模擬仿真技術在裝備教學中的應用

張帆

摘要：目前新裝備種類繁多、層出不窮，虛擬仿真技術作為一種新型的輔助教學手段，能夠使學員在操作使用前對裝備動作原理和結構部件有深入的了解，以便在實際使用時得心應手、減少損耗。該文以裝備課為例，談談模擬仿真技術在教學中的應用。

關鍵詞：裝備；模擬仿真；三維模型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）33-0109-02

當前新裝備大量配發(fā)，而多種因素造成了新裝備配發(fā)后使用者無法在最快的時間內掌握使用維護保養(yǎng)方法。而計算機模擬真實的三維物體的技術已逐步完善，這成為了解決裝備訓練問題的有效途徑。

1 采用模擬仿真系統(tǒng)的意義

模擬仿真系統(tǒng)是指在軟件系統(tǒng)下實現模擬環(huán)境、模擬過程和模擬效應，具有低成本、全立體空間顯示、可重復使用等優(yōu)點。

利用模擬仿真系統(tǒng)，主要可以解決以下三個問題：

1）不敢使用的問題。很多裝備配發(fā)后，相關技術人員仍比較缺乏，使用者對該裝備性能仍未摸透，在工作需要時不敢輕易使用新裝備。

2）不善于教的問題。由于對裝備的內部構造掌握不夠準確，造成對裝備基本構造、動作原理情況認識模糊。

3）易損壞的問題。在教學、訓練、使用過程中必然會對裝備造成一定程度的損壞，而相關維修人才、設備、費用的缺乏導致使用者對新裝備存在“過度保護”的情況。

充分應用計算機仿真技術，可以便于我們科學施訓，有效地節(jié)約成本，維護裝備的性能。在動用新裝備之前，先進行學習和模擬訓練，掌握了基本的知識，再進行現實使用訓練，減少裝備不必要的損耗。

2 系統(tǒng)設計的一般原則

模擬仿真系統(tǒng)是面向教學、訓練的輔助系統(tǒng)，是集三維圖形學，計算機科學，虛擬仿真技術為一體著重于實際運用的軟件系統(tǒng)，在設計制作的過程中應遵循以下原則：

2.1 實用性和先進性

作為教學訓練軟件系統(tǒng)，其實用性是評判此類系統(tǒng)好壞的基礎指標。而先進性則是系統(tǒng)設計水平的體現。系統(tǒng)始終要以使用者的需求為導向，在符合實際的前提下，完成功能的實現。在實現功能時，使用的技術算法必須先進。

系統(tǒng)軟件的設計水平高低與算法優(yōu)劣，更重要的是看其是否適用于當前軟硬件環(huán)境。一般使用者的電腦多為普通計算機，多余的功能或復雜的算法都會影響系統(tǒng)的使用感受，并且使得系統(tǒng)后期維護變得復雜和不便。

2.2 真實性和可靠性

此類模擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的目的之一就是能代替真實裝備進行教學演練，優(yōu)化教學流程環(huán)境。所以三維模型與現實中零部件大小形狀需一致，三維場景中零部件位置與真實裝備中的位置需一致，并且物理仿真出的效果與現實環(huán)境需相似性。只有越接近真實的裝備，系統(tǒng)的仿真意義才越能夠體現。只有嚴格按照實際物體尺寸建模，認真還原部件位置與動作動畫，最后的系統(tǒng)才能達到模擬、仿真、訓練的目的。

2.3 實時性和易操作性

一款三維虛擬仿真訓練系統(tǒng)，運行快速流暢、操作方便易懂，能夠使用戶使用起來不會感覺困擾或者難以上手，才能使它真正地被使用者所接受。

實時性主要是指系統(tǒng)能夠及時地反饋用戶的操作信息，并能將相應的場景內容渲染到屏幕中。作為仿真的核心之一，三維動畫必須要求過場流暢，幀速穩(wěn)定，運行快速流暢體現在軟件系統(tǒng)啟動快速，界面動畫不拖沓，三維模型動畫不掉幀，人機交互響應不延遲。

易于操作則是在人機交互設計時充分考慮用戶的使用操作習慣，使界面友好易于理解管理，操作簡單并減少誤操作的可能性。易操作性主要體現在系統(tǒng)的人機交互設計上：人與計算機間以一定的交互方式完成對話，進行信息交換。人機交互設計的好壞決定了系統(tǒng)是否“友善”，是否方便操作。

2.4 靈活性和易修改性

系統(tǒng)的靈活性體現在只要滿足基本的要求，無需復雜的安裝就可以在一般的PC上運行。

易修改的原則是由于要顧及到模型及其動畫的真實性，考慮作為一款教學訓練軟件，未來可能存在仿真模型動作的變化，需要系統(tǒng)有一定的可擴展性。利用腳本等其他手段做到無需修改源程序即可改變內容，以滿足方便修改的功能。同時內部代碼需要有良好的可擴展性，方便之后的升級和二次開發(fā)。因此可以在系統(tǒng)中加入腳本文件，使模型文件和動畫文件能夠動態(tài)地被讀取，無需修改系統(tǒng)源代碼就可以修改替換模型動畫文件，降低工作量。

3 常用技術路線

3.1 基于QT的界面架構技術路線

QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它包括一套跨平臺的類庫，一套整合的開發(fā)工具和一個跨平臺的集成開發(fā)環(huán)境，是一個用于創(chuàng)建優(yōu)美強大的用戶界面和原生應用的框架。[1]比起Windows平臺上的MFC，ATL等框架相比，QT的開發(fā)更簡單，更快速但做出來的界面卻更漂亮。

作為一個跨平臺的應用程序框架，QT支持的平臺很廣。它支持MS/Windows 95、98、NT4.0、ME、2000、XP、2008、Vista、Win7、Win8，以及Unix/X11-Linux、SunSolaris、HP-UX、CompaqTru64 UNIX、IBMAIX、SGI IRIX等很多平臺?，F在在Android和IOS設備上，利用QT開發(fā)同樣也是一個很好的選擇。[1]

3.2 基于OpenGL的三維模型展示技術路線

OpenGL即開放式圖形庫。它定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規(guī)格的專業(yè)的圖像程序接口，適用于從普通PC到大型圖形工作站的各種計算機。【2】

OpenGL獨立于窗口操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的圖形開發(fā)環(huán)境，將用戶從具體的硬件考慮中解放出來，無需理解這些系統(tǒng)的結構和指令系統(tǒng)，只要根據規(guī)定的格式編寫應用程序就可以在硬件平臺上執(zhí)行。

OpenGL的圖形操作函數圖形質量好、性能高，是開放的、獨立的、跨平臺的標準，版本兼容性強，代碼簡單易用，支持多種系統(tǒng)，非常方便開發(fā)人員選擇平臺。

3.3 基于場景樹的三維模型管理技術路線

隨著現代3D圖形學的技術發(fā)展，三維空間中的圖像畫面越來越精致，真實性越來越強，但隨之帶來的三維場景中的物體數量也越來越多，物體大小也越來越細。因此，三維場景物體的管理效率，一定程度上決定了整套系統(tǒng)三維呈現的效率。

一個場景管理機制需要能夠組織場景物體、添加刪除物體、獲得場景中的物體并訪問其屬性，并且能夠體現物體間的父子從屬關系。而樹狀結構具有詳細的物體父子關系，樹中每個節(jié)點代表一個對象，通過在節(jié)點中添加指針，能有效的表明節(jié)點的位置，方便引用節(jié)點周圍的物體，有利于場景管理。

4 結束語

模擬仿真技術是一種新穎的應對裝備課教學訓練的信息化輔助手段，一個好的模擬仿真系統(tǒng)可以有效地節(jié)約訓練成本，增強學生的學習興趣，提高學習效率。

參考文獻：

[1] 李春虎.基于Qt的跨平臺軟件設計及應用[D].成都：電子科技大學，2011.

[2] Hil1 F S，胡事民.計算機圖形學（OpenGL版）[M]. 3版.北京：清華大學出版社，2010.