仿真引擎的關鍵技術
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇仿真引擎的關鍵技術范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。
仿真引擎的關鍵技術范文第1篇
[關鍵詞]游戲引擎；機械動力仿真；虛擬現(xiàn)實技術
中圖分類號：TP391.9；TD672 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）33-0225-02
一、引言
三維游戲由于引擎技術在建模技術、物理引擎技術、復雜環(huán)境的高質量實時渲染技術、動畫技術、人工智能技術、對象的行為控制技術等各方面不斷的完善和強大，已經(jīng)極大地引起了人們的關注和重視。游戲引擎不再僅用于游戲娛樂產業(yè)的開發(fā)，更多的滲透到了教育軟件開發(fā)、虛擬現(xiàn)實應用、動畫影視（特技）制作、軍事訓練、實時模擬等人類生活的各個領域。極大地改變了人們的生活方式和思維方式。
游戲引擎技術尤其物理引擎技術不斷的研究發(fā)展，讓我們意識到仿真虛擬機械動力的可能性。利用游戲引擎虛擬機械運動，將為開發(fā)教育游戲中的虛擬物理實驗、網(wǎng)上數(shù)字科技館、娛樂型游戲中的機械道具和多樣化游戲任務等具有重要的應用價值和研究意義。
傳統(tǒng)的機械動力仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術雖然在一定程度上也能虛擬機械的運動，但是由于那些技術不可避免的弊端對機械動力仿真技術應用在其他領域形成了瓶頸。傳統(tǒng)的機械工業(yè)仿真技術缺乏交互性，設計復雜，表現(xiàn)單調。隨著多媒體技術、計算機動畫技術、虛擬現(xiàn)實技術、網(wǎng)絡技術等技術的滲入，以VRML（Virtual Reality Modeling Language虛擬現(xiàn)實造型語言）或Cult3D為代表的技術給機械仿真領域帶來了交互性，但是由于傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術固有的特性，如運動行為的硬編碼、交互性差、畫面不流暢、系統(tǒng)實現(xiàn)復雜等，使得基于游戲引擎技術虛擬機械動力的技術具有很大的優(yōu)勢和更大的發(fā)展前景。
本論文研究的技術充分利用了游戲平臺的優(yōu)勢，它不僅具有傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所有的優(yōu)點，而且具有3D游戲般的交互性和逼真的動力學模擬。從開發(fā)角度而言，游戲引擎的實時渲染能力、快速的計算能力、組件化、可重用性以及面向對象的編程方式等，都使得應用游戲引擎成為一種非常便捷和有效的仿真技術手段。本文描述了利用游戲引擎模擬簡單的機械動力實例的核心技術。
二、機械動力仿真技術研究背景
概念設計是機械設計過程中的最初階段，主要目的是獲得產品的本質形狀。[3]機械仿真技術的發(fā)展為機械工業(yè)概念設計注入了新的活力。計算機運算處理能力的提高為機械系統(tǒng)的仿真提供了更好的基礎。
我國機械系統(tǒng)傳統(tǒng)的計算機輔助工具多數(shù)是AutoCAD， Pro/E， Solid Works， Solid Edge， 3D MAX等2D和3D軟件，此類建模軟件含有大量的圖形文件，容量較大，不利于網(wǎng)上傳輸和遠程控制。同時這種方式建立的三維模型是靜態(tài)的，動畫是設計者事先設計好的一副副二維動畫，用戶只是被動的接受，而不能按照自己的意愿進行實時交互式仿真。
虛擬現(xiàn)實技術作為一種更為人性化的交互技術，近幾年來逐漸滲透到各個應用領域。虛擬現(xiàn)實技術的沉浸特征、交互特征和構想特征，剛好彌補了上述傳統(tǒng)方法的不足。因此，運用虛擬現(xiàn)實的方法實現(xiàn)機械設計系統(tǒng)成為必然。傳統(tǒng)的機械仿真都是代碼編寫控制的運動效果，沒有實現(xiàn)通過物體間力的作用而讓物體產生運動，所以不免比較生硬，不能具有可復用性和柔性。
綜上可知，機械工業(yè)虛擬仿真技術由于其復雜性、綜合性決定了開發(fā)的困難，因此勢必需要一些工具來輔助開發(fā)，游戲引擎由于其本身的特點，成為開發(fā)機械工業(yè)虛擬系統(tǒng)的有力工具。
三、游戲引擎技術
1.三維游戲引擎
一般而言，三維游戲引擎包括：引擎內核、三維圖形引擎、物理引擎、人工智能系統(tǒng)、3D模型和圖像庫、網(wǎng)絡引擎、輸入系統(tǒng)。三維游戲引擎中各子系統(tǒng)關系可由（圖1）表示。
2.游戲引擎技術的優(yōu)勢
（1）利用游戲引擎可以簡化系統(tǒng)制作的復雜度，縮短開發(fā)時間，降低制作成本。
（2）游戲引擎中強大的物理引擎為該機械動力仿真系統(tǒng)提供了保障，這也是不同于其他虛擬現(xiàn)實技術的閃光點。
（3）該游戲引擎能快速嵌入到網(wǎng)頁中運行，因此，極大的活躍了網(wǎng)頁式三維虛擬現(xiàn)實技術，因為傳統(tǒng)的三維網(wǎng)頁虛擬技術在WEB中運行效果不是很好，運行緩慢，效果單調，交互性差，游戲引擎技術的支持在一定程度上可彌補這些不足。
（4）游戲引擎的最大特點是可以實時渲染，這樣使得開發(fā)者可以及時瀏覽和調整系統(tǒng)。Unity3D游戲引擎甚至可以支持在程序運行時改動場景中物體的屬性。這樣的實時性改變，使得開發(fā)者能迅速獲得最佳的設置效果值。
（5）基于游戲引擎技術開發(fā)的機械動力仿真系統(tǒng)，具有游戲般的交互能力，活躍了機械展示的表達方式。
（6）在游戲引擎平臺上的二次編程代碼被稱為“腳本”，大多數(shù)腳本語言都是面向對象的編程特點，具有封裝、多態(tài)、可復用性等特性。簡單易學，使虛擬系統(tǒng)設計者易于開發(fā)應用。
四、主要結論
3D游戲引擎技術最大的特點就是它把一個程序中可以重復利用的部分，以精巧的模塊組織起來，將其規(guī)格化、最佳化，以利于程序重用技術。利用引擎不僅可以開發(fā)出“景物真實、動作真實、感覺真實”的三維系統(tǒng)，更重要的是利用它我們可以節(jié)省大量的人員和資金，簡化系統(tǒng)制作的復雜度，縮短開發(fā)時間，降低制作成本，并且游戲引擎普遍具有的FPS（First Person Shooting第一人稱射擊游戲）特性，這一特點可以巧妙的應用于交互設計中。游戲引擎的實時渲染、動態(tài)編譯和可視化編輯功能有效解決了傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術中存在的渲染耗費時間和硬件成本的問題。
3D游戲引擎最吸引人的是它的強大的PhysX物理引擎和真實的圖形渲染引擎。強大的功能會提升研究的成功性。從開發(fā)方面考慮，該引擎的腳本語言近似c#或javascript，使得開發(fā)輕車熟路，而且腳本是動態(tài)編譯的，運行速度和匯編接近，不會因為腳本的問題而影響系統(tǒng)的執(zhí)行效率。從方面考慮，該引擎支持跨平臺，而且用該引擎開發(fā)的作品可以通過網(wǎng)頁直接運行，是3D虛擬現(xiàn)實作品輕松實現(xiàn)網(wǎng)頁漫游的良好解決方案。
參考文獻
[1] 楊紅娟，周以齊，石柏成，陳成軍.機械系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實建模方法的研究.中國圖像圖形學會.642～646.
[2] 劉強，劉春全.機械動力仿真軟件在抽油機運動學上的應用.裝備制造技術，2008年，第12期.49～51.
[3] 石其樂.簡易型虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn).寧夏工程技術，2003 年8 月，第2 卷第3期：227～245
仿真引擎的關鍵技術范文第2篇
關鍵詞：Unity 三維虛擬技術 桃樹 整形修剪
中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）07-0000-00
據(jù)調查，目前生產中整形修剪的用工量占桃樹生產環(huán)節(jié)總用工量的20%-50%。合理的整形修剪，對桃樹豐產、穩(wěn)產、提高果實品質以及延長樹體壽命有極其重要的影響。
隨著計算機虛擬技術的不斷發(fā)展，三維虛擬技術越來越被人們所看重。Unity是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[1][2]。因此我們希望能將桃樹的整形修剪與三維虛擬技術相結合，運用三維虛擬技術將整個桃園以及單個桃樹的樹形進行展示。
1 桃樹三維虛擬系統(tǒng)實現(xiàn)設計
首先通過調研，掌握桃樹整形修剪的基礎數(shù)據(jù)，包括樹形，枝類，枝量等等數(shù)據(jù)，為后期進行單元三維建模做準備；其次，根據(jù)前期的數(shù)據(jù)積累，完成主干、主枝、側枝、枝組、小枝等不同的模型建模部分； 第三，進行Uvw坐標展開與貼圖繪制，此步驟主要是將模型展開把拍攝的樹皮照片進行貼圖，以最大程度的與實物一致；最后，通過UNITY軟件對于將前期的內容進行整合，通過C#語言編寫程序實現(xiàn)3D引擎的完善，動態(tài)展示視角的控制，日照燈光的控制，以及最終的程序界面的設計[3]。具體系統(tǒng)實現(xiàn)設計見圖1所示。
2 三維模型建立
三維建模工作是項目具體實施中最基本、重要的工作，也是工作量最大的部分，主要是為了將采集到的桃樹相關數(shù)據(jù)還原成直觀的可視化的的3D模型，在此過程中我們與相關果樹學專家進行反復溝通，力求桃樹還原效果最佳化。
2.1 使用Zbrush制作基礎模型
以3人為一小組，組成主干組、主枝組、側枝組、枝組組、小枝組共5的小組，完成主干、主枝、側枝、枝組、小枝等不同的模型建模部分。如主干組主要完成主干的建模，以此類推。
2.2 模型導入到3dsmax進行修整
Zbrush輸出的模型比較圓滑，需要再次導入到3dsmax軟件中進行修正削平，同時需要進行部分樹枝模型尖削度的調整，我們還專門配備人員來進行此工作的實施。
2.3 合并成型
各個桃樹的主干、主枝、側枝、枝組、小枝模型構建好后，我們需要將這些元素組合在一起，形成樹的最終形態(tài)。此工作由于需要工作人員既懂軟件操作技能又有桃樹修剪經(jīng)驗，所以此項工作我們需要多名課題組成員協(xié)調工作，共同完成。
2.4 優(yōu)化模型
模型在合并后網(wǎng)格和頂點過多，導致數(shù)據(jù)龐大，一般的計算機的硬件配置無法正常顯示，需要將多余的頂點和網(wǎng)格刪除或合并，此項工作較繁瑣，最終只能使每棵樹擁有500000個面左右，這樣，一般的計算機顯卡才能夠承受，運行才會比較流暢[4]。
3 坐標展開與貼圖繪制
首先，需要3ds MAX導出到3d-Coat軟件中進行展開，使得模型的表皮可以正確的顯示貼圖，每一個素材模型都需要此操作；其次，要進行貼圖繪制，如同上色一樣，把樹皮畫到模型上；最后，進行繪制法線貼圖，法線貼圖是增強凹凸效果的，此操作相對簡單，可以通過樹皮模型自動轉換。
4 程序實現(xiàn)
本系統(tǒng)的業(yè)務邏輯處理用C#、JavaScript技術實現(xiàn)，使用Unity3D引擎開發(fā)平臺進行開發(fā)。通過UNITY軟件對于將前期的內容進行整合，通過C#語言編寫程序實現(xiàn)3D引擎的完善，動態(tài)展示視角的控制，日照燈光的控制，以及最終的程序界面的設計[5]。良好的控制界面是系統(tǒng)成熟應用的最直觀的感受。
5 系統(tǒng)實驗與分析
采用上述的設計思想和實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了基于Unity3D的三維虛擬桃樹系統(tǒng)。采用場景漫游技術的虛擬效果逼真，整個畫面真實度高，多個場景間的切換采用了Unity3D的相機技術，場景切換效果較好，滿足了用戶的需求。
參考文獻
[1] 陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現(xiàn)實三維場景建模技術及實現(xiàn)方法研究[J].重慶師范大學學報（自然科學版），2007（10）：1-4.
[2] 韓飛.面向虛擬環(huán)境的三維地形生成方法[J].計算機工程，2010（10）：261-263.
[3] 劉航，王積忠，王春水.虛擬校園三維仿真系統(tǒng)關鍵技術研究[J].計算機工程與設計，2007（6）：2934-2936.
[4] 陳曼，盛業(yè)華，溫永寧 等.虛擬地理環(huán)境三維可視化系統(tǒng)構建[J].系統(tǒng)仿真學報，2008（10）：5105-5108.
[5] 鄧志紅，老松楊，張國華.基于三維GIS的導彈預警視景仿真系統(tǒng)實現(xiàn)[J].計算機仿真，2010（4）：40-44.
仿真引擎的關鍵技術范文第3篇
關鍵詞：分布式 學習管理系統(tǒng) 訓練課程
中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）10-0196-01
分布式學習管理系統(tǒng)（Distributed Learning Management System）是一種全新的符合SCORM規(guī)范的三維虛擬交互式訓練課程運行平臺，支持加載和運行三維交互式的訓練課程，比如虛擬裝備對象（如飛機、火炮、艦船等），可供學生進行機械維修/維護任務的訓練（如日常維護任務、設備拆裝程序、故障排查流程等），可對學生的學習、訓練、考核過程進行跟蹤記錄，非常適合于網(wǎng)絡化教學。
1、系統(tǒng)特點
因為分布式學習管理系統(tǒng)從技術上、模式上解決了三維虛擬訓練系統(tǒng)不能在常規(guī)學習管理系統(tǒng)架構下運行，虛擬課程由專門廠家設計、課程內容不能共享的問題，以及其他通用E_Learning（網(wǎng)絡化學習）平臺不能支持三維交互對象及實時仿真訓練，無法適用于虛擬訓練的問題，因而具有以下突出特點：
一是將三維虛擬訓練內容封裝到SCORM學習系統(tǒng)框架下，使虛擬培訓具有在線學習、考核、記錄等功能，從而真正成為實用化的培訓系統(tǒng)；二是學生在自主訓練時可得到虛擬教師的在線指導，提高訓練效率；三是三維訓練課程按SCORM標準封裝，可在異構的運行平臺上執(zhí)行，進而達到課程內容可共享的目的；四是支持按S1000D標準生成的技術手冊導入，生成培訓課程；五是虛擬訓練在E Learning框架下實現(xiàn)，使訓練可隨時隨地開展，降低培訓成本，提高培訓效率。
2、系統(tǒng)組成
分布式學習管理系統(tǒng)由虛擬課程運行平臺及虛擬課程創(chuàng)作平臺組成，如圖1所示。虛擬課程運行平臺包括：至少一服務器端、客戶端、API實例端；虛擬課程創(chuàng)作平臺主要由：課程結構設計部件、可共享內容對象劃分部件、可共享內容對象制作部件、課程包聚合與輸出部件及標準課程測試部件組成。（如圖1）
服務器端有LMS服務器，客戶端有SCO運行環(huán)境。SCO運行環(huán)境可以加載與運行訓練課程，啟動、運行SCO后與API適配器通訊，發(fā)現(xiàn)LMS提供的API實例。
虛擬課程運行平臺使用API實例與LMS服務器進行初始化通信和讀取或設置值。通過實現(xiàn)與HLA的通訊機制，同時支持實時分布式仿真的初始參數(shù)設置、仿真加載、仿真過程數(shù)據(jù)記錄等。
三維訓練課程按SCORM標準在虛擬課程創(chuàng)作平臺上進行封裝，封裝好的課程可在異構的運行平臺上執(zhí)行，進而達到課程內容可共享的目的。虛擬課程創(chuàng)作平臺支持按S1000D標準生成的技術手冊導入并生成培訓課程。實現(xiàn)了虛擬課程內容的結構化、模塊化、標準化、制作流程化。
3、系統(tǒng)關鍵技術
3.1 SCO封裝技術
課件內容組織大體可分為兩大類：一類是結構化的內容，包括CGM、SVG和3KO等；另一類是非結構化的內容，包括Flash、音頻文件等。對于結構化的內容，將被封裝成一個個可重復使用的學習對象SCO。可共享內容對象（Sharable Content Object，SCO）代表了一個或多個基本素材的集合，這個集合包含了一個特殊的可基本素材，它利用SCORM運行環(huán)境與LMS進行通訊。
為了可以重用，SCO并不依賴于學習內容，而是其本身。比如，一個SCO可以用在不同的學習體驗中來執(zhí)行不同的課件。另外，一個或者多個SCO可以整合成更加高端的教學和培訓單元，來執(zhí)行更高端的學習對象。
SCO被認為是小型的單元，所以跨課件的重用是有可能的。SCORM 對 SCO的大小不會有特別的限制。盡管在設計編寫期間，決定SCO大小的時候還是定一個其內容的最小的邏輯大小，而這些內容在運行時可以由LMS跟蹤。內容開發(fā)者根據(jù)學習內容的信息數(shù)量和其可重用的水平來決定SCO 的大小。
3.2 仿真模型采用輕量化技術
在以往的三維仿真和虛擬樣機應用中采用的是多邊形處理方式，當模型復雜時，比如整機，整船的模擬，三角形數(shù)量會上百萬，數(shù)據(jù)量在1GB以上，這就對計算機的圖形處理能力要求非常高，只能在高檔圖形工作站上才能開發(fā)和運行，不可能進行網(wǎng)絡和批量。
在本系統(tǒng)中的虛擬交互模型，將采用NGRAIN公司獨特的體素（VOXEL）技術，用cell將三維實體實行網(wǎng)格分割，而非傳統(tǒng)的面圖形（Surface Graphics），避免了復雜設備多邊形面的巨量計算問題；進而專門開發(fā)了針對復雜系統(tǒng)的三維可交互的軟件平臺，做到了三維模型的超輕量化，保證模型物理屬性、外觀真實條件下的高比例壓縮。
渲染引擎完全由軟件實現(xiàn)，不需要硬件三維加速，支持低端計算機平臺，如普通的臺式電腦、筆記本電腦、掌上PDA等。
4、結語
分布式學習管理系統(tǒng)可廣泛應用于工科院校機電一體化專業(yè)開展虛擬交互式網(wǎng)絡課程開發(fā)于，可為課堂教學提供信息化的教學手段支撐，也可為學生提供課后網(wǎng)絡化的自學自訓應用平臺，同時分布式學習管理系統(tǒng)還能夠把學生的學習狀況、學習進度及學習結果同步記錄下來，并將結果反饋給授課教師，用于教學質量評估或教學效果考察，對促進教學相長、提升教學質量效益具有重要的推動作用。
仿真引擎的關鍵技術范文第4篇
[關鍵詞] 虛擬現(xiàn)實 建筑漫游 實現(xiàn)
引言
隨著計算機技術的不斷發(fā)展，人類認識和改造世界的能力得到不斷提高，同時，人類生產生活對計算機技術的依賴也越來越強，計算機技術的發(fā)展離不開人類的智能，而人類生產生活能力的提高又在一定程度上依賴于計算機技術的發(fā)展。這就要求實現(xiàn)人與計算機的信息交流，人機交互技術是實現(xiàn)人與計算機信息交流的關鍵，虛擬現(xiàn)實就是研究如何實現(xiàn)人機交流的技術。
1、虛擬現(xiàn)實的含義及特征
虛擬現(xiàn)實是近年計算機技術研究的熱點之一，虛擬現(xiàn)實技術是眾多計算機高新技術的匯集，包括計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術、實時計算技術以及人類行為學等關鍵技術。虛擬現(xiàn)實技術是多媒體技術發(fā)展的高層次形式，將計算機技術引入了一個更高的層次。該技術能給人以更為逼真的體驗，它為人類進一步探索世界、改造世界提供了一個現(xiàn)實的途徑。
虛擬現(xiàn)實從本質上來說就是一種先進的計算機用戶接口，它是通過為計算機用戶提供各種直觀而自然的感知交互手段，最大程度地方便用戶操作，從而減輕用戶負擔，以提高整個系統(tǒng)工作效率的一門技術。根據(jù)眾多學者的觀點，可對虛擬現(xiàn)實做出如下界定：虛擬現(xiàn)實是利用計算機生成一種模擬環(huán)境(如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等)，通過多種傳感設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術。這里所謂模擬環(huán)境就是用計算機生成的具有表面色彩的立體圖形，即是通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的交互式視景仿真，它可以是某一特定現(xiàn)實世界的真文體現(xiàn)，也可以是純粹構想的世界。傳感設備包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置和設置于現(xiàn)實環(huán)境中的傳感裝置(不直接戴在身上)。自然交互是指用日常使用的方式對環(huán)境內的物體進行操作（如用手拿東西、行走等）并得到實時立體反饋。
虛擬現(xiàn)實技術具有沉浸性、交互性、構想性等特征。所謂沉浸性是指計算機操作者作為人機環(huán)境的主導者存在于虛擬環(huán)境之中，虛擬現(xiàn)實技術改變了傳統(tǒng)的人機交流形式，在傳統(tǒng)人機交流活動中，計算機為人提供了豐富的信息，但是人始終是在環(huán)境之外，而虛擬現(xiàn)實技術將人置身于人機環(huán)境之中，實現(xiàn)了人機環(huán)境的和諧統(tǒng)一。所謂交互性，是指人在虛擬環(huán)境中與遇到的對象相互作用，是實現(xiàn)人機和諧統(tǒng)一的關鍵所在，它包含對象的可操作程度、用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度及虛擬場景中對象依據(jù)物理學定律運動的程度等。所謂構想性，是指虛擬現(xiàn)實是啟發(fā)人創(chuàng)造性思維的活動，它不僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于虛擬環(huán)境中獲取新知識，產生新構思。
2、建筑漫游概述
建立以多維信息空間為基礎的人機環(huán)境，實現(xiàn)人與計算機和諧而自然的信息交流，一直是計算機信息技術追求的目標之一。有了虛擬現(xiàn)實技術的支撐，達到這一目標成為現(xiàn)實。建筑漫游正是虛擬現(xiàn)實技術在建筑的領域的應用，該技術不僅對建筑領域相關技術的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，而且還會帶動其他相關領域技術的進一步發(fā)展。
建筑漫游系統(tǒng)包括一個視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，它是一個真實空間的實時空間或假想空間的實時仿真虛擬空間，用戶借助必要的裝備以自然的方式在該虛擬空間中漫游，從任意角度對環(huán)境中的對象進行觀察，從而產生身臨其境的感覺，同時也可以對其中的物體進行規(guī)劃和操作。一般來說，虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)主要包括場景數(shù)據(jù)庫的生成和通用漫游引擎的設計兩部分，其框架如圖2所示：
圖2 虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)結構框圖
在虛擬現(xiàn)實技術出現(xiàn)以前，建筑師與用戶之間的交流通常是通過二維的建筑圖紙或者木制模型。通過這種方式，用戶很難在頭腦中構建出建筑物的清晰形象，除非用戶經(jīng)過良好的訓練，能從二維透視圖中想象出三維場景，并且對建筑設計符號十分熟悉，當然具備這樣素質的用戶是很少的。這就造成了建筑設計者與用戶之間的交流障礙，用戶無法清楚地意識到建筑設計者的意圖，也就無法將模型與自己的需求進行對比，更不能根據(jù)模型及自己的需求提出建設性建議，設計者也就很難根據(jù)用戶的真正需求設計出用戶滿意的方案。建筑設計者和用戶都意識到這一點，希望縮小和對方的距離，更清楚了解對方意圖。虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)了他們的愿望，虛擬社區(qū)漫游就是虛擬現(xiàn)實技術應用于建筑領域的一個成功范例。虛擬建筑漫游系統(tǒng)可以在建筑物動正式施工之前，先建立一個該建筑物及其所在社區(qū)的虛擬模型，設計師和用戶可以通過計算機交互設備控制一個假想的觀察者（視點）在建筑群模型中移動，而在顯示設備上（計算機屏幕或頭部跟蹤器等）則顯示出這個“觀察者”所“看”到的景象。這里的視點可以是一個步行者的視點，也可以是一只鳥的視點或者兩者都不是，而僅僅是擁有一定高度和運動速度的“眼睛”而已。
建筑物漫游系統(tǒng)對于建筑師、室內裝潢設計師和用戶來說都具有非常重要的意義。建筑師和室內裝潢設計師通過它可以向用戶展示自己的設計思路，并及時得到用戶的意見反饋。同時，設計中如果有什么不合理的地方也可以通過對三維場景的漫游及時發(fā)現(xiàn)，并及時更正。而用戶則可以通過漫游系統(tǒng)對自己想要購買的建筑有一個全面的感性認識，做出放心的選擇。
3、虛擬現(xiàn)實技術在建筑漫游中的實現(xiàn)
在建筑漫游中，虛擬現(xiàn)實技術主要通過場景數(shù)據(jù)庫和通用漫游引擎來實現(xiàn)。
3.1場景數(shù)據(jù)庫的構建
構建場景數(shù)據(jù)庫，主要有三個步驟，即選擇建模工具、確定場景數(shù)據(jù)庫的樹狀層次結構、構建場景數(shù)據(jù)庫。
仿真引擎的關鍵技術范文第5篇
關鍵詞：三維仿真課件；場景圖；OpenGL著色語言
中圖分類號：G642
文獻標識碼：B
文章編號：1672-5913(2008)02-0095-05
1引言
隨著計算機網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，現(xiàn)代遠程教育引發(fā)了一場深刻的教育模式和教育觀念的變革。傳統(tǒng)的文字、幻燈、實物模型的教學方式已不能滿足教育變革的要求，如何把枯燥的學習對象構造成三維可視化的、所見即所得的學習教具和學習培訓環(huán)境，成了教育信息領域努力追求的目標之一。
本文開發(fā)的遠程交互式三維仿真課件編輯平臺是在對OSG(Open Scene Graph)進行功能擴展與大幅度改造后的一個易于快速定做仿真課件的平臺。該平臺將三維仿真設計、實時渲染瀏覽和遠程網(wǎng)絡壓縮等功能融為一體，使用戶可以針對教學重點、難點，方便快捷地制作出三維仿真教具和實物模型，用于形象教學和交互式趣味教學。
該平臺通過標準化設計把一些知名的開源軟件和引擎融為一體，如Open Scene Graph(OSG)、Open Dynamics Engine(ODE)、Character Animation Library(CAL3D)、OpenGL等。通過對這些底層模塊進行隱藏封裝、模塊整合等技術開發(fā)，繼承與發(fā)展了各類引擎所具有的先進特性。不但仿真效果的真實性大大提高，而且能直接處理大量模型數(shù)據(jù)，使高質量的三維畫面在遠程交互中能快速傳輸，為廣大師生展現(xiàn)了全方位的、真實的學習對象和學習環(huán)境。
2總體功能結構
遠程交互式三維仿真課件編輯平臺由3dsmax建模及輸出模塊、場景編輯器模塊、仿真數(shù)據(jù)庫管理模塊、仿真算法模塊、VR仿真內容系統(tǒng)模塊、流體動力學粒子系統(tǒng)仿真模塊、網(wǎng)絡仿真及通訊模塊、多通道視覺仿真模塊、各類仿真特效模塊、OCX控件二次開發(fā)包模塊等功能模塊組成，如圖1所示。
2.13dsmax建模及輸出模塊
在仿真項目的制作過程中，明確需求并確定計劃后，首先要面對的工作就是仿真場景的構建。該模塊支持對Multigen openflight等多種文件格式的導入，且能對輸入的場景自動優(yōu)化。用戶不但可以在場景中建立新的幾何物體，而且能創(chuàng)建自己的實時圖庫，可以隨時入庫和調用。此外，模塊還支持MAX的視圖操作功能，用戶可對模型進行平移、旋轉、縮放等操作，建模模塊如圖2所示。
仿真項目的場景構建完畢后，可以通過這個模塊向原來內容相對比較單一的幾何體賦予仿真需要的各種屬性，諸如LOD、switch節(jié)點、碰撞、物理屬性等。此外用戶還可以對各節(jié)點進行增加、刪除、重命名等操作，或者改變節(jié)點的Group關系。同時該模塊提供對形體、光源和相機的直接操作，以及真實感屬性的編輯，極大地提高了虛擬世界的真實度。如圖3所示。
2.3仿真核心工作模塊
這個模塊是仿真系統(tǒng)的工作核心，主要處理一些內核的仿真任務的調度，各個任務之間的結構是基于事件驅動的結構關系。模塊初始化時會建立一個動態(tài)的事件列表，并按時間的先后順序確定任務的優(yōu)先級。當某個事件被觸發(fā)時，核心工作模塊就會通過消息機制激活所有的與該事件相關的過程或函數(shù)，協(xié)調各仿真模塊共同工作。它主要調度以下幾個模塊：
Ø 仿真數(shù)據(jù)庫管理模塊
數(shù)據(jù)庫是與仿真緊密聯(lián)系的一個部分，很多仿真數(shù)據(jù)的讀入及保存都必須通過數(shù)據(jù)庫進行。該模塊在內核中保留了最基本但功能又非常強大的數(shù)據(jù)庫處理能力，通過這個模塊，可以處理海量的數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)量大而導致內存不夠時，這個模塊會通過一套內置的虛擬內存系統(tǒng)將硬盤與物理內存進行動態(tài)交換，并且對大型場景進行動態(tài)加載。
該模塊的另一作用是將各種插件式開發(fā)的.dll功能增強模塊作為一個數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)管理。這樣如果用戶或者軟件研發(fā)者需要增加額外的系統(tǒng)功能，只需要編寫一個.dll插件，再在這個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中進行一次注冊，然后就會在下次系統(tǒng)啟動時自動加載。
Ø 仿真算法模塊
無論在數(shù)值仿真或者視覺仿真領域，都會面臨著許多的仿真算法。這個模塊提供了一些仿真領域中最常見或者使用頻率最高的算法。用戶不用重復編寫常用算法，只需要調用幾個現(xiàn)成的函數(shù)就能解決常見問題。
Ø 流體動力學粒子系統(tǒng)仿真模塊
在軍事或者其他常見領域的仿真中，粒子系統(tǒng)是種常見的現(xiàn)象，如輪船開動時的尾跡、飛機航行時的尾跡與煙霧等。在粒子系統(tǒng)仿真模塊中，大量的粒子圖元集合在一起，通過其屬性的變化表現(xiàn)物體的物理特性，用以進行不規(guī)則物體的模擬。用戶可以通過定義粒子的形狀、大小、生存期、位置、速度、加速度、顏色、透明度等屬性來實現(xiàn)對各種煙霧、火焰、閃光等現(xiàn)象的模擬。如圖4所示。
Ø 各類仿真特效模塊
在自然界中存在著很多的自然現(xiàn)象，如下雨、下雪、水面的反射、有陽光或者燈光時的鏡頭光暈等等各種效果。該模塊支持以上提到的各種特效，令仿真的效果栩栩如生。如圖5所示。
Ø 網(wǎng)絡仿真及網(wǎng)絡通訊模塊
該模塊支持內部網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)方式演示。當互聯(lián)網(wǎng)因帶寬受限以及客戶機配置未能達到基本要求時，可采用降低圖形質量的方法進行傳輸。內部教學網(wǎng)絡則可以不受限制，便于集中培訓教學與虛擬實踐。該模塊還設置了分級權限使用，給不同身份的用戶授予不同的權限，便于系統(tǒng)管理。
Ø 多通道視覺仿真模塊
在一般的視景仿真系統(tǒng)中，通常采用單視覺通道來顯示三維圖形。單視覺通道只能顯示一個視野，而利用多通道視覺仿真系統(tǒng)就可以得到更廣闊的視角效果，增強了“沉浸”感。
該模塊提供了獲取當前視角的函數(shù)，且支持水平和垂直視角自動匹配的功能。在視點位置、方向以及遠近裁剪面的距離確定后，系統(tǒng)還可自動完成視景體的裁剪。
2.4VR仿真內容系統(tǒng)模塊
該模塊可將仿真課件成獨立的exe文件，且所有必需的庫文件與資源均打包在內，用戶可自行設計圖形界面，便于分發(fā)與保密。打包后的可執(zhí)行文件在運行時支持用戶的交互式瀏覽，用戶可以根據(jù)需要選擇自動播放或單步操作，方便教學與虛擬裝配。
2.5OCX控件二次開發(fā)包模塊
交互式三維仿真課件的開發(fā)一直被認為是一項復雜的工作，因為涉及到C語言、OpenGL、Direct3D等基礎開發(fā)工具的應用，這無疑降低了開發(fā)效率，延長了開發(fā)周期。因此這一模塊引入了與各類開發(fā)平臺掛接和無縫植入的快速虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具3DVR OCX，通過此可編程控件OCX，用戶可以輕松做出實用的仿真課件，極大地提高了開發(fā)工作的效率。如圖6所示。
3關鍵技術研究
3.1場景圖
內核采用場景圖SG(Scene Graph)結構，通過場景圖把各場景及其屬性組織成一棵場景樹。場景圖中的根結點表的是整個三維場景，子結點表示場景中每個對象的位置信息、動畫設置以及邏輯關系等屬性，葉子結點則代表物理對象本身、可拉伸的幾何模型和材質屬性。
采用這種樹狀組織結構可以大大縮減剔除的執(zhí)行時間。當父結點對象被遮擋或處于觀察區(qū)域以外時，父結點就被設置為不可見，位于父結點以下的所有子結點對象也都是不可見的，這樣就無需再比較子結點對象的空間邊界，避免了重復執(zhí)行對多個對象物體的剔除處理，從而加快了場景渲染的速度。例如，要剔除一座大樓時，只需計算這座大樓的空間邊界是否在觀察區(qū)域內，而大樓的門、窗等對象因為屬于大樓對象的子結點，就無需再判斷其空間邊界，從而縮短了剔除的執(zhí)行時間。
此外，場景圖結構還使得動畫設置變得更加靈活。當我們要對一輛汽車設置平移動畫時，只需對汽車這個結點設置移動的相關參數(shù)，處于子結點位置的車輪、車門等對象就無需再進行重復設置。如果用戶只要求車輪做旋轉動畫或者車門做開門動畫時，只要查找到對應結點，設置動畫參數(shù)即可。由此可見，對于一個包含有多個對象的三維場景，這種樹狀結構有效地簡化了動畫設置的操作過程。
場景圖結構中還集中了對各個對象的狀態(tài)管理。場景圖中的每個對象都有一個指向狀態(tài)集的指針，這個狀態(tài)集中包含了顏色、紋理、燈光、透明度等信息。對處在同一層的對象，首先歸納出它們的相似狀態(tài)，并設置狀態(tài)指針指向同一個狀態(tài)集。例如，圖7中坦克的炮塔和基座同處在場景圖的第二層，所以狀態(tài)都設置為迷彩色。這種狀態(tài)管理方式可以簡化狀態(tài)設置的過程。當對象狀態(tài)發(fā)生改變時，我們只需先按照廣度優(yōu)先的順序遍歷場景樹，查找到對象后，將狀態(tài)集中的屬性進行一次更改，則同層的所有對象狀態(tài)都會發(fā)生改變。當場景中的圖形對象達到成百上千時，這種狀態(tài)管理方式的優(yōu)勢就會更加明顯。
3.2OpenGL著色語言
內置了對GLSL(OpenGL Shading Language，OpenGL著色語言)的支持，突破了OpenGL傳統(tǒng)渲染模型的固定功能性。用戶可以自定義渲染管線的處理過程，實現(xiàn)頂點著色和片斷著色，從而繪制出更豐富的紋理，模擬更真實的自然景象。同時該技術是直接對顯卡編程，源代碼在OpenGL內部編譯，不占用CPU資源，因此在處理三維圖形的實時渲染方面顯示了強大的優(yōu)勢。
具體的實現(xiàn)過程是，當處理圖形渲染任務時，首先調用OpenGL的一個API函數(shù)glCreateShader來創(chuàng)建著色器(shader)，同時在OpenGL的驅動程序中為著色器分配數(shù)據(jù)結構。著色器通過獲取當前OpenGL中的狀態(tài)信息(如位置、顏色、法線等)進行投影變換、坐標轉換、顏色計算等操作，然后調用glShaderSource命令將著色器代碼傳遞給OpenGL驅動程序，用glCompileShader命令將代碼編譯成機器語言，并以二進制文件的格式傳遞給顯示硬件。該方法不依賴顯示硬件的匯編語言接口，突破了圖形硬件在匯編語言接口上的諸多限制，有效地提高了圖形渲染的效率。
4實例研究
三維仿真課件可以模擬各種真實的空間和實體，能展現(xiàn)那些在傳統(tǒng)教學中無法實現(xiàn)的教學效果，如一些危險的或是耗資巨大的實驗。尤其在工科教學中，許多知識點抽象難懂，成為了教學中的難點。
目前使用遠程交互式三維仿真課件編輯平臺已經(jīng)開發(fā)了很多直接面向應用的精品課件，使用該系統(tǒng)開發(fā)的“千斤頂?shù)慕M裝與工作原理”課件在實際教學中已收到良好的效果，如圖8所示。該課件主要用于培訓千斤頂?shù)慕M裝與拆卸，課件中所展示的千斤頂?shù)母鱾€零部件，都是與實際大小相符的三維模型，且零件表面按實物材質仿真，教師和學生可以旋轉任意視角觀看設備的外形、細節(jié)部分和整體外觀。課件中設置有整體或局部零件的工作動態(tài)演示，用戶可以選擇自動播放設備零部件拆分和組裝演示，也可以進行手動單步拆分與組裝。其中自動演示過程是可控的，用戶可隨時中止或重播動畫。這種交互方式不但增強了裝配過程的直觀性，也提高了學生的動手能力。為了加強學生對千斤頂工作原理的理解，課件中還增加了整體和局部零部件的工作動態(tài)演示，任何零部件只要用鼠標點擊，其應有的工作動態(tài)、工作原理和裝配方式就能自動展示出來，同時還配有零部件的詳細參數(shù)信息、文字說明與二維設計圖。
“千斤頂?shù)慕M裝與工作原理”課件以其強大的交互功能、簡便直觀的操作方法以及實時的三維表現(xiàn)能力得到了廣大師生的一致贊同，也推動了三維仿真課件在教學一線的普及。
5結束語
遠程交互式三維仿真課件編輯平臺是針對教學重點、難點的培訓而開發(fā)的集三維仿真設計、實時功能渲染瀏覽和遠程網(wǎng)絡壓縮于一體的仿真系統(tǒng)設計開發(fā)包。
該設計平臺的成功開發(fā)將解決教育領域重點、難點課程的仿真教學課件的制作難題，完善了教育領域遠程教學平臺的建設，并節(jié)約教學培訓設備的巨大開銷。我們相信，在未來的教育領域中，遠程交互式三維仿真課件編輯平臺將為信息時代的教育發(fā)展注入新的活力。
收稿日期：2007-10
參考文獻
[1] 項慨. Java3D應用于現(xiàn)代遠程教育的關鍵技術[J]. 教育信息化,2006,(10).
[2] 劉少華. 虛擬仿真引擎及其在三維飛行再現(xiàn)中的應用[D]. 國防科技大學,2004,(12).
[3] 趙春霞,張艷,戰(zhàn)守義. 基于粒子系統(tǒng)方法的三維火焰模擬[J]. 計算機工程與應用,2004,(2).
[4] 陶唐飛,韓崇昭. 視景仿真系統(tǒng)光學視覺通道技術研究與實現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學報,2004,(4).
作者簡介
申閆春(1957－)，男，河南開封市人，1999年7月在中國礦業(yè)大學計算機應用專業(yè)獲博士學位，2001年12月博士后出站，從事計算機網(wǎng)絡與應用、流媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術方面的研究。
