基于Matlab Engine和Vega的仿真可視化系統(tǒng)設計

顧云濤，潘憶江

（1海裝西安局；2中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著計算機仿真技術(shù)的不斷應用，利用計算機仿真技術(shù)對研究內(nèi)容進行仿真和效能評估，是當前技術(shù)條件下的一種有效手段。而在完成仿真研究時，利用視景仿真技術(shù)，實現(xiàn)仿真流程的可視化，可以對研究內(nèi)容進行有效的促進[1]。為了能全面直觀的展示相關仿真系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作流程，本文設計了一種仿真可視化系統(tǒng)，為仿真流程的可視化提供了一種解決辦法。

1 系統(tǒng)原理

仿真可視化系統(tǒng)以Matlab Engine和Vega為基礎，分別實現(xiàn)仿真流程的計算和仿真過程的可視化，再利用Qt實現(xiàn)仿真可視化系統(tǒng)的總體控制和Matlab Engine與Vega之間的數(shù)據(jù)實時傳輸。

Matlab Engine是MATLAB與其它編程語言如C語言的應用程序接口[2]。該接口是用于從外部程序調(diào)用Matlab來完成計算功能的。在C語言中需要復雜編程實現(xiàn)的矩陣計算和傅立葉變換等功能，在Matlab中則可以輕松實現(xiàn)，因此通過Matlab Engine調(diào)用仿真所需的m文件，可以在有效實現(xiàn)仿真流程的同時，為仿真可視化系統(tǒng)實時提供仿真數(shù)據(jù)，以便其實現(xiàn)仿真流程的可視化。

Vega[3]是一套完整的用于開發(fā)交互式、實時可視化仿真應用軟件的平臺，其基本的功能是驅(qū)動、控制、管理、虛擬場景，并支持快速復雜的視覺仿真程序，快速創(chuàng)建各種實時交互的三維環(huán)境，從整體上而言，Vega具有易用性、高效性、集成性、可擴展性、跨平臺性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

仿真可視化系統(tǒng)仿真演示系統(tǒng)可以分為四個子模塊，分別是Matlab引擎模塊、Vega演示模塊、系統(tǒng)控制模塊以及人際交互界面構(gòu)成。整個系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2.1 Matlab引擎模塊

Matlab引擎模塊負責完成流程仿真。該模塊以Matlab Engine為核心，通過由系統(tǒng)控制模塊配置Matlab Engine完成初始化，并通過系統(tǒng)控制模塊將仿真所需的m文件中的內(nèi)容利用Matlab Engine接口輸入至Matlab中完成仿真。

同時Matlab Engine通過接口將仿真流程中的仿真數(shù)據(jù)實時發(fā)送至系統(tǒng)控制模塊，為驅(qū)動Vega演示模塊提供數(shù)據(jù)源。與此同時，Matlab引擎模塊將計算過程中的相關數(shù)據(jù)保存于本地硬盤，供后續(xù)對比與分析使用。

2.2 Vega演示模塊

Vega演示模塊[4]用于可視化的演示整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。Vega里所需的模型，均是由Creator軟件構(gòu)筑完成的。為了真實還原仿真系統(tǒng)工作的真實環(huán)境，通常需要制作環(huán)境模型和實例模型。環(huán)境模型是指仿真系統(tǒng)運行時所處的仿真環(huán)境，如地面模型、水面模型、各種氣象條件模型等。實例模型則是指仿真系統(tǒng)所模擬的實物，如飛機、坦克、導彈等。

在制作環(huán)境模型時，由于Vega提供了水面和氣象條件模塊，因此無需重新制作，而地面模塊通常需要重新制作。為了真實還原，演示系統(tǒng)中使用的地面模型由DEM數(shù)據(jù)、紋理和材質(zhì)三個部分構(gòu)成[5-8]。DEM數(shù)據(jù)選取USGS網(wǎng)站所提供的DEM格式數(shù)據(jù)，所使用數(shù)據(jù)的分辨率為3角秒，由于所處經(jīng)緯度的不同，每個網(wǎng)格寬度大約為90m。紋理數(shù)據(jù)可以利用衛(wèi)星照片制作，較為簡便的方法是從Google Earth上抓取，選取與DEM數(shù)據(jù)相對應的地球真實紋理數(shù)據(jù)。完成相關數(shù)據(jù)準備之后，通過Creator軟件，建立地面模型，并完成地面紋理的制作，得到整個系統(tǒng)演示的場景地形文件。完成制作后，由Vega軟件中提供的Texture Material Mapper（TMM）工具，為整個模型附材質(zhì)信息。

此后，以Creator構(gòu)筑合適的實例模型，通過Vega軟件制作ADF文件，將各類模型在空間中組織在一起，并加入光影、氣象條件模塊，力求實現(xiàn)趨于真實的演示效果。隨后通過系統(tǒng)控制模塊與Vega演示模塊的接口，由系統(tǒng)控制模塊提供數(shù)據(jù)驅(qū)動Vega演示模塊運行。

2.3 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊旨在將Matlab引擎模塊與Vega演示模塊聯(lián)系在一起，協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的完成整個演示過程。系統(tǒng)控制模塊由Qt實現(xiàn)[9-10]，該模塊通過相應的同步控制，使得兩個模塊同步完成所需展示的信息和畫面，完成整個系統(tǒng)工作流程的演示工作。系統(tǒng)控制模塊擬采用類似于時鐘脈沖的控制模式，以實現(xiàn)Vega演示模塊中實例和Matlab引擎模塊獲取的相關數(shù)據(jù)的同步演示。系統(tǒng)控制模塊是整個仿真可視化系統(tǒng)的核心，整體控制仿真可視化過程。

3 接口設計

接口設計是仿真可視化系統(tǒng)的重要模塊，通過接口可以將運行于不同軟件、不同類型的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，以復合不同模塊對數(shù)據(jù)類型和格式的需求。

3.1 系統(tǒng)控制模塊與Matlab引擎模塊的接口設計

系統(tǒng)控制模塊與Matlab引擎模塊的接口可實現(xiàn)兩個模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，主要包括Matlab引擎運行的仿真程序和用于演示所需的仿真數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)總體設計，Matlab引擎模塊所運行的仿真程序以m文件的形式保存于硬盤中，由系統(tǒng)控制模塊讀取，由Matlab引擎模塊運行完成流程仿真，因此為實現(xiàn)仿真的正常運行，需利用engEvalString函數(shù)實現(xiàn)，將m文件中仿真程序傳遞至Matlab引擎模塊。

同時在仿真中，Matlab引擎模塊計算出的仿真數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)控制模塊，可通過mxGetPr和mxGetPr函數(shù)現(xiàn)實，其分別實現(xiàn)從相關矩陣中獲取實部數(shù)據(jù)和虛部數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后供Vega演示系統(tǒng)使用。

3.2 系統(tǒng)控制模塊與Vega演示模塊的接口設計

系統(tǒng)控制模塊與Vega演示模塊的接口主要實現(xiàn)仿真過程中所需演示數(shù)據(jù)的傳遞，主要為驅(qū)動Vega演示模塊的數(shù)據(jù)，即各類實例的實時運動狀態(tài)。在Vega中，任何實例都具有六個維度的參數(shù)，分別是在空間中的三維坐標和其本身的姿態(tài)信息。因此通過該接口，將系統(tǒng)控制模塊接收到的仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實例所需的六個維度的參數(shù)，可通過vgPos和vgPosVec實現(xiàn)，為Vega中的實例提供流程仿真中的各個節(jié)拍的仿真結(jié)果，用以驅(qū)動實例的運動。但在仿真中，由于節(jié)拍設定的問題，有時需要在兩個節(jié)拍計算結(jié)果中進行插值運算，以滿足Vega演示時對數(shù)據(jù)速率的需求。

4 運行結(jié)果

本文以機載高度表為例，利用仿真可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了機載高度表仿真流程的可視化。如圖2至圖4所示，分別為不同預定航跡下，仿真可視化系統(tǒng)運行中的截圖。

圖2 兩種高度計性能對比仿真演示截圖

圖3 機動軌跡仿真演示截圖

圖2至圖4分別為不同航跡下，仿真可視化系統(tǒng)的演示截圖，為了充分演示不同姿態(tài)對高度表的影響，在Vega中加入了藍色的波束實例，與右上角的窗口一同演示不同姿態(tài)下波束的所能覆蓋的地面范圍。同時為了充分對比不同高度表的運行狀態(tài)，以圖2為例，在Matlab中使用plot函數(shù)，實時繪制出了不同高度表的對比數(shù)據(jù)，驗證了仿真可視化系統(tǒng)的可行性。

圖4 爬升軌跡仿真演示截圖

[1]王乘,李利軍,周均清等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

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[3]王乘,李利軍,周均清等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

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