基于VR的虚拟仿真系统应用

摘 要：本文介绍了虚拟仿真系统的模型结构、分析了虚拟仿真实训系统的功能组成和系统的总体框架。利用Vega Prime建立虚拟场景并进行仿真驱动，并在Visual 2003开发环境中应用Vega Prime 应用程序接口函数编程，完成了有关模型拾取、文字提示信息、自由度DOF控制等应用程序设计。最后给出了实现算法，并成功的应用在视景仿真程序中。

关键词：虚拟现实；视景仿真；Creator；Vega Prime

中图分类号：TP391.9

虚拟仿真指的是现时的人在虚拟的环境战操作虚拟的系统而对现时进行的仿真。它是在多媒体技术、虚拟现实技术与通讯网络技术等信息科技迅猛发展的基础上产生的一种新型仿真技术。运用现展的计算机图形技术模拟环境，用户在使用时有身临其境的感觉，实现用户与环境直接进行自然交互。把这种技术应用在设备的培训教学和训练中，会克服现场训练存在的各种缺陷，显著的提高训练的效率。

1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），又译为临境、灵境等[1]。它是上世纪九十年展起来的一种新技术。通过三维图形技术、传感技术以及显示技术模拟环境，让用户在使用时如同亲身经历一样。这种技术是一种综合运用技术，包括三维图形技术、跟踪技术、显示技术、传感反馈技术等。在假想情景下，模型足够精确，时间足够多，就可以得到万物在各种光照条件下的精准图像。比如驾驶虚拟系统，最重要的就是图像刷新和沿途图像质量，只要沿途图像足够逼真，刷新够快，逼真效果就很好。

虚拟现实系统的核心是虚拟环境，它强调对人的感觉器官的支持，从而使人能够沉浸到虚拟环境中。

2 虚拟仿真系统应用

2.1 建模仿真模型

设备虚拟仿真训练系统的研发，不仅需要构建虚拟训练场和虚拟装备，还需要建立和实现多专业相关设备的内部仿真逻辑，并保证能够在网络内部分布式地协调“工作”。也就是说虚拟训练系统的设计上要建立在对装备操作和训练系统的仿真上，包括场景和对象的实体仿真以及对象内部的数学仿真，对应的仿真模型则是实体模型和数学模型[2]。

实体模型的优劣直接影响虚拟场景的真实感，数学模型的精确性则影响着虚拟训练的效果和质量。为了尽量逼真地模拟出训练场景、武器装备的外形，一般采用三维建模与绘制技术进行图像建模的方法。而数学模型的建立则是依据武器装备之间的控制关系来建立的，不同的装备之间的连接关系是不一样的，但数学建模的过程基本相同。

设计虚拟仿真系统的关键是通过合适的技术手段使数学模型与实体模型结合起来，达到一个真实训练所能感受的效果。用户借助于专用的视、听、触觉等感知设备，便可进入虚拟空间与虚拟环境中的人和物体实时交互，感知和操作虚拟环境中的各种对象，从而达到身临其境的效果。

2.2 虚拟仿真实训系统框架

虚拟仿真实训系统的目标是为学习者提供一个自主学习的平台，让其能通过计算机或网络接受操作指导，进行模拟操作练习，并可根据操作过程与结果，进行技能评测。同时，系统能够方便指导教师进行维护、管理和监控，为学习者提供适时的和有针对性的辅导。所以虚拟仿真实训系统的组成是由服务器、客户机、客户机及信息数据库组成。信息库存储实训项目、实训指导、模拟操作、技能测评等信息[3]。当然，不同的虚拟仿真实训系统在功能和组成上是不同的，下面以机构的运动控制为例给出该项目设计时的总体框架：

2.3 虚拟训练仿真系统场景

实体模型是仿真系统的重要组成部分，对象建模可以用Creator直接生成，在建模过程中，可以利用纹理（texture）、材质（material）增加逼真度。细节很重要，特别是实体模型的细节，对仿真系统尤其重要。要想运行速度快，就要减少实体面数，可以采用纹理贴图。对于显示应用要求高的系统，有一种灵活的办法，就是在用其他软件建立复杂模型，然后加入光照，最后渲染出效果图，用这个效果图作为模型的贴图，视觉效果会好很多。

实现对模型自由度DOF（Degree of Freedom）节点的控制，也就实现了环境中对象的控制。为了实现对场景中对象的控制，比如移动或者旋转，就要先在模型中设置相应的DOF节点[4]。各个运动部件的运动范围和运动方向在DOF的属性设置中确定，在Creator中，模型中任何一个可以移动的物体上都可以设置自由度。相关的参数变量，比如旋转伸缩，比如位移等等，都可以通过仿真程序来控制其自由度节点。例如对方向舵的控制中一共有四个自由度节点，包括两个传动轴、舵叶和控制杆。属于旋转（Rotate）的自由度是舵叶和控制杆，属于平移（Translate）的自由度是两个传动轴。

3 结束语

具有真实感的交互功能的虚拟仿真训练系统，可以完善和补充武器装备日常训练。本文所设计了一种虚拟仿真系统，能够模拟一定情况下的操作，帮助要使用者在实际使用中尽快熟悉性能特点，在教育培训中发挥了很好的作用。

参考文献：

[1]王炜等.虚拟仿真系统导论[M].北京：国防科技大学出版社，2012（13）：71-74.

[2]王明印，韦群，徐恩，等.基于Creator/Vega Prime的大场景虚拟现实关键技术研究[J].系统仿真学报（增刊1），2009（21）：119-123.

[3]刘桂峰，伍洁.基于Vega的某装备虚拟维修系统技术研究[J].舰船电子工程，2011（11）：128-130.

[4]孙科峰，李洁.基于Vega Prime的多场景仿真系统框架[J].计算机仿真，2007（12）：193-195.

[5]方琦峰，康凤举，张楚鑫.OpenGL在Vega Prime开发环境中的应用研究[J].计算机仿真，2008（06）：191-192.

作者单位：空军房管局武汉房管处，武汉 430033；92219部队，青岛 266000