虚拟场景漫游系统打造的大型三维图形引擎。oGRe可以通过构建场景及其设施设备的三维模型，同时支持人机交互功能，可以很好的再现真实场景，它将现实世界的人物、场景的纹理和特性表现得淋漓尽致。oGRe引擎可以应用于虚拟场景漫游系统，比如城市规划与设计、三维游戏、虚拟广告系统、虚拟娱乐等。
2.虚拟现实技术
2.1 虚拟现实
虚拟现实及其技术的应用范围较广，包含工业制造自动化、军事演练仿真、大型3D游戏等领域。虚拟现实技术通过对现实世界的场景、人物、花草树木进行三维建模，重新构造虚拟场景，通过人机交互功能可以为用户提供良好的视觉交互体验。虚拟现实技术的主体特征如图1所示。
2.2 oGRe简介
oGRe是一种面向对象的三维图形引擎。由于oGRe引擎支持C++语言开发，而且操作灵活、功能齐全，因此可以方便开发者快速构建虚拟场景交互系统，同时oGRe支持更高层次的图形、图像api，屏蔽了对底层图形库api的直接调用，提供一致的面向现实世界的操作接口，适应性更强。
3.基于oGRe引擎的虚拟场景漫游系统设计过程
3.1 构建场景结构
构建大型虚拟场景漫游系统最基本的内容就是要完成三维场景结构的建模。通常，虚拟场景漫游系统是对现实世界人物活动的再造，因此对人物、场景的仿真要求较高。如果场景中的各种人物、物体胡乱堆砌，杂乱无章，或者场景元素较少、单调，这样的场景注定是失败的。oGRe引擎不仅提供了三维场景模型管理功能，而且提供了面向对象的场景实例管理和访问功能。场景中的实体主要描述如下：
（1）entitiy：表示场景元素对应的模型的场景实例；
（2）Light：表示场景元素灯光对应的模型的场景实例；
（3）Camera：表示场景元素摄像机对应的模型的场景实例；
（4）Seenenode：表示场景元素中抽象场景节点管理单位。
oGRe引擎根据Scenenode节点来划分场景空间层次组织结构，从而实现对整个场景系统的结构化管理，对应的场景结构图如图2所示。
3.2 检测碰撞
在场景漫游系统中，碰撞检测是一项很重要的内容，直接影响到场景交互体验的真实感。碰撞检测功能主要完成场景中人物与场景、场景元素与元素、人物与人物之间的空间位置重合检测，防止发生不符合现实世界规律的情况发生。举例来说，人物在场景中行走不能穿墙而过，人物不应该漂浮在空中。那么当系统检测中元素重合的情况，就要做出碰撞反应，比如人物碰墙后应该停止行走，直到人物选择新的方向。应用碰撞检测可以避免人物穿墙而过、人物身体重复等不符合现实的情况。oGRe引擎全面支持碰撞检测模块，比如aaBB包围盒。
4.虚拟场景漫游系统设计
4.1 场景与设备建模
不同的场景仿真对应的场景是不一样的，要根据实际情况来完成场景建模的工作。比如在进行煤矿巷道场景漫游系统中，首先要完成煤矿巷道场景网格模型。通常，oGRe引擎支持自动建模功能，但是这只针对简单模型，通常主要手工建模的方法，一般主要应用大型三维建模工具（3Dsmax或maya）来设计主场景meSH模型。一般来说，多边形数目越多，模型细节度就高，但是通常会降低渲染的效率。oGRe引擎全面支持meSH网格模型。
4.2 开发环境配置
目前，大部分的用户都选择winDowS操作系统，应用较为广泛，本系统也主要采用基于winDowS平台的oGRe图形引擎平台。在使用oGRe引擎来构建虚拟场景漫游系统之前，首先构建对应的场景模型，其次是要配置好相应的开发环境。oGRe除了本身的功能组件以外，还需要额外的库作为支撑环境。在winDowS操作系统环境下，oGRe引擎需要下面的组件：（1）StLport；（2）DireetX SDK。
4.3 漫游系统设计
在实现虚拟场景漫游系统过程中，主要包括两个主要的步骤：构建虚拟场景元素及其模型、设计漫游引擎。其中，构建虚拟场景元素及其模型是基础，主要完成的工作是设计三维meSH模型，同时制作动画文件、多媒体文件、声乐文件、纹理图像等资源，然后进行资源整合，形成最终的场景数据库系统。设计漫游引擎的主要目的是实现三维虚拟场景的实时交互和渲染工作，它主要依赖于oGRe引擎提供的人机交互模块。处理过程如下：用户操作鼠标、键盘来驱动人物角色的行走、方向，场景中的人物就会移动起来，oGRe引擎负责场景渲染更新并同步输出到显示屏，这样用户就可以看到实时交互画面。oGRe引擎只需要根据用户的操作调入场景元素及其模型数据到内存，并输出到显示设备显示出来。需要说明的是，虚拟场景漫游系统主要包括两大控制模块：三维图形渲染、交互控制。对应的虚拟场景漫游系统总体框架图如图3所示。
4.4 人机交互
虚拟场景漫游系统的交互性主要表现为场景漫游，主要包括两个方面的内容：
（1）用户通过鼠标、键盘来操作虚拟场景中的人物角色，对应的场景实体对象的动作（语言、肢体动作、行走方向等）变化可以立即反馈给用户，从而相应用户的操作。
（2）当场景中虚拟摄像机方向、角度发生改变时，系统会生成最新的视觉方面并显示出来。
5.结语
随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟现实技术在各行各业中得到广泛的应用，人们对视觉仿真的实时性、视觉提出了更高的要求，相信在未来虚拟现实技术毕竟发挥更大的作用。本文以oGRe引擎为主线介绍了基于oGRe引擎的虚拟场景漫游系统的设计思路、关键技术、设计过程，充分阐述了oGRe引擎用于开发虚拟场景漫游系统的基本步骤和过程，大大提高了虚拟场景漫游系统的制作效率，具有良好的实用参考价值。
参考文献
[1]明芳，李峻林.基于oSG的虚拟场景漫游技术研究[J].计算机与数字工程，2011（03）.
[2]何丽.三维虚拟场景漫游技术研究与实现[J].福建电脑，2011（05）.
[3]李一华.基于openGL的虚拟场景生成技术[J].舰船电子工程，2010（04）.
[4]朱晓钟，李骏仁.基于虚拟现实的运动场虚拟场景设计[J].科技创新导报，2010（11）.
[5]徐敏.可漫游的虚拟场景的建模与实现方法[J].科技信息，2010（29）.
作者简介：
虚拟仿真技术的基本步骤篇10
0引言
由于在汽车工业的快速发展过程中，需要安装在汽车上的电子设备不继增加，因此点对点连接这些汽车电子设备的专用电子线路迅速膨胀，连接起来更加复杂和繁琐。为进一步提高系统的可靠性和故障诊断能力，将连接线路进行简化，使数据资源在各电控单元之间进行共享更加方便，汽车网络总线技术就是有效解决这个问题的方法[1-2]。
在车载网络通信中，由于Can总线具有布线简单、典型的总线型结构、能够有效地节约布线和维护成本、性能稳定可靠、实时性与抗干扰能力强、传输的距离远等一系列优点，因此在现代工业控制中应用广泛。由于Can总线通信网络的设计有很多参数需要设置，而Can总线工作性能直接受到这些参数设定的影响，但是在没有辅助工具帮助的情况下，参数的有效设定只能凭汽车工程师的经验和不断地尝试摸索。因此，需要有合适的工具和可行的方法对Can总线网络进行有效的仿真和评估，从而提高汽车工程师设计Can总线网络以及在评估Can总线网络性能方面的效率[4]。
1Can总线协议分析
为了能实现对Can总线网络的仿真，非常有必要对Can总线通讯协议进行深入研究。须建立起任意两个或多个Can设备之间的兼容性，这是Can总线通讯协议定义的目的。
Can总线具有以下特性[5]：①报文的优先权；②保证延迟时间；③设置灵活；④系统内数据的一致性（SystemwideDataConsistency）；⑤多主机（对等）；⑥错误检测和错误标定；⑦当总线处于空闲时，能够自动将破坏的报文重新传输；⑧能够将网络节点的永久性错误和暂时性错误区分开，并且可以将Can的错误节点自动关闭。
Can的iSo/oSi参考模型的分层结构如图1所示[6]。
从其参考模型的分层结构可以看出，Can通讯协议的结构划分为两层：数据链路层（DataLinkLayer）与物理层（physicalLayer）。在Can中，为了解决不同通信节点之间进行消息传输时的电气属性，物理层为所有通信节点共享使用。
2嵌入式硬件仿真环境Skyeye的结构
利用仿真软件来对嵌入式系统的各种硬件进行模拟，开发人员不需要利用开发板，直接在仿真环境中运行嵌入式系统，实现嵌入式软件的开发、调试、运行，能够大大提高开发速度并降低开发成本。Skyeye是一个开源软件项目，中文名字为“天目”[7]，能够在通用的windows操作系统和Linux操作平台上对目前主流的嵌入式开发板及外部设备进行软件仿真，实现一个可扩展的硬件模拟框架，使系统软件能够在仿真平台上运行。Skyeye软件的核心在于目标模拟模块，操作系统与系统软件在Skyeye仿真环境中运行时可以使人根本意识不到是在一个计算机的虚拟系统上运行。Skyeye目前在教学、科研等众多领域都得到了广泛应用。
目前Skyeye的最新版本已经完全和原先的GDB/aRmulator分离，并对原先的GDB/aRmulator进行了全面的扩充和改变[8]。总体上分为四个模块仓库：①体系结构模块仓库（architecturemoduleRepository）；②外设模块仓库（DevicemoduleRepository）；③接口模块仓库（interfacemoduleRepository）；④功能模块仓库（FunctionmoduleRepository）。
Skyeye仿真环境结构如图2所示[9]。
3软件仿真平台的构建和实现
为了实现对Can总线通讯协议进行仿真，我们需要在不具备硬件环境的条件下来构建软件仿真平台。通过这个软件仿真平台，能够一目了然地观察到Can总线的数据正常发送、接收、处理和总线的仲裁，以及错误节点的故障界定等运行过程。Skyeye仿真平台还可以运行自定义的Can总线应用层协议[10]。
构建软件仿真实验平台的主要步骤为：第一步，在电脑的操作系统里安装虚拟计算机软件Vmwareworkstation；第二步，打开虚拟计算机软件Vmwareworkstation，将红帽子YlmfLinuxY1.5系统直接安装在虚拟环境中；第三步，打开Linux操作系统，在Linux环境中将Skyeye仿真软件进行安装。程序采用microsoftVC实现，采用的实验环境为Dellinspiron15R-5537笔记本，2.30GHz主频，内存4GB，100mbps的网络带宽[2]。
仿真Can总线发送和接收数据的具体实验步骤如下。
⑴用超级用户登录红帽子Linux系统。
⑵打开一个终端。
⑶切换到/dev/shm/目录：cd/dev/shm/。
⑷创建目录can_vbus：mkdircan_vbus。
⑸更改目录can_vbus的访问权限为0666：chmod0666can_vbus。
⑹切换到用户根目录：cd/home/lh1111/。
⑺进入Can目录：cdCan/。
⑻进入Sja1000-vcan目录：cdSja1000-vcan。
⑼进入vcanbus目录：cdvcanbus。
⑽运行vcanbus程序：./vcanbus。
⑾打开另外一个终端。
⑿切换到用户根目录：cd/home/lh1111/。
⒀进入asp目录：cdasp。
⒁因为Skyeye已经被安装在/bin目录下，所以运行Skyeye的命令为：skyeye-easp-cskyeye.conf（-e选项表示要执行的目标文件，-c选项表示配置文件），这时可以在终端上看到显示信息（该窗口表示的是发送节点）如图3所示。
按上述步骤所设计的仿真方案，我们可以利用Skyeye软件仿真平台较为真实地模拟出汽车类Can网络应用程序开发的环境和过程。
4实验结果分析
四种传输速率下的测试平均时间如图5所示。从图5可以直观地看出：它是一个从高到低的平均传输时间，考虑系统负载方面，负载越大，则系统运行越慢。最左边的矩形表示：在200ms的传输速度下，相比其他三种传输速度下的延迟时间要高得多，系统的负载是最高的，也就是说系统的反应时间就越长。当传输速率达到500ms以后，传输延迟时间开始趋于平均，这说明系统的负载（即运行负荷）没有那么大了。从以上仿真实验可以看出，通过Skyeye硬件模拟平台对Can通讯协议进行仿真，我们所设计的Can节点不但在节点间的数据通信上是正确的，而且Can通信网络也能达到较高的传输速率。实验结果表明，所设计的仿真方案是有效和可行的。
5在计算机实践课教学中的应用
目前各高校在计算机实践课教学，特别是实验室建设方面都有很大投入，但是由于各种原因，比如学生人数多、实验室教学任务繁重，而有些实验需要移除计算机还原卡等保护工具，从而导致实验室维护起来困难。在实际的计算机实践课教学过程中，造成了部分实验由于缺少实验环境而无法按要求实现，这是影响教学质量提高的一个瓶颈。因此创建可行的实验环境就显得尤其重要。仿真环境的构建，即利用虚拟机技术就可以很好地解决这个问题。通过安装虚拟机软件，在原有的计算机硬件设备配置不变的前提下，构建Skyeye软件仿真平台，虚拟计算机、网络设备等，可以轻松地构建虚拟的计算机网络实验环境。目前虚拟机技术在我校实验室中得到了推广应用，在“操作系统”和“计算机网络”课程的教学过程中，使用虚拟机技术构建仿真实验环境进行实践课的教学，取得了较好的教学效果，有助于教学质量的提高。