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虚拟测试系统范文

来源：火烈鸟

作者：开心麻花

2025-09-19

虚拟测试系统范文（精选12篇）

虚拟测试系统第1篇

虚拟现实 (VR) 技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术, 它是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统, 其基础和核心就是如何创建和体验具有真实感的虚拟场景, 并能很好地进行人机交互, 从而建立和谐的人机环境。虚拟现实技术自诞生以来, 就在航空航天、军事、核工业以及其它行业中发挥着不可替代的作用。

近年来, 随着数字矿山概念的提出, 虚拟矿山漫游系统成为了数字矿山建设中的关键环节。利用虚拟现实技术创建出逼真的三维矿山环境, 人们就可以更加深刻地了解实际矿业工作环境, 并进行风险预测和矿山事故的分析与再现, 对矿工进行生产培训及安全培训等。虚拟现实技术的研究开发无疑对提高煤矿安全生产、矿工安全保护意识和系统优化设计等具有重要的实用价值。英国诺丁汉大学AIMS研究所已经开发了很多与采矿工业安全培训相关的VR系统, 但是, 这些系统一般价格昂贵, 且在缺乏其核心技术的前提下, 使用者很难根据自身的具体需求进行二次开发。

为此, 笔者以虚拟现实技术为基础设计了一种虚拟矿山系统, 用于矿工生产培训及安全培训, 并且提出了自定义脚本的新方法, 使场景编辑透明化, 为用户提供了更加方便友好的操作方法, 从而使得虚拟矿山系统具备更加广泛的应用前景。

1 系统总体结构

虚拟矿山系统就是以虚拟现实技术为基础, 用来模拟矿山内部真实环境, 以事故重现、员工生产及安全培训为目的系统。比如, 一名受训矿工在使用该系统时, 可首先选择事故种类, 这时系统进入相应的虚拟灾害场景中, 矿工可以在场景中漫游的同时, 根据自身的知识判断灾害隐患所在、发生危险的概率以及危险的严重程度, 最后确定采取何种措施、选择逃生路线或是等待救援。

本着虚拟矿山系统的定义要求及预期目标, 笔者决定基于虚拟现实技术的虚拟矿山系统的总体结构设计采用模块化设计, 系统主要由模型导入模块、脚本读取与分析模块、场景渲染模块及用户控制接口模块组成, 模块之间可以交互, 如图1所示。

模型导入模块的主要功能是将模型导入模型池, 并对模型池进行管理。该模块接收“场景渲染”的控制信息。

脚本读取与分析模块的主要功能是读取脚本文件, 分析其中的信息, 并将分析结果传递给使用该模块的其它模块。考虑到当前的一些脚本语言较为复杂, 所以, 笔者决定采用自定义的脚本, 从而实现场景编辑的透明化。自定义的脚本格式与C语言相仿, 并且命令个数较少、语义清晰、简单易用。

场景渲染模块的主要功能是生成虚拟场景并将其正常显示。该模块需要使用脚本读取与分析模块传递脚本信息, 然后根据脚本中的相关信息, 利用模型导入模块完成信息中指定模型的导入, 最终渲染并显示虚拟场景。另外, 该模块还要接受用户控制接口模块的请求, 对场景或者显示设置作出相应的调整, 并更新显示整个场景。

用户控制接口模块的主要功能是提供系统的对外接口, 供二次开发使用。

2 系统流程设计思想

本文采用目前较为流行的DirectX为主要工具, 基于VC++的开发环境来建立虚拟矿山系统。DirectX是微软公司在Windows平台下为二维和三维的快速动画推出的一整套开发系统, 对于大多数基于Windows操作系统的用户来说, DirectX技术是一种明智的选择[1]。

在虚拟场景中, 生成三维图形和图象的逼真度和速度是决定虚拟场景“真实”与否的2个关键指标, 在虚拟现实系统中, 自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧以上的虚拟场景, 至少不能少于10帧, 否则将产生严重的不连续和跳动, 参与者可能会产生疲劳、烦躁甚至恶心的感觉[2]。由此可见, 虚拟场景对三维图形和图象生成的逼真度和速度2项指标提出了很高的要求。

考虑到虚拟矿山的场景复杂性高, 如果所有的模型都使用DirectX来直接建模的话, 首先, 逼真度会较低, 另外, 很难达到实时效果。因此, 决定采用2种方法生成模型:对于部分模型, 利用第三方软件 (例如3DMAX) 生成后导入场景;对于其它模型, 为达到更好的交互效果, 采用DirectX直接建模的方式。

因此, 系统整体的工作流程大致如图2所示。首先, 利用3DMAX建模, 然后利用插件将.max文件导出为.X文件, 这是系统所支持的模型文件格式。根据主应用程序脚本和场景脚本文件中所含信息构造场景, 并且进行渲染, 而后最终显示。

主应用程序脚本和场景脚本采用自己定义的脚本文件, 其格式是简单的文本文件 (TXT) , 用户无需改写源程序, 只需对该文本文件进行编辑就可以构造虚拟场景。主应用程序脚本主要包括了一些程序初始化信息, 每个应用程序只包含1个;场景脚本针对不同的场景具有不同的脚本文件, 根据场景的多少, 系统可包含多个场景脚本文件。有关自定义的脚本文件的具体格式及内容在下节将详细说明。

3 虚拟矿山系统实现的关键技术

3.1 脚本自定义技术

系统实现过程中使用自定义的文本格式脚本文件。该脚本文件由基本的信息项构成, 每个信息项的格式如下:

脚本文件总共包含7条不同的信息项, 各信息项具体名称及意义如表1所示。

利用表1中介绍的7条信息项进行编辑, 用户能够方便地控制场景的显示效果, 根据具体应用构造出理想的虚拟场景。

以下代码段是截取的场景脚本文件的一部分, 通过该段代码可以了解自定义的脚本文件信息项的具体格式。该段代码反应的场景信息内容就是该场景中目前有2个模型“tiny”和“cave”, 并且交待了它们的位置和朝向, 而且摄像机绑定了1号模型“tiny”。

由以上代码段可知, 自定义的脚本文件语法简单, 易于掌握与理解, 用户无需太多的编程基础, 也能根据具体要求构造不同的虚拟环境。

3.2 模型导入技术

本系统将模型分为2大类:静态网格模型和动态的骨骼动画模型, 系统中所有模型的文件格式都是.X文件, 该文件可用于存储各种静、动态的模型。.X文件的获取也较为简单, 即利用微软公司提供的导出插件, 可以很容易地将.max文件导出为.X文件, 而后利用微软公司的DirectX软件开发包中提供的读取网格模型的相关函数读取.X文件。

由于静态模型与骨骼动画模型的导入过程及渲染方法有很大的不同, 因此, 利用C++语言的多态性, 定义一个可代表所有模型的父类CDXModel, 然后从该父类派生出不同类型的模型所对应的不同子类。在管理各个模型时, 使用父类指针操作, 这使得模型的管理方便、统一。

图3为利用DirectX结合3DSMax建模、在静态的巷道场景中导入人的动画效果图, 图3 (a) 为正常行走的人, 其中图3 (b) 为招手的人。

由图3可知, 由第三方软件进行复杂模型的构建、然后导入场景的做法是可行的, 可以加快渲染速度, 提高程序效率。

3.3 光照与纹理技术

光照是增强物体真实感最重要的手段, 要达到对矿井下真实环境的模拟, 必定要引入光照。真实感图形学中, 简单光照明模型未考虑物体相互之间的光照作用, 而在矿井下比较昏暗的光照条件下, 物体之间的光照效果有时是非常重要的。所以, 笔者考虑采用整体光照明模型, 并且利用光线追踪算法来递归计算物体之间的反射、透射光强, 即场景中某点P的光强I计算公式为

undefined

式中:IC为光源直接照射产生的光强, 完全可利用简单光照明模型求出;Ks、Kt分别为物体表面的反射系数与透射系数, 与物体本身材质有关;Is为来自视线方向的反射方向的其它物体反射或折射光强;It为来自视线方向的透射方向的其它物体反射或折射光强。

根据光线跟踪算法的思想, Is、It还要继续按照式 (1) 的方法求得, 因此, 形成光线跟踪树。而递归终止的条件有多种, 为简单起见, 递归终止条件设置为当光线跟踪树的深度超过提前给定的阈值时, 停止跟踪。

同样, 为增强真实感, 纹理映射 (纹理贴图) 应用也非常广泛。

使用的纹理可以是一维的、二维的, 也可以是三维的。但是在该系统中只考虑使用构造虚拟场景中最常用的二维纹理映射。

有无纹理会使虚拟矿井的真实感大相径庭, 如图4所示。

4 结语

本文所设计的虚拟矿山系统, 目前能初步实现矿山内部真实场景的再现, 可以由用户控制虚拟主体在场景内漫游, 并且帧率保持在每秒15帧, 满足虚拟现实系统的漫游帧率及矿工生产培训及安全培训的要求;另外, 由于引入自定义的脚本技术, 使得用户在编辑或者定制场景时, 非常方便, 不需要用户掌握过多的编程技巧, 只需掌握基本的脚本格式即可。而且, 本文运用的光照纹理效果也增加了虚拟场景的真实感, 增强了用户的沉浸感。

但是, 本系统还存在一些问题有待进一步解决, 例如, 由于在根据脚本分析模块装载模型时, 需要将模型池内的模型一次性全部装载用于场景的渲染, 所以在程序刚开始运行时, 加载模型速度较为缓慢, 随着模型复杂程度和数量的增加, 加载时间过长。以后的工作重点将是如何解决模型的装载问题。

参考文献

[1]娄渊胜, 朱跃龙, 黄河, 等.基于虚拟现实技术的实时漫游系统研究及实现[J].计算机工程, 2001, 27 (6) :98~100.

[2]谢剑斌.虚拟场景生成技术研究[D].长沙:国防科学技术大学, 1999.

[3]戚宜欣, 夏征义, 汪箭, 等.虚拟现实技术在安全工程中的应用[J].中国安全科学学报, 1999, 19 (6) :49~52.

[4]赵建忠, 段康廉.三维建模在虚拟矿山系统中的应用[J].矿业研究与开发, 2005 (1) .

[5]CRAWSHAW S, DENBY B.The Use of VirtualReality to Simulate Room and Pillar Operations[J].Coal International, 1997 (1) :20~22.

双系统共用虚拟内存第2篇

不相关的Windows系统共享的前提条件是：首先需要保证有相同的文件系统(Win9x/Me不识别NTFS分区)，其次这两个文件的大小必须设定一致，也就是说它们的最大值和最小值必须相同，最后这两个文件的位置应在同一个分区的同一个目录下。

我们可以有两种方法来共享虚拟内存文件：

1.共享WinNT的Pagefile.sys

启动Win98/Me系统，单击“开始运行”，键入“systm.ini”，在[386enh]下做如下修改：“pagingDrive=c:pagefile.sys”(位置由自己设定)

“minpagingfilesize=x”(如果虚拟内存为192MB，则x=1921024=196608，推荐设为物理内存的2.5倍)

接下来重新启动计算机，删掉“win386.swp”文件，不能删除表明设置失败，

2.共享Win98/Me的win386.swp

进入Win2000/XP，单击“开始运行”，输入“regedit”，打开注册表，然后通过“查找”功能，查找关于“filepage.sys”的所有项，然后将所有的“filepage.sys”都更改为“win386.swp”。

虚拟测试系统第3篇

关键词：虚拟现实；实验教学系统；构建

中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Constructing of Network Virtual Experiment Teaching System on Virtual Reality Technology

Li Xiuluan

(Marine Department of 91,040 Troops North China Sea Navy,Qingdao 266231,Chian)

Abstract:The current problems in the experiment teaching were analyzed,and presented the major advantages for the applicatin of network virtual experiment teaching system.The paper conducted a study to construct network virtual experiment teaching system based on virtual reality technology,and specifically analyzed the functional models and the system framework,etc.

Keywords:Virtual reality;Experiment teaching system;Construction

传统的实验教学模式常常以教师为中心，学生要按照教师的布置来完成实验操作。实验中缺少交互的情况广泛存在，使学生常处于被动状态，对于学生主动性学习和创造能力的培养不利。虚拟实验的概念是随着计算机和网络技术的发展而发展起来的，能够使实验者像在真实环境中一样完成预定的实验项目。本文重点结合虚拟现实技术和网络技术来设计一个网络虚拟实验教学系统，并给出系统模型和功能的设计。

一、网络虚拟实验教学系统开发的需求分析

随着素质教育的逐步推进，教育领域对于实验教学的要求也越来越高。传统的实验教学受到实验器材、场地以及其它环境条件的限制，存在许多问题，主要包括以下几个方面：第一，实验中演示性和验证性内容多，实验步骤和方法固定，过程单调，学生在实验中往往忽视对实验现象和实验过程的观察和思考，不利于学生主动性、创造性思维的培养。第二，实验运行效率低、成本高的问题严重。传统实验器材购置和运行成本高，功能有限，支持的实验内容少，容易造成实验设备闲置和实验室空间浪费。第三，实验手段落后，教学效果有限。随着教育改革的不断深入，对教学实验设备的要求也越来越高，但实验设备的更新却很难同步进行，实验手段落后的问题大量存在。

随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟实验教学发展很快。网络虚拟实验教学系统是一个基于网络环境的实验教学系统，系统中大量采用数据库、网络、虚拟现实、计算机仿真等技术，能够为学习者提供虚拟的实验环境。与传统实验相比，网络虚拟实验教学系统突破了实验设备硬件的限制，可以根据不同的实验内容调用不同的虚拟实验单元，并将其组合成不同的实验，能够节省实验资源，学生可以通过自主或者在教师指导下方便的进行实验项目的选择，能够有力的提高学生学习的主动性和激发学生的学习兴趣。

二、基于虚拟现实技术的网络虚拟实验教学系统的构建

从教学和管理的角度看，网络虚拟实验教学系统主要包括三类用户：系统管理员、教师和学生。从逻辑结构上看，网络虚拟实验教学系统可分为教师平台、学生平台和系统管理员平台。这三类用户均运行于基于Web的浏览器/服务器（B/S）模式的系统平台之上，网络虚拟实验教学系统的模型结构如图1所示。

系统各个组成部分的主要功能如下：

学生平台：学生在系统中占据中心地位。学生可以经过授权进入虚拟实验教学系统，进行实验项目的选择和实验的相关操作。包括学习实验教学课件、掌握实验原理、观看实验演示过程、了解实验仪器和设备等。之后，学生即可通过设定的实验项目来选择实验仪器和设备，进行仿真实验操作，并对实验结果和实验数据进行分析。实验过程中，学生可以通过系统提交实验报告，随时提出问题并与教师交互学习。教师平台：教师主要是对实验教学的资源进行制作和管理，包括制作实验教学课件，更新和补充实验资料，对虚拟实验对象的数据库进行管理和维护，生成实验项目，监控实验过程，评价实验结果，解答疑难问题等。管理员平台：负责对系统用户进行管理，进行系统安全策略管理和管理与系统配置。虚拟实验仿真系统：虚拟实验仿真系统作为整个系统的控制中心和最关键的构件，用来将各种实验资源、仪器、实验条件、结果和策略等组合在一起呈现给用户，学生通过虚拟实验仿真系统生成的实验对象和仪器进行实验。虚拟实验仪器设备及对象库：用来存放虚拟实验设备和仪器。实验条件和结果库：用来贮存实验条件和实验结果。

三、结束语

实验教学是配合理论教学的关键教学环节，是实践教学的重要组成部分，对于培养学生分析和解决问题的能力以及学生的实践能力都具有重要作用。文中结合虚拟现实技术，对网络虚拟实验教学系统的基本构建进行研究，给出了网络虚拟实验教学系统的模型结构，致力构建实践性强、仿真性好的虚拟实验教学系统。

参考文献：

[1]王国权等.虚拟试验技术[M].电子工业出版社,2004,05

[2]徐紅,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007,5(4):132-134,147

虚拟测试系统第4篇

本论文重点介绍了基于虚拟仪器的远程测试系统的结构, 并以此为基础, 采用Lab VIEW开发环境设计实现了远程虚拟测试系统。本论文具体介绍了基于Lab VIEW的数据库设计、基于Lab VIEW的远程数据传输设计、远程测试界面设计以及浏览器监控设计。

1 基于Lab VIEW的远程测试系统结构

以Internet为基础的远程测试系统是一种网络化测试系统, 它需以网络测试模型为基础, 同时需结合最新的计算机技术。当前, 常用的网络化的远程测试模式主要分为三种:C/S模式 (Client/Server) 、B/S模式 (Browser/Server) 、混合模式 (由C/S模式与B/S模式混合而成) 。C/S模式的远程测试系统具有高度交互性和安全性, 但客户端的平台无关性欠佳, 而B/S模式的远程测试系统具备优异的平台无关性, 因此, 当前的远程测试系统一般采用C/S和B/S混合模式, 兼具二者优点的同时具有较强的现实适用性, C/S和B/S混合模式主要是由客户机、Web服务器、测试服务器组成。

结合了现代计算机网络技术、Web发布技术和Lab VIEW虚拟仪器技术的远程测试系统是以Internet为基础的网络化的测试系统。基于Lab VIEW虚拟仪器的远程测试系统可将各种虚拟测试仪器连接至网络上, 用户可在远端通过浏览器来控制接入的虚拟测试仪器, 从而达到远程测试的目标。基于Lab VIEW虚拟仪器的远程测试系统主要由三大部件组成:

(1) 现场测试单元 (包括测试服务器、服务器端的虚拟仪器、数据库) ;

(2) 网络服务器单元 (中心数据库、测试中心服务器以及Web服务器组成) ;

(3) 客户单元 (远程用户) 。

基于Lab VIEW虚拟仪器的远程测试系统结构框图如图1 所示。

2 基于Lab VIEW的远程虚拟测试系统设计

根据远程虚拟测试系统结构, 重点对数据库、远程数据传输、远程测试界面和浏览器监控进行设计。

2.1 数据库设计

数据库设计主要是对数据进行显示、查询、统计等。本文通过Lab VIEW用户开发的免费Lab VIEW数据库访问的工具包Lab SQL来完成设计。Lab SQL是一种Lab VIEW数据库访问工具包, 具备多数据库、跨平台、易于使用、编程简单等优点, 可访问各种类型的数据库, 实现对数据的复杂查询的功能。因Lab SQL的简便性, 开发者无需进行复杂编程即可在Lab VIEW上实现对各种数据库的访问。

2.2 远程数据传输设计

为了实现服务器端和客户端的数据双向传输, 本论文的数传模式采用服务器/ 客户端模式, Lab VIEW上的VI程序主要由两部分组成:服务器端工作在Server模式, 客户端工作于Client模式, 通过服务器端向客户端发送数据, 客户端需要提供相应的端口来实现对应的数据接收功能。其具体步骤如下:

(1) 服务器端处于工作状态, 并不断监听事先协议好的对应的通信端口, 监听并等待客户端发送连接请求;

(2) 客户端开启TCP连接;

(3) 服务器端一旦监听到客户端的请求, 便即刻建立与客户端的数据传输通道;

(4) 连接过程中服务器端不断判断网络是否有误, 若存在错误则中断连接;

(5) 服务器端和客户端进行数据传输, 利用VI模块TCP实现读写的功能;

(6) 服务器端和客户端传输完毕后, 连接断开。

以上步骤的实现是通过调用Lab VIEW虚拟仪器开发环境中的基于TCP连接的VI函数模块, 从而使开发变得较为便捷。

2.3 远程测试界面设计

测试界面设计流程为:

(1) 对仿真信号产生正弦波使用波形显示器显示出来, 再用TCP write进行写入数据的操作;

(2) 对测试服务器的端口和IP进行设定, 把这些数据都转换成字符串捆绑起来存到数据库里, 利用数据库.vi对他们进行操作;

(3) 用TCP读操作读取处理过的数据, 转换成原始数据连到波形显示器进行显示;

(4) 设计记录表, 使他能够记录一些基本的数据, 能够在界面上显示。

2.4 浏览器监控程序的设计

浏览器监控设计主要需要考虑以下三方面:

(1) 配置并管理Web服务器;

(2) 发布现场测试服务器中的虚拟仪器前面板至网上;

(3) 用户采用浏览器实现对虚拟仪器前面板的远程遥控, 从而达到远程数据测试的目的。浏览器监控程序的设计主要由以下两大部分组成:

2.4.1 配置管理Web服务器

Lab VIEW开发环境提供了简单的配置对话框, 可采用此来实现对Web服务器的各项参数的配置功能, 如测试程序的访问权限、客户机的访问权限以及网页文件路径等参数

2.4.2 虚拟仪器的发布

首先在现场测试服务器中启动虚拟仪器系统, 并采用Lab VIEW中的Web发布工具进行相关设置, 设置好后单击在浏览中预览, 实现在浏览器中对发布的虚拟仪器进行预览。

3 结论

本文采用虚拟仪器技术和Web发布、远程数据传输相结合的方法, 设计了基于Lab VIEW的远程虚拟测试系统方案。重点对数据库设计、远程数据传输设计、远程测试界面设计和浏览器监控设计四部分进行了分析。

摘要：融合了虚拟仪器和Internet技术的远程虚拟测试系统是虚拟仪器在网络测试领域的拓展, 提高了测试效率, 使现代测试系统得到更广泛的应用。本文介绍了远程虚拟测试系统的结构, 并在此基础上, 提出了基于Lab VIEW的远程虚拟测试系统设计方案。

关键词：LabVIEW,远程测试系统,Internet,虚拟仪器

参考文献

[1]何利, 王厚军.基于网络的测试系统的研究[J].电子科大学报, 2001, 5:469-471.

[2]周继勇.虚拟仪器的网络化技术综述[J].通信与信息技术, 2003, 6:27-29.

虚拟测试系统第5篇

首先打开Windows Server 2008系统的“开始”菜单，从中依次点选“设置”、“控制面板”选项，在弹出的系统控制面板窗口中用鼠标双击“系统”图标，打开系统属性设置窗口;

其次在该设置窗口的左侧列表处，单击“高级系统设置”按钮，进入高级系统属性设置页面，单击该页面“性能”位置处的“设置”按钮，打开对应系统的性能选项设置对话框;

继续点选该对话框中的“高级”标签，在弹出的高级标签设置页面中单击“虚拟内存”位置处的“设置”按钮，打开设置对话框，将其中的“自动管理所有驱动器的分页文件大小”复选项取消选中，然后选中Windows Server 2008系统所在的磁盘安装分区，同时将对应该分区下面的“无分页文件”选项选中，再单击该选项旁边的“设置”按钮，将Windows Server 2008系统缺省启用的分页文件直接删除掉;

达索系统：用虚拟改变现实第6篇

“在达索看来，当前全球经济已步入体验时代，企业为消费者提供的不再仅仅是产品，而是要创造独一无二的产品体验，因此为用户提供绝佳的3D体验是达索系统的终极价值。” 达索系统大中华区总经理王皓峰在2014达索系统大中华区多品牌用户大会上说。

据介绍，3D体验平台的核心是由CATIA、ENOVIA、DELMIA、SIMULIA四个品牌组成。CATIA整合了全套产品设计流程，从初期的需求到结构设计，能够让用户以可视化的方式、逼真地体验产品开发的全过程。本次大会上，CATIA向现场用户展示了CATIA“云端”技术如何帮助中小企业用户突破复杂IT技术限制、快速部署复杂的解决方案，实现支持移动、快捷的3D设计。达索系统CATIA 首席执行官Philippe Laufer说：“现在用户对3D产品的要求是简单易用，CATIA的目标就是在3D体验平台上如同桌面上的应用一样简单明了。”

而随着移动互联网的发展，基于社交协作的创新潜力很大。基于此，ENOVIA将产品研发、生产集群、企业的合作伙伴、供应链连接到在线社区，来进行全球产品信息的共享和协作。“很多年前ENOVIA是基于文件来进行管理，现在基于3D体验平台的ENOVIA已经从文件管理方式变成数据管理方式，这样的目的正是聚焦于自动化管理，来提升客户工作和研发效率。“达索系统ENOVIA 首席执行官Andy Kalambi说。

现实仿真分析是产品从虚拟设计走向实体生产的关键一步。SIMULIA是具有可扩展性的现实仿真解决方案，它能加速设计师和工程师在逼真虚拟的环境中通过物理学、力学等学科知识来探索和完善实体产品。通过不断地仿真验证、发现并预测产品未来所有可能存在的风险或隐患，并通过反复修正设计将风险降至最低。尤其是对地震、矿难、核泄漏等重大灾害的模拟仿真，可最大化地降低人员和财产损失。

中国水电顾问集团成都勘测设计研究院（CHIDI）面临着集团化管控向国际化工程公司的转型，公司需要加强内部设计工程精细化管理及和客户之间的协作。通过合作，CHIDI 导入了达索系统 3D 体验平台中的软件 ENOVIA、CATIA、3DVIA 和 SIMULIA，并将其应用于工程设计、工程数据管理、虚拟现实可视化和有限元分析，为业主提供更优质的服务。“我们进一步研究扩大了3D体验平台的应用，通过3D可视化解决方案向客户展示设计方案和提交设计成果，让客户非常直观的理解我们的设计理念和设计方案，具有很好的培训和指导作用。”成都勘测设计研究院数字工程中心副主任张志伟在接受采访时表示。

虚拟体育系统应用案例第7篇

关键词：大运会转播,字幕模板,虚拟体育,渲染引擎,跟踪系统

0 引言

第26届世界大学生夏季运动会主播机构 (以下简称UBS) 所提供的电视公共信号无论从制作规模上还是水准上, 都是历届大运会之最。对此, 国内外各方面也都给予了充分的肯定和高度的赞扬。其中夏季运动会的水上项目游泳, 受到高度关注, 各大RHB对游泳项目的公共信号不仅需求量大, 而且对公共信号质量的要求也很高。深圳广电集团作为本届大运会的主播机构, 在该项目上投入了大量的前期准备工作和设备的支持, 包括高速、超高速摄像机及水下摄影机等等, 尤其是虚拟体育图文系统为游泳项目公共信号制作锦上添花。下面笔者就向大家介绍该系统在大运会游泳项目的应用方案。

1 虚拟体育的基本概念

虚拟体育系统是从由虚拟演播室技术发展而来, 它属于虚拟演播室技术的一个应用分支。虚拟体育技术就是将静态或动画三维 (3D) 图形叠加到体育竞赛直播节目的画面上。当摄影机移动时, 能够让图形固定在场地某个指定位置, 从视觉上看这些3D图形就像是直播画面的一部份。虚拟体育系统具有实况赛事跟踪功能, 可以实时测量草地、田径场、足球场、雪地、水域或者3D空间内的指定两点间的实际距离、高度, 或者实时跟踪测量指定运动目标的速度;可以在广告牌上、运动场内和 (或) 运动场周边展示虚拟广告;可以实时替换场地内实际广告牌上的内容为任意视频/图像画面。虚拟体育系统也可以用于赛事分析, 在回放过程增加分析信息, 让观众更直观的看到比赛情况。虚拟体育系统的关键技术包括:三维图形生成技术, 色键抠像合成技术, 摄像机跟踪技术。

2 大运会游泳项目虚拟体育实现方案

2.1 模板设计及制作

如同常规的体育字幕一样, 模板设计的水准会直接影响最终画面的播出效果, 故设计一个好的前期模板是虚拟体育成功的前提。早在大运会开幕前三个月, 虚拟体育供应商和UBS就对模板设计工作进行了深入的沟通, 明确了整体设计风格以及需要在虚拟画面中向观众传递类型的比赛数据和信息。最终的设计方案融入了深圳大运会, 年轻、活力的绿色时尚元素, 整体包装风格符合大运会整体的VI设计基调。

游泳项目主要包括以下所示几种模板:

1.出发道次介绍, 见图1, 用于在水面上叠加运动员姓名、国家及所在道次。

2.赛会纪录线模板, 见图2, 用于显示该项目记录与运动员位置的对比。

3.触壁成绩模板, 见图3, 用于在水面上叠加前三名运动员的姓名、国家和名次。

2.2 虚拟摄像机位的选择

虚拟摄像机位的数量和位置的确定和模板设计工作密不可分, 两者需同步进行。UBS根据对此赛场馆的多次实地考察, 考虑到游泳比赛转播的国际惯例, 综合考虑画面构图效果, 最终选定了图4所示的红色圆圈内为虚拟机位, 即1号机位 (起点线小全景) 和3号机位 (起点线小全景) 为虚拟摄像机位, 这表示在最终切出的PGM画面中, 这两台摄像机所拍到的画面可以叠加虚拟体育字幕。可以预见的是, 适当增加虚拟拍摄机位可以带来更多的拍摄角度和更好的画面效果, 但是意味着增加成本, 制作方可以根据转播预算来决定采用多少个虚拟拍摄机位。

2.3 系统主要硬件构成及工作原理

如果说模板和数据是虚拟系统的软件的话, 那么一个稳定可靠且强有力的硬件平台也是系统必不可少的。如图5所示, 该系统主要包括摄像机、机械跟踪系统、渲染引擎及播出控制平台四个部分, 具体见表1。

1.机械跟踪系统

主机1号机采用日本昭特 (Shotoku) TE-23VR机械跟踪器脚架, 最大承重60kg;3号机采用日本昭特 (Shotoku) TU-03VR, 最大承重30kg。机械跟踪方式的优点在于定位迅速, 图像和实景场地的匹配程度高, 与基于图像的跟踪方式相比, 可以实现更多实时的图形特效, 机械跟踪提供的稳定跟踪信号保障了虚拟图形的准确呈现, 不会出现“跟丢”的现象。固定于镜头和云台上的机械跟踪系统将镜头推拉、俯仰、摇等信息通过RS422协议传送给渲染引擎, 其最大传输距离可达1000m。摄像机输出的HD-SDI信号, 通过视频矩阵的调度后分别输出给两台渲染引擎, 在渲染引擎内部叠加虚拟图形后输出合成信号, 返还给矩阵, 再输送给转播车, 由转播车导演是否采用。

2.渲染引擎

2台Vizrt Engine渲染引擎分别渲染2个摄像机位的画面;特殊情况下 (比如其中一台引擎出现故障, 无法运行) , 也可以通过矩阵的调度, 用一台引擎渲染2个机位的画面, 互为备份。渲染引擎的主要功能就是, 获得传感数据、在摄像机信号上叠加虚拟图形、并保证虚拟图形的渲染与摄像机动作同步, 视频信号延迟在5帧以内。

3.控制机

Vizrt Arena控制机主要有2部分功能, 第一, 配置Vizrt Arena系统, 比如:初始化虚拟空间、信号调度、场景导入等;第二, 通过RS422协议从计时室 (Swiss Timing) 得到数据, 制订播出表、播出控制等。

3 赛前准备工作

为了能确保赛事期间直播工作万无一失, 必须在赛前进行大量的准备工作。

首先是, Arena系统搭建、计时计分数据连通、跟踪器调试、测试场景, 确保虚拟物体跟泳道完美贴合、跟踪准确;其次是, 根据比赛日程表编制播出表, 并对应每一项比赛, 把世界纪录、赛会纪录等信息录入到播控软件中, 比赛出发运动员列表图形由手动控制播出, 冲刺前三名信息设为自动播出。赛会记录线、世界纪录线为手动播出。另外, 为了让虚拟体育的后端控制室能够及时了解到赛时各方面的数据信息, 还需协调赛会的计时计分数据提供商为操控人员提供一台CIS查询终端, 随时查看比赛变化情况, 比如有运动员缺席, 就需要把该赛道的信息及时删除等等。

4 结束语

基于虚拟仪器的浊度测试系统的设计第8篇

浊度是工业水处理 (除盐水) 检验水质要求的一个重要参数, 对除盐水的水质要求较高。目前, 浊度的测定大部分都是停留在传统仪器的模式下, 没有摆脱独立使用, 手动操作的模式[1,2,3]。随着科技的迅猛发展, 计算机强大的处理能力, 虚拟仪器在测定系统中正被广泛采用, 它可以利用虚拟仪器的多面板能满足多功能的测量要求, 同时提高检测的精度和可靠性;利用虚拟仪器良好的人机交互性和在线帮助功能使测量具有很大的灵活性, 操作简便。将测试结果图形化形式显示出来, 使测试的结果更加直观明了;随着计算机网络的发展, 虚拟仪器还能满足今后更多功能的扩展和网络互联的要求[4,5,6]。基于此设计了基于虚拟仪器的浊度测试系统, 利用LabVIEW图形化的编程语言和编程环境, 实现了对浊度数据的显示、标定和报警等功能。

1 系统的硬件设计

1.1 测量电路的设计

中央处理器采用C8051F020。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 (SoC) , 具有与8051兼容的高速CIP-51内核, 与MCS-51指令集完全兼容。片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件, 内置FLASH程序存储器、内部RAM。C8051F单片机还具有片内调试电路, 通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在线系统调试。放大后的信号由C8051F020内的交叉开关选通, 调节增益后送ADC0进行A/D转换并存储。

1.1.1 主控制板电路

主控制板电路实现数据的采集、存储、处理和输出功能。它由C8051F020单片机处理电路、传感和模拟信号处理电路、AT45DB081数据存储电路、DS18B20温度监控电路、RS 232通信电路、液晶显示和键盘电路、报警电路、标准4～20 mA工业信号输出电路几部分构成。浊度仪的核心控制器件是Cygnal公司新出产的混合信号系统级单片机C8051F020。在一个标准的8051中, 除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期, 并且通常最大系统时钟频率为12 MHz。而对于CIP-51内核, 70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期, 没有执行时间超过8个系统时钟周期的指令。可见C8051F020单片机的指令执行速度是标准8051单片机的10倍, 因此测量时间非常短, 可以满足在线实时测量的要求。该单片机片内集成了Cygnal公司独创的CIP-51的CPU内核, 指令系统与MCS-51完全兼容。它具有如下特点:集成度高、抗干扰能力强、速度高、可靠性高、扩展功能强等。本仪器中选用C8051F020单片机, 可以使电路在设计上结构紧凑, 并能够提高仪器的抗干扰能力。C8051F020的原理图如图1所示。

1.1.2 传感和模拟信号处理电路

光电转换元件采用的是TCZ 66 型硅光电池, 此种型号硅光电池的光电特性, 其短路电流与入射光强有良好的线性关系。但是其转换信号仅为10-7 A数量级, 必须进行放大处理, 因此, 在电路设计中采用了输入阻抗高的运算放大器LF353来获取电流信号, 并进行滤波放大处理。如图2所示。

1.2 C8051F020与虚拟仪器的实现

串口通信虽然传输速度较慢, 但是由于简单易行, 并且现有的微机都具备串行通信口, 因而得到了广泛的应用。本文在浊度测试系统中利用串口实现了对单片机的通信控制。

1.2.1 系统硬件配置

本文通信系统采用C51F020作为下位机, PC 机作为上位机, 二者通过RS 232串口接收或发送数据和指令。传输介质为二芯屏蔽电缆。RS 232信号和单片机串口信号的电平转换采用MAX232, 它是具有双驱动器、双接收器的通信器接口电路, 不需外接电容而进行倍压及电压极性转换, 只需+5 V供电, 电源电流为5 mA, 传输率为200 Kb/s。串行接口电路原理见图3。

系统中PC机承担主控任务, 负责该测控系统的通信参数设定、数据的采集处理及对单片机运行的控制, 程序采用LabVIEW编写。其通信协议为:采用RS 232异步通信方式, 51单片机串行口共有4种工作方式, 这里采用单片机串口通信的方式1, 该方式为8位异步串行通信方式, 其波特率是可变的, 1位起始位, 8位数据位, 1位停止位, 无奇偶校验, 若晶振频率为11.059 2 MHz, 取波特率为4 800 Kb/s。下位机按接收到的指令工作, 若主控机发出无效或错误指令, 将不作任何控制。

1.2.2 程序设计

主机通信程序:在主机通信程序设计中, 采用图形化语言LabVIEW作为编程语言。它把高级语言中的函数封装为图形功能模块, 图标间的连线表示各个功能模块之间的数据传递。编程方式简单、直观、便于使用。串口通信功能模块包括串口初始化模块、串口读模块以及串口写模块, 通过这些模块就可以实现对单片机的控制。

LabVIEW串口子VI 是通过RS 232实现数据通信的。LabVIEW串口子VI 共有5个串行通信节点, 分别实现串口初始化、串口写、串口读、检测串口缓存、中断等功能。

C8051F020单片机的程序采用汇编语言写成。利用汇编语言直接对相关硬件进行操作, 具有开销小、效率高的特点。在编写单片机程序时应当注意的是必须保证PC 机与单片机串口通信时的波特率一致。如果两者不同的话, 就无法进行数据的传输而导致通信失败。所以, 在单片机程序中初始化时应当根据单片机晶振和串口通信方式对寄存器进行设置。

2 软件开发

该系统由C8051F单片机、ADC0809 A/D转换器组成的小系统作为前端数据采集系统, 并通过RS 232串行总线将采集到的数据传送到PC机, 用Lab-VIEW进行数据的接受与处理。其结构组成如图4所示。

2.1 菜单设计

在整个程序设计中, 首先完成了各子功能 (子VI) 的程序, 将其做成单个模块, 每个单个模块是由更小的模块组成, 每一级的模块均刻以图标形式放置在程序流程图中, 这样增加了程序的可维护性和可读性, 使流程图更加清晰明了, 同时避免了大量重复编程工作[7,8,9,10]。系统的主界面设计中, 利用LabVIEW中提供的EDIT MENU菜单, 先将要实现的功能作为菜单选项的内容, 以便在运行时调用, 然后在框图中对各项菜单的调用通过CASE循环进行选择, 使各项菜单对应于各项子VI, 在各子VI中vi set up的execution options中选定show front panel when called选项, 这样在运行中, 当选择了菜单中的某些内容时, 该子VI就被选中调用。图5为菜单后面板程序设计流程图。菜单中包括文件操作 (读取、存储、打印) 通道显示和信号分析以及帮助, 程序分别调用相应功能的子VI程序, 完成相应操作。下面简要介绍本采集程序中采用的几个典型模块。

2.2 数据采集模块设计

本设计采用VISA编写仪器控制程序, 程序在运行时VISA就会根据实际接口类型自动调用相应的接口驱动程序例程, 完成通信操作。串口通信模块包括串口初始化模块、串口写模块、串口读模块, 通过这些模块就可以实现对单片机的控制。图5为串口设置后面板程序框图。如图5所示, 主程序运行后, 设置串口波特率为9 600, 通道选着串口1, 采用默认通信协议 (1位起始位、8位数据位、1位停止位) , 串口缓存大小设置为16 368 B。

2.3 保存模块设计

本设计采用Access数据库对采集的数据进行分析及对历史数据查询回放, 其特点表现在:关系数据库的SQL语言是非过程性语言, 对数据的查询或操作简单;利用数据库管理数据, 数据的独立性好;Access数据库使用方便, 操作简单, 能够满足数据库管理的需要。

利用LV的ActiveX功能, 调用Microsoft ADO控件, 既可以利用SQL语言又可以利用ADO提供的各种方法和属性, 方便灵活地实现对Access数据库访问。在LV功能模块中含有ActiveX子模板, 子模板中包含用作与ActiveX服务器相连接的自动化节点函数, 实现对数据库的操纵。ADO主要有三个主体对象, 分别为Connection, Command和RecordSet对象。访问数据库步骤为:连接到数据源-指定访问数据源的命令-执行命令。

本设计建立两个数据源分别用来存放历史数据、报警数据及相对应的时间。

3 软件实现功能

利用LabVIEW这种图形化的编程语言和编程环境, 实现了对浊度数据的显示、标定和报警等功能。浊度实时数据趋势图、历史数据趋势图、历史数据查询和报警历史记录分别如图6所示。

实时曲线是通过调用LV软件中Chart 子模板来实现的。它将数据在坐标系中实时、逐点 (或一次多个点) 地显示出来, 可以反映被测物理量的变化趋势, 与传统的模拟示波器、波形记录仪的显示方式相仿。在实时曲线界面中, 有单片机采集数据及向LV发送数据的控制按钮, 可以方便地实现对下位机数据的采集控制。另外, 该模版具有上限、下限报警监视、报警限设定功能, 当数据发生报警后, 实时值字体显示颜色立即发生改变, 可以方便用户对数据进行监视。

历史曲线是通过调用LV软件中Graph 子模板来实现的。用户可以调整X Scale及Y Scale显示方式, 如显示时间刻度、数据显示格式、显示刻度是否自动缩放、曲线颜色等。通过游标 (如图6 (b) , Cursor) , 可以读取波形上某一点的确切坐标值。历史曲线界面还具有历史曲线查询及历史趋势刷新功能。点击“历史曲线查询按钮”, 可以弹出“历史趋势查询”子VI模板, 用户根据需要设定查询时间, 便可得到需要的数据以便分析。点击“历史趋势刷新”按钮可以直接显示当前历史趋势。

历史报警表调用LV中Table控件进行显示。表中有报警序号、报警名称、报警值、报警进入时间以及状态显示项目。该表记录了高限、低限时报警值及恢复正常值的时间及报警值, 通过滚动条用户可以方便查询报警历史数据。

4 结语

本文使用了C8051F单片机进行前端的数据采集, 通过RS 232串口实现与LabVIEW的强大的信号分析处理功能实现了浊度的历史数据、实时数据的查询和分析, 同时设计了实时报警, 当浊度超过某个值时迅速报警。实践证明, 采用虚拟仪器不论是在技术上或是在经济上都能够取得良好的效果。

参考文献

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[2]戴广华.电厂化学仪表[M].北京:中国电力出版社, 2000.

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[7]刘君华, 贾惠芹.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.

[8]韩九强.虚拟仪器软件开发平台的研究[J].西安交通大学学报, 1997 (9) :6-10.

[9]汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京:电子工业出版社, 2002.

谐波齿轮减速器虚拟测试系统的研究第9篇

谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器,谐波齿轮传动(简称谐波传动),是建立在弹性变形理论基础上的一种新型的机械传动方式,它是依据柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种齿轮传动。该传动是由美国人马塞尔于1959年发明的,它的出现被认为是机械传动的重大突破。它具有体积小、重量轻、传动比大、精度高等特点,目前被广泛应用在航空航天、仪器仪表、机器人、雷达等需要精密定位的领域。谐波减速器的在各个领域中的应用,在不同条件下需要不同的技术指标,如何评价其技术指标便成为减速器行业面临的一个难题。为解决这一难题,研究开发了谐波减速器测试系统[1]。

该系统采用虚拟仪器构成,虚拟仪器的精髓在于用户可以根据自己的需求来定义功能和性能,复杂的硬件功能可以通过简单的软件方法来实现。采用虚拟仪器技术进行减速器性能测试,充分利用了虚拟仪器“软件就是仪器”的思想,在必需的硬件环境下尽可能发挥软件功能,完成信号采集、信号分析、测试结果的存储显示、测试数据的管理等工作。该测试系统不仅能综合测试谐波减速器的总体性能,而且还能根据这些测试数据进行分析,对谐波减速器的优化设计提供帮助[2]。

1 主要测试参数及测试原理、方法

1.1 机械效率的测试原理与测试方法[3]

1.1.1 测试原理

转矩、转速、功率均是减速器工作时的重要参数,选择合适的测量原理是决定测试系统成败的关键。

转矩测量:使机械元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩,简称转矩。采用扭矩传感器进行测量,扭矩传感器采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴变形的电信号。将该应变信号放大后,经过压/频转换,转变成与扭应变成正比的频率信号。

转速的测量原理:转速测量必须与转矩测量保持同步,才能确保测出的机械效率值准确可靠。转速测量采用光电码盘的方法进行测量,每一光电编码器的线数为2048,轴带动光电码盘每旋转一周可产生2048个脉冲,高速或中速采样时可以用测频的方法,低速采样时可以用测周期的方法测出准确的转速。

机械效率的测量原理:当转速,转矩信号都测试出来以后,根据电工学公式:

式中:P为谐波减速器的输入或者是输出功率,kw;

T为谐波减速器的输入或者输出扭矩,Nm;

n为谐波减速器输入或者输出转速,rpm;

由于安装需要,实际检测装置中,输入传感器与减速器之间,减速器与输出传感器之间各有一个联轴器,如图1所示。

考虑到联轴器的机械效率ηl的影响,则减速器的输入功率的计算公式变为:

减速器输出功率的计算公式变为:

1.1.2 测试方法

在谐波减速器的输入输出端通过联轴器连接转矩转速传感器,由输入扭矩传感器测出的转矩乘以联轴器效率,输出扭矩传感器测出的转矩除以联轴器的效率,就可以分别的求出输入、输出扭矩值。

通过驱动电机尾端的光电编码器可以测得输入轴的转速,力矩电机负载模拟器尾端的光电编码器就可以测得输出轴的转速。

将转矩传感器通过数采卡进行数据采集,光电编码器通过运动控制卡读回的编码器位置信号,最终通过计算机进行数据的分析、处理、得出同一时刻的输入输出转速,输入输出转矩,计算出效率,并且绘制出波形。

1.1.3 减速器效率η计算方法

机械效率是系统要得到的主要数据,其计算方法如下,减速器输出功率除以减速器的输入功率即得到减速器的效率,公式如下:

通过公式(2)和(3),计算出减速器的机械效率为:

1.2 噪声的测试原理和方法

按GB6404规定测试,将声级计安装在距离减速器外壳1米处,在额定转速和额定负载下测试,找出声级计最大的测试数据用来评价减速器的性能,要求噪声不大于60d B。

1.3 温升的测试原理和方法

1.3.1 测试原理

谐波减速器温升计算需要测试环境温度和减速器温度,根据谐波减速器的使用环境要求:-40~+55℃;所以测试的时候要在两个极端的温度下进行,即高低温环境试验,在控温箱中进行。温度测量采用热敏电阻,热敏电阻的引出线连接数据采集卡上,通过labview软件编程,将数据采集卡采集到的数据进行定标换算成温度信号,在前面板进行数值显示、波形绘制等。最终可以得到环境温度和减速器温度的平均值,峰值以及实时温度波形图。

1.3.2 测试方法

将热敏电阻粘贴于保温箱上,将测试的数据作为环境温度,热敏电阻粘贴于减速器外壳上,将测试的数据作为减速器温度,两者之差即为温升。

要求在-40℃保温2小时能正常空载启动,在+55℃保温条件下,以额定转速、额定负载正常运转约2小时,其热平衡温度不超过100℃(温升45℃)。

1.4 传动精度的测试原理与测试方法[4]

减速器输出轴相对于输入轴的理论转角与实际转角之差,即为传动误差。动态测量采用编码器,通过编码器测出输入与输出信号的差值,绘出误差曲线,取其最大值。

1.4.1 测试原理

1)角度的测量:输入输出的角度的测量均通过读取编码器的位置值来实现,输入轴的角度值由驱动电机尾端的编码器提供,输出轴的角度值由负载模拟器(即力矩电机)尾端的编码器提供,运动控制卡采集到编码器的位置值,通过labview编程把这个值实时记录下来。

2)高精度的力矩加载:磁粉制动器通过模拟量给定阻力矩值,作为大的力矩负载加载。大力矩加载时,磁粉制动器作为阻力矩的大部分给定,输出电机通过力矩闭环控制加载的精度。

1.4.2 测试方法

驱动电机速度模式,负载电机力矩模式,开始测试时,同时记录输入轴与输出轴的编码器值,每隔一段时间采样一个点。小力矩加载时,通过输出电机与扭矩传感器构成力矩闭环实现,加载精度控制在0.5%。

具体实施步骤:首先要输入待测减速器参数,包括减速器型号,减速比,精度等级。然后输入电机参数,包括驱动电机转速,力矩加载(磁粉制动器,力矩电机指令)等参数。运行时启动驱动电机,带动减速器运转,监测系统的稳定性,监测驱动电机的转速和输出扭矩传感器的力矩值,待系统稳定后,开始测试。开始进入测试,记录输入输出编码器的值,采样点不少于720个(可连续采样)。

实时计算传动误差,根据计算的结果实时显示曲线,测试结束后,取最大值,即为测得的传动误差。

1.5 振动的测试原理和方法

为了得到谐波减速器的振动情况记录,根据GB2423.10,在减速器正上方、侧边、输入轴附近分别安装3个压电加速度传感器,依次测量减速器的竖直、水平、轴向的振动情况。将压电加速度传感器连接至数据采集卡上,通过labview编程,将数据采集卡采集到的数据进行定标、积分、功率谱分析、加窗函数等处理,最后得到减速器三个方向上的振动的加速度、速度、位移的峰值、均值及波形图,还可以得到其振动的功率谱波形,峰值频率等。

2 谐波齿轮减速器测试系统的设计

根据谐波减速器各个参数的测试方法,同时依据功能齐全、结构简单、操作方便、测试精度高、运行安全可靠和成本低的原则,对谐波减速器测试系统进行了软件、硬件的设计。

2.1 测试系统的硬件设计

减速器测试系统硬件实验台由驱动电机、输入扭矩传感器、被测谐波减速器、输出扭矩传感器、负载模拟器(由磁粉制动器和力矩电机共同组成)、数据采集卡、运动控制卡、工控机等组成,谐波减速器效率测试和精度测试所需的硬件略有不同,在精度测试的时候输入轴的扭矩传感器是不需要的,具体的测试示意图如图2所示。

图2中,被测减速器的输入位置角度值由驱动电机的编码器提供,输入转矩信号由输入扭矩传感器提供,输出位置角度值由负载力矩电机的编码器提供,输出扭矩信号由输出扭矩传感器提供。

试验时,根据不同的测试项目,只要把按照图示的安装方式安装,调用相应的测试软件,即可测得所需的测试数据,计算出减速器的参数值。

2.2 测试系统的软件设计

测试系统采用labview2009进行开发,包括运动控制软件、监控界面以及测试算法的编写。测试系统软件流程框图如图3所示。

在研究了以上检测方法和原理的基础上,运用Laview2009软件对谐波减速器的测试系统进行了设计。谐波减速器性能测试系统部分前面板如图4所示。

3 结论

在虚拟仪器技术的基础上,对谐波齿轮减速器的虚拟测试系统进行了研究和设计。确定了谐波齿轮减速器的转矩、转速、效率、温升、振动、传动精度等参数的测试方法、测试原理,并确定了各传感器的类型,搭建了硬件实验台。同时,在虚拟仪器技术基础上,运用Laview软件进行编程,设计了适用于谐波齿轮减速器的虚拟测试系统,并进行了仿真。可以完成对谐波齿轮减速器各个参数的信号采集、信号处理、数据显示、波形绘制等功能,充分发挥了软件强大的数据处理能力,在提高精度的同时大大降低了硬件成本。将虚拟仪器技术应用于谐波减速器的性能测试,利用软件即是硬件的思想,有以下优点:编程简便,可以将更多的精力投入到算法和课题的研究中;成本较低,只需要购买通用性强的外端数据采集设备即可;可以提高测试系统的自动化水平和测试精度。

该设计通用性强,只需要在原有试验装置的基础上进行一定的改动,增加相应的传感器,即可利用本系统重构成为新的虚拟仪器测试设备。通过试验,验证了谐波减速器新产品的主要性能参数,同时对其进一步优化设计提供了重要的参考数据。

摘要：在对谐波齿轮减速器的转矩、转速、效率、传动精度等参数的测试方法、测试原理研究的基础上,利用虚拟仪器技术,对谐波齿轮减速器的性能测试系统进行了研究和设计。并运用labview2009软件编程,设计了适用于谐波齿轮减速器的虚拟测试系统。该测试系统充分发挥了计算机的处理能力,降低了硬件成本投入。

关键词：虚拟仪器,谐波齿轮减速器,测试系统

参考文献

[1]姚俊武,王建中.谐波减速器在自重构机器人的应用研究[J].制造业自动化,2006(08):51-52,58.

[2]李曼,冯华光.减速器性能测试虚拟仪器的研究与开发[J].组合机床与自动化加工技术,2006(1):32-34.

[3]蔡振,吕新生,李志远,王亚芹.基于虚拟仪器的微型减速器机械效率测试系统[J].仪表技术与传感器,2008(10):31-33.

多总线综合测试系统的虚拟仪器应用第10篇

关键词：虚拟仪器,测试系统,LabView,驱动程序,动态可编程技术

引言

在大型的测试系统当中, 往往会遇到VXI、PXI、Compact PCI、VME等多总线系统, 还有IEEE1394、GPIB、以太网、USB等多种接口。这么多种接口和总线, 如何用软件来把它们集成起来实现应用功能呢?在这种多接口和多总线的前提下很难找到一种软件, 能同时把整个系统所有的功能都控制起来。虚拟仪器技术正是为复杂集成环境提供的一种软件技术, 它可以跨总线平台, 且不论任何厂家的硬件产品都可以兼容, 为测试系统提供了统一的软件编程环境。虚拟仪器技术的应用, 既可以节约硬件成本, 又缩短了开发周期, 在测试、测量、工业自动化等场合都比较适用。以下是借助虚拟仪器技术实现的一种多总线综合测试系统, 通过分析, 阐明了这种技术的特点和优越性。

1 系统概述

1.1 系统的主要结构

系统主要结构如图1所示。

系统中所包括的测试设备如下:

PXI Bus测试系统包括:

多功能模拟量卡;

数字IO卡;

数字万用表卡;

多路复用卡;

电源开关卡;

光纤控制卡——用来和计算机通讯, 并且传输数据。

Agilent电源设备分别是:

正负5V或正负15V可选量程电源一个;

0~28V电源一个;

计算机内包括:

Mil-1553B采集卡;

ARINC429采集卡;

RS232接口。

1.2 系统测试目的

测试的目的是对用户提供的产品进行验收、检测, 这些产品就是具备一定功能的板卡, 包括:模拟量多组接口, 开关量多组接口, RS232接口, Mil-1553B模块接口, Arinc429接口, 还有各种电源过载性能的测试。系统是通过控制盒里的连接线缆和被测产品进行连接的, 测试非常方便。系统在不下电的情况下, 可以对多种型号的板卡进行验收, 由软件来实现控制功能。

2 在Lab View软件编译器下对硬件进行控制

从系统结构中看出, 设备很多, 如何才能把这些设备统一规划起来, 合理的进行控制呢?这就要借助LabView虚拟仪器编译器对硬件底层进行良好的控制, 再加上灵活、合理的组织程序结构, 最后就能稳定地运行起来。

要想在LabView下实现对某种硬件设备的控制, 就必须具备相应硬件设备的软件驱动程序。软件驱动程序一般是用光盘来承载的, 当把它安装进操作系统之后, 在LabView下就可以方便的对硬件进行控制了。不同的设备仪器由不同的厂商提供, 每个厂家的软件驱动程序形式也是不一样的, 所以可以按照厂家来对它们进行划分。以下就通过对软件驱动程序的介绍, 来反映每种硬件在Lab View下的加载和控制过程。

2.1 NI厂家驱动

PXI机箱和它内部的板卡是由National Instrument (NI) 公司提供的。NI的大多数产品都有Lab View下的驱动程序, 而且对这些驱动进行了分门别类, 不同功能的产品有不同类的软件驱动程序模块。另外, 驱动程序还可以用来检测板卡功能, 如N I Measurement&Automation Explorer (简称MAX) 浏览器软件就是用来对板卡功能进行检测的。以下对多种NI板卡的驱动进行介绍:

(1) 光纤接口卡驱动:

PXI设备是一个完整的机箱, 它通过采用MXI协议标准, 实现了PXI设备和计算机主机之间的通讯, 计算机可以通过一根光纤控制PXI机箱内的板卡。安装好MXI驱动以后, PXI机箱内的板卡就都被映射到计算机系统中了, 所以光纤接口卡驱动相当于这些板卡和计算机的通讯桥梁。在安装好驱动以后, MAX浏览器就可以显示所有可检测到的设备了, 浏览器界面如图2所示。

(2) NI DAQ驱动:

NI DAQ驱动是Data Acquisition Device的简写, 它是NI多种数据采集卡的驱动程序总称。在本系统中DAQ驱动支持以下板卡:多功能模拟量卡和数字I O卡。N I DAQ驱动加载进操作系统之后, 对相应板卡的编程控制就变得非常容易和方便, 图3是模拟量采集卡在LabView下的程序结构。

(3) NI Switch驱动:

通常开关控制卡可以控制开关通断, NI Switch驱动程序涵盖了NI厂家的许多开关控制板卡, 在本系统中它为以下板卡提供驱动程序:多路复用卡和电源开关卡。

(4) NI DMM驱动:

NI DMM驱动是NI Digital Multimeter的简写, 它支持数字万用表卡;安装驱动以后, 可程序控制万用表卡的配置、选取和检测。

2.2 Agilent厂家的VISA驱动

VISA的全称是Virtual Instrument Standard Architecture, 它起源于VXI Play&Plug (即插即用) 设备的驱动程序规范, 很多测试仪器厂家都利用它作为设备驱动程序的标准, 后来逐渐发展成一种通用的虚拟仪器标准, 专门用于控制设备和编程。Agilent采用VISA标准生成了很多可编程控制接口形式的驱动程序, 其中GPIB接口也采用这种编程控制方式, 用简单的函数就可以满足要求了。本系统中, 两个Angilent电源设备采用的都是VISA标准驱动。

2.3 1553卡驱动

Mil-1553B板卡是美国某厂家的产品, 它自带Lab View下的驱动程序;并且提供各种Lab View下的1553程序控制模块, 如BC模块, BM模块, RT模块等。开发人员可以灵活的调用程序模块, 然后组合成所需要的功能。

2.4 429卡驱动

ARINC429板卡是国内某厂家的产品, 它被提供了完整的Windows下编程的驱动程序, 并支持C语言编程。它的接口函数可以通过DLL动态链接库的形式在Lab View下加载调用。

2.5 LabView串口驱动

计算机通用串口COM接口, Lab View本身自带它的驱动, 它属于Lab View VISA驱动程序。

3 动态可编程技术的应用

以上驱动程序的加载过程体现了虚拟仪器对设备的良好控制属性, 另外虚拟仪器技术在编程的灵活性上也是很有优势的, 动态可编程技术正是反映了这一点。

VI Server是Lab View的一种动态可编程技术, 它可以在程序模块 (VI) 执行时, 动态的改变它的属性或执行某些特殊功能, 这样就大大增强了程序的可控制性。

在本系统中, 对程序模块VI的界面属性进行了动态控制, 合理编制了程序界面的显示, 不仅保证了正常的界面显示, 而且实现了操作的灵活性。系统软件的显示规则是这样的:新的界面显示时——自动关闭上一级界面, 当前界面关闭时——自动弹出上一级界面。通过这种控制, 程序在运行时始终只有一个界面面对用户, 使显示简单而且清晰。

4 与其它编程平台的兼容性

在LabView下有多种方式实现数据库功能, 选择用代码形式实现是最好且最稳定的方式, 例如选择C语言编码, 可以在Visual C++中编程, 然后再加载进La View中。以代码方式编程时, 可以借助动态链接库DLL模式和Active X控件形式在Lab View中进行调用。Lab View不仅能够和微软的.NET平台建立起良好的交互模式, 并且支持C语言编程和DLL程序模块加载。代码编程功能的支持, 体现了LabView和其他编译器的良好兼容性。本系统中数据库应用, 就是借助C语言编码, 然后再和Lab View中的数据进行交互, 这种方式大大提高了查询速度。

系统中的Excel报表功能和数据库有些类似, 也是用VC++来编码, 然后以动态链接库的形式在LabView中进行调用。只要考虑好数据交互的格式, 在Lab View中调用动态链接库是非常方便的。

5 整体控制软件的实现

整个软件无论从界面美观性, 使用的实用性和灵活性方面, 还是从硬件的功能方面都能满足用户的要求。正是Lab View强大的硬件控制功能和灵活的图形化编程功能, 使整个系统不管是从基本功能还是美观性上都取得了较满意的效果。以下是整个系统的功能结构图, 从图上体现了系统所实现的主要功能。

6 结论

以上系统最复杂的地方在于驱动程序的加载, 最困难的环节是数据库管理功能, 但是通过虚拟仪器技术完整的将硬件控制功能和软件管理功能融合在了一起, 而且开发过程即灵活又方便;另外借助井井有条的程序结构, 又保证了系统的稳定性。在后期的项目实施中, 由于需要对某些功能进行反复的修改, 所以给最终验收带来了一定的困难。在已经编制好的程序上对代码进行修改是较难的, 但是由于虚拟仪器程序有稳定的程序结构, 无论修改过程多复杂, 并不影响程序的稳定性, 从而使整个项目最终能够顺利的完成。可见, 本系统通过采用虚拟仪器技术的集成方式不仅节省了开发时间, 而且也为以后功能的修改和扩展提供了保障。因此虚拟仪器技术在测试系统集成上不失为一种可靠、实用的开发技术。

参考文献

[1]林君, 谢宣松等著.虚拟仪器原理及应用.科学出版社.

[2]蒋荣华, 吴西北.USB-GPIB控制器的VISA设计与实现.中国测试技术.2007年7月第32卷第4期;

飞机维修虚拟训练系统的应用第11篇

关键词：虚拟训练系统飞机维修教学应用

飞机维修虚拟训练系统是基于飞机系统仿真技术、三维数字模型技术、虚拟现实交互技术等搭建的一种训练平台。传统的维修培训对大范围的维修训练效果不佳，不仅费时而且费用昂贵。然而该系统能把实装飞机上机械、电子、特设等各个专业的相关知识通过计算机直观地呈现给维修训练人员，尤其是在大范围系统培训中表现得相当有效。

1.飞机维修虚拟训练系统的组成

1.1飞机虚拟驾驶舱

通过绘图软件绘制飞机驾驶舱各类仪表、开关、多功能显示器等，再由C++、VC、OpenGL等编程软件对系统逻辑加以控制，实现飞机驾驶舱的虚拟仿真。它能够在通电检查、发动机试车、故障设置时模拟真实飞机驾驶舱内相应的控制和显示。

1.2三维虚拟飞机

通过3Dmax、Catia等三维建模软件制作飞机三维模型，并提供人机交互程序模块，以动画形式实现飞机绕飞检查、部附件识别与拆装、飞行操纵检查、发动机反推等多项功能。

1.3动态原理图

通过flash绘制系统原理图，利用程序控制动画，实现原理图与飞机虚拟系统联动，方便训练人员在操作时观察相应系统的状态和变化，进而掌握飞机各系统的功能原理和工作逻辑。

1.4飞机维修培训手册

通过程序加载飞机维修手册、全套电子文档，学生在学习某个章节时电子手册能自动跳转到对应章节。

1.5网络系统

通过TCP/IP协议在训练教室中组建局域网络，配备一台教师机和十二台学生机，实现授课教师对训练人员学习状态的监控与指导。

2.飞机维修虚拟训练系统在飞机维修教学中的应用

2.1飞机维修理论教学

飞机维修理论繁多且复杂，其中的概念原理更是抽象难懂，学生在学习时多半是靠死记硬背，并没有真正理解其中系统原理，所以在以后的实际操作中也会不知所措。飞机维修虚拟训练系统通过动态原理图直观地反映了飞机维修理论，学生可以在学习过程中一边操作虚拟驾驶舱中的开关一边观察原理图的实时变化，把枯燥的理论知识转化成形象生动的二维动画，加深学生对理论知识的理解。电子版的飞机维修培训手册与虚拟训练系统关联，方便查阅，在老师进行理论教学时起到很好的辅助作用。

2.2飞机发动机试车教学

飞机的发动机试车工作历来都是一项高风险、高技术含量的活，多年以来由于操作错误引起的事故不少，甚至会导致人员伤亡，发动机损坏等严重后果。所以飞机发动机试车是航空维修教学很重要的一个环节，它主要用于检查发动机参数是否正常，也可以看发动机操纵系统、机舱增压系统、液压系统的工作情况。虚拟驾驶舱中提供了实装飞机的所有开关组件，训练人员对其进行操作，虚拟多功能显示器上就会出现相应的参数变化。当出现操作错误时，系统会报警提醒训练人员，这样即便在训练过程中出现操作不当也不会导致上述事故。一套虚拟训练系统可同时容纳两名学生进行学习训练，一人读卡一人操作，更规范试车程序。

2.3部附件识别拆装教学

飞机维修人员在维修过程中只有认识相关的部附件，才能对飞机进行维修。所以，部附件的识别与拆装在航空维修教学中相当重要。然而在传统教学模式中，老师只能通过拍摄的照片，甚至是抽象的线框图对学生进行部附件识别的教学。然而，飞机各个舱室内结构何其复杂，拍摄难度很大，缺少部附件图片的情况时常发生。仅通过文字的讲解很难让学生对部附件的外形结构有一个清楚认识。虚拟训练系统中的三维数字模型很好地解决了这一难题，它能将部附件全方位地展示在学生面前，方便学生多角度观察该部件，从而对其形态结构有清楚认识。做部附件拆装训练时，系统中配套的拆装演示动画可以将拆装步骤一步一步地展示出来，人机交互系统还能让学生自己动手做模拟拆装训练，真正做到讲、学、练一体化教学。

2.4飞机故障排除教学

一说到航空维修肯定就少不了飞机排故。故障排除教学最好的教学方法就是让学生亲手实践，熟悉并掌握故障排除的流程和方法。然而，在实装飞机上很难做到设置故障，分析故障，排除故障这一过程，而且稍有不当还容易损坏飞机。但这一难题在虚拟训练系统上就迎刃而解，老师通过教师机设置故障，由网络系统传输给学生，学生在学生机上分析、排除故障。同时，老师能清楚地看到学生的排故流程，掌握学生的学习情况。该系统的故障隔离功能非常强大，在做波音737NG型飞机左发点火失效排故教学时，运行EEC自检程序，查看“0”航段是否有故障代码，如果没有故障代码则可以判断为瞬时故障，如果有74-X096 代码出现，则进行故障隔离。然后分析故障点，对该机左发右点火进行声音检查程序，如果只有一声点火声音，说明EEC内部有一个点火继电器失效，更换EEC，如果没有点火声，检查电咀的情况，如电咀烧蚀超标，则更换电咀，操作流程简单明了，便于学生学习训练。

3.存在的问题及思考

飞机维修虚拟训练系统虽然相比传统航空维修教学优势巨大，但并非完美无缺。虚拟终究还是模仿，虽然现在的科技使虚拟训练越来越逼真，但是很多地方还是模拟不出来的。实装飞机上各种开关仪器的操作方法、部附件拆装的技巧在虚拟训练系统中纯粹依靠鼠标键盘的点击、拖动无法真实地体现出来。而且，现如今军事技术发展迅猛，机型更新换代快，虚拟训练系统开发需要较长的周期，无法做到与当前实装机型配套，从而给培训机务人员造成很多困难。但是目前，世界上许多发达国家已经将飞机维修实际操作部分转移至虚拟训练系统上完成，我国多家航空公司也同样采用这种先进的教学方法。综合考虑到训练成本和训练成果看，这种利用计算机仿真及虚拟现实技术搭建的航空维修训练平台已经成为当代航空维修教学和培训的大势所趋。相信在中国日渐强盛的发展下，我国自主研发的虚拟训练系统必将在未来航空维修教学中占有一席之地。

参考文献：

[1]郑东良.航空维修理论[M].国防工业出版社，2006.

[2]蔡红霞.虚拟仿真原理与应用[M].上海大学出版社，2010.

虚拟测试系统第12篇

虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域的一个重要应用, 随着计算机仿真技术、虚拟现实技术、图形图像学的发展、人类想利用计算机拓展视觉、听觉、嗅觉等感知的兴趣愈加浓厚, 开始探索模拟环境下人类实际体验的交互技术问题。近些年来, 计算机科技的快速进步, 学校数字化建设也应运产生, 虚拟校园成为数字化校园建设的重要组成。虚拟校园本身就是一个信息系统, 具有沉浸感以及交互性两个非常重要的特征。虚拟校园能够通过对校园环境的虚拟化、全景化展示, 更好地呈现学校人文环境, 让教师、家长、学生足不出户, 就可以全面了解学校, 方便进行日常教学与生活。虚拟校园的另一个作用是, 校园经过数字化和虚拟化后, 可以成为数字校园建设的基础, 在这个虚拟的数字空间里, 管理者可以对校园规划、优化管理、学校发展等通过网络积极提出整改意见, 可以更高效的为发展教育做出更大贡献。

2 虚拟校园系统模型分析与设计

2.1 虚拟校园系统设计的目标

虚拟校园系统需实现以下目标:

1) 具有良好的交互界面, 可以为用户提供身临其境的感觉, 用户能够方便地对系统进行各种交互操作。

2) 系统界面简单化, 能够让计算机操作水平很低的人进行操作, 具有简易性和普遍性的特点。

3) 系统中的模型与现实景观达到尽量高度贴切。

4) 为适应校园建设的变化, 系统具备建筑模型的增删功能。

5) 对虚拟环境中的模型可以进行参数的修改, 如大小、位置、方向等属性。

6) 具备良好的漫游功能, 用户能够在虚拟环境中任意角度和方向进行浏览。包括自动漫游和场景定位等功能。

7) 具有较好的可移植性和扩展性, 能够运行在多种操作系统平台。

2.2 虚拟校园模型建立

项目组以某学校虚拟化和信息化为目标, 通过3D虚拟场景创建软件建立校园虚拟模型和三维模型库。整个系统模型采用针对局部物体的建模, 最后用合成的方法构建整个模型。以下是虚拟校园的整体工艺流程图。如图1所示。

2.3 虚拟校园数据信息获取

要建立一个形象逼真的3D虚拟校园首先需要获取数据, 数据主要包括地形数据和地物数据两类。获取地形数据主要通过数字摄影, 利用图像匹配可以自动生成模型数据, 并转换成DED格式。校园建筑的信息采集来源于校园建筑图纸数据和飞机遥感测绘数据。利用软件Auto CAD提取二维场景数据信息, 在系统内准确显示采集结果, 完成对校园建筑三维建模与定位。校园信息需要采集, 采集的数据直接关系到建筑物各类信息的准确性, 诸如长、宽、高、深等信息。根据对象在场景中的表现不同, 我们在校园里, 将纹理信息分为动态和静态两类信息。针对静态纹理信息, 我们采用照相的方式;针对动态纹理信息, 我们采用模拟或者用静态纹理代替的原则, 加快开发进度。

2.4 数据预处理

虚拟校园数据预处理主要包括两个方面的预处理:

2.4.1 Auto CAD文件的预处理

虚拟校园二维信息一半都存储在校园的Auto CAD文件里, 通过经验得知, 直接将校园Auto CAD文件导入到Creator中, 由于数据量大, 会花费很长时间。

2.4.2 纹理预处理

纹理处理的好坏影响虚拟校园系统的实现。采集的数据直接关系到建筑物信息的准确性, 纹理处理需要一个精细的过程, 捕获的图像与现实会略有不同, 因为照片会因为天气、投影、障碍物等方面的原因与我们已经生成的纹理是不完全相同的。

图2和图3分别是计算机学院南墙的原始照片和处理后的墙面纹理效果。

纹理加工是通过专业软件完成的, 本文采用Photoshop图形处理软件对之前所拍摄的纹理照片进行纹理处理, 处理内容包括亮度、对比度和倾斜角度的微调, 其中注意的一点是, 从照片中提取的纹理, 要保证纹理的大小是2的N次幂。

2.5 虚拟校园模型的层级结构

校园场景层次规划如4所示, 校园场景层次规划, 分为天空, 地貌特征, 景观环境, 教学区等四类。

2.6 场景构建过程

2.6.1 地形建模过程

根据实际地形, 构建虚拟校园地形, 地形在虚拟校园中是整个场景的基础, 红色代表建筑, 绿色植被等等, 我们可以在这个基础上进行更深层次设计。在具体采集地形数据时, 我们采用卫星图获得校园地形图, 再结合实际测量, 就可以准确获得道路、建筑物等的具体信息, 在Creator软件中只需要把校园卫星地图作为参考背景, 就可以构建学校的平面分布图。虚拟校园卫星地图如图5所示, 虚拟校园平面分布图如图6所示。

2.6.2 道路建模实现

虚拟建筑模型通过使用Multigen Creator软件完成, 为方便建模, Creator将设计文件打开, 利用中心工具, 使参观者位于网格的中心点。Creator软件本身提供了强大的道路建模功能模块, 设计者直接调用External Reference外部参考就可以轻松定义道路分界线、路肩、路灯、绿化带等, 可以轻松设计道路的各种交叉、坡度、道路类型, 道路的转弯半径, 不同类型道路的纹理设计等。

2.6.3 建筑物建模

在校园里, 建筑物是主要的模型物体。就本研究对象来说, 建筑物相对不具有复杂的造型, 数量少, 外形基本上是较规则的形状, 绝大多数建筑物是箱体式的建筑风格, 因此本文讨论的建筑物模式基本上就采用这种箱体模式。在Creator软件中导入校园DXF数据作为基准数据, 首先把建筑物位置做准确的定位, 使用Face中的Polygon命令作为校园建筑物的地基面;以建筑物高度作为标准, 利用Geometry工具设计校园建筑物的基本造型, 构建建筑物虚拟模型[5]。

下面以19号宿舍为例, 详细介绍建筑物建模的过程。首先, 需要前期准备好宿舍楼的影像和尺寸、方位信息数据。然后再Creator中创建一个基础的几何模型, 还要对各处细节做处理, 尽量使用最少的面创建模型, 后期再增加纹理信息, 增强逼真感。图7所示是19号宿舍的几何模型。

在构建初步的几何模型后, 要进行模型优化。Creator软件建立起来的三维几何模型实际上由很多数量的多边形组成, 结构一旦很复杂, 多边形的数量就非常庞大, 这就对计算机性能提出了很大挑战, 因此在能够保证模型逼真感前提下, 一定要对Creator几何模型进行优化处理, 尽可能减少三维几何模型的顶点和多边形数目, 主要通过删除不可见多边形或者合并多边形实现。优化后的19号宿舍楼模型如图8所示, 表1中的数据为优化前后几何模型多边形数量的变化。

第三步, 需要进行纹理贴图, 把预处理时拍摄的宿舍各面的纹理照片, 经过Photoshop处理后一个面一个面地依次进行纹理贴图。19号宿舍纹理材质如图9所示。

将纹理材质赋予几何模型, 重复对宿舍的各个视图面映射纹理材质, 就得到了宿舍楼的完整效果。纹理绘制完成后的19号宿舍楼如图10、图11所示。

2.6.4 树的建模

在场景中使用绿色植被, 场景视觉效果会更好、更接近自然。因此建模的重点研究内容还包括树建模方法。因为树是不规则的形状, 与普通的建筑物一样, 仍然可以使用几何表示。首先创建植物几何模型, 然后添加纹理就可以形成植物模型。树的纹理如图12所示。

大量的植物模型, 可以通过复制的方式快速生成。对于几何模型大致相同, 位置或者朝向不同的模型, 可以采用实例的方式大量生成。

3 模型优化及实现

虚拟场景建模模型应和相应的实体尽可能一致, 影响系统性能的主要原因是视觉图像的高质量和高效率的图形的绘制。

3.1 模型优化

考虑到图形加速器的运行性能, 我们应该尽量减少多边形数量, 否则, 大量图形计算将导致系统不够流畅。Creator提供各种技术可以帮助用户减少多边形数量, 图形加速卡自身硬件的性能具有局限性, 单位时间处理多边形的数量具有临界点, 如果系统负载模型太多, 除了删除不必要的多边形外, 如果对象背面是不可见时, 删除背面多边形。

3.1.1 删除背面多边形消除影响

Creator软件可以自动消除背部多边形, 这样就只有前表面被展示出来。消除背面的多边形可能无法提高图形系统的运行效率, 但它是提高绘图速度的方法。

3.1.2 可以删除非必要的多边形

在Creator软件中, 可使用Virtue3D VSimplify多边形智能减少插件工具删除非必要的多边形。该插件安装在Creator插件目录中, 可以在LOD菜单中找到。

3.1.3 利用纹理代替多边形

纹理有时候可以替代多边形的效果, 在给定数量的多边形前提下, 设计者可以通过使用纹理映射代替多边形建模, 改善现有模型, 提高逼真度。如果物体每个表面相应的纹理映射, 从远处看, 就像增加许多细节, 能够让画面更清晰、更逼真。

3.2 场景的整合

各个模型完成构建并优化后, 就可以进行场景的整合, 形成完整的虚拟校园。在Creator/Vega中, 把一个个独立模型合并成完成的虚拟校园如图13所示。

作为虚拟现实技术的典型应用, 虚拟校园以开放平台的形式, 将为学校教学、科研、管理等各项教育事业提供基础平台环境, 根据学校校园的基本需求, 自主设计了虚拟校园系统的系统功能结构, 通过建模构建虚拟校园建筑、道路等实物, 在Mul⁃tigen Creator Vega以及数据库基础上设计出了虚拟校园系统, 希望对更好地构建虚拟校园系统能起到一定的参考借鉴作用。

摘要：VR (Virtual Reality, 虚拟现实) 科技在教育中的应用——建立虚拟校园, 是为了让未进入校园的人们能够置身在一个计算机模拟、虚拟的三维空间中, 通过图像、声音、味觉等模拟现实的体验, 通过动态交互等, 让体验者如同真的置身于校园中, 达到身临其境的效果。该文以某学校校园为研究对象, 利用校园内的航空影像、地图照片数据、实测数据以及区内建筑物的影像信息, 在Multi Gen Creator/Vega软件平台上建立整个校园的虚拟场景, 结合数据库系统的构建, 实现虚拟校园系统设计。

关键词：虚拟化,校园系统,模拟,设计

参考文献

[1]张力平.移动虚拟现实正在成为现实[J].电信快报, 2016 (9) .

[2]黎明.虚拟现实VR (Virtrual Reality) 现状和前景[J].艺术科技, 2016 (9) .

[3]吴昊.VR/AR技术将突破人类的心理感知带来极致影像真实感体验[J].新闻研究导刊, 2016 (19) .

[4]万彬彬.试论虚拟现实 (VR) 技术对纪录片发展的影响[J].现代传播:中国传媒大学学报, 2016 (10) .