三维虚拟仿真系统

三维虚拟仿真系统（精选12篇）

三维虚拟仿真系统 第1篇

随着我国管道业务的飞速发展, 管道与设备培训工作面临着严峻的挑战。建立一个学习和指导日常生产操作的平台, 实现计算机数字仿真教学, 为设备操作及维护提供快捷有效的技术支持成为当务之急。本系统通过虚拟现实技术, 以管道运营公司典型站场瞬态全设备仿真的实现为目标, 利用3DMax、Unity3D、C#及Pns等相关软件建立一套与仿真相配合的三维交互式培训系统平台, 提供多人/单人交互式训练功能, 推行封闭式演示、考核式操作和开放式自由操作的培训模式, 满足公司运营管理和员工培训的需求。

虚拟现实 (Virtual Reality, VR) 技术是20世纪90年代最重要的科技成就之一, 是一种综合计算机图形学、多媒体技术、仿真技术、传感技术及人工智能技术等多种技术而发展起来的综合性技术, 本质上是一种在系统仿真技术的基础之上发展起来的高级接口技术。虚拟现实的目的是为人与实际环境之间的交互提供一种自然的、方便的界面, 即所谓的虚拟环境。人可以与虚拟环境交互, 通过改变虚拟环境, 进而达到模拟实现改变实际环境的目的, 虚拟现实技术与传统的计算机系统相比具有多感知性、沉浸感、构想性和交互性等显著特征。该技术把互动式三维场景嵌入到信息系统内, 彻底改变了图片或视频信息单调, 功能局限的状况, 是未来图形化项目的主流方式。

1 系统设计

1.1 构建模型

利用3DMax软件, 采用几何建模技术, 按照细致程度对整个站场建筑物、设备、管道和附属物进行三维模型及场景的构建。

1.2 三维引擎的选用

三维引擎是虚拟三维应用开发的核心工具。目前市场上有很多商品化的三维引擎产品, 其中应用比较广泛的是Virtools、Quest3D, Web3D和近年来兴起的Unity3D引擎, 通过在渲染效果、用户定制和扩展性等方面综合比较本系统选用Unity3D引擎。

1.3 功能设计

该系统从功能上主要实现了沉浸式虚拟漫游、输气站场三维交互式仿真操作、主要设备的三维演示、典型线路与站场360°全景漫游等。

1.4 系统发布

系统开发完成后, 将整个系统优化打包输出, 本地计算机安装客户端访问, 远程用户可以通过浏览器访问。

2 系统构架

2.1 硬件构架

系统采取C/S (Client/Server) 模式, 在公司局域网内, 按照C/S架构设置主服务器及培训终端, 在培训终端机配置终端软件及相应的模型软件, 主显示界面由终端机完成, 交互数据经过网络与主服务器进行交互, 同时设置远程访问功能, 授权用户通过B/S模式可远程访问服务器。

2.2 软件结构

系统软件主要由系统集成平台软件、三维建模软件、三维交互系统软件、仿真系统软件、逻辑控制、全景和多媒体播放软件等组成。系统软件完成三维模型、三维交互动画、数据接口、逻辑控制、操作记录、查询统计等功能。

3 关键技术实现

3.1 基于建模的虚拟漫游技术

虚拟漫游技术是虚拟现实技术的综合应用, 漫游系统包括一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境, 用户可以从任意角度对环境中虚拟对象进行观察, 从而产生身临其境的感觉。利用3DMax软件, 采用几何建模技术, 按照细致程度对整个站场建筑物、设备、管道和附属物进行三维模型及场景的构建。构建的实体模型通过去除冗余几何元素、纹理映射、实例引用技术等优化方法的处理后最终导入Unity3D进行编辑。

目前, 虚拟场景漫游的最大难点在于建模逼真度和绘制实时性的矛盾。由于这种漫游所看到的景象离观察者近, 就要求绘制非常逼真。因此, 建模时构造要精细, 会消耗很多时间。同样, 由于计算机性能的制约, 构造出来的模型越复杂, 在绘制时要达到实时效果就越困难, 实时性太差就会使观察者无法接受。这对矛盾是整个虚拟现实系统普遍存在的。一般来说, 需要在精确程度和绘制速度两方面取一个折衷值, 既满足一定的绘制真实感, 又不造成观察者的动态不适感。运用多层次细节 (LOD) 方法为场景生成不同的细节层次, 可大大减少绘制的计算量。

镜头旋转缩放操作代码

3.2 基于图像的虚拟漫游技术

基于图像的虚拟漫游技术不依赖于三维几何建模, 利用外部设备采集真实模型的离散图像数据或连续图像视频数据, 将采集得到的数据作为原始来源数据, 经过图像处理生成真实的全景图像, 然后选择合适的空间模型把多幅全景图组织为虚拟场景空间, 从而实现全方位三维场景漫游的效果。

3.3 纹理映射技术

纹理映射 (Texture Mapping) 是将二维图像映射到三维几何形状表面, 使其产生特殊效果或真实感的一种技术。纹理映射是真实感图像制作的一个重要部分, 运用它可以方便地制作出极具真实感的图形而不必花过多时间来考虑物体的表面细节。然而纹理加载的过程可能会影响程序运行速度, 当纹理图像非常大时, 这种情况尤为明显。如何妥善地管理纹理, 减少不必要的开销, 是系统优化时必须考虑的一个问题。OpenGL (开放的图形库) 提供了纹理对象管理技术来解决上述问题。与显示列表一样, 纹理对象通过一个单独的数字来标识, 这允许OpenGL硬件能够在内存中保存多个纹理, 而不是每次使用的时候再加载它们, 从而减少了运算量, 提高了速度。

3.4 碰撞检测

在虚拟环境中, 由于用户的交互和物体的运动, 物体间经常可能发生碰撞, 为了保持环境的真实性, 需要及时检测这些碰撞, 并计算相应的碰撞反应, 否则会出现“穿墙而过”的现象, 破坏虚拟环境的真实感和沉浸感。

输气站场模型量大, 设备、管道复杂, 做漫游最大的难点之一是碰撞量、碰撞点的处理, 经过详细的分解运算处理, 按level, Group分区分类整理, 最终实现仿真场景漫游, 告别了漫游者无限制的非常规的穿跨设备、管道、建筑物等对象的漫游方式。为了在虚拟漫游系统中对运动物体的碰撞进行实时检测, 分析了基于Unity3D的相交矢量检测方法, 最后总结出以下几种在工业仿真漫游系统中表现出满意的碰撞处理效果。

应用到的碰撞逻辑:

检测输入

销毁对象

实例来创建对象

4 主要功能介绍

4.1 沉浸式虚拟漫游

虚拟漫游技术是虚拟现实技术的综合应用, 漫游系统包括一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境, 用户可以从任意角度对环境中虚拟对象进行观察, 从而产生身临其境的感觉。

本系统漫游的场景分为两种:室外漫游与室内漫游。室外漫游的场景主体为站场工艺区及综合楼、车库等辅助设施, 室内漫游建立了站控室、压缩机厂房、维修车间等内部环境。本系统能够细腻、逼真地提供场景画面, 让操作者查看了解现场, 提高工作技能和事故后的快速处理能力, 迅速熟悉各站的设备工艺区位置及提高巡检的熟知度。

4.2 三维交互式仿真操作

通过构建典型站场的三维模型, 用户可以直观地了解典型站场的主要工艺管道和设备的基本情况, 查看站场主要流程的演示过程, 以交互方式对流程进行仿真操作。在流程的演示和交互操作过程中, 仿真系统提供主要工艺参数和设备状态的实时变化数据, 使用户可以真实地了解站场的工艺状况。

主要流程动态操作包括:分输流程操作、收球流程操作、发球流程操作、排污操作、放空操作、越站流程操作、正输增压流程操作等。

在流程的演示和交互操作过程中, 仿真系统提供主要工艺参数和设备状态的实时变化数据, 使用户可以真实地了解站场的工艺参数变化情况, 掌握站场的运行状况。

4.3 单体设备三维操作

基于设备图纸和设备特性以及现场状态对输气设备进行仿真建模, 在三维自由式环境进行交互观看, 可以选择多角度、以半透明或剖切方式观看设备外形及内部结构, 达到三维立体模型清晰、分层构建、结合操作、维护、维修、零件库等各项功能, 实现虚拟设备可分解、可装配、可虚拟操作, 可以演示工作原理及主要故障功能。从而对设备能够进行结构认识, 机理认识, 流程原理认识等。

4.4 360°全景漫游

通过全景拍摄技术, 进行全站区, 360°路线阵点拍摄, 后期程序整合编辑发布, 提供典型线路与站场的实景照片采集, 合成为360°全景照片, 通过全景观看模块, 可以多角度、缩放方式观看典型线路的现场状况, 典型站场的现场实况, 更真实地感受现场布局。

5 结束语

随着虚拟现实技术的发展, 将其在输气管道仿真培训系统中应用, 实现了虚拟漫游、交互操作等诸多功能。本文提出的基于虚拟现实技术的三维输气管道仿真培训系统, 具有高沉浸感、高真实性、实用性强、操作简单等特点, 将枯燥的操作变成轻松的教学, 达到熟悉掌握输气站场工艺流程及设备操作的目的, 取得了良好的效果, 满足了公司员工培训的需求, 同时在国内即将建设或已经投产的其他大型输气管道上具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]魏彬.虚拟现实技术在可视化仿真系统中的应用[J].仪表电气, 2011, 30 (8) :71-72.

[2]胡媛.基于虚拟现实的场景漫游技术研究[D].沈阳:东北大学, 2006.

虚拟汽修仿真教学系统 第2篇

中国已成为全球汽车的第一大市场，快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂，拉动了各个产业的发展，随着我国汽车保有量的不断攀升，另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。

不仅是现有的4S店，社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现，而汽车维修维护人才却极为缺乏，近年来汽车工业和汽车技术不断发展，新能源汽车也不断普及，对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力：职业院校，如何解决社会汽修人才的问题，成为了最大的教学要求。

汽车作为一个高度机电一体化的产品，内部结构非常复杂，需要全面了解汽车的结构和运行原理，才可能对维修维护有深刻的认识和技能，利用先进的IT技术，使用虚拟汽车教学培训系统，对培养汽修人才有着巨大的促进作用。

凤凰创壹虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理，以及虚拟拆卸与安装（每一步互动操作都有相应的语音解说或提示）。并提供3D互动 故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识、汽车文化、汽车的美容与装饰、汽车电子电工技术应用、汽车结构与拆装、汽车使用日常维护、汽车的修理、汽车 性能检测、汽车故障诊断九大模块：（1）汽车机械常识包含量缸表的使用、曲轴的测量、汽缸的测量；（2）汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训；（3）汽车的美容与装饰章节包含的主要课程（汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等）；（4）汽车电子电工技 术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接；（5）汽车结构与拆装包含整车拆装，发动机拆装，发电 机拆装，发电机拆装（含工具），自动变速器原理，变速器内部展示与拆装，汽车整车展示与拆装，汽车底盘展示与拆装等（所有拆装均包括：自动拆卸，自动安 装，手动拆卸，手动安装。其中自动拆卸，自动安装是为了让学员学习整个拆装过程，手动拆卸，手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度）；（6）汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。（7）汽车的修理包 含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向 器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容；（8）汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机 性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测；（9）汽车故障诊断包含机械故障，电控故障，电器故障。机械故障主要检查器件磨损间 隙，裂纹，变形，老化等故障（包括冷却系统，润滑系统，启动系统，点火系统等故障）；电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测，查看各个功能 传感器的故障（防盗系统，燃油系统，排气系统，点火系统，空气供给系统等故障）；电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统，灯光照明系统，仪 表系统，启动系统，充电系统，玻璃升降系统，电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表，例如：汽车故障检测仪，示波表，千分尺，内径千分尺等三维互动模型。

三维虚拟仿真系统 第3篇

随着各城市旅游產业的不断发展，旅游信息和景区服务的网络化和大众化趋势日益明显，加强旅游移动产业要素整合，延伸游客信息服务渠道与方式，成为国内外的一项研究重点。改革开放以来，我国的旅游业有了突飞猛进的发展，随着市场经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人民对旅游消费的需求也将进一步上升，国内旅游业在国民经济中的地位和作用将会越来越重要。旅游业大发展的同时带动了导游行业的大发展，利用遥感影像结合GIS、GPS和三维模型，建立基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台成为未来移动地理服务发展的方向之一，它能够为用户提供更为直观、更新时间更快的无缝拼接的地理数据，同时满足用户的空间服务以及覆盖全球的地理服务需求。

现阶段移动产品的地理服务，主要表现在二维地图的移动导航、查询、搜索等GIS服务方面，此方面的应用已经得到广泛的好评，随着虚拟现实技术的深入发展，逐渐产生了三维仿真移动产品的服务需求。GPS技术的成熟与发展，能够为各类运动载体的实时定位提供有力保障，同时随着信息技术的日益发展，PDA的体积越来越小巧，集成的功能越来越强大。结合GPS和PDA的优势，建立基于移动平台的三维仿真旅游系统，能够为游客提供景区的三维可视化环境，并在三维场景的基础上为游客提供各种旅游资讯服务。

2 基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台建设

2.1 数据标准化体系

遵循“需求牵动，标准先行”的原则，建立了三维模型数据的采集、制作、更新标准，三维仿真旅游移动平台基础数据的建库标准及数据安全管理规范等标准化体系；

2.2 基础数据建设

遵循分批建设、逐步实施的原则，先期开展对重点区域的精细建设，对于数据不完整或次要的区域进行初步建设，并在后期进行完善和补充。构建满足基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台需要的三维模型数据库。

2.3 平台功能开发

平台搭建基于GPS、GIS、三维仿真技术和多通道交互的智能导游终端，通过GPS接收器获取到游客的当前位置信息，并利用数字化矢量地图自动检测旅游景点，结合多通道交互技术和信息可听化技术向游客提供相关景点的三维仿真场景展示及多媒体信息查询，同时提供了多语种介绍。

系统网络架构图

2.3.1 三维可视化

平台需要开发三维可视化环境，利用IDirect3DMobile COM接口，采用C++语言开发，建立跨主流移动设备操作系统平台，实现其应用，在可视化环境中实现场景数据、对象建模、场景引擎、交互模型、GPS定位信息、三维空间分析工具开发等。

2.3.2 空间数据管理

在空间数据管理方面，利用金字塔技术对海量遥感影像进行多层次多分辨率处理与数据压缩，对二维矢量数据分层并实现网格管理。数据管理形式：文件形式和数据库管理。可利用三维空间地理坐标的唯一性建立相应的数据集，将属性信息与地理空间信息相对应，实现在三维漫游的同时对目标的属性进行查询、检索与管理。

2.3.3 功能模块

基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台涵盖一下几个功能模块。

(1)城市海量地形影像数据浏览

运用海量多层次多分辨率遥感影像与数字地面高程构成三维空间地形基础数据，作为移动公众信息服务地理空间信息的基本载体，同时结合二维移动电子地图、移动GIS系统和移动GPS系统，利用网格技术对地理空间数据进行集成，在移动终端上实现数据多级无缝拼接与覆盖，对DOM、DEM、地名、路网、POI等基础数据进行分层管理。

(2)三维场景漫游

提供包括三维场景的浏览、二维属性信息的浏览和多媒体信息的浏览功能。用户可以通过停放、点击标志点，读取数据库并显示相关信息，包括人文景观、标志性建筑等。

(3)景区移动电子地图浏览

提供知名景区移动电子导游地图，真实地将景区的优美景色及人文历史展示给公众，使公众通过手机足不出户地享受美丽的景色、感受人文历史，更加便捷、生动。

(4)热点全景点展示及谷歌街景

采用全景图虚拟现实等技术构建可视化景区，利用全景图技术实现景区的可视化。

(5)查询

根据用户提供的位置信息,通过搜索地图数据库查询用户所需地点。用户可在景区内查询景点、公共卫生设施、旅馆、银行等公用设施的信息。

(7)天气预报

提供在线查询各大城市的天气情况服务，为游客出行准备工作提供最优的气象预报。

(8)二维与三维切换互动

提供三维系统和二维地图之间的切换以及互动，以满足不同类型使用者的需要，充分发挥不同信息表现形式的优势。

(9)好友搜索及地图发送

通过移动终端的定位功能，使用者可以将自己位置进行共享，这样就可以搜索并显示好友列表（通讯录）中处于使用者附近一定半径内的好友，还可以将自己在地图上的位置及周边图片发送给好友，让朋友对你身处何地都一目了然，结伴购物与进餐等。

3展望

基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台建设，能够为国内各大旅游城市的游客提供电子导游、旅游指南、实时服务信息、WIFI上网等旅游信息服务。旅游城市在部署该应用后，可以迅速建立起一个高效现代的游客自助旅游信息服务体系，为广大国内外自助旅游者提供多语言电子导游服务，并进一步完善旅游资讯服务，通过发布实时活动信息、实时优惠促销信息等措施促进游客在旅游服务场所的消费，增加旅游收入。自助旅游爱好者者使用智能手机，根据GPS定位浏览当前位置的旅游指南，能够更加方便地了解城市的景点、美食等各类资讯，为出行提供指导服务；游览点的自动导游解说，也能够方便游客领略到旅游景区、展览等背后的意义，使用较小的代价即可获得整个城市内的电子导游解说服务。

参考文献

[1]江丕文,黄新等.城市三维数字景区建模的研究与实现[J].地理空间信息,2009,7(6):6～9.

[2]谭营军,李翠霞.虚拟现实技术的应用与发展[J].计算机工程应用技术,2008,3(7):1577~1578,1605.

[3]高云.中国旅游电子商务发展现状、趋势分析及对策[J].大连民族学院学报，2007, 37(2): 44～46.

[4]朱元嫣，陈能等.旅游场景三维可视化方案[J].上海师范大学学报，2007,36(4): 98～103.

三维虚拟仿真系统 第4篇

关键词：虚拟现实,变电站工程,仿真

1 引言

虚拟现实 (VR:Virtual Reality) 是近几年来十分活跃的技术领域, 是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术及传感技术的基础上发展起来的一门交互技术。

2 虚拟变电站三维演示系统设计

考虑系统所要求的高效图形引擎和优异图像表现, 在本项目中采用Quest3D三维项目制作平台把模型、纹理、互动、特效整合起来。

2.1 Quest3D的基本原理

本系统使用最新版本的Quest3D4.1。支持最新的DirectX10标准, 内建有高级粒子、有限状态机、Newton物理仿真、天气系统等高级模块, 可以为各种应用提供最好的仿真实现。Quest3D以通道为基本单位, 一个通道就是一个基本功能、一个模型网格、一个基本参数、或者一个数据存储单元, 相互之间以父子关系连接, 父通道为子通道传递控制和运行, 子通道为父通道传递结果。复杂的通道由简单的通道连接而成, 每个通道仍然可以被直接引用, 所有的数据、交互都以通道或通道集合表述, 整个程序采用树形结构, 程序流从根结点开始, 从左至右, 流经每个分支。

2.2 三维虚拟现实系统模块设计

本系统从模块化角度出发, 分为数据模块、菜单模块、动画交互模块。数据模块的设计主要考虑纹理图片的加工, 模型的制作, 按照目标硬件的配置, 设置纹理的格式和分辨率, 控制模型及数据格式和组织结构。菜单模块的设计目的是为了降低使用的难度, 以用户体验为核心。动画交互模块设计则应尽量保持逻辑结构清晰, 便于维护, 如表1所示。

3 虚拟现实系统的实现

3.1 数据的制作和存储

为了将采集整理的素材转换成软件平台可以识别使用的文件, 需要对素材进行再加工成可以使用的格式, 或者用作生成其他数据文件的参考。

3.1.1 模型建立

场景设备模型的建立, 首先由设备厂商、设计规划部门提供的CAD设计图纸, 即矢量线段构成的模型三视图, 通过AutoCAD的整理, 去除标识、文字等建模不需要的部分, 再用拼合工具合成导入3dsMax中, 放在单独的层, 按照三个视图, 分别旋转到相应的方向, 然后冻结, 作为建模参考。接着运用polygon低分辨率建模技术, 从立方体、球体、圆柱体等基本元素开始, 辅以挤压、切削、放样、布尔等建模工具分别构建出房屋、设备的外形特征。再按照事先设计的多边形预算, 综合运用塌陷、焊接、删除不可见面等优化手段, 手工精简优化多边形数量。同时保持整洁的多边形网格拓扑结构, 运用光滑组修正法线方向和纹理坐标工具为模型指定纹理坐标, 通过透视视角检查问题并修改。最后使用3dsMax的文件拼合功能整合到一起, 按照CAD电气设备平面图标注的方位, 通过位移、旋转。使模型的空间关系与图纸设备一一对齐。

3.1.2 材质模拟

材质模拟包括纹理、光照等。纹理是通过Photoshop无缝、锐化处理的照片制成相关数据, 再通过纹理坐标吸附在多边形模型上面, 使用导出插件PandaDirectX导出X文件格式, 用来表现物体的细节和表面属性。

光照模拟在Quest3D中主要区分以下三类种材质:对网格密度高的小物体模拟使用实时光照模型;对粗糙的亚光表面模拟使用建模软件的高级渲染器功能生成光照贴图照明, 再混合基本纹理;对光泽表面或金属表面模拟使用高光纹理和反射纹理通过程序坐标贴覆到模型上。

3.2 资源整合及添加交互

按照前述模块设计, 按功能区划建立程序的总体结构建立以下通道组。如图1所示。

从Root通道开始, 程序进入了实质内容阶段, 下面连接四个子功能模块节点:Init、Scene、Logic、GUI。建立完程序结构, 并添加、整合、调整好各部分资源后, 项目已经具备了可以观看的静态效果。为了让它能对用户的控制产生反应, 还需要添加交互功能。交互由两部分驱动, 一个是场景中无形的触发器驱动, 一个是由用户按下GUI菜单上的按钮触发驱动。至此项目按照计划的方案制作完毕, 运行预览效果如图2所示:

4 结语

采用Quest3D三维项目制作平台建立的变电站虚拟演示系统在制作过程中较好的检测了设计图纸的质量, 并提供了最直接的方案展示, 使得相关决策方, 能以最快的速度理解设计方案的优劣。不足之处在于受技术储备和硬件条件等因素的限制, 本项目只是对变电站工程设计过程的浅显的仿真, 提供的功能还比较单一, 方案的修改比较繁琐, 还有待进一步研究。

参考文献

[1]巫影, 何琳, 黄映云, 朱海潮, 吕志强.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程, 2002.

三维虚拟仿真系统 第5篇

“数字房产-虚拟仿真楼盘演示系统”运用了先进的计算机三维互动模拟仿真（VR-Platform虚拟现实）技术，是房地产建设项目演示和营销管理的新型高科技平台。虚拟现实技术采集真实数据建立的数字模型，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立起逼真的虚拟三维场景，将设计师的作品预先进行形象直观的展现。虚拟仿真楼盘演示系统可以提前让开发商的理念构思仿真成真实可见的建筑和环境，使设计的准确性和质量得到很大提高，因而在房地产项目的规划、设计、报批报建、营销、物业管理等方面都可发挥巨大的作用。

虚拟仿真楼盘演示系统在房地产营销中更具有广阔的应用前景。任何房地产商品，不论是电梯公寓、别墅洋房还是商业楼宇、宾馆酒店，都必须进入市场销售之后才能实现其价值。所以销售是房地产经营最重要的一环。尤其在目前情况下，房地产市场总体不够活跃，销售业绩对于开发商的盈利状况具有决定性意义。成功的房地产开发商，不仅要有优秀的房地产商品，还应具备出奇制胜的销售谋略。房地产行业传统的营销手段通常是提供户型平面图资料、展示沙盘模型、建造样板间及投放三维动画视频广告。由于沙盘要经过大比例缩小，因此只能获得整个项目的大致鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受整体的建筑空间，更无法获得人在其中走动的真正感觉。模型制作完成后的修改成本很高，有着很大的局限性。效果图只能提供静态局部的视觉体验，比较单调。三维动画在播放的过程当中，观众只能被动观看，接受一些固定的信息，并不能按照自己的意愿去观看、查阅、检索相关信息，不具备实时的交互性，而且制作成本十分高昂，通常每秒钟价格在一千元左右。

“数字房产-虚拟仿真楼盘演示系统”能够帮助政府部门、开发商（投资者）、购房者等非工程技术人士克服抽象的工程图纸的不直观，可以从任意角度、任意方向和任意位臵来体验感受形象直观的建筑设计效果，能更好地建立用户（开发商和购房者）与设计师之间的相互理解和沟通交流。真正做到想怎么看就怎么看；想看哪里就看哪里；想从哪个角度看就从哪个角度看；想看多久就看多久。可以独自在售楼部一个人看；也可以带回去全家一起看，这是平面设计图、效果图、沙盘、模型乃至三维动画等传统手段都无法做到的。对于房地产开发商来说，“数字房产-虚拟仿真楼盘演示系统”给了他们一个机会，使他们在项目尚未建成之前，甚至是未开工前，就可以向消费者展示建成后的实际场景，比起空白的说教和复杂的图纸，这套系统更具有好的广告宣传效果。据美国著名的不动产网站数据显示，有虚拟现实技术展示的房产，比没有虚拟现实技术展示的房产，访问率增加40％，购房效果增加28.5％。

此外，开发商还可以应用“虚拟仿真楼盘演示系统”制作各种三维动画视频广告和精美廉价的数字楼书，大大降低营销成本，在当前低迷楼市下尤其受到开发商的青睐。

2．功能亮点

●全景漫游 客户可以进入虚拟楼盘内，聆听着优雅的旋律自由的行走，观摩小区内建筑、绿化及所有景观，真正让客户身临其境的感受小区建筑特色和整体规化。客户可以到中心花园欣赏假山流水，也可以走进房内体验实况，比如客户A选择了第8栋1门8楼802房。那么她就可以从8栋1门进入，电梯选择8楼到达802房了。她可以走进房内查看房子的户型、通风和采光、欣赏房屋内装修、观看阳台景观、查看地下车库位臵等。亲身体验在沙盘里感受不到的视觉效果。（图1）

●体验生活

比如选择了802的客户A，她可以以自己为中心全身心体验周围生活的舒适与便利，如：电梯口的方位、地下车库车位、便利店的位臵、小区花园和周边交通、医疗、购物、休闲配套等。当客户站在这个角度考虑时，她就已经把自己融入这个小区环境中了。可以使她联想到和家人一起在小区里散步，小孩将来在这里的幼儿园上学，父母在花园里做晨练等情景。（图2）

●感受服务

客户进入小区内可以感受小区物业服务情况。比如保安人员的安全保障情况、安全监控设备配臵情况、安全消防设备配臵情况、保洁情况、物业管理人员办公地点等。好的物业服务能给客户带来好的归属感和安全感。（图3）

系统功能设计的思路就是为给客户展示一个高科技、高真实、高互动的楼盘实况。给她们带来身临其境的体验，从而达到提升消费者购买欲望，提高房地产公司销售业绩的目的。3．营销应用

多年以来，大多数房地产开发项目均把重点放在营销策划上，市场的热点也在营销策划上。营销策划在很大程度上已被视为是项目致胜的关键。本系统在房地产营销中主要有营销中心的普通体验方式和3D VR（双通道）体验方式，其次还有互联网下载体验和移动展示等。

●普通体验

普通体验也就是在营销中心设臵一个3D虚拟体验区。将软件安装于电脑内，配合投影机和音响等设备，将3D虚拟画面和声音展示在客户眼前。客户也可单独在电脑面前操作或观看由工作人员按照指定的路线进行的讲解。观看完后并制作供客户带回家观看的光碟。此方案适应于中小规模房地产营销推广。

●3D VR（双通道）体验

立体环幕投影室系统效果图

立体环幕投影室系统结构图

利用3D设计平台软件可将系统所有功能模块输出成双通道立体影片方式。通过立体环幕投影室实现立体效果的影像。客户看到的影像好像有的在幕后深处，有的脱框而出，似伸手可攀，给人以身临其境的逼真感，带给客户视觉上更大的冲击力。观看完后并制作供客户带回家观看的光碟。（此功能和在3D电影院看电影的效果相同）作为大规模或针对于高端客户我们推介用此方案。

●互联网下载体验

信息网络的飞快发展给我们信息发布和快速推广提供了级佳的机遇。客户坐在家中就可以通过下载我们的3D虚拟仿真楼盘演示系统了解楼盘实际情况。不但扩大了客户的推广面，也为客户了解楼盘提供了一个更便利的通道。

● 移动展示

移动展示主要是为在外地或房交会等情况下给推广员楼盘展示提供方便。推广人员可以带着系统随意的展示，是沙盘展示的一种有利补充。

本方案适用于各大、中、小房地产开发商、规划局等。系统构建地产楼盘真实3D环境，模拟真实小区的建筑、环境、绿化、景观小品等，让购房者在小区未建成就能看到未来小区真实居住环境，感受小区的人文气息。我公司在虚拟行业内拥有非常深厚的制作经验和技术积累。自公司成立以来主要以虚拟现实制作、环幕系统集成、教学仿真训练、虚拟数字城市、开发区规划等虚拟现实业务为核心。公司利用雄厚的虚拟现实制作实力，为国内各大城市、房地产、院校等行业提供了先进的可视化管理工具。是湖南唯一专业从事虚拟现实制作与服务的公司。

三维虚拟仿真系统 第6篇

关键词：虚拟现实 交互 VRML Java Matlab/Simulink

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）11-0038-03

一、引言

实验教学不仅能帮助学生形成正确的概念，加深对规律的理解，而且与课堂理论教学相比，实验课程为培养和提高学生的动手能力、研究能力、创新意识提供了较好的途径。因此，实验课程在学科教学中具有不可替代的作用。随着高等教育的普及，对实验资源的需求与目前存在的实验条件不足之间的矛盾日益突出。虚拟实验系统的出现，很好地解决了这一问题。但是，目前现有的虚拟实验系统主要存在以下问题：

（１）呈现方式上以提供实验的文字和图片资料为主。这些文字和图片资料涉及实验原理、实验方法、实验仪器的介绍，学生更多的只是停留在“看”的层次上，这在一定程度上不能激发学生学习的兴趣，不利于实验动手能力的培养。

（２）用户与虚拟实验的交互性不强。虚拟实验系统多以提供实验操作过程的视频和动画为主，主要呈现演示型实验，学生参与实验操作较少。

（３）实验结果多以静态图像形式呈现，这在一定程度上影响了实验者的沉浸感。

虚拟现实（Virtual Reality）技术的发展，为利用虚拟实验系统开展教学注入了新的活力。虚拟现实技术能为学生提供生动、逼真的三维学习环境, 学生作为一名参与者操纵该环境中的实验对象。该虚拟环境具有丰富的媒体表现形式、增强的现实感，这对调动学生的学习积极性, 突破教学的重点、难点，培养学生的技能将起到积极的作用。虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种用于描述三维物体及其行为的建模语言，它可以构建虚拟世界，并集成文本、图像、音响、MPEG 影像等多种媒体类型。在VRML中虽然可以嵌入Vrmlscript、Javascript 等语言编写的程序代码，但它本身并没有直接和用户进行交互的能力，需要与其他语言结合才能实现三维场景和用户交互的要求。因此，为了构建功能强大的三维虚拟实验系统，有必要对现阶段VRML语言与其他软件的交互方式进行探讨。

二、虚拟现实建模语言及其特点

VRML是一种三维场景的描述性语言，使用它能在Web上创建可导航的、超链接的三维虚拟现实空间。虚拟现实建模语言的出现，改变了Web页面限于二维空间的表达方式，创造了交互式浏览的三维空间。VRML并不是用三维坐标点的数据来描述三维物体的，而是用类似HTML标记文本语言来描述三维场景。它以灵活多样的方式将二维、三维图形和动画、影片、声响、音乐等多种效果调和在一起，具有对内的树型场景结构和对外的分布式场景结构，提供了可重用的节点和原型，便于建模。用户在场景中可以根据不同的视点巡视，有很大的自由度。[1]VRML文件包括两大部分，场景描述部分和动态交互处理部分。场景描述部分主要通过造型（shape）结点定义了对象的几何尺寸、材质纹理，通过组（Group）结点将各个对象按一定的结构组织为场景，通过光照及声音结点在场景中模仿对象的自然特性。动态交互处理部分主要通过传感器（Ｓｅｎｓｏｒ）结点感知用户与对象的交互，插值器（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ）结点实现类似关键帧技术的插值动画，Script结点是VRML与Java、JavaScript等语言的接口，通过Script结点与其他语言的结合，能扩展VRML的功能。[2]VRML有以下特点：

1.C/S的工作模式和平台无关性。VRML的访问方式是基于C/S模式的，其中服务器提供VRML文件及图像、视频、声音等支持资源，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟世界。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。

2.实时3D图形渲染。实时3D着色引擎在VRML中得到了更好的体现。

3.网络传输容易。VRML适合于计算机网络的传输，并不要求很高的网络传输带宽，而且图形生成的工作可以放在性能要求不高的客户机上。

4.VRML具有可伸缩性。首先对于 VRML 浏览器来说，从理论上讲，应能处理由数亿个对象组成的分布在 Internet 上的场景。其次，VRML在高、低档的机器上都应该工作得很好，它允许浏览器为了提高性能而降低图像或仿真质量，而在硬件性能增强时质量可以变得更好。第三，VRML场景可以相对于网络性能而伸缩。

三、三维虚拟实验系统开发软件的三种交互

虽然VRML语言具有以上优点，但由于他本身缺乏直接和用户进行交互的能力, 所以在开发三维虚拟实验系统时，常常需要将他与其他语言相结合。针对目前常用的三维虚拟实验系统开发技术，笔者对三种交互方式进行了分析。

1.VRML与Java交互

VRML作为面向对象的建模语言，长于表达三维物体的静态特征，但其VRML本身不具有与外部交互的能力，它必须和其他语言相结合才能构造出具备交互能力的三维场景。为了实现与外界更复杂的交互，VRML2.0标准提供了两种扩展VRML并和外部程序实现连接的机制，一种是通过Script节点完成复杂的交互过程，另一种是通过外部编程接口EAI实现。

（１）通过Ｓｃｒｉｐｔ节点与外部交互

Script节点本身没有任何动作，其动作是由程序脚本来实现的，它是VRML与其他编程语言的接口。内嵌在Script节点中的程序脚本可用JavaScript 和Java 编写，其交互过程是，Script节点通过eventIn接口将事件传至Script节点中的程序脚本；浏览器就立即调用内嵌程序脚本将事件进行处理；被加工的信息由Script节点的eventOut字段将结果送出。

VRML浏览器捆绑了用于VRML编程的Java类包，该VRML类包主要包括vrml，vrml.node，vrml.field，还有一个可以操纵浏览器状态的Browser类。通过调用这些类包，Java程序可以实现与VRML场景的交互。虽然利用Script节点可以实现浏览者与VRML场景的动态交互，但这种交互只能按预先设定的状态进行，如果要在外界与VRML场景之间进行信息交流，Script 节点就显得力不能及了。

（２）通过ＥＡＩ与外部交互

ＥＡＩ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ａｕｔｈｏｒｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是VRML2.0提供的介于VRML世界与外部环境的编程接口，通过此接口VRML场景可以和与其嵌在同一网页上的Java Applet程序进行交互。Java Applet可以监视VRML场景事件，并能够在节点间传递事件，实现VRML节点的动态增加和删除，同时可以在浏览者与VRML场景间传递信息，从而大大提高了外界与VRML场景的交互能力。VRML的EAI接口定义了一套针对VRML浏览器的Java类包，它由三部分组成：vrml.external，vrml.external.field，vrml.external.exception。

EAI在Java Applet与VRML场景进行通讯时，首先需要获取Browser类的实例, 通过调用封装在vrml.external包中的Browser类的静态方法getBrowser( )来实现，在Java Applet中建立Browser对象后即标识了一个VRML场景。Browser类包含获取当前浏览器环境信息的各种方法，其中通过调用getNode( )方法直接获得VRML场景中使用DEF关键字定义的节点对象，调用getEvent In( )、getEvent Out( )方法获得访问节点的入事件、出事件。

众多学者对利用VRML与Java技术混合开发的三维虚拟实验系统进行了研究。如金侠杰等人基于VRML技术与Java技术开发了网络交互式虚拟装配环境；池建斌等人通过VRML外部编程接口EAI及内嵌脚本节点编程，实现了二级圆柱齿轮减速器虚拟拆装系统；吴波等人基于VRML与Java技术在工程设计领域的应用进行了研究，提出一种新型的Web环境下3D交互仿真结构，复杂的运算和仿真在服务器上进行，从而实现服务器端装配模型和客户端显示模型的分离，并在此基础之上提出协同环境开发的系统结构。[3][4][5] 此外，杨雨标等运用VRML与Java技术在微机上进行机器人运动仿真。 [6] 分析以上系统发现，VRML技术与Java技术相结合实现三维虚拟实验系统具有较强的三维立体感和交互性，常用于虚拟装配及其他工程设计领域。

2.VRML与Matlab/Simulink交互

利用Matlab提供的虚拟现实工具箱，可以实现和VRML程序的直接交互。虚拟现实工具箱是Matlab 6.X版新增加的工具箱，能在一个三维虚拟现实环境中进行可视化操作和与动态系统进行交互提供一种有效的解决方案，这些动态系统用Matlab和Simulink来描述。[7] 虚拟现实工具箱拓展了Matlab和Simulink处理虚拟现实图像的能力。使用标准的VRML技术，可以通过Matlab和Simulink环境生成三维场景。

虚拟现实工具箱可以在Matlab接口和Simulink接口两种环境中运行，而Simulink接口更直接、更容易使用，很容易通过图形用户界面进行交互，因而可能是更适合的工作方式。通过Simulink这一接口，可以在一个虚拟的三维模型中观察动态系统的模拟。一旦在Simulink对话框中包含了虚拟现实模块，就可以选择与Simulink信号连接的虚拟世界。所有VRML节点的属性分别列在等级树样式的观察窗口中，可以选择控制的自由度。当关闭接口对话框后，虚拟现实工具箱模块自动更新在虚拟世界中与选择节点有关的输入和输出。当连接这些输入到一定的Simulink信号上时，就可以在一个支持VRML的浏览器中观察可视化的模拟。

使用Matlab的虚拟现实工具箱开发三维虚拟实验系统具有以下特点：（1）利用Matlab虚拟现实工具箱，能够将枯燥的VRML编程变为可视化编程，简化了虚拟场景的设计。（2）Matlab /Simulink是专用的计算软件，在实验数据计算方面表现出极强的优势。（3）通过Simulink接口，很容易实现与三维图形用户界面的交互。但是如果在本地机上使用实验系统，需要在本地机上安装Matlab/Simulink、虚拟现实工具箱以及VRML编辑器、Web浏览器和VRML插件。如果本地机上不能安装Matlab/Simulink，用户也可以通过远程机来观察和控制三维虚拟世界。当然，要求远程机上所有的组成部分都需要支持标准的VRML97软件。通过Matlab Web Server功能也可以实现三维虚拟实验环境的远程访问。用户可以通过客户端浏览器浏览包含有虚拟场景和相应表单的页面，浏览虚拟实验场景的同时可以在表单中修改实验参数，点击发送后，客户端的参数通过HTTP协议传送给Web服务器, 由matweb.exe将参数提取出来，再传送给指定的M文件。该M文件对matweb传送来的数据进行运算后传送到Simulink仿真模型中去，以改变虚拟场景的运行。

3.VRML、Java以及Matlab三者交互

使用VRML、Java以及Matlab软件混合开发的三维虚拟实验系统主要有两种，一是针对Matlab虚拟现实工具箱与VRML程序交互的局限性，采用Java编程扩展Matlab虚拟现实可视化交互功能。这种方案结合了前两种交互方式的优点，有效地运用Matlab虚拟现实工具箱实用的建模环境和Java 扩展的人机交互性，在三维虚拟实验系统开发中具有广阔的应用前景。二是直接采用VRML、Java以及Matlab/Simulink三种软件之间的接口编程。采用Java Applet程序和VRML构建的3D场景实现用户界面，利用Java套接字，通过部署在客户端的Java Applet和服务器端Java应用程序实现客户端与服务器端的传输。运用Matlab/Simulink进行实验建模和运算，并利用Matlab的COM接口实现与服务器端的Java连接，将客户端实验参数传送到Matlab/Simulink中进行仿真运算，运算结束后再将实验结果传送回客户端。该方案采用B/S结构，满足了网络实验教学的需要。客户端只需一个集成Java虚拟机的浏览器即可运行实验，同时由于网络虚拟实验内容存放在服务器端，易于实验功能扩展和管理。此外，该方案特别适用于复杂实验模型的仿真。

使用VRML、Java以及Matlab软件开发的三维虚拟实验系统具有以下优点，在呈现方式上采用3D技术，丰富了媒体的表现形式，增强了学生实验的临境感；由于实验模型的计算采用的是专用的计算软件，在实验数据计算方面也表现出极强的优势；系统能根据实验数据动态地显示三维实验模型的运动，并以相图等形式呈现实验结果。实验过程和实验结果的直观化、形象化，能够促进学生对实验的深入探究，提高其问题解决能力。

四、结束语

三维虚拟实验系统拓展了实验教学的时间和空间，提高了教学效率，不仅可以作为课堂实验教学的补充，而且为远程教育中实验教学的开展注入了新的活力，因而具有良好的应用前景。本文介绍了三维虚拟实验系统开发过程中常用软件的三种交互方式，对各种交互方式进行了分析，希望对广大开发者有所启发。?筅

参考文献：

[1]汪兴谦.VRML与JAVA编程实例讲解[M].北京:中国水利水电出版社,2002:7-12.

[2]黄铁军,柳键编译.VRML国际标准与应用指南[M].北京:电子工业出版社,1999:5-9 .

[3]金侠杰,邢科礼,林财兴.基于VRML-JAVA 的网络交互式虚拟装配环境构建[J].计算机仿真,2004(10):126-129.

[4]池建斌,郭海新,王晨,冯桂珍.基于VRML-JAVA的减速器虚拟拆装系统的实现[J].工程图学学报, 2008,(2):48-53.

[5]吴波,周之平,张飒兵,吴介一.基于VRML-JAVA的虚拟现实及其协同环境的开发[J].计算机工程与应用,2004(7):136-138.

[6]杨雨标,何汉武.基于VRML-JAVA的机器人运动仿真研究[J].机械科学与技术,2004,23(1):120-126.

三维虚拟仿真系统 第7篇

变电站是电力系统的重要组成部分,变电站的安全运行对于维持电力系统的稳定、保证电网的可靠供电具有十分重要的意义。因此应该加强对变电站运行人员的技术培训,提高他们的运行操作和事故处理能力。但是,由于电力系统自身的特殊性,在运行人员的岗位培训中,不能将运行的系统当作试验品,也不能在真实设备上进行实际操作试验,更不允许人为设置一些事故让学员观察并进行处理。因此,建立一个与实际变电站运行状况相似的仿真变电站来进行培训是十分必要的。目前国内变电站培训仿真系统主要以接线图、数字图表、设备照片和现场录像等常规多媒体方式作为表现手段,其真实感、临场感和表现力都有待改进。采用虚拟现实培训系统,变电站环境是三维逼真的,人机交互是和谐友好的。受训人员不仅可以在三维虚拟变电站中巡视,还可以随时操作虚拟设备。受训人员能在没有任何危险的情况下,高效地模拟变电站的各种运行和操作。不仅节省了培训系统的硬件投资,而且易于维护。采用纯软件的方式进行仿真,当变电站设备更新换代时,只需更换软件就能升级,能解决仿真培训难以及时跟上电力发展的问题。

本文主要研究了基于VRML的变电站三维场景仿真技术,以及在此基础上利用VRML的Script节点调用Java程序来控制虚拟场景,实现虚拟场景的交互。

1 虚拟变电站三维场景建模

变电站三维场景建模应使虚拟设备更加真实,虚拟设备运行过程更加逼真。因此,虚拟设备不仅要能反映真实设备的几何特征,而且要能真实地反映实际设备或实际电力系统的运行。

虚拟变电站包括虚拟开关场和虚拟主控室(虚拟保护、测控装置及虚拟五防机)两大部分,用户在三维虚拟变电站中可以实现漫游巡视功能和操作交互功能。为降低计算机的资源占有量,我们采用虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,简称VRML)来建立三维的虚拟变电站。

1.1 VRML的核心原理和体系机构

VRML是一种建模语言,也是一种描绘3D场景中对象及其行为的场景描述语言。VRML定义了一组用来描述三维图形的对象,这些对象称为节点。VRML有许多对象类型, VRML提供以下几种非常有用的原始对象:立方体、圆锥体、圆柱体和球体。复杂的对象可以由这些简单的对象构成。

VRML把“虚拟世界”看作一个“场景”,场景中的一切看作节点。要构造一个交互性的虚拟场景主要用到以下三节点:造型节点,用来构造虚拟场景的外观;探测器节点,用来感知用户;Script节点,主要用来加入程序脚本语(如Java, JavaScript)。VRML通对这些节点进行编程控制实行交互。

1.2 模型的建立

以下程序段建立了虚拟变压器(见图1)模型,同理可以建立虚拟断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关等虚拟电气设备,并将它们放在同一场景中,这样就能初步实现虚拟变电站的建模。

2 交互功能的实现

2.1 VRML的事件体系

VRML的交互性和动态能力,是通过事件体系实现的。节点是由域和事件组成的,其中域的取值决定了节点的取值,从而决定了世界当前的状态,事件则为节点提供了接收外界消息以及向外界发送信息的能力。节点通过事件入口(eventIn)接收事件,通过事件出口(eventOut)发出事件,一个节点的事件出口和另一个节点的事件入口之间用于传递事件的通路称为路由(Route),通过路由联系起来的节点组成事件体系。事件体系是场景图除层次体系之外的另一基本组成部分。通过事件体系,事件可以传播从而引起其它节点的变化。

产生事件的最初原因是环境变化,用户交互或时间的推移,检测器节点(Sensor)能够检测到这种变化并发出初始事件。事件一旦产生,就按时间顺序向路由目标节点发送,并被目标节点处理,这种处理可能改变节点状态,产生其他事件,或者修改场景图等结构,从而为世界提供了动态性。

2.2 利用Script节点扩展VRML场景

VRML中的Sensor节点已具有基本的交互能力,但仅仅依靠VRML本身的对象交互机制是无法构建一个应用系统的。因为它缺乏普通程序设计语言的转移、分支、循环等基本特征,因此在实际应用系统设计中,应由Script节点对应的Java类来完成这些复杂的功能。特定的Java类最对应的节点接受事件时,将产生一系列动作。同时,它也可以修改节点的域或使节点产生事件。这样,相应对象与普通节点、传感器节点、Script节点和Route相互协作,构成一个完整的事件体系。

VRML与JAVA的交互见图2。

2.3 使用Script节点实现交互控制

现实中有动态变化着的场景,描述变化必须具备两个要素:动态过程的描述和时间控制的描述。VRML提供了不同数据类型的插补器节点,来实现各种变化过程的描述。动态过程的描述对应使用插补器节点,时间控制的描述对应使用时间传感器节点。

1)感觉观察者行为动作的邻近传感器节点VRML传感器所能感受到的观察者的动作包括:观察者在场景中对鼠标的操作,以及通过浏览器的视点控制在场景中的漫游。可以通过给出中心和尺寸指定一个由Proximi2tySensor节点感知的空间区域。每一次观察者进入这个区域,传感器就使用enterTime事件输出当前的绝对时间。每一次观察者离开这个区域,传感器使用exitTime事件输出时间。每一次观察者在感知区域改变位置方向后,Proximi2tySensor节点使用Position_changed和Orientation域来输出新的位置和方向。

2)标记时间流逝的时间传感器节点TimeSensor(时间传感器)节点能定时发送相关时刻信息。通常与插补器、传感器联合使用。随着时间的推移,TimeSensor节点产生事件,能在一个指定时间引发一个动作或者以固定时间间隔产生事件。控制程序执行示意图见图3。

要实现与虚拟变电站的交互,实现对虚拟设备的控制,需要利用Script节点。Script节点接收入事件并且把这个事件的值传给url域指定的脚本,然后这个脚本给出Script节点的出事件。

以断路器的操作为例。VRML给定一个时间检测器,从而给出一个控制动画效果的时钟,然后通过这个时钟的输出中虚拟变电站中驱动内插节点,使得断路器产生分合的动画效果,VRML浏览器将会通过线性插值的方法来完成整个分合过程。

采用Script后,用户可以在虚拟变电站中对断路器进行操作。

3 结论

采用VRML语言建立的变电站仿真培训系统十分直观形象,能较好地提高仿真与培训的技术水平。用户与虚拟变电站的交互也能直接作用于仿真系统,使得虚拟变电站能够模拟真实变电站的变化。而且基于PC机的虚拟变电站对计算机硬件配置要求较低,具有易于推广的优点。不足之处在于,在浏览包含大量装置的大型场景时,浏览速度会有所降低,有待进一步的研究以减轻浏览器的负担,提高渲染速度,达到更好的三维仿真效果。

参考文献

[1]Okapuu A,Marceau R J,Malowany A,et al.De-sign and operation of a virtual reality operator-training system[J].IEEE Transaction on PowerSystems,1996,11(3):1585-1591.

[2]Tam E K,Maurel C,Desbiens Petal.A low-costPC-oriented virtual environment for operatortraining[J].IEEE Transaction on Power Systems,1998,13(3):829-853.

[3]Tam E K,Badra F,Marceau R J,et al.AWeb en-vironment for operator training[J].IEEE Transac-tion Power Systems,1999,14(3):802-808.

[4]陈天翼,邱家驹,邱淘西.电力系统虚拟现实场景开发研究[J].电力系统及其自动化学报,2000,12(5):7-10.

[5]张东英,葛亮,杨以涵.500kV综合自动化变电站仿真培训系统的实现[J].电网技术,2001,6(25):64-66.

[6]王邦志,林昌年,蒲天骄,等.变电站集中监控仿真培训系统的设计与实现[J].电网技术,2004,15(28):21-24.

[7]张家祥,方凌江,毛全胜.基于MATLAB6.x的系统分析与设计虚拟现实[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

三维虚拟仿真系统 第8篇

1 三维虚拟教学平台总体设计

1.1 系统构架

三维虚拟教学平台系统分为:图形生成系统、虚拟交互系统、3D显示系统, 教室操控台系统及声音系统等5部分组成, 其中图形生成系统又包含高性能工作站和应用软件平台等两部分组成。具体结构图如图2所示。

1.2 系统特点

系统的建设必须满足教学和研究的需求, 具体特点如下。

(1) 采用高性能的图形工作站平台, 可兼容多种操作系统和应用软件, 可兼容各大成熟机械设计及图形渲染专业软件。

(2) 简单的系统结构, 便捷的使用操作和维护。

(3) 高清晰, 稳定的图像显示系统;主动立体显示技术。

(4) 8 m3 m高沉浸感的超大显示画面。

(5) 无束缚虚拟三维空间交互系统可以便捷的与虚拟场景进行交互操作。

(6) 高保真声音处理系统。

(7) 一次可容纳40~50名学生的大教学环境。 (如图3)

2 三维虚拟教学平台分系统

2.1 图形生成系统

高性能图形工作站

随着计算机技术的飞速发展, 在全球领先的GPU厂商Nvidia、ATI公司的大力推动下, 图形处理技术得到突飞猛进的发展, GPU性能提升到前所未有的水平, 高性能的图形工作站的图形处理能力达到甚至超过了2000万个面片每秒的处理速度。

本系统可以采用目前市面上成熟的产品, H P公司的Z 8 0 0系列图形工作站1T台 (也可选用D E L L公司的T系列工作站, Lenovo公司的E系列工作站) , 搭配Nvidia的Quadro超高端系列图形处理卡, 可输出2通道的主动立体图像至2台投影机进行显示;配置至强系列8核处理, 32 G内存, 以及高速SAS, SSD硬盘等。另外采用64位windows的操作系统平台是保证大数据处理的基础。

应用软件平台:应用软件平台为该系统平台的核心, 主要用来完成机械模型的设计、制作以及三维渲染输出, 以及与虚拟交互系统的数据接口。

机械设计软件:本系统可以采用行业著名的C A D软件, 如C A T I A, P R O/E, U G, MAYA等软件;不同的机械设计方向可以按照自己的需求选择不同的CAD软件, 如航空、汽车方向可选择CATIA软件, 电子、机械、模具等可以选择PRO/E软件。本系统采用C A T I A软件作为C A D设计平台软件。

三维渲染输出软件:可以采用ICDIO, QUEST3D, VORTOOLS等三维处理, 渲染输出等, 按照不同的软件来选择相对应的软件。本系统采用ICIDO作为三维渲染输出及交互软件, 同时该软件也能够支持虚拟交互系统, 不需要额外的第三方接口来实现。

2.2 3 D显示系统

目前成熟的3D现实系统技术有被动立体技术、主动立体技术以及光谱立体技术, 市场产品有高端的Barco, 科视, PD, DP等3D投影机产品, 本系统我们采用主动立体工程投影机2台, 可以24小时的稳定运行, 采用内置边缘融合技术保证两通道整体图像的色彩亮度一致性。 (如图4)

可显示19201080高分辨率的图像, 高达10000流明亮度的投影是画面色彩还原度最佳的保证, 两通道可以投射出8000 mm3000 mm的画面, 能够构建一个超大的虚拟现实空间来1∶1展示所有的机械结构模型和产品。

2.3 虚拟空间交互系统

完整的仿真系统不但可以实时与场景里所有物件进行互动, 还能在完整的拟真环境里体验实时的交互与反馈。虚拟空间交互系统可以在虚拟环境下, 对环境内的对象进行交互操作, 例如播放控制, 结构拆装, 虚拟空间漫游, 同时还可以设定主视点, 随着眼部空间位置的改变, 场景内的现实内容也相应发生位置改变, 虚拟出现实空间的对视关系。

本系统采用ART公司的虚拟交互系统设备, 整套系统采用红外光学及反射原理对人体的位置进行实时的跟踪与反馈, 得到人体当前精确的位置信息。手部三维控制鼠标同时使用, 能够对虚拟环境中的三维机械零件及设备进行拖动, 缩放, 翻转等连续操作, 同时操作老师也可以使用无线三维鼠标对课件播放进行控制。眼部位置跟踪可以与场景的环境跟随眼位点移动而改变, 同时可以采用人体全身运动跟踪系统, 可以对整个人体的全身运动操作进行跟踪, 与场景中虚拟人进行绑定, 可以实现寻空间人体的动作驱动虚拟人做相同的动作。来达到完全的人体运动虚拟仿真。 (如图5)

2.4 声音系统

声音系统选用专业的音箱、功放、调音台和话筒, 为虚拟现实系统提供一个专业的音响环境。教学多媒体课件的背景声, 老师的话筒, 学生提问的话筒等都可以实现扩声;同时, 该系统内老师的话筒具有优先级, 当老师说话时, 其他的声音自动降低为零, 突出老师话筒的声音, 当老师话筒停止说话时, 其他声音自动恢复, 达到自动主控调节功能。

3 系统组成 (如表1)

4 结论

三维虚拟现实教学系统作为一个新的教学平台, 在现代教学中有着极大的应用前景。可以实时的展示机械零件及设备的原型, 还可以模拟出动作机构的动态过程, 和计算机结果的可视化展示;虚拟现实技术将机械结构课程教学变得更加直观, 丰富多彩, 使学生由传统的被动式学习变成主动式学习的主导者, 学习兴趣大幅提高, 积极性增强, 极大的提高了教学质量。该系统的建设, 对现代教育方式有着不可替代的推进。

参考文献

[1]Cheol Young.Kim Namkug.Kim Yeongho Kim Internet-based Concurrent Engineering:An Interactive 3D system with Markup.

[2]ISO/IEC 14772-1.The Virtual Reality Modeling Language International Standard 1997.

三维虚拟仿真系统 第9篇

关键词：三维虚拟现实技术,便携式3C产品,外观仿真设计,总体结构分析

0 引言

便携式3C产品通常指的是电脑、平板电脑、移动电话、数码相机、电视机、随身听、电子辞典或数字音频播放器等[1,2]。近年来,随着电子商务的逐渐发展和广泛应用,全球化市场逐渐形成,便携式3C产品品种多、个性化的外观设计趋势愈加明显,所有企业均面临着实时变化与无法预测的市场竞争[3,4]。因此,3C产品外观的设计具有重要意义,能够使企业更好地满足客户需求的个性化与多样性[5]。

目前,有关便携式3C产品外观仿真设计的研究有很多,相关研究也取得了一定的成果。其中,文献[6]对3C产品外观的仿真设计是由特征部件的外观设计整合形成的,将便携式3C产品整体造型的外观依据功能的不同进行划分,通过CADI技术将各功能单元排列组合,从而达到便携式3C产品外观设计的多样化,同时对各外观设计造型进行评价,最终获取符合用户需求的设计方案,但该方法实现过程复杂,不适用于实际应用中。文献[7]以便携式3C产品外观设计的效率为目的,从知识重用的角度对便携式3C产品外观设计中的知识进行划分,从而得到设计师设计过程知识和用户需求知识等,在UG平台上塑造便携式3C产品知识重用原型系统,高效形成外观设计方案,但该方法主要依据先验知识实现,得到的结果很难满足用户需求。文献[8]提出一种基于Java技术的便携式3C产品外观设计方法,在JDK1.5中引入可切换皮肤的外观(Synth),Synth能够使开发人员无需编写代码即可设计新的便携式3C产品的外观。将外观设计在XML文件中实现,令外观设计和程序代码“分隔”开,有效提高了设计效率,但该方法所需成本较高,资源浪费较多。文献[9]对便携式3C产品的外观风格和形态进行分析,研究了便携式3C产品造型风格的产生及构成,总结了便携式3C产品外观设计方法,提出外观设计模型,实现外观仿真设计,但该方法所需时间较长、效率低下。

针对上述方法的弊端,设计了一种基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计系统,分析了系统的总体结构。软件设计中,采用三维虚拟现实技术实现便携式3C产品外观设计。实验结果表明,所设计系统外观设计效果较佳,且效率很高。

1 基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计与实现

1.1 便携式3C产品外观设计系统总体结构图

本文系统的总体结构图如图1所示,其主要由输入模块、三维虚拟图像处理板、NOR FLASH存储电路和VGA显示模块构成。

通过输入模块将用户的命令和需求进行接收,并传输至三维虚拟图像处理板中进行处理,将处理结果发送至NOR FLASH存储电路中进行暂存,通过三维虚拟图像处理板DSP的接口提供的和NOR FLASH存储电路的无缝接口读取处理后的信息,通过软件程序实现便携式3C产品外观仿真设计,将最终设计完成的结果传输至VGA显示模块进行显示。

1.2 差分发送端设计

输入模块为三维虚拟现实系统的输入接口,通过输入模块对用户发出的命令进行接收和检测,输入模块将接收到的命令发送至图像处理模块。输入模块的核心芯片采用Intersil公司生产的ELS171芯片,其是一种通过双绞线接收和传输的芯片,电路图如图2所示。

图2中,R1主要用于阻抗匹配,双绞线传输的用户命令信号存在衰减现象,需通过R1对其进行调整,同时在接收命令与传输命令的整个过程中均需进行频率加权补偿,该补偿可通过在输出信号线上串接2个电阻R6,R7实现,R6,R7通常在5~50Ω范围内取值。

1.3 三维虚拟图像处理板

三维虚拟图像处理板是整个硬件结构的核心,三维虚拟图像处理板接收从输入模块发送来的用户命令后,通过将第2节分析的软件代码植入芯片中实现便携式3C产品外观的仿真设计。三维虚拟图像处理板采用TI公司生产的TMS320C6202B-300芯片,其原理图如图3所示。

图3中,TMS320C6202B-300芯片的内部结构和通常的DSP芯片不同,其内部集成有2个乘法器与6个算术运算单元,可同时对8条32 b用户命令进行处理。将经处理后的结果保存至内存储器,通过4个DMA接口和2个多通道缓存串口将处理结果发送至显示模块进行显示。

1.4 NOR FLASH存储电路

NOR FLASH存储电路选用2片Intel公司的E28F128J3A FLASH,其采用0.25μm工艺的3 V电压逻辑存储芯片对相关数据进行存储。NOR FLASH存储电路如图4所示。

图4中的NOR FLASH存储电路共包含两片E28F128J3A,其数据线是DQ0~DQ15组成的32位数据总线,和PXA255的32位数据总线一样,地址线是A0~A23共24位,和PXA255的SA-AZ至SA-A24相连。由于E28F128J3A是16位数据总线,所以其A0地址无需接地。PXA255的SA PWR-EN和RP脚相连,如果SA PWR-EN较高,则进入省电模式。

1.5 VGA显示模块

VGA就是显示绘图阵列,其是IBM公司发布的显示器分辨率规范。所设计系统选用的为VGA接口的LCD显示器SM501,其自带VGA接口,能够直接和模拟显示器连接在一起,其VGA显示原理图如图5所示。

图5中,SM501的模拟RGB显示模块采用24位DAC(RGBS:8:8)对模拟RGB接口进行连接,上述DAC的运行频率能够达到200 MHz,最高可显示1 280×1 240的分辨率,这是一般芯片无法达到的效果。

2 软件设计

软件设计中,采用三维虚拟现实技术实现便携式3C产品外观设计,下面对各实现步骤的详细实现过程进行分析。

2.1 便携式3C产品拟合特征轮廓线

便携式3C产品的特征轮廓线选用Bezier曲线,利用样板的正侧面投影线拟合形成,轮廓线形成的部分代码如下:

2.2 基于深度的便携式3C产品外观放缩变形

与侧面投影相应的是3C产品全景深度图像的中间轴,深度图像重点各行以一定的比例发生改变,该比例为需轮廓线和原轮廓线中离散点的高度之比。基于深度的便携式3C产品外观放缩变形的部分实现代码如下:

2.3 生成新的便携式3C产品外观三维模型

在服务器端对原模型的采样点与剖分信息进行保存,获取新的便携式3C产品外观三维模型,部分源代码如下:

2.4 便携式3C产品外观加载显示

产生新的三维模型后,为了使客户能够立即看到三维效果,系统需实时加载新的三维场景,对便携式3C产品的外观设计进行显示。下面是浏览器加载一个三维场景的部分代码:

3 实验结果分析

为了验证本文设计的基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计系统的有效性,需要进行相关的实验分析。实验将Synth系统作为对比,在表1描述的实验背景下进行分析。

实验工作场景如图6所示。

分别采用本文系统和Synth系统对平板电脑的外观进行仿真设计,对两种系统仿真设计所需的时间进行比较,得到的结果如图7所示。

分析图7可以看出,采用本文系统对平板电脑的外观进行设计,所需的时间明显低于Synth系统,且本文系统的时间曲线更加平稳,说明本文系统具有较高的设计效率。分别采用本文系统和Synth系统对平板电脑的外观进行设计,得到的设计结果分别如图8、图9所示。

由图8、图9可知,采用本文系统对平板电脑设计的效果明显优于Synth系统,说明本文方法有很高的性能。

4 结论

本文设计了一种基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计系统,分析了系统的总体结构,通过输入模块对用户发出的命令进行接收和检测,输入模块将接收到的命令发送至图像处理模块,通过将软件代码植入芯片中实现便携式3C产品外观的仿真设计,将设计结果发送至NOR FLASH存储电路暂存,将最终设计完成的结果传输至VGA显示模块进行显示。软件设计中,采用三维虚拟现实技术实现便携式3C产品外观设计。实验结果表明,所设计系统外观设计效果较佳,且效率很高。

参考文献

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[8]裴楠.浅谈品牌标志在笔记本电脑外观上的协同设计[J].文艺生活·文海艺苑,2013(1):193-197.

三维虚拟仿真系统 第10篇

通过研究大学文理科学生通识教育的课程设置, 能为我们提供许多宝贵的借鉴, 大学教育需要逐步实现科学精神与人文精神的融合。本文论述以虚拟仿真技术的应用, 探讨仿真技术在交互性视景三维动画制作中的作者体现, 以完善学生知识与智能结构而构建课程内容, 根据学生的志趣和特长研究授课方式, 并在课程考核方面, 体现学生的团队协作精神, 分小组完成作业, 小组成员进行不同工作的分工协作, 共同完成虚拟仿真作品。

1 虚拟仿真技术

通识教育实际上是素质教育最有效的实现方式。在通识教育中, 贯彻“博学与精专相统一的个性化素质教育”, 在课程设置中充分体现这一原则。另一方面, 该课程对选修的学生不设任何限制, 无论是什么专业, 无论有无相关的知识基础, 只要对虚拟现实技术感兴趣都可以选修。

1.1 学习仿真技术的基础要求

(1) 学习计算机图形学与虚拟现实的基本理论与技术, 了解计算机图形图像的生成、显示、处理、变换、动画、影视等的基本方法和技能。

(2) 学习虚拟现实的基础知识, 虚拟现实系统的构成原理, 互动性视景三维动画制作工具软件, 掌握虚拟现实系统和虚拟现实环境的设计和实现的基本方法和技能。

(3) 采用实例进行讲解, 使学生能在较短的时间内对虚拟现实应用有所了解, 并学会制作视景动画作品。

(4) 培养学生具有理论分析和解决实际问题的能力, 具有面向高科技的研究能力和基本的面向工业的设计生产能力。

1.2 虚拟仿真技术的掌握基本

在课程内容设置上, 考虑了学生的接受能力, 并能充分学习和了解虚拟现实技术的魅力, 调动学生的学习兴趣, 提高学生的动手能力。课程内容如表1所示

(1) 计算机图形学。介绍计算机用户接口等方面的概况, 了解图形用户界面和互动输入方法, 掌握三维浏览的浏览线程, 浏览坐标系, 投影, 实体浏览, 广义投影变换, 剪切, 硬件实现等基本知识。

(2) 虚拟现实技术概论。学习人机交互, 虚拟现实的类型与应用, 国内外研究现状等方面的概况。

(3) 实现虚拟现实系统的三维交互设备。

学习三维跟踪传感交互设备, 立体显示设备, 手数字化设备, 声音系统, 硬件系统集成等理论与技术。

(4) 实现虚拟现实系统的相关技术与软件。学习实事显示处理, 三维虚拟声音显示, 触摸和力量反馈, 虚拟环境中的自然交互, 三维建模等技术和软件工具。

(5) 虚拟现实的建模软件。了解Creator的基础和几何模型的创建理论;掌握二维图形建立和三维模型造型技巧;掌握材质与贴图, 灯光与环境的方法;掌握三维动画制作等功能, 方法与技巧。

(6) 虚拟现实建模语言VRML (Virtual Reality Modeling Language VRML) 。介绍语言概述, 编辑器和浏览器, 虚拟世界设计, 综合编程实例, Creator与VRML等。

(7) 虚拟现实开发工具EON Reality。学习开发平台, 浏览器, 世界编辑器和材质库。了解虚拟世界中的对象, 虚拟世界建造及www中的应用三维虚拟世界等。

(8) 交互式虚拟现实设计实例。通过实例学习交互性视景三维动画制作技巧, 主动了解当代科技的发展趋势, 从而提高学生的创新能力和实践能力, 善于探索未知领域, 具有组织管理能力, 具有合作精神。

2 虚拟仿真技术实践

VRML是一项和多媒通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术, 是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言, 它的主要特片有三维性、交互性、动态性和实时性。本文以VRML虚拟现实建模语言授课为例, 为充分发挥同学们的创造性, 在课堂授课中以实例为导向讲解节点的使用方法。

VRML节点集包括基本几何节点、复杂群节点、VRML场景效果节点、动画节点及动态感知节点等, 本例为一乒乓球台, 并实现双方打乒乓球的交互过程, 使用以下几个相关节点:

Shape节点, 定义乒乓球台、乒乓球和文字。

Position Interpolator内插器节点, 定义乒乓球的运动规律, 所有的内插器节点都需要与和时间传感器Time Sensor相配合使用, 把给定的时间规一化。Touch Sensor触摸传感器则可用来让程序接收鼠标点击与触摸传感器同在一个局部坐标系的物体时点击动作, 并将点击的时间等内容通过路由语句ROUTE传给其他节点或程序, 进而进行相应的操作, 本例点击乒乓球, 乒乓球开始设定的运动, 如图1所示。根据本实例的节点使用方法, 同学发挥自已的创造力, 设计相类似的球场运动, 如图2所示学生设计的篮球球场。

3 三维动画作品展示

应用虚拟现实建模软件Multigen Creator创建建筑模型, 学生题材的选取、素材的采集、模型比例设置、建模、贴图都凝聚的每组成员的力量, 在整个项目的进展过程中, 同学们体验到了美学的熏陶, 计算机软件的魅力, 团队合作的乐趣。如图3所示, 是学生们在学习虚拟仿真技术之后, 应用于三维动画制作的三维建筑模型的作品展示。

4 结束语

通识教育选修课对拓宽学生知识面、培养能力、提高素质起着十分重要的作用。培养完整的人、通达有识见之人, 从而增强学生学习主动性全面提高素质。通过视景三维动画的制作, 学生们有了全新的体验, 开拓通达的知识取径, 陶冶美感和情操, 拥有多元文化的思维, 培养沟通与领导统御能力。

摘要：虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术, 就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。由于计算机技术的发展, 仿真技术逐步自成体系, 成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法, 而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。本文对计算机虚拟仿真技术进行探讨, 研究了在交互性视景三维动画制作中的应用。

关键词：计算机虚拟仿真技术,虚拟现实,动画制作

参考文献

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虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用 第11篇

关键词：虚拟DCS；电厂仿真系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0038-02

1 DCS系统概述

大型集散控制系统（DCS）在现代电厂控制技术中占有重要的地位，它集计算机技术、网络通讯技术、数据采集、过程控制技术于一体，把整个电厂的控制过程、操作报警及数据显示等通过计算机或盘台集中表现出来，犹如人的大脑，控制着整个电厂生产流程。

1.1 DCS系统的仿真方式

因此，控制系统的仿真是电厂仿真系统中一个非常重要的部分，其仿真方法和仿真精度直接影响整个电厂仿真系统的质量、成本和实施效果。在常规的电厂仿真系统中，DCS的仿真主要内容有数据采集和发送、操作员人机界面、逻辑与控制过程、数据记录与输出等。主要有三种仿真方式：

①Simulation方式：用软件模拟DCS功能的实现方式。

②Stimulation方式：用原厂DCS硬件激励式模拟的实现方式。

③Emulation方式：用原厂DCS软件结合仿真其硬件环境的实现方式。

1.2 虚拟DCS系统的主要功能

虚拟DCS由原电厂控制系统厂商提供，是一种Emulation方式的仿真控制系统，它构建于虚拟控制器技术之上，采用原有控制硬件中的软件及其环境实现仿真，可以与原DCS逻辑组态保持高度一致，虽然价格仍然较高，但是远低于传统Stimulation方法，对于电厂控制算法研究分析和改进能起到相同作用。

虚拟DCS式电厂仿真系统就是采用虚拟DCS方法开发的，它为电厂仿真系统的发展开拓了一个全新的领域，它的主要功能有：

①具备完善的与仿真机的接口，能够模拟机组控制系统的运行状态和功能。

②具备良好的控制系统虚拟组态、运行、修改等功能，采用图形化、模块化、交互方式的组态环境，可进行运行培训、热工培训、DCS逻辑和运行规程检测、优化运行分析等。

③虚拟DCS具有开放式的通讯接口，能时刻跟上电厂DCS的变化，可以直接利用真实DCS工程师站的控制逻辑组态文件以及相关数据库技术实现仿真控制系统逻辑和画面升级。

以下就是OVATION控制系统虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用。

2 虚拟DCS仿真系统组成

2.1 仿真系统的软件组成

系统软件由虚拟DCS软件和仿真服务软件构成。虚拟DCS软件由OVATION虚拟控制器软件、OVATION Database Server、OVATION 工程师站软件、操作员人机界面软件和接口通讯程序组成，仿真服务软件由仿真支撑平台软件和电厂过程（炉、机、电等）仿真模型组成。

系统软件结构如图1所示。

各个操作员人机界面接受操作员操作指令，发送到OVA-

TION Database Server，OVATION虚拟控制器软件从OVATION Database Server中取出数据，模拟真实DPU的算法策略经行运算，运算完成后再将结果送回到OVATION Database Server中，再经接口通讯程序发送到仿真服务软件，由仿真服务软件进行运算，运算出的数据再通过相同路径，反向传输到OVATION D-

atabase Server上，最后再将结果反馈到操作员人机界面上。

通过工程师站软件可以访问OVATION Database Server，修改其中的数据库点名和配置信息。

由于虚拟DCS系统与仿真服务软件分别处于两个不同的运行环境，需要解决两个系统之间的同步问题，如时间控制、复位、保存等，这里采用由仿真服务软件控制虚拟DCS系统的方式实现。

2.2 仿真系统的硬件组成

系统硬件由虚拟DCS硬件和仿真服务器构成。虚拟DCS硬件主要包括虚拟控制器服务器、虚拟DCS的工程师站、操作员站和网络交换机。系统硬件结构如图2所示。

OVATION虚拟控制器服务器主要用来为虚拟控制器软件提供运行环境，协调内部各个虚拟控制器软件的运算。

如果系统中有多个虚拟控制器服务器，其中一个须配置Master Host软件，它负责监视系统内所有控制器服务器的运行，并发送指令控制各个服务器状态。

仿真服务器用于运行仿真服务软件，包括支撑平台和仿真模型，并通过通讯程序，调用SimAPI函数发送仿真系统指令到Master Host，实现对虚拟DCS的控制。

虚拟DCS的工程师站主要运行OVATION Database Server和工程师站软件，实现数据库的存储和管理、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能。

操作员站主要模拟人机交互界面。

网络设备主要用来进行数据的传输与交换。

3 虚拟DCS应用于仿真系统的实现

3.1 仿真模型的开发

在仿真支撑软件支持下，程序设计采取”自顶向下”的结构化程序设计，建立全物理过程数学模型，机组启停、正常运行以及故障等全部直接包括在该模型中。

根据仿真范围，火电机组的仿真模型包括锅炉模型、汽机模型、电气模型，仿真方法与传统的Simulation方法一致，而控制模型的功能由虚拟DCS支撑平台实现。

3.2 虚拟DCS的开发

虚拟DCS开发是整个项目的关键，整套虚拟DCS由OVATION控制系统改造而成。根据电厂仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS实现了与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时工况的快存、回退和重演等功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。

整个虚拟DCS包括多个虚拟控制器，涵盖输入输出、数值运算等常见类型，能够完成整个DCS系统SAMA图的组态仿真。另外，还提供DCS系统的人机界面绘制修改工具，可对虚拟DCS的人机界面进行重新组态，扩充图形控件。

项目执行期间，先收集项目电厂的控制逻辑和画面源文件，再导入虚拟控制器服务器，操作站从服务器下载匹配的控制器和画面源文件，这样就得到与项目电厂一样的逻辑和画面了。

3.3 虚拟DCS与仿真模型的联调

虚拟DCS数据库为实际控制系统的组态数据库，与实际DCS点对应，其构成、组态由控制公司的设计人员完成。仿真模型数据库按照收集现场的实际设备及工艺流程资料，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计开发完成。

在虚拟DCS和仿真模型都开发完成后，就可以将两者连接起来进行联调。根据模型工程师和虚拟DCS工程师分别提供输入输出接口清单，把模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。另外，编写接口通讯程序，调试运行使两者的数据库能够进行实时数据通讯交换。

3.4 虚拟DCS与仿真结合的难点问题及解决方法

在虚拟DCS与仿真结合过程中接口通讯程序的编写是整个项目的难点问题，因为虚拟DCS数据库平台与仿真支撑平台分属两个公司，数据库结构、通讯模式都有很大差别。本项目中两个平台的通讯采用OPC通讯方式解决。

控制公司提供了OPC Server接口，仿真工程师开发一个O-

PC Client，通过这种OPC Server/OPC Client结构实现虚拟DCS系统与仿真平台之间的数据交换。

OPC规范中提供了两套接口方案，即定制接口方案和自动化接口方案。其中定制接口效率高，通过该接口能够发挥OPC服务器的最佳性能，一般采用定制接口方案。

在VC环境下，使用定制接口方案开发OPC客户应用程序实现的步骤如下：

①编写OPC头文件→②初始化COM支持库→③连接OPC服务器→④创建OPC组→⑤添加数据项→⑥数据交换→⑦释放接口指针。

4 结 语

仿真系统的设备模型的开发方式与常规Simulation方法仿真机相同，因此仿真范围和精度没有改变，培训效果没有削弱。热控人员还可以利用虚拟DCS工程师站进行数据库组态、逻辑组态调整、画面修改等培训，大大增强了培训效果。同时，虚拟DCS式的电厂仿真系统保留了Simulation方法对于设备模型仿真的范围和精度，兼顾了Stimulation方法对于控制系统高精度仿真的效果，又相对节省了硬件投资，缩短了开发周期，是一种理想和多应用功能的电厂仿真系统建设方式。

参考文献：

[1] 游景玉.仿真控制论文集[M].珠海：珠海出版社，1999.

[2] 游景玉.亚仿技术开发及应用[M].珠海：珠海出版社，2000.

[3] 潘爱民.COM原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

三维虚拟仿真系统 第12篇

关键词：美丽乡村,三维虚拟仿真开发,公共服务平台,平台开发教学

引言

随着浙江省村镇建设2003年开始的“千村示范、万村整治”工程等教学研究项目的推进, 近年来浙江省“美丽乡村”建设进程的快速推进, 三维虚拟仿真技术应用于村镇规划信息化的需求迫切起来。

运用虚拟仿真平台研究开发出浙江省“美丽乡村”三维虚拟仿真公共服务平台, 具备全三维、高度仿真、测量距离、测量面积、显示数据信息等交互功能。通过本系统进行三维仿真, 形成较完善的美丽乡村三维虚拟仿真公共服务平台的研究雏形, 为不同用户服务。

1. 教学研究项目平台设计与开发内容

本教学研究项目是通过搭建B/S结构模型平台, 在研究如何经济、高效地制作三维村镇模型的方法与步骤方面取得了初步成果, 一定程度上提升了浙江省村镇规划信息化水平。

1.1 本教学研究项目依托浙江省典型村镇三维仿真规划信息化平台模型, 实现美丽乡村仿真场景漫游及规划信息化管理。

着重研究在教学研究项目过程中采用的各种纹理建模方面的优化方案, 包括纹理建模过程和烘焙过程的优化, 以及开发软件平台自身提供的一些优化方案和优化技术。

1.2 教学研究项目通过本地或者远程管理界面, 对三维村镇规划信息化平台场景中的个体信息进行交互, 做到规划信息数据实时更新。

2. 教学研究项目平台的开发流程

2.1 三维场景模型的构建

浙江省美丽乡村三维虚拟现实教学研究项目组织与实施及开发流程的研究。教学研究项目首先是对单个美丽乡村模型场景的创建, 通过B/S浏览方式进行整合。平台的研发过程具体由以下几个部分组成:

(1) 教学研究项目的需求分析及相关数据收集与整理。通过课程组成员调查走访, 合作单位直接提供等方式获取一手资料, 再结合卫星地图, 综合创建地形地貌。大量的建设贴图通过单反相机进行实地拍摄。

(2) CAD总平面图的处理。通过测绘部门或者乡村相关职能部门获取的乡村CAD总图信息量大, 对模型创建来说需要精简, 然后导入3ds MAX软件进行场景模型的创建。

(3) 优化创建的模型, 通过多种技术手段, 精简三维模型面数等信息, 确保在平台运行时的流畅。

(4) 村镇场景模型的烘焙。在目前虚拟现实场景中, 通常都是由建筑模型在贴图、灯光等一系列步骤后进行烘焙 (在Unity最新的5.0系统中, 可实现实时光影, 不一定需要烘焙步骤) 输出到相关平台, 这样能获得的视觉效果更佳。

(5) 在3DSMAX环境中直接导出并合并场景至相关虚拟仿真平台, 可分为两种方式进行, 部分静态模型的导出与全部静态模型导出, 根据不同需求选择进行。

2.2 系统功能的实现

系统功能的设计, 包括虚拟现实引擎和相关技术的选择以及在应用中如何提高信息管理水平的研究。

(1) 创建相机及相机动画, 在无人交互操作的时候, 可以通过动态相机对美丽乡村进行飞行鸟瞰等预设。

(2) 虚拟现实场景碰撞属性的设置, 默认可以直接把场景中的所有物体设置为碰撞体, 减少工作量, 但在实践中发现, 这样会在一定程度上造成系统运算量大, 执行效率较低, 影响最终的运行速度。所以一般都是人为设置一个较简单的物体, 设置碰撞后, 进行隐藏操作。

(3) 创建特效与周围环境。教学研究项目可根据需求, 设置不同季节及不同气候条件下的模拟环境, 对表现水景效果、蝴蝶飞舞等特效的制作, 动态效果通过3ds MAX进行动作设定, 导入到虚拟现实引擎进行后期处理。

(4) 村镇地图的导航制作。导航图的制作关键是要在3ds MAX平台中进行坐标的定位, 确定坐标参数后, 在虚拟现实平台中进行相关的参数设定。

(5) 美丽乡村数据库的创建。平台可以支持的数据库丰富, 包括ACCESS、Oracle、SQL Server、My SQL等, 虚拟对象与数据库的关联操作和数据库查询功能的实现是平台实现交互的坚实基础。

(6) 交互功能的实现。平台支持的交互功能众多, 可能鼠标事件、距离、键盘等触发调用相应的响应事件, 大量的交互功能还涉及到数据库的数据读写, 这在本教学研究项目中是一个非常重要的环节。

(7) 教学研究项目发布。教学研究项目平台支持生成EXE可执行文件脱离平台环境单独运行, 也可以发布到互联网络中进行网页浏览交互, 本教学研究项目最终是通过生成单个的网络版本, 通过WEB树形目录, 把浙江省的各个村镇的三维虚拟仿真系统合成到大平台中。今后的研究中考虑使用跨平台支持效果更好的Unity3D引擎。

2.3 平台特点与特色

本平台采用Photoshop, Auto CAD, 3DMAX等图形图像软件结合虚拟现实平台完成, 脚本引擎功能强大, 压缩率高, 真实感强, 沉浸感好, 可嵌入音频、flash、视频、图片、网页。

(1) 平台仿真度高, 区别于能流畅实现村镇的三维漫游功能, 部分村镇信息查询等功能, 满足决策者对美丽乡村规划功能的要求。

(2) 可以实时把画面用“虚拟相机”进行拍摄出图, 能直观、精确、更大范围地展现规划设计方案, 有效地提高规划审批决策科学性。

(3) 该系统作为公共服务平台, 可通过二次开发, 开放接口, 扩展到经济、卫生、交通、应急、消防等领域。

3. 教学研究项目平台的经济与社会效益

浙江省村镇共有1500多个, 教学研究项目建成后, 为浙江省美丽乡村规划信息化水平提升做出明显成效, 也为浙江省乡村建筑数字化程度的提升做出重大贡献。研究成果专注于虚拟现实与三维可视化技术在浙江省美丽乡村规划领域中研发和推广, 目标是国内领先的村镇虚拟现实技术解决方案。教学研究项目能满足不同数字规划管理领域, 不同层次决策者对数字仿真的需求。

4. 平台的保障力量

4.1 人员保障

教学研究项目分别由高校、企业与政府职能机构等三部分技术力量组成:教学研究项目主持单位高职院校在教学研究项目实施过程中, 采集村镇基础数据, 利用研究小组学生在暑期社会实践中调查数据、采集可视化资料及到乡村管理部门查询资料, 也为教学研究项目的完成打下坚实基础。本科院校为本教学研究项目提供理论支撑, 在校的虚拟现实方面的硕士研究生, 也参与到教学研究项目中, 为教学研究项目提供了技术保障。

4.2 资料保障

规划设计院作为合作企业单位, 负责提供浙江省典型美丽乡村规划图纸。企业内部有较多的规划专家, 可以对教学研究项目进行深度研究。提供一手资料, 研究中的浙江省溪口美丽乡村规划方案就由他们提供, 为该教学研究项目的顺利进行起到了重要的保障作用。

4.3 政策保障

浙江省住房和城乡建设厅科技委村镇建设专业委员会, 对教学研究项目的推广提供政策上的扶持, 所在的村镇建设专业委员会在教学研究项目研究中还负责对村镇管理者规划信息化方面进行指导。每年都会对浙江省村镇优秀规划方案进行汇编、获奖教学研究项目的收集整理, 具有非常丰富的参考资源, 对建设系统相关职能部门具有良好的沟通协调能力, 便于教学研究项目具体实施过路中的运行与推广。

5. 结束语

相关研究案例在多次研讨会上得到相关领域专家的好评, 对于用于浙江省美丽乡村建设过程所起到的推动作用是肯定的。教学研究项目的研究成果专注于虚拟现实与三维可视化技术在数字乡村规划领域中研发和推广, 是国内领先的美丽乡村虚拟现实技术解决方案。

由于教学研究项目研究周期较短, 后续会通过虚拟现实引擎自生的更新及教学研究项目研究的深入, 进一步提升虚拟仿真制作水平。

本平台是数字乡村规划、建设、管理与服务数字化工程的重要组成部分, 它综合运用GIS、遥感、网络、多媒体及虚拟现实仿真等高科技技术, 为浙江省美丽乡村数字化提供三维可视化管理和规划辅助决策支持功能。该教学研究项目也能在建设“两美”浙江中做出应有的贡献。

参考文献

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