基于GL Studio的虛擬儀器儀表設(shè)計(jì)與仿真

孫艷麗，王玲玲，陳佳琪

(1．海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東煙臺(tái)264001;2．海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東煙臺(tái)264001)

1 引 言

近年來本科學(xué)員、在職培訓(xùn)及預(yù)選士官等教學(xué)任務(wù)逐年增大，但新參訓(xùn)人員直接操作容易因誤操作導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備，增大維修成本，而且有限設(shè)備無法同時(shí)供應(yīng)大量人員使用，使得耗時(shí)較長，通過仿真軟件開發(fā)虛擬儀器儀表是提高效率，解決院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)、裝備培訓(xùn)、部隊(duì)操練的重要途徑。

GL Studio是一個(gè)面向?qū)ο?，用于?chuàng)建實(shí)時(shí)的二維或三維、照片級(jí)交互式的圖形界面開發(fā)軟件。紋理工具可以導(dǎo)入數(shù)字照片，完成儀表仿真。GL Studio有內(nèi)建代碼生成器，把圖形設(shè)計(jì)器創(chuàng)建的文件生成可移植的VC代碼?？蛇M(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示儀表之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，效果直觀逼真［1－2］。GL Studio開發(fā)流程主要包括創(chuàng)建紋理、圖形界面設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四大方面［3］。

2 創(chuàng)建紋理

紋理創(chuàng)建的好壞直接關(guān)系所創(chuàng)建虛擬儀表真實(shí)程度，紋理圖片的獲取是創(chuàng)建紋理的第一步，獲取紋理通常有兩種方法:① 用數(shù)碼相機(jī)直接拍攝真實(shí)的儀表，將所拍攝的照片經(jīng)過處理后作為紋理;② 用圖形編輯工具創(chuàng)建紋理［4］。目前，采用第一種方法獲得紋理比較常用。得到高質(zhì)量的實(shí)物照片后，去除照片中的背景，將所有能動(dòng)部件(如儀表盤上指針、動(dòng)態(tài)數(shù)字、開關(guān)、旋鈕、按鈕等)從主儀表板上逐個(gè)移除，并拷貝到新圖層中，最后保存紋理圖片。本文中根據(jù)不同需求電源柜的界面是由數(shù)碼照片處理而成，示波器的仿真則為了增強(qiáng)立體效果采用3dmax創(chuàng)建紋理。

2.1 基于數(shù)碼照片的紋理創(chuàng)建

制作的第一步就是要直接使用相機(jī)拍攝到其實(shí)物照片，并且在拍攝照片時(shí)一定要注意保持照相機(jī)的垂直，防止因拍攝角度的原因造成照片的傾斜，以至于最后影響到所制作的電源柜的真實(shí)度。其中需要一張電源控制柜的整體照片來作為背景。當(dāng)紋理圖片的像素太大時(shí)，GL Studio軟件使用對(duì)象屬性窗口進(jìn)行添加紋理圖片時(shí)是無法顯示的?？墒侨绻档蛨D片的像素，清晰度將會(huì)受到影響，本文中采取將圖片進(jìn)行分割的方法，這樣既保證了單張圖片像素不會(huì)太高，又兼顧了清晰度的問題。

將面板圖片上所有能動(dòng)的部件給摳出來，并將所有狀態(tài)都拍攝下來，在拍攝完照片后使用Photoshop對(duì)電源柜的面板照片進(jìn)行處理，消除掉因?yàn)槿藶橐蛩厮斐傻恼掌瑑A斜、亮度不均勻等種種會(huì)影響到其真實(shí)度的問題。將所有摳下的各種小部件紋理圖片綜合放置于同一張紋理圖上，以避免各個(gè)部件的紋理圖片的比例不同，從而導(dǎo)致在后續(xù)的工作中需要頻繁地調(diào)整其大小。

2.2 基于3ds max的示波器紋理創(chuàng)建

在3ds max軟件界面中，畫出示波器圖片中線的截面，設(shè)置其路徑，使用放樣法制作線的三維模型。使用擠出法在3ds max中制作示波器上凸出的按鈕等。對(duì)于示波器上的金屬接口，設(shè)置其材質(zhì)為金屬。對(duì)于示波器的屏幕采用先分割平面再擠出的方法來制作，最后設(shè)置其紋理使其更接近于真實(shí)物體。取得用3ds max制作的示波器的立體模型的圖片，用Photoshop調(diào)整其大小使其能夠被GL Studio軟件使用的示波器虛擬儀器背景的紋理圖片，如果紋理圖片的像素過大的話則在GL Studio中是顯示不出來的。再將示波器上所有的按鈕以及旋鈕用Photoshop逐個(gè)將其摳下來，并將其拷貝到新的圖層上，獲得紋理圖片。

3 圖形界面設(shè)計(jì)

首先用 VC6．0 在 GL Studio 3．0 Standalone AppWizard中建立設(shè)計(jì)器，完成初始化，當(dāng) GL Studio初始化完畢后，GL Studio已經(jīng)生成了大量的代碼，包括三個(gè)文件，兩個(gè)源文件和一個(gè)頭文件。一個(gè)源文件是win_main．cpp，在該文件中有int WINAPI WinMain函數(shù)，這是程序的入口函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用了另一個(gè)源文件里的int main(int argc，char*argv［］)函數(shù)，這個(gè)源文件的名字是根據(jù)用戶定義的工程的名字來定義［5］。同時(shí) GL Studio又定義了一個(gè)指針全局變量，名字也是工程的名字，該指針指向的類是glsDisplayFrame類的派生類，在 int main(int argc，char*argv［］)中在堆上創(chuàng)建glsDisplayFrame類的派生類對(duì)象。在該類的構(gòu)造函數(shù)中做了一些初始化工作，然后調(diào)用Create();函數(shù)，該函數(shù)用來產(chǎn)生程序窗口，具體如下:

void testClass::Create(void)

{

theWindow=new OpenGLWindow(0，0，_width，_height，Name()，this);

theWindow－＞end();

theWindow－＞resizable(theWindow);

BackgroundColor(255，255，255，255);

FrameInterval(33333);

theWindow－＞resize(0，0，_width，_height);

theWindow－＞show();

theWindow－＞make_current();

}

之后即可在GL Studio編輯器的設(shè)計(jì)窗口中利用工具欄中的創(chuàng)建工具和“所見即所得”的設(shè)計(jì)環(huán)境創(chuàng)建一個(gè)和電源柜背景圖像相似的圖形對(duì)象［6］。將經(jīng)過處理的控制柜的背景紋理圖片通過對(duì)象屬性窗口中的Texture窗口添加到當(dāng)前的圖形對(duì)象之中，并將其設(shè)置為當(dāng)前紋理。通過設(shè)計(jì)窗口上工具欄中的模式工具對(duì)紋理進(jìn)行調(diào)整，使其正好鋪滿圖形，在主控制窗口中給創(chuàng)建好的圖形對(duì)象命以恰當(dāng)?shù)拿郑员阌诟玫毓芾?、編輯?duì)象。除了設(shè)計(jì)畫布外，GL Studio設(shè)計(jì)器包含了分層視圖，在視圖中顯示所有設(shè)計(jì)中對(duì)象列表，以樹狀結(jié)構(gòu)顯示，如圖1所示。

圖1 狀態(tài)設(shè)置圖Fig．1 State diagram

根據(jù)背景紋理上各個(gè)所摳下的部件的形狀，再分別創(chuàng)建出與它們各自相近的圖形對(duì)象，依照對(duì)電源柜背景紋理的處理方法分別對(duì)其進(jìn)行處理，最后得到所要設(shè)計(jì)的圖形界面。

在畫面中用到不少文本框，要實(shí)現(xiàn)文本框的數(shù)據(jù)、文本的改變，首先要把文本格式化到一個(gè)緩存里。設(shè)文本框指針名為firsttextgrid，要把數(shù)值100顯示在文本框里，可以首先創(chuàng)建一個(gè)屬性成員函數(shù)，通過在CODE主窗口點(diǎn)右鍵添加即可實(shí)現(xiàn)，此時(shí)會(huì)得到一個(gè)成員變量，只需要選定SET方法，然后輸入:

int index=100;

char buffer［10］;

sprintf(buffer，"%d"，index);

firsttextgrid－＞string(buffer);

因?yàn)殡娫垂袷菃螌赢嬅?，只有一個(gè)Calculate()函數(shù)，只要選擇classmenthods在Calculate()函數(shù)中調(diào)用剛才的SET方法，然后保存，生成代碼，編譯連接運(yùn)行，就可以在文本框中看到修改了的數(shù)據(jù)。

產(chǎn)生窗口以后繪制的畫面，由函數(shù)CreateObjects()生成［7］。在該函數(shù)里，首先在堆上生成對(duì)象，該對(duì)象代表每個(gè)畫面中的控件，名字是用戶繪制畫面時(shí)候，在主控制面板中生成的名字。GL Studio根據(jù)繪制的對(duì)象不同，會(huì)生成從不同類中派生的對(duì)象，指針的定義已經(jīng)在頭文件中定義好，在CreateObjects()中，生成對(duì)象后調(diào)用該類成員函數(shù)，產(chǎn)生畫面。該類成員函數(shù)的具體定義已經(jīng)封裝在GL Studio的動(dòng)態(tài)庫中，GL Studio會(huì)根據(jù)用戶繪制的畫面，把畫面的必要信息，如頂點(diǎn)顏色、頂點(diǎn)位置、名字、紋理大小等以參數(shù)的方式傳過去。GL Studio將根據(jù)這些參數(shù)，自動(dòng)生成與用戶在畫布繪制的一樣的圖像。這就是GL Studio的所見機(jī)所得的工作機(jī)制。圖片繪制完畢后，進(jìn)入do-while語句，這個(gè)循環(huán)將不斷調(diào)用一個(gè)虛函數(shù)Calculate()，實(shí)現(xiàn)所有畫面的刷新，如圖2所示。

圖2 各功能模塊的調(diào)用關(guān)系Fig．2 Call relationship of each function module

在設(shè)計(jì)好圖形界面之后，依據(jù)實(shí)際面板的操作需要將各個(gè)控制部件創(chuàng)建成合適的裝置，工作方式開關(guān)創(chuàng)建成旋鈕，選中工作方式圖形對(duì)象，點(diǎn)擊工具欄中轉(zhuǎn)化工具的旋鈕裝置，如圖3所示。打開旋鈕裝置的對(duì)象屬性窗口，在Knob標(biāo)簽下，選擇General標(biāo)簽頂部的Angle Range，即角度范圍。設(shè)置旋鈕旋轉(zhuǎn)角度為0°～70°，即旋鈕旋轉(zhuǎn)的起始位置和終點(diǎn)位置，如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)化為旋鈕裝置Fig．3 Device into a knob

圖4 設(shè)置旋轉(zhuǎn)范圍Fig．4 Set the rotation range

之后設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)間的擋位，在Detents標(biāo)簽下的Number of Detents輸入框中填入數(shù)字“3”，即共有3個(gè)擋位，分別為“0”、“平時(shí)”、“忙時(shí)”?；瑒?dòng)Detent Positions的滑塊使每一擋位對(duì)應(yīng)合適的角度。在主控制窗口的代碼窗口中添加新變量。變量類型為float，名字設(shè)為_newRoll，初始值設(shè)為0．0f。最后在對(duì)象屬性窗口的Object Code欄的Initialization Code中輸入如下代碼:

Self－＞DetentVal(1);∥旋鈕初始擋位為1

在Event callback Code即事件回調(diào)代碼中寫入以下代碼:

bool rval=false;

if(ObjectEventIs(ev，"DetentVal"))

{switch(rollGlsKnob－＞ DetentVal())

{case1:

_newRoll=0．0f;∥0°時(shí)為擋位 1

break;

case2:

_newRoll=50．0f;∥50°時(shí)為擋位 2

break;

case3:

_newRoll=70．0f;∥70°時(shí)為擋位 3

break;

}

Rval=true;

}

Return rval;

剩余的部件創(chuàng)建成按鈕裝置，在所有創(chuàng)建的GlsPushButton(按鈕裝置)對(duì)象的對(duì)象屬性窗口的Object Code窗口的Event callback Code即事件回調(diào)代碼中寫入以下代碼:

chekonggui_click_value=self－＞State();

return 0;

其中 chekonggui處填寫每個(gè)對(duì)象各自的名字。

在主控制窗口的代碼窗口的類變量中點(diǎn)擊Add將所有的GlsPushButton對(duì)象逐個(gè)添加進(jìn)去，在設(shè)定其類型為int，初始值為0。編寫行為代碼。

4 軟件整體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到實(shí)現(xiàn)虛擬電源柜功能的目的，需要對(duì)圖形界面中的開關(guān)、旋鈕、按鈕、指示燈、屏幕以及指針等動(dòng)態(tài)的部件進(jìn)行控制，而這就需要在主控制窗口中的代碼窗口類方法的Calculate區(qū)域內(nèi)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)各部件的動(dòng)作，如圖5所示。

圖5 軟件編程圖Fig．5 Software program

5 編譯、鏈接和測試

編程完成即可進(jìn)行電源柜的仿真，測試其是否滿足可正常工作，滿足設(shè)計(jì)要求。首先需要生成．h 和．cpp 文件，之后打開．dsp 文件，在 C++環(huán)境下對(duì)電源柜進(jìn)行測設(shè)。在．dsp文件中對(duì)電源柜進(jìn)行運(yùn)行，即可生成．exe可執(zhí)行文件。在．exe可執(zhí)行文件上按編寫的行為程序點(diǎn)擊按鈕，測試其功能是否正常，如圖6所示。

圖6 示波器的測試Fig．6 Test of oscilloscope

6 結(jié) 論

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)電源柜和示波器均能按照所編寫的行為程序動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)使用虛擬儀器進(jìn)行院校裝備訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)提高效率、節(jié)省損耗的效果。

［1］ 于輝，趙經(jīng)成，付戰(zhàn)平．Gl Studio虛擬儀表技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2010．YU Hui，ZHAO Jingcheng，F(xiàn)U Zhanping．Gl Studio virtual instrument technology application and system development［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2010．

［2］ 張文，朱元昌，樊世友．Gl Studio及其在雷達(dá)面板仿真中的應(yīng)用［J］．測控技術(shù)，2012，21(12):50－53．ZHANG Wen，ZHU Yuanchang，F(xiàn)AN Shiyou．GL Studio and its application in the simulation of radar’s panels［J］．Measurement＆ Control Technology，2012，21(12):50－53．

［3］ 崔小鵬，邵英，李萬．基于Gl Studio的電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．船海工程，2011，40(2):122－124．CUI Xiaopeng，SHAO Ying，LI Wang．Design of power monitoring system based on GL studio［J］．Ship ＆ Ocean Engineering，2011，40(2):122－124．

［4］ Distributed Simulation Technology Inc．Gl Studio user’s guide，Version 1．04［R］．［s．l．］:Distributed Simulation Technology Inc，2000．

［5］ 孫艷麗，李建海，王玲玲．基于GL的某型電源系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［J］．電子測量技術(shù)，2014，37(2):1－3．SUN Yanli，LI Jianhai，WANG Lingling．Simulation of a certain type of power system based on GL Studio［J］．Electronic Measurement Technology，2014，37(2):1－3．

［6］ 喬林，費(fèi)廣正．Visual C++高級(jí)編程技術(shù)——Open GL篇［M］．北京:中國鐵道出版社，2000．QIAO Lin，F(xiàn)EI Guangzheng．Visual C++advanced programming technology——Open GL［M］．Beijing:China Railway Publishing House，2000．

［7］ 沙俊名，劉澤乾，龐帥．基于Gl Studio的指揮儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(12):2819－2823．SHA Junming，LIU Zeqian，PANG Shuai．The design and implementation of a director simulated training system based-on GL Studio［J］．Science Technology and Engineering，2011，11(12):2819－2823．