时间：2023-02-21 14:42:31
自20世纪9O年代以来，以计算机仿真技术、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现，并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段，虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击，并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明，虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验，探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。
2．虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。
2．1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是利用三维建模技术，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景，并能响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真，也称为视景仿真，它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。
在航空电子装备教学中，大量用到对装备的外观、结构、组成、连接、机安装位置的展示，传统教学大都采用实物展示的方法。近年来随着大量航空电子装备的更新换代，因受经费、场地及使用寿命等因素的限制，传统教学方法已远远不能满足要求，而采用虚拟现实技术的展示方法则以其廉价、无场地限制和效果良好得以广泛应用。
目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿真的开发，主流平台CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虚拟现实数据库OPENFLIGHT已经成为了工业标准，在军事、航空航天等领域应用都比较成熟。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用rVegaPrime、GLStudio和EON作为视景仿真开发的技术平台，解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级的视景仿真效果．同时采用嵌入OPENGL技术来解决物理模型的交互问题。
2．2系统仿真技术
系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科．它通过建立实际系统的数学模型，利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式的仿真，也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
在航空电子装备教学中，对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述，配合一些静态的图形帮助学员理解．教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧。近年来．我们尝试将系统仿真技术应用到航空电子装备教学中，根据被仿真装备的工作原理，建立系统的数学模型，并根据装备的不同工作状态，对模型进行动态运行．结合虚拟现实技术实现的逼真场景．较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用．也可供学员自学，并达到了较好的教学效果。
目前，有许多成熟的系统仿真开发平台软件．如Simulink、SystemView等，这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵，且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。
3．虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤
3．1建立仿真模型
这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型，也包括揭示其内在工作机理及行为的数学模型。对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则，以尽量减小运算量。建立数学模型时，还应考虑到系统运行时的参数调整。
3．2创建仿真装备的虚拟场景并驱动
对于虚拟场景的驱动，根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用EON进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用GLStudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用VegaPrime驱动以实现更复杂的交互操作。
3.3系统集成
系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起，使之成为_个完整的、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。
系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台，与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。
4．结语
关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02
Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation
YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang
(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)
Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.
Key words:particle system; virtual reality; immersion
1 引言
随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。
2 虚拟教学发展现状
在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：
2.1 虚拟课堂
虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。
2.2 虚拟实验
在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。
2.3 虚拟培训
针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。
3 粒子系统
3.1 粒子系统基本原理
粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。
3.2 粒子系统绘制的基本步骤
Step1 由粒子源产生新的粒子并加入系统中；
Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；
Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；
Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；
Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。
可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。
4 粒子系统与虚拟教学
因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。
4.1 虚拟实验现象仿真
关键词 模拟 虚拟 仿真 模拟仿真 虚拟现实
中图分类号：TP3 文献标识码：A
1 模拟与仿真
模拟经常采用虚拟具体假想情形的方法，也经常采用数学建模的抽象方法。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛，包括电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，一般采用模拟的方式来完成。
仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。
模拟侧重于软件，强调过程。仿真则侧重于硬件，仿真的重要工具是计算机、模拟器。无论模拟还是仿真都与实验相关，整个实验叫仿真，而实验过程应该叫模拟，所以模拟仿真不可分割，发展到今天统称为模拟仿真。
2 模拟与虚拟
模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。虚拟是对真实的模仿，对训练过程的假想。
3 虚拟现实与模拟仿真
虚拟现实（VirtualReality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。
概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。
虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。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，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术。
模拟仿真是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能。
模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局l983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显现未来战争可能出现的各种情况，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的团级司令部进行诸军兵种联合演练。
工程图学课程的教学是很具体形象的，它注重机构的运动及动作，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解；机械类课程中的实验设备大多很昂贵，有些情况下，不能完全满足相应的实验要求，尤其是对每个学生而言，学生实验通常是分组，对有些实验，实验设备很少时，分组的人数会很多，这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握；因此，如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，以求达到掌握一门专业技术技能。
1虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义
目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式，即老师讲解、演示，再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合，充分利用先进的计算机设备进行虚拟仿真实验教学，取得了较好的效果。
传统的教学模式以教师为中心，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性和积极性难以发挥，不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作，亲身参与整个实验过程的操作，通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示，从而增强学生的感性认识和学习兴趣，提高教学效果，使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、互动的气氛中进行学习。基于以上思考，尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。
2虚拟仿真实验设计目标
虚拟实验的开发工具主要是网络虚拟现实建模语言(VRML)和三维建模软件。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等，是目前Intenet上基于“www”的三维互动网站制作的主流语言。
虚拟现实系统的设计要达到以下目标：
a)要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。
b)系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。
3零、部件测绘实践虚拟辅助教学
《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课，是一门理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用inventor2008，3Dmax，AutoCAD及vrml软件系统设计虚拟实验系统，使之能够对齿轮油泵(图1)、减速器(图2)、虎钳(图3)的装配进行动态模拟，通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟，可以充分发挥学生的主观能动性，有利于学生获得丰富的感性认识，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣，有助于拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。
零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是，以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线，用计算机虚拟现实的方法，制作图画和动画形式为主的直观形象，去解析零部件的形状结构和测绘过程。
将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是：布置测绘任务；观测分析实物模型；教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导；学生依据实物模型，参照虚拟辅助教学课件自主测绘；教师集中讲评。
虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主，配有少量文字说明的电子文档。分别是：以动画为主去表达零部件形状结构的图画集，以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集，以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集，以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。
4零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点
a)基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明：没有实体模型做基准没有构形思维和视觉及视觉心理的支持，计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品；另一方面，没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作，也不能获得效果良好的作品。
b)基于图学素质对测绘对象(零、部件)的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取，都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象(零、部件)的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求，其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类(虎钳)、减速器类是常选测绘对象，其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑，所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如，表达方法典型、全面，结构具有代表性。按后续课的需求考虑，所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。
5结语
关键词：车床实训；虚拟仿真技术；工程实训教学
在工程实训教学中，传统的普通车床实训教学项目比较注重动手操作，但是由于工程实训中心的设备数量不足，加上有经验的实训指导教师人数、学生实训操作安全等方面的限制，传统车床的实训教学已无法满足学生的需求[1]。随着计算机技术的不断发展，由计算机控制的数控车床逐步取代人工操作的普通车床，已经成为一个不可逆转的趋势[2]，但是普通车床作为数控车床的基础，依然很重要，高等学校所开设的工程实训课程中仍将普通车床作为一个重要的实训项目[3]。依托计算机、网络、图像处理等技术的成熟，虚拟仿真技术已应用于各实训教学项目中，其能够实现实训教学的虚拟化、三维可视化；实现实训教学项目的交互与沉浸，使学生能够更主动地进行实训操作；还能解决车床实训教学过程中存在危险、车床设备数量不足等问题。与此同时，在注重工程专业认证的当下，虚拟仿真技术在工程实训方面的应用，对工程专业认证也有着重要的加分作用[4-5]。
1车削加工虚拟仿真教学系统设计思想
普通车床实训涉及的内容较多，学生需要掌握的知识不仅包括刀具、夹具和切削加工基础知识，还包括C6132D普通车床的相关操作知识。要想通过系统自学普通车床的加工操作过程，就不能抱着只是在系统上用鼠标、键盘简单地点击几下或敲几个按键的想法。使用虚拟仿真教学系统学习，学生须扎扎实实地掌握相关知识。基于这个目的，该系统从设计开始就需要有知识学习、操作演示、动手实践等基础的设计思想，给学生提供丰富的车削加工知识，通过向学生演示车削加工的实例，方便学生进行模拟操作。因此，该系统应是一个集实训教学与实训操作于一体的系统，同时可以依靠网络打破时间、空间的限制，让学生实现自主实训。
2车削加工虚拟仿真教学系统的开发软件构想
在车削加工虚拟仿真教学系统中，需要模拟出一个真实的工件从毛坯到车削加工成型的过程，使学生能身临其境地感受到车削加工的过程。AuthorWare作为备选软件，能将图像、声音、图片和动画等结合在一起形成一个完善的系统；非专业的编程人员也能创造出一个与车削加工操作相关的多媒体应用软件。在车削加工虚拟仿真开发方面，VisualBasic作为主要编程软件，基于可视化编程技术与多媒体功能，能搭建出集声音、动画和图像于一体的多媒体应用程序，营造出与车床实际操作过程相同的实训环境。为了使界面更加完美，动画显示更加真实，还可以使用Photoshop、Flash和3dsMax软件来处理图像和制作动画，实现虚拟仿真系统的各种功能。
3车削加工虚拟仿真教学内容
车削加工虚拟仿真教学系统是2020年山东科技大学虚拟仿真实验教学建设的项目之一，该系统在人机交互界面上力求反映真实的车床加工实际操作过程，具备较强的真实感、顺畅的交互性和一定范围内的容错性。该虚拟仿真教学系统可分为3个模块：3.1车削基础知识模块。该模块主要功能是为初次参与工程实训的学生提供一个车削加工设备的认知过程，学生在此模块中可以学到车削加工的基本知识，内容如下：（1）车削加工实训目的及要求：让学生在操作前充分掌握实训目的，了解与车削加工相关的专业知识。（2）车削加工实训安全技术要求：虽然学生通过虚拟仿真模拟车削加工过程没有危险性，但是虚拟模拟的最终目的还是要回归于实际的操作中，因此，详细地告知学生在实际操作过程中的注意事项十分必要。要明确说明什么可以做，什么不可以做，避免学生在实际操作过程中出现失误，导致实训设备损坏或发生严重的人身伤害事故。（3）车削加工的概念与工作原理：涉及车削加工的介绍，车削加工的优点、缺点，车削加工的范围等，学生可多角度观察车削加工过程。（4）车床结构（C6132D普通车床的结构）：通过车床模型可多角度任意旋转、缩放观察车床的结构，包括主轴箱、进给箱、挂轮箱、床身、溜板箱、尾架、光杠、丝杠、车床上各种按钮和手柄的功能等。（5）常用量具：让学生认识常用量具，例如游标卡尺、螺旋测微器等，并辅以动态图演示常用量具的结构及使用方法。（6）常用车刀与夹具介绍：向学生介绍常用车刀，包括内孔车刀、偏刀、切槽刀等，辅以车刀模型的结构、名称的展示，包括夹持部分、切削部分，夹具常使用的三爪卡盘、顶尖、中心支架等，并介绍它们的主要结构，辅以动态模型演示不同夹具的装夹原理。该模块还向学生介绍常见的车削加工设备，介绍车床的发展与演化过程，激发学生的学习热情。此外，该模块还提供了大量的车削设备实际加工过程的视频录像和动画演示，以便学生理解车削加工操作中车削设备的运行情况。3.2车削实训操作模块。此模块涉及车削加工的基本操作内容，学生不仅能够通过系统演示进行观察，还可以通过车削加工虚拟仿真教学系统来模拟相关操作。主要内容如下：（1）车刀安装：在虚拟仿真教学系统中，学生可通过三维模型动态演示学习车刀安装操作，并在系统演示后自行操作模拟安装车刀的过程。安装过程中需要注意，车刀安装在方刀架上，刀尖一般应与车床主轴中心等高。此外，车刀在方刀架上伸出的长度要适宜，垫刀片要放平整，车刀与方刀架均要锁紧。（2）三爪卡盘安装工件方法：三爪卡盘是车床上最常用的装夹工具，在虚拟仿真教学系统中，学生可通过三维模型动态演示学习如何将工件安装到三爪卡盘上，并在演示后自行模拟将工件安装到三爪卡盘上的过程。（3）车端面：车端面是车削加工中最基本、最常见的工序之一，改变的是工件的长度。车端面时，车刀的刀尖应对准工件的中心，以免车出的端面中心留有凸台；当背吃刀量较大时，容易扎刀；凸台是逐渐车掉的，所以车端面时使用弯头刀较为有利。（4）车外圆：车外圆也是车削加工中最基本、最常见的工序之一，改变的是工件的直径。为使车刀的主切削刃垂直于工件的轴线，可在先车好的端面上对刀，使主切削刃与端面贴平。3.3车削实训考核模块。该模块的作用是对学生进行考核，即学生在学习过车削加工的基本知识，以及车削加工的操作后，给学生一个具体的操作项目让学生在虚拟仿真系统上进行操作。在学生进行操作的过程中，该模块可以对学生的操作过程进行监督预警，如果操作步骤出现问题，可以及时提醒学生加以改正。在操作结束后，该模块还能对学生的操作过程进行评价，并给出一个分数。这个分数可以作为学生能否继续参加线下车削加工实训的标准，此外，这个分数还可以按一定比例折合算入学生车削加工实训的总成绩。
4车削加工虚拟仿真存在的问题
4.1虚拟仿真系统建设成本较高。虚拟仿真系统除了软件以外还需要有相关的硬件设备，最基础的设备就是计算机。学生通过计算机的鼠标、键盘与虚拟仿真实训软件进行信息交互，如果想让学生有更好的虚拟仿真实训体验，还需要有相应的配套设备，如VR眼镜、VR数据手套、VR手柄等。这些外置设备单价较高，如果要满足一个班的学生同时进行实训的需求，那么建成一个完整的虚拟仿真实训教室的费用就会相当可观。4.2虚拟仿真实训存在局限性。虚拟仿真实训也有其局限性，虚拟仿真无法全面模拟实训过程。例如，对实训中出现的一些偶发性问题可能无法全面模拟，学生就不能掌握其具体的解决方法，导致学生在实际操作机床的过程中遇到类似问题也不知道怎么处理。此外，实训操作中一些具体的过程，如装刀、装工件，以及操作过程中紧急情况下制动的使用等内容可能都无法涉及。
5结语
依托虚拟仿真技术在教学领域的发展，可实现车削加工实训的虚拟仿真，建设车削加工虚拟仿真系统，实现车削加工实训的虚拟体验教学。学生可以使用基本的计算机等设备在虚拟仿真教学系统上实现技能、知识的交互，增强认知，学习车床的基本知识、操作技能等内容，并通过考核模块对自主实训效果进行检验，提高实训指导老师的教学效率，提高车削加工实训的质量。
[参考文献]
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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：
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[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.
关键词：优化；多细节层次；遮挡属性
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）20-0184-02
目前虚拟仿真技术的应用越来越广泛，比如虚拟仿真技术在煤矿安全培训中的应用、虚拟仿真技术在医学教育领域的应用等。在这些应用中，高品质画面效果与系统流畅地运行总是两个相悖的需求。要做到画面精细美观，就很难做到数据量很小，数据量庞大又会导致系统运行不流畅。这时候就需要考虑优化的问题，只有对系统进行优化才能很好地调和这两个矛盾。在实际开发中，不但要在虚拟仿真环节使用优化技术还要对模型进行优化处理。由于篇幅所限，在此主要阐述虚拟仿真环节的优化。
一、LOD技术应用
1.LOD技术综述。虚拟现实技术作为一种新型的人机交互技术具有沉浸、交互、构想三个基本特性，其中沉浸性是指使用户投入到计算机生成的虚拟环境中的能力，是虚拟现实系统的核心。为了使用户在使用虚拟现实系统时拥有沉浸感，必须实现图形的实时绘制。实时绘制就是要求图形显示速度必须跟上视点移动速度，消除迟滞现象。当场景很简单，例如仅有几百个多边形，要实现实时绘制并不困难，但是，为了得到逼真的显示效果，场景中往往有上万个多边形，有时多达几百万个多边形，这就对图形实时绘制提出了很高的要求[1]。虚拟现实和交互式可视化等交互式图形应用系统要求图形生成速度达到实时，而计算机所提供的计算能力往往不能满足复杂三维场景的实时绘制要求，因而研究人员提出多种图形生成加速方法，LOD模型则是其中一种主要方法。1976年，Clark提出了细节层次（Levels of Detail，简称LOD）模型的概念，认为当物体覆盖屏幕较小区域时，可以使用该物体描述较粗的模型，并给出了一个用于可见面判定算法的几何层次模型，以便对复杂场景进行快速绘制。LOD技术在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。由于LOD的诸多优点和它很好地解决了虚拟仿真技术中流畅运行和界面精美的矛盾，成为虚拟仿真领域的研究热门，并且取得了不少的成果。而Virtools中LOD属性添加就是应用之一。
2.LOD优化系统的实现。首先在3D MAX中，将所建模型转化为可编辑面片。Virtools中，在Level Manager下的三维物体上右键，选择右键菜单命令Add Attributes（添加属性），弹出Add Attribute Type的设置窗口，选择该窗口中的LOD Object，然后单击Add Selected按钮即可添加LOD属性。第二步则是设置LOD属性面板的参数。给物体添加LOD属性需要设置其参数，参数面板如图1所示主要包括所选用的算法和LOD模型的选择标准。通过LOD参数可以设置物体根据所占画面比例进行面数增减，通俗地说就是越近越精细，越远越粗糙。在Level Manager（层管理器）下的三维物体上双击打开3D Object Setup面板，双击Value参数的值，弹出如图1所示的参数设置窗口。设置当对象在屏幕中的显示占总面积的80%以上时完整显示，随着所占面积的缩小，剔除的面数逐渐增加，直到对象在屏幕中显示面积为1%时，将剔除面数的98%，仅保留2%，这将极大优化系统。
二、其他优化技术
1.减少渲染数量。虚拟漫游系统的实时渲染，被遮挡的物体也会被渲染，如果将被遮挡物隐藏，当视角发生改变后，物体又不能正常显示；在Virtools中解决这一问题的方案是给遮挡物增加遮挡属性，那么被遮挡的物体就不会被渲染，当视角发生改变后，被遮挡的物体也能正常显示出来。具体操作和增加LOD属性相似，在添加属性窗口选择Optimizations（优化）/Ocdluder（遮挡），然后单击Add Selected按钮即可添加遮挡属性。
2.减少渲染范围。影响渲染进程的除了场景中对象的复杂程度和数量等因素，视域范围和深度也会对渲染有所影响。如果漫游的每一帧都显示和处理所有场景数据是效率很低而且不必要的。将场景进行分块处理，在漫游中，只渲染摄像机能观察到的场景分块，对没有进入视角的场景分块不做调用和处理，这样可以极大地加快系统的渲染效率。其中的优化包括了两个方面：一方面是在建模阶段对场景进行分块处理，另一方面是在交互设计阶段对不同的场景进行调用及摄像机的视野范围进行设置即视锥体裁剪技术的运用，通过缩小渲染深度，达到减少渲染对象的数量，从而实现系统的优化。视锥体裁剪技术来优化系统的原理如图2所示，摄像机的视野范围可以看作是一个四棱锥，为了方便理解作者把立体空间平面化为实线所包围的区域，渲染的范围就是实线三角形，将摄像机的Far clip（远裁切）参数减小，将下边线推进到虚线的位置，渲染的范围就缩小了，从而实现了系统的优化。如果能配合雾效，将远景模糊处理，效果更自然。
虚拟仿真系统的优化途径有很多，具体的系统开发中一般不会都用。根据系统开发的规模常用的有LOD技术，再结合遮挡属性设置，如果还要进一步优化则通过减少渲染范围配合雾效的障眼法来处理了。
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关键词：虚拟 仿真 资源 数控
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0111-01
近年来，为了提升中国制造业在国际中的竞争力，国家开始广泛将最先进的数控技术引入职业学校机电专业，力求有一个崭新的发展机遇，但这也是对于以传统教学为基础教育的挑战。虽然增加了在中国的各类职业学校数控技术专业人才的培养力度，但是制造业的巨大漏洞还是使得在设备与人员上存在聚大的差距。因为地区的差异，经济的因素以及政策的原因，导致职业教育的发展很不统一，很多职业学校，特别是没有国家及地方投资的非示范校职业学校教学的现状仍面临数控设备严重缺乏，教学理论滞后，实践教学和理论教学中心的重心错位，小规模的人才培养严重不足，教师的知识结构不完善，和许多其他问题。虚拟现实技术的数控技术专业教学模式探索的新组合是必要的，为了实现数控专业教学小投资，见效快，适应性训练的学生，企业需要培训的目标。解决这个问题的一个重要途径是使用虚拟的仿真模拟教学。
1 使用虚拟数控仿真软件数控教学装置，设备，处理的三维显示
传统工艺一本书或活动挂图来查看图形数控设备或组件，或在现场教导学生观察实际的教学设备，以获得各种感性的形状。利用虚拟现实技术建立一个计算机用同一种，如Pro/E的建模使用3D零件或3D机床，数控设备和虚拟化，以及这些对象存储在仿真三维的课堂，只要我们进入虚拟空间，从不同的角度，可以在任何时间和场合，了解这些设备，还能够观察各部分的内部结构，甚至单独的设备，可以帮助学生理解设备的组成，结构和工作原理，提高学习效果。
2 使用虚拟数控仿真软件仿真，模拟训练教学
教学数控车床或铣床价格比较昂贵，一般的机床也要十几到二十几万不等，而企业的加工数控机床，从几万几千百万不等。然而，财政困难，许多职业学校数控设备严重缺乏，教师的教义教导学生独立动手操作，真正动手操作的机会很少，只能在黑板上讲课与进行书本知识的描述，“有些职业学校数控设备的数量是非常有限的，只有学生做示范试验，不能满足实践教学，每个学生将在数控机床操作独立稍加培训时间和培训重点，只能够进行简单的数控机床的操作，学校的培训严重脱离生产实际，培训效果不佳。使用虚拟数控仿真软件建立一个虚拟实验室，学习者可以进入虚拟实验室，身临其境的虚拟仪器，如虚拟数控设备的故障检测维修的各种虚拟数控系统的连接和组装，安装虚拟数控设备，这个虚拟的实验既不是消费设备，不受场地和其他外部条件，可重复操作，直到你来到一个满意的结果，虚拟实验室，将不会导致操作失误和事故所造成的
3 利用虚拟数控仿真软件实现的数控加工仿真教学系统
虚拟数控仿真软件的核心是虚拟数控机床，数控机床操作和过程的三维仿真环境，虚拟数控机床数控机床来完成大部分的教学功能，弥补了课堂上的理论教学不足的差距，利用虚拟仿真软件，内容丰富，各种类齐全的数控铣床，数控车床，数控加工中心，其中包括在国内和国外的先进的数控产品，以及各种常用的机床操作面板和软件系统。虚拟的教学中所涉及到的数控机床的知识包括：定义坐标系，面板的安装，工件的夹紧，安装盗具，基准的选择，机床手动操作。虚拟数控仿真软件来模拟部分的过程中，你可以测试NC程序指令正确，可以提供实时的机器的操作面板完全相同，NC程序的调试，编辑，修改和跟踪执行功能也是一应俱全。学生在身临其境的虚拟经营各类数控机床的数控仿真软件，可以充分发挥数控加工的常用操作，如操作模式选择，编辑操作的刀，刀具补偿确定和输入和输出操作程序，修改，保存和检索操作。数控学习者需要动手练习，学生机床操作培训时间。
4 实现虚拟数控仿真教学与真实生产加工的联系
虚拟数控仿真软件不仅可以独立运行在一台计算机，也能实现在本地区域网络（LAN）网络上运行。数控加工仿真系统的硬件设施，独立操作计算机模拟的虚拟数控机床模拟操作面板的电脑显示器，以及部分虚拟数控机床的切削过程三维动态图形演示。虚拟数控仿真系统，运行在本地区域网络（LAN）系统通过网络传输的真机上的虚拟数控仿真验证程序连接到学生通过与计算机的实际，五金零件切割工艺，那么除了操作仿真面板操作，与实际机器的真实情况。
5 可实现网络数控培训及考核
职业教育自成立以来，所采取的测试已经基本通过了在小学和中学基础教育的测试模式选择筛选和分级的目的形式单一，封闭的书面考试，学生在考试时只需要知道，理解，记忆，掌握的内容。这种考试制度只是对学生能力知识的检测，没有解决问题的能力，缺乏动手能力，知识转移与创新，导致可怜的职业学校毕业生的操作能力和整体素质低的现象，严重影响了职业教育的使命，阻碍了职业教育向高层次的发展。虚拟数控机床强大的网络功能，远程教育和培训，不仅仅是有一个双向的互动教学功能仅在区域网络，也有基于互联网的双向互动远程教学，卫星，宽带数据传输可以使用方式。这使得数控培训远程学习名副其实，采用远程网络学习，作业，考试等功能，被测验者能自动保存成绩查询和分析等功能，方便了无纸化考核和评价。
【关键词】移动平台 虚拟战场 仿真
1 引言
虚拟战场仿真是虚拟现实技术在战场仿真领域中的具体应用，对指挥控制、作战推演、辅助决策等具有重要意义。虚拟战场仿真以计算机图形图像处理、真实感图形建模等技术为基础，结合声、光、电、触等特效，产生身临其境的逼真环境。虚拟战场仿真技术广泛应用行模拟、单兵对抗、兵棋推演等领域。
虚拟战场仿真以三维场景的建模与绘制技术为核心，对三维图形生成与处理的能力有较高要求。传统的虚拟战场仿真系统通常需要专业的图形工作站支持，用以建立三维真实感战场环境，辅以头盔、立体眼镜、数据手套等交互设备，完成沉浸式仿真环境的生成及人机交互。随着电子信息与计算机等技术的飞速发展，智能手机、平板电脑等智能设备的处理能力日趋强大，已能够较好地支持相对复杂的三维场景生成，使得基于移动平台实现战场仿真成为可能。由于移动平台集成化程度高，其显示、计算、存储、交互等功能均集成在一体化设备上，可使战场仿真系统小巧而灵活，特别适合单兵大规模对抗演练，因此成为当前的研究热点。
本文以战场仿真系统的便携和小型化为背景，分析基于移动平台实虚拟战场仿真系统的关键技术，设计系统实现方案，给出系统总体结构和运行流程。
2 国内外研究现状
基于移动平台实现虚拟战场仿真系统，其研究现状主要集中在场景建模与组织、模型简化与快速绘制、移动平台下的战场交互等方面。
2.1 场景建模与组织
移动平台属于资源有限型计算平台，因此必须对场景进行高效组织。场景组织按其目的可分为面向交互与面向性能两类，前者主要用场景图来描述和组织虚拟场景，优势是将场景中的物体按照场景设计者根据其在现实世界的逻辑结构抽象为对象并以层次结构来组织，这样设计者以后能更方便对其进行更新修改；后者主要采用空间分割技术作为组织方式，包括二叉空间分割树、八叉空间分割树和包围体层次树等方法。
2.2 模型简化与快速绘制
目前已经提出了许多模型简化算法，例如基于顶点聚类的网格简化算法和基于边折叠的网格简化算法等，但对于某些复杂的模型，简化效果还是不能令人满意，往往需要手工简化，而手工简化的工作量是非常巨大的。快速绘制主要在模型简化的基础上，依赖LOD、视点相关的模型调度等技术。
2.3 移动平台下的战场交互
目前虚拟现实系统交互功能的实现一般是依赖外部交互设备以及硬件平台的内置传感器。外部交互设备主要包括数据手套、数据衣、操纵杆、空间定位设备等；内置传感器包括方向传感器、加速度传感器、距离传感器等。传统的交互主要以PC为支撑平台，以鼠标、触摸板、键盘等为基础，而移动平台则主要以多点触控为基础，如何实现多点触控为主要模式的战场交互仍有必要进行深入研究。
3 关键技术
移动平台虚拟战场仿真系统的关键技术主要体现在以下几个方面：
3.1 移动平台三维场景的动态组织方法
三维战场环境错综复杂，包括地理、水文气象、电磁等环境信息，以及飞机、坦克、雷达等目标信息，其数据量巨大、数据类型多种多样。移动平台受限于硬件资源，其存储和计算能力相对较弱，必须对传统的工作站模式进行改进，从战场场景的专题化、模型简化、场景数据的动态组织等方面提出新的方法。
3.2 移动平台三维场景的快速调度方法
三维场景的动态调度是提高绘制效率的重要方法，其主要思路是依据视点和观察范围确定需要处理的场景数据，并依据时间序列和重要性实时调入内存。鉴于移动平台的操作系统及硬件结构和图形工作站有较大区别，需要研究与此类系统结构相适应的场景调度方法，确定调度流程，并依据移动平台的计算资源确定场景的精细程度。
3.3 移动平台战场仿真的多模态交互方法
移动平台如智能手机、平板电脑等以触摸式交互为主体，进行场景编辑与路径规划时其方便程度较鼠标方式有一定的差距，探索适合多点触控的交互方式，与新设备相适应，也是一个非常必要的任务。
3.4 移动平台立体视差模型的建立及计算
建立立体视差模型的关键点在于如何生成立体图像对，生成立体图像的主要方式有以下四种：旋转透视投影法、平行投影旋转法、平行投影剪切法和双中心投影法。四种方法各有优劣，针对不同的系统需求以及硬件能力，需要采用不同的立体图像对生成算法。
3.5 嵌入式三维编程
目前主流的移动平台操作系统为Android、iOS等，相应的三维图形库为OpenGL ES，虽然OpenGL ES足够强大，但相对于经典的OpenGL而言，其功能仍有一定的裁剪和定制，因此需要对移动平台战场仿真系统进行功能界定，使之和编程环境相匹配。
4 系统实现方案
移动平台虚拟战场仿真系统的总体结构如图1所示。
移动平台虚拟战场仿真系统由三部分构成，分别是场景建模系统、硬件平台、实时绘制系统，其中，场景建模系统和实时绘制系统是软件系统，前者完成场景建模，后者完成实时驱动。移动平台虚拟战场仿真系统的基本功能如下：
4.1 场景建模系统
完成战场要素建模，如地理、环境、目标、态势等；完成场景编辑，根据仿真任务需求，将各战场要素组合成一个特定场景；路径规划则完成仿真过程的设定，通常，依据时间线进行仿真任务推进。
4.2 硬件平台
该平台是战场仿真系统的硬件支撑平台，通常包括智能手机加头盔、或者立体投影加VR眼镜两种方式；交互则通过手柄、操纵杆、方向舵等以Wi-Fi（需保证在同一网段）或蓝牙方式进行连接。
4.3 实时绘制系统
该系统主要完成鼍暗牡鞫扔肟焖倩嬷疲依据场景变换的需求，如视点移动、观察方位的变化、以及硬件交互设备的输入等实时计算新的场景。
系统的运行流程如图2所示。
系统运行分为两个阶段，即仿真准备阶段和仿真运行阶段。仿真准备阶段完成战场要素建模、仿真场景生成、仿真任务规划等。该阶段可在移动平台上完成，作为过渡方案，也可在PC或图形工作站上完成；仿真运行阶段完成硬件平台注入，即将规划好的仿真场景及任务数据注入到移动平台，然后依据交互要求和交互参数，实现仿真过程的实时驱动。
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作者简介
陈敏（1969-），女，江西省南昌市人。博士。副教授。主要研究方向为 计算机应用、图形图像处理。
作者单位
影视动画中大型水场景的制作影视特效中大型水场景，如洪水、海啸等，如果要达到某种逼真的效果，在实际拍摄取景的过程中，往往需要经过多次拍摄才能完成。对于一些危险性、破坏性场面不仅拍摄起来困难，而且还可能会对演员造成一定的人身安全。另外有些虚构的场景也很难在现实世界中找到。如果能借助于计算机来生成具有高度真实感的虚拟场景，则可以为制作者节省大量的钱财，还可以保证人员的安全。在国内外的电影拍摄与制作过程中，如《海神号》、《水世界》、《水啸雾都》、《泰坦尼克号》等，均采用了虚拟仿真技术实现水场景特效的建模与仿真。
虚拟现实场景中水体的制作为了增强虚拟环境的真实感，往往需要在虚拟环境中添加各种自然景象。而自然景象中一个重要的组成部分便是水体的制作，包括了江河湖海、瀑布、喷泉等，如军事仿真训练海战场景中海洋仿真，河流整治效果虚拟展示、港口海岸工程与水利工程建设虚拟仿真、城市建设规划中河流的设计等。这些水场景要求尽可能真实，同时满互性、实时性要求。
3D游戏中水场景的制作电脑游戏要能吸引更多的玩家，一个趋于真实的自然景物场景制作非常关键，如逼真的江河湖海、溪流、水池、瀑布、喷泉等，可以让玩家有种身临其境的感觉。目前流行的一些游戏软件中，都有一些逼真的水场景仿真，比较典型的有《勇闯水世界》中海天相接、波光粼粼的大海场景，逼真的水池仿真，《航海世纪》中壮观的海洋、瀑布场景等。《极品飞车》中赛道两边流淌的小溪、一望无际的大海、交错的河流、鳞次栉比的城市以及飞奔而下的瀑布等。
数字流域的三维可视化仿真随着各领域数字化进程的发展，水利行业正在逐步开展数字化流域三维可视化研究，推动数字流域建设的发展。流域三维可视化仿真研究是构建数字流域可视化信息平台的基础，其中三维可视化仿真系统的关键环节是流域中水虚拟场景的仿真，包括了洪水演进实时动态仿真、海浪风暴潮预报仿真、涌潮实时仿真、溃坝波仿真等。三维可视化仿真的主要目的在于利用计算机图形学和图像处理技术将科学计算得到的数据和仿真结果转换为三维模型，并能实现动态仿真和交互控制，以弥补原先数值仿真中所采用的二维表现形式直观性不强、表现力不足、交互性差的缺点。
各种水现象的虚拟仿真
1海浪仿真海浪作为生活中最常见的自然现象之一，其仿真结果可广泛应用于电脑游戏、电影电视、虚拟海战环境、海港与堤岸工程建设等领域中，成为了水体虚拟仿真的主要研究热点。海浪作为一个时刻变化的复杂环境，它的产生、传播、消失与风场、气候、潮汐、水下地形等因素息息相关。海浪从外观上看是杂乱无章的，总体上表现为海面连续变化的紊乱的波峰和波谷，波形极不规则，其波高、波长、周期等物理量均为随机量，传播方向也变化不定，而且海浪的范围非常广阔，因此海浪的仿真十分困难。随着计算机软硬件技术的发展，其研究的重点从最初研究静态海浪高度场的生成，动态海浪网格的构建，到现如今研究海浪特效的生成技术等，总体上可分为三类:一类是深海区域海浪的仿真，侧重于大面积海域的构建，以及海浪在风作用下无规则涌动、以及波浪翻滚的效果。这方面研究代表性的有DamienHinsinger等人［3］仿真的逼真的深海区海浪，ViorelMihalef［4］仿真的风暴潮作用下的波浪翻滚效果;第二类是近岸海浪的虚拟仿真，侧重于仿真海浪与潮滩或堤岸交互后产生的浪花及波浪破碎效果，以及海面与堤岸建筑物相互映射的视觉效果等，代表性的有Peachey［5］等人仿真的近岸海浪沿海滩地形变化所产生的反射、折射现象以及浪花、泡沫等效果;QiangWang等人［6］仿真出海浪冲击码头和冲上海滩形成破碎波的效果。第三类主要研究海水在船的作用下形成的海浪效果，如曾芬芳等人［7］仿真出随机海浪，以及舰船航行中的浪花，如艏浪、艉浪等，从而为海战场视景图生成创建了一个较为逼真的海洋虚拟场景。从波浪的构造技术来看，对于深海区相对比较平静的海浪大多采用基于波浪谱或基于Perlin噪声函数的方法，通过构建海面高度场来实现。而对于波涛翻滚的海浪和近岸海浪，一般通过构造特殊的波浪函数，如基于Gerstner波的方法或通过匹配适当的二维破碎波浪库来实现。对于波浪的破碎部分和浪花的仿真，则采用基于粒子系统的方法，通过改变浪尖处粒子的位置、速度、颜色来实现。对于船形波，一般先利用开尔文波理论构建出船行波模型，然后采用粒子系统技术构造出船行波的浪花。
2河流湖泊的仿真河流湖泊是数字流域的主要研究内容，同时也是虚拟现实、计算机游戏场景的重要组成部分，因此其研究受到了较大的关注。相对于海洋来讲，河流湖泊属于中等尺度的流体，其研究重点主要关注的是两个方面的内容:一是仿真河水的动态流动效果;二是仿真水流与障碍物的交互碰撞效果等。这方面研究比较典型的有PeterKipfer等人［8］仿真的河流中水绕过岩石障碍物流入水池的仿真效果。QizhiYu［9］则实现了大范围流域内河流的三维可视化仿真技术，从近处观察可见河面的波纹与涟漪，并仿真了河水分叉及绕开障碍物进行流动的效果。另外程甜甜［10］针对太湖水域进行了研究，仿真出太湖湖面连续动荡变化的效果，以及小面积水域内(如水塘)雨滴落入水面后，水面波动的效果。FabriceNeyret［11］仿真了小溪在流动过程中产生的振荡波和涟漪效果等。流动的河水仿真一般采用网格高度场的方法或基于物理的方法来实现。网格高度场的方法把河水看作是一个由大量水粒子构成的网格，每个水粒子沿一定的速度和方向平稳推进，便可仿真出水流的动态效果。基于物理的方法则通过求解二维浅水波方程，得到水流的速度场，在进而得到水域各处的压强，把压强大小伸缩后当作第三维的数据，即当作水表面高度后，逼真地仿真物体在水域里移动时产生的波纹或漩涡。湖泊的仿真类似于较为平静的海面波浪的仿真，大多采用波浪谱方法或构造Perlin噪声函数来实现。
3水波的仿真当物体落入水池中，会产生水波。水波以扰动点为中心，并向四周传播;由于水存在的一定的阻尼作用，水波在传播过程中能量会逐渐的衰减，直至最后消失。水波的仿真为平静的水面赋予了生机，增加了虚拟现实的真实感。当传播中的水波碰到池壁反弹后会产生干涉与叠加效果，另外如果碰到小的障碍物后会产生绕射效果，增加了仿真的难度。从水波的传播效果来看，水波仿真包括了深水波和浅水波两个部分。在深水区域，水波可以自由地进行传播，而不用考虑地形和海岸线对波形的影响。在浅水区域，则需要考虑波的反射、折射、干涉、叠加等各种现象。从引起水波的介质来看，则主要有雨点波、船行波和落物波等。雨点波产生的波纹小，但密集、波与波之间会产生干涉等现象，如杨怀平等人［12］在水池中仿真雨点波、反射波、紊乱波以及水花效果等。陈前华等人［13］仿真了近距离观察雨点或水龙头的水滴掉入水池后产生涟漪的场景。在水波仿真过程中同时考虑了水波的叠加、反射、绕射，以及坝缺口处的穿越效果。落物波是当物体落入水中所产生的波形，同时伴随着水花的产生，如NilsThuerey等人［14］仿真出物体落入水面后溅起的水花产生到消亡及引起的水波传播效果。船形波是船在水上航行时产生的一种特殊水面波动效果，随船的运行轨迹变化而变化。如CemYuksel等人［15］仿真出船行驶过程中产生的破碎波效果。相对于海浪来说，水波的波纹一般较小，属于小振幅波，而且其影响范围也相对较小，因此其构建一般采用小振幅波理论，通过邻域传播思想来构建。还有一种方法是通过求解二维浅水方程来实现，通过水流方程控制水波的传播效果。#p#分页标题#e#
4喷泉的仿真逼真的喷泉效果可以大大增强虚拟现实系统的沉浸感。喷泉的形式多种多样，如一柱擎天式、宝塔式等，同时当喷泉喷水口的压力值比较高时，高速的水流与空气碰撞会产生很多水雾，使喷泉产生雾蒙蒙的效果。逼真的喷泉仿真同样是虚拟现实场景中不可或缺的景象，成为许多虚拟现实爱好者的重要研究对象。如万华根等人［16］实现了音乐喷泉的实时仿真。他采用流体动力学和粒子系统方法，通过求解纳维—斯托克斯方程的特例———均匀圆管中的平稳流体Hagen－Poisuelle流来仿真喷泉的动作，结合音乐的强度来控制喷泉喷射的高度。肖何等人［17］提出了一种基于等加速运动和色彩融合的喷泉仿真方法。其基本思想是在运用物理学原理仿真实现喷泉粒子的运动轨迹时，结合等加速运动来简化粒子运动状态，并采用纹理色彩融合绘制粒子。蒋恒恒等人［18］仿真出喷泉在不同喷射层数、不同喷射角度、不同喷射力作用下形成的视觉效果，同时仿真了喷泉从高处向下落入水面时产生的水花效果。
5瀑布的仿真当流动的河水流经具有一定落差的岩石或大坝时，便成了瀑布。瀑布的仿真可用于网上虚拟漫游系统、3D实时游戏、动画及影视广告的制作过程中，也可以重现消失的瀑布景观。由于受地形和风力风向的影响，瀑布的形状千姿百态，特别是瀑布流下时与障碍物的碰撞形成的水花飞溅现象更是难以仿真。瀑布仿真相对比较逼真的有管宇等人［19］仿真出水流下大坝时形成的瀑布效果，同时考虑了瀑布与物体间碰撞时形成的水花效果。张亚旭［20］不仅实现了水流从高处流下时形成的瀑布效果，而且仿真出与岩石碰撞后的水花飞溅效果，此外还加入了天空、光照和雾化等效果来增加场景的真实感。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通过改变粒子群的位置、速度、加速度等参数来实现逼真的瀑布效果。
6洪水的仿真洪水作为一种自然现象，给人类造成极大的灾难。随着计算机三维图形技术和流体仿真技术的发展，使得在计算机上仿真洪水的行为特性成为可能。对洪水淹没过程进行动态仿真和三维可视化展示，可以再现和预测洪水淹没的变化，为防洪减灾提供决策支持。因此其研究也受到了很大的关注。比较典型的有Jasrul等人［21］采用基于光滑粒子动力学的方法，针对2007年6月10日发生在吉隆坡的洪水淹没过程进行了仿真;康玲等人［22］采用基于数字高程模型的流域变动等流时线方法开发出洪水演进仿真系统，能够实时仿真流域洪水的淹没演进过程，较为逼真地仿真了洪水在流域内的形态变化，为防洪减灾提供了较好的决策支持。
7其它水现象的仿真除了针对海洋、江河、湖水、小溪、喷泉、瀑布等中大尺度范围的水体进行虚拟仿真外，国内外许多科研人员还针对一些小尺度的水现象进行了仿真研究。如HilkoCords［23］仿真出水管中的水快速流入水池，并产生水波，以及物体在水面漂浮的视觉效果。DouglasEnright等人［24］仿真出水倒入杯子时水的晃动效果。Jeong－MoHong等人［25］仿真出水倒入容器时气泡流的形成过程。PaulW．Cleary等人［26］仿真出啤酒倒入杯中产生泡沫的过程。对于小尺度的水体，大多采用基于物理的方法，通过求解光滑粒子动力学方法和欧拉法求解三维Navier－Stokes方程来实现。
研究趋势
纵观三十年来水体研究的发展变化过程，从最初主要研究海浪的虚拟仿真，到现如今研究各种水现象与水景观的虚拟仿真;从最初的静态仿真到现如今逼真的动态仿真;从单纯依赖CPU到现如今CPU与GPU相结合实现水体的仿真与渲染，无论是在研究方法上，还是在研究内容上，都有了长足的发展和进步。随着近年来计算机软硬件技术的飞速发展，特别是GPU技术的广泛应用，必将迎来水体研究新的热潮。今后一段时期水体的主要研究方向可归结为两点:多方法融合、多物体融合。
1多方法融合在研究方法上，从单一建模方法向多方法融合转变。因为对于一个复杂水场景的仿真，很难用一种方法表示出各种视觉效果。如虚拟海战场景中，对于海浪的仿真，不仅需要仿真出风平浪静时海面的视觉效果，还需要仿真出波涛汹涌的海浪所产生的浪花、泡沫等，同时需要仿真船在海面航行时所产生的轨迹浪等。因此结合每种建模方法各自的特点进行综合处理，从而可以达到性能和效果的平衡。比如黄玲等人［27］采用了基于3DGerstner海浪模型、Perlin噪声、NURBS几何曲面、粒子系统等多种方法实现海洋卷浪的建模与绘制。她首先基于三维Gerstner海浪模型，加入Perlin噪音扰动来构建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法，构建3D卷浪曲面库;随后动态搜索波面波峰，用卷浪曲面取代海面波峰，将卷浪曲面与初始波面无缝拼接，最后采用基于粒子系统的方法构造出海浪的泡沫。NathanHolmberg等人［28］采用流体静力学理论产生二维高度场，然后构造一个非均匀有理B样条曲面来实现高度场的拟合，以此来构建主要水体;水与物体碰撞产生的浪花则用粒子方法来构建。
2多物体融合在研究对象上，从研究单个水体到研究水体与其它物体的交互方向转变。在这方面，近些年重点研究的对象主要有风暴对海面的影响，船与水的交互、海水与潮滩的交互，河水与堤坝的交互，瀑布与岩石的交互、洪水与地形及建筑物的交互、物体落入水中的交互、水倒入容器产生的交互等。如ToonLenaerts等人［29］仿真了水与多孔材料的交互过程。当拧一条湿的毛巾或捏一块带水的海绵时，水会逼真地从中流出。WitawatRungjiratananon［30］仿真了沙堆在水的冲击下塌陷、流动、变湿的过程。ToonLenaerts等人［31］仿真了水与沙及土壤之间的交互现象。当水流入沙堆时，沙受水力的冲击而流动，同时水融入沙堆中使沙变湿，达到了沙与水的相互融合。NuttapongChentanez等人［32］仿真了水倒入容器、溃坝后的水体冲击墙体，以及近岸海浪冲击灯塔和海滩时产生的破碎波、浪花、泡沫和薄雾的效果。H．Cords等人［33］逼真地仿真出船在水面上行驶产生的水波和绕过障碍物的效果等。
结论