基于VR的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用

摘 要：本文介紹了虛擬仿真系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)、分析了虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的功能組成和系統(tǒng)的總體框架。利用Vega Prime建立虛擬場景并進行仿真驅(qū)動，并在Visual Studio.NET 2003開發(fā)環(huán)境中應(yīng)用Vega Prime 應(yīng)用程序接口函數(shù)編程，完成了有關(guān)模型拾取、文字提示信息、自由度DOF控制等應(yīng)用程序設(shè)計。最后給出了實現(xiàn)算法，并成功的應(yīng)用在視景仿真程序中。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；視景仿真；Creator；Vega Prime

中圖分類號：TP391.9

虛擬仿真指的是現(xiàn)時的人在虛擬的環(huán)境戰(zhàn)操作虛擬的系統(tǒng)而對現(xiàn)時進行的仿真。它是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型仿真技術(shù)。運用現(xiàn)代發(fā)展的計算機圖形技術(shù)模擬環(huán)境，用戶在使用時有身臨其境的感覺，實現(xiàn)用戶與環(huán)境直接進行自然交互。把這種技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備的培訓(xùn)教學(xué)和訓(xùn)練中，會克服現(xiàn)場訓(xùn)練存在的各種缺陷，顯著的提高訓(xùn)練的效率。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），又譯為臨境、靈境等[1]。它是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)。通過三維圖形技術(shù)、傳感技術(shù)以及顯示技術(shù)模擬環(huán)境，讓用戶在使用時如同親身經(jīng)歷一樣。這種技術(shù)是一種綜合運用技術(shù)，包括三維圖形技術(shù)、跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感反饋技術(shù)等。在假想情景下，模型足夠精確，時間足夠多，就可以得到萬物在各種光照條件下的精準(zhǔn)圖像。比如駕駛虛擬系統(tǒng)，最重要的就是圖像刷新和沿途圖像質(zhì)量，只要沿途圖像足夠逼真，刷新夠快，逼真效果就很好。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心是虛擬環(huán)境，它強調(diào)對人的感覺器官的支持，從而使人能夠沉浸到虛擬環(huán)境中。

2 虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 建模仿真模型

設(shè)備虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)，不僅需要構(gòu)建虛擬訓(xùn)練場和虛擬裝備，還需要建立和實現(xiàn)多專業(yè)相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部仿真邏輯，并保證能夠在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分布式地協(xié)調(diào)“工作”。也就是說虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計上要建立在對裝備操作和訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真上，包括場景和對象的實體仿真以及對象內(nèi)部的數(shù)學(xué)仿真，對應(yīng)的仿真模型則是實體模型和數(shù)學(xué)模型[2]。

實體模型的優(yōu)劣直接影響虛擬場景的真實感，數(shù)學(xué)模型的精確性則影響著虛擬訓(xùn)練的效果和質(zhì)量。為了盡量逼真地模擬出訓(xùn)練場景、武器裝備的外形，一般采用三維建模與繪制技術(shù)進行圖像建模的方法。而數(shù)學(xué)模型的建立則是依據(jù)武器裝備之間的控制關(guān)系來建立的，不同的裝備之間的連接關(guān)系是不一樣的，但數(shù)學(xué)建模的過程基本相同。

設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過合適的技術(shù)手段使數(shù)學(xué)模型與實體模型結(jié)合起來，達到一個真實訓(xùn)練所能感受的效果。用戶借助于專用的視、聽、觸覺等感知設(shè)備，便可進入虛擬空間與虛擬環(huán)境中的人和物體實時交互，感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，從而達到身臨其境的效果。

2.2 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)框架

虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的目標(biāo)是為學(xué)習(xí)者提供一個自主學(xué)習(xí)的平臺，讓其能通過計算機或網(wǎng)絡(luò)接受操作指導(dǎo)，進行模擬操作練習(xí)，并可根據(jù)操作過程與結(jié)果，進行技能評測。同時，系統(tǒng)能夠方便指導(dǎo)教師進行維護、管理和監(jiān)控，為學(xué)習(xí)者提供適時的和有針對性的輔導(dǎo)。所以虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的組成是由服務(wù)器、客戶機、客戶機及信息數(shù)據(jù)庫組成。信息庫存儲實訓(xùn)項目、實訓(xùn)指導(dǎo)、模擬操作、技能測評等信息[3]。當(dāng)然，不同的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)在功能和組成上是不同的，下面以機構(gòu)的運動控制為例給出該項目設(shè)計時的總體框架：

2.3 虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)場景

實體模型是仿真系統(tǒng)的重要組成部分，對象建?？梢杂肅reator直接生成，在建模過程中，可以利用紋理（texture）、材質(zhì)（material）增加逼真度。細節(jié)很重要，特別是實體模型的細節(jié)，對仿真系統(tǒng)尤其重要。要想運行速度快，就要減少實體面數(shù)，可以采用紋理貼圖。對于顯示應(yīng)用要求高的系統(tǒng)，有一種靈活的辦法，就是在用其他軟件建立復(fù)雜模型，然后加入光照，最后渲染出效果圖，用這個效果圖作為模型的貼圖，視覺效果會好很多。

實現(xiàn)對模型自由度DOF（Degree of Freedom）節(jié)點的控制，也就實現(xiàn)了環(huán)境中對象的控制。為了實現(xiàn)對場景中對象的控制，比如移動或者旋轉(zhuǎn)，就要先在模型中設(shè)置相應(yīng)的DOF節(jié)點[4]。各個運動部件的運動范圍和運動方向在DOF的屬性設(shè)置中確定，在Creator中，模型中任何一個可以移動的物體上都可以設(shè)置自由度。相關(guān)的參數(shù)變量，比如旋轉(zhuǎn)伸縮，比如位移等等，都可以通過仿真程序來控制其自由度節(jié)點。例如對方向舵的控制中一共有四個自由度節(jié)點，包括兩個傳動軸、舵葉和控制桿。屬于旋轉(zhuǎn)（Rotate）的自由度是舵葉和控制桿，屬于平移（Translate）的自由度是兩個傳動軸。

3 結(jié)束語

具有真實感的交互功能的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，可以完善和補充武器裝備日常訓(xùn)練。本文所設(shè)計了一種虛擬仿真系統(tǒng)，能夠模擬一定情況下的操作，幫助要使用者在實際使用中盡快熟悉性能特點，在教育培訓(xùn)中發(fā)揮了很好的作用。

參考文獻：

[1]王煒等.虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：國防科技大學(xué)出版社，2012（13）：71-74.

[2]王明印，韋群，徐恩，等.基于Creator/Vega Prime的大場景虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報（增刊1），2009（21）：119-123.

[3]劉桂峰，伍潔.基于Vega的某裝備虛擬維修系統(tǒng)技術(shù)研究[J].艦船電子工程，2011（11）：128-130.

[4]孫科峰，李潔.基于Vega Prime的多場景仿真系統(tǒng)框架[J].計算機仿真，2007（12）：193-195.

[5]方琦峰，康鳳舉，張楚鑫.OpenGL在Vega Prime開發(fā)環(huán)境中的應(yīng)用研究[J].計算機仿真，2008（06）：191-192.

作者單位：空軍房管局武漢房管處，武漢 430033；92219部隊，青島 266000