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計算機三維仿真技術范文1
【關鍵詞】：城市規劃；計算機仿真技術；靜態渲染圖；動畫
【 abstract 】 : with the rapid development of science and technology, modern society gradually into the information age, computer technology in all areas of application in our country is becoming more and more widely. In recent years, computer technology and simulation technology, combining to form a kind of activity analysis system, reveals the law of motion of the system dynamic process and the computer simulation technology and its application in urban planning has increasingly become the hot topic of concern.
【 key words 】 : urban planning; The computer simulation technology; Static rendering; The animation
中圖分類號： TU984 文獻標識碼：A 文章編號：
仿真技術最早應用于高能武器、航海模擬以及航天器等軍事方面。然而伴隨國民經濟的不斷發展，這門技術迅速被推廣應用到各個領域。尤其是在城市規劃中，可以利用計算機仿真技術，創建城市真實數字化模型的三維可視環境，令設計者有種處身虛擬環境的錯覺，因此，可以更好地將周邊環境與規劃設計二者相互協調配合。
一、計算機仿真技術簡介與原理
1、計算機仿真技術是一門通過專用軟件來整合聲音、動畫以及圖像的綜合性信息技術。其實現過程是，首先將三維的現實物體或環境通過計算機仿真模擬成多維的表現形式，然后將此表現形式通過數字媒介傳播給媒體瀏覽者。因此當媒體瀏覽者在觀賞時就會產生一種身臨其境的“虛擬”錯覺【1】。
2、計算機仿真技術的實現包括建立模型、模型轉換以及模型仿真實驗三部分。建立模型是指建立一個容易被計算機處理并能反應所研究對象實質的數學模型。根據時間關系可以將系統的數學模型分為連續時間動態模型、離散時間動態模型、混合時間動態模型以及靜態模型等。
所謂的模型轉換是指利用適當的算法以及計算機語言將數學模型抽象出來的數學表達式轉換成計算機能夠處理的形式，而這種形式所表現的就是“仿真模型”的內容。
所謂的模型仿真實驗是指按照預先設計的實驗方案來運行被載入計算機中的仿真模型，從而得到一系列的仿真實驗結果【2】。
二、城市規劃中對計算機仿真技術的應用
計算機仿真技術在城市規劃中的應用主要包括在靜態渲染圖、固定路線的動畫、交互式動態的景觀仿真、復雜的虛擬現實技術等。
1、靜態渲染圖在城市規劃中的應用。靜態渲染圖的操作步驟是，首先，要給建筑物體建立一個三維幾何模型；其次，對模型表面的材料質感加以設定，同時還要選定場景中合適的照明和采光等；最后，通過計算機在一個合適觀察角度將三維幾何模型渲染成單幅的靜態圖像，并將此靜態圖像顯示在計算機顯示器上或者直接打印出來。在靜態渲染圖形成的過程中，可以將所渲染的圖形與現場拍攝的相片加以合成，或者在圖形中添加一些不一定存在的花、草、樹、人等圖像，以便使得建筑和背景之間的關系表現的更加充分逼真。同時，對建筑物體建立三維幾何模型時，還可以通過采取計算機輔助設計或輔助制圖來配合工作，從而減少設計者的工作量。此外，由于靜態渲染圖的視點被加以固定，所以為了減少創建模型的工作量，設計者可以盡量省略或簡化那些被遮擋而不可視的物體【3】。
2、固定路徑的動畫在城市規劃中的應用。由于靜態渲染圖的視點被固定，所以在實際應用中只適合于表示一個或者幾個建筑物體。而對于復雜多量的建筑物群，靜態渲染圖往往只能靠俯視來表達全景。依靠這種方法，顯然不能將復雜的室內景觀或者大范圍的城市景觀充分展現在人們面前。由此，人們選擇將多幅靜態渲染圖同時串聯在一起，使之在計算機熒屏上連續播放，就形成了一種計算機的動畫模式。這種情境下，不僅可以讓觀察者在場景中有運動的感覺，還能讓場景中的物體如車輛、水等也能夠運動。與靜態渲染圖相比，在制作動畫時，需要適當添加選擇合適的視點以及設置合適的觀察路徑等。其原理是，首先通過計算機將關鍵的幀計算出來；然后以此關鍵幀作為基礎，運用算法令中間的畫面自動填補空缺，從而產生出動畫數據；最后，根據得到的動畫數據來播放動畫畫面。由于固定路徑的動畫涉及到結構比較復雜、數量比較大的建筑物群，因此建立三維幾何模型的工作量同樣也極其龐大，所以對于一些遮擋而不可見的物體同樣也可忽略不計【4】。
3、交互式動態的仿真在城市規劃中的應用。對于某些結構和空間過于復雜的建筑或城市景觀，動畫和觀察路徑已經不能夠加以完整表達。這時，人們可以應用交互式實時動態的景觀仿真技術來完成目標。交互是指觀察者能夠任意靈活調整并控制所觀察的視點、方向以及位置等。而實時動態是指計算機能夠依照觀察者任意選擇的視角以及位置而立即生出渲染圖。采用交互式動態仿真技術，其中觀察者的自由度要遠遠大于動畫，因此，需要向計算機中輸入大量的物體，在無形中就加大了建立集合模型的工作量，并使得計算機的計算量以及圖形數據處理量呈幾何倍增。所以，動態交互式仿真技術一方面對計算機硬件性能的要求非常高，另一方面還需要大量的幾何形體輸入。
目前簡化三維幾何模型、降低計算量和建模工作量來實現交互式動態仿真效果的方式主要有縱向拉伸和基于圖像的環視仿真兩種【5】。
縱向拉升，又被稱為二維半或者準三維模型，它是將復雜的地形進行縱向拉升或者把建筑的平面圖轉化成立體體塊并保證其垂直方向不變。通過這種三維的簡化模型，只需采用建筑物的平面圖及其相應高度或者復雜地面若干關鍵點的三維坐標，就可以讓計算機軟件依據已知數據自發生成立體簡化幾何模型，并且可以保證其仿真效果與全三維模型相同。
基于圖像的環視仿真是指，基于某一固定點，對其周圍的景觀環繞360°加以攝影，并將這些不連續的圖像用計算機整合在一起，形成一個閉合的360°全景，最后通過熒屏顯示出來。設計時，可以先將所要設計的建筑或物體制成一個靜態渲染圖，然后將其嵌入所攝的圖像之內，便可實現場景與規劃和設計的建筑或物體相互融合。
4、復雜的虛擬現實仿真在城市規劃中的應用。在實現交互式動態仿真時，人依靠鼠標或者操縱桿來完成觀察角度、位置以及方向的調整。這里還有許多種控制觀察的方法來提高觀察者與景觀兩者間的交互性，如可以讓觀察者戴上過濾眼鏡觀察水平方向兩相鄰視點的圖像，還可以讓觀察者戴上傳感頭盔來感應改變觀察視覺角度而產生的渲染圖，或者可以讓觀察者戴上傳感手套來向計算機傳達設計指令，亦或者可以讓觀察者穿上傳感鞋來實現人在場景中步行的模擬等等。
三、城市規劃中對計算機仿真技術應用的意義
1、在城市規劃中應用計算機仿真技術，能夠使方案設計及審批效率得到提高。通過在城市規劃中應用計算機仿真技術，可以讓設計者在審查過程中通過模擬穿行和觀察計劃方案，隨時將視點停留在重點地段，對該方案以及周圍環境間的關系進行多方向探討審查，從而保證設計的合理性。同時，利用計算機仿真技術生成三維幾何模型，符合方案規劃審批的要求，大大提高了審批的效率。
2、在城市規劃中應用計算機仿真技術，可以從多角度對城市建設發展的問題加以分析。利用仿真技術，可以結合城市發展建設的現狀，對城市的不同地區以及不同發展階段加以合理的規劃和設計，并形成跟蹤模型，從而避免由于規劃失誤而造成的城市建設的缺憾【6】。
3、在城市規劃中應用計算機仿真技術，可以有效實現城市規劃信息的準確定位和管理公開。利用計算機仿真技術實現城市規劃的三維幾何模型，可以有效對城市空間信息加以分析，并對城市管理工作加以準確定位。同時，還能將這種規劃的三維幾何模型到網上，實現城市規劃政務工作的公開展示。
結束語：通過在城市規劃中應用靜態渲染圖、固定路徑的動畫、交互式動態的仿真以及復雜的虛擬現實仿真等計算機仿真技術，創建城市真實數字化模型的三維可視環境，令設計者身臨其境，從而很大一定程度提高了設計審批的效率，同時還可以從多角度對城市建設發展方向加以分析，并能實現城市規劃的政務公開，從而起到宣傳展示規劃方案的效果。
參考文獻
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[4] 聶康才.淺析城市規劃管理中的系統研究方法[J].山西建筑，2008，(02)：215-222.
計算機三維仿真技術范文2
計算機仿真技術是指利用計算機科學和技術的成果建立被仿真的系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件約束較少、可改變時間比例尺等優點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統的重要工具。水利工程是一項施工周期長，施工復雜的系統工程。它包含了工程主體施工、臨時擋泄水工程施工以及水位變化和潮汐的影響等,水利工程的施工質量受自然原因和人為原因的雙重影響，所以為保障工程的質量，在施工過程中必須對各種因素的不確定性和周密性予以嚴格的控制。傳統的多采用設計藍圖對施工進行把握，然而二維圖形不夠直觀,對施工的全過程很難從整體上加以把握。隨著科學技術的不斷發展完善，計算機仿真技術開始在水利工程施工領域加以運用。主要分析了計算機仿真技術在水利施工中的應用，希望對計算機仿真技術的應用有所幫助。
2計算機仿真技術的優點及實現過程
2.1計算機仿真技術的優點
第一，節省時間。計算機仿真技術以其智能化的手段可以對多種施工方案進行快速的比較，可以準確快速的選擇出最優施工方案。通過施工方案的選擇，可以就施工的不同階段所做的準備工作加以分析研究，針對一些潛在的問題，可以提前采取措施加以規避。第二，成本低。計算機模擬是一種虛擬的模擬技術，不需要通過真實的原型試驗只需要通過相關模擬軟件的開發與應用便可以對就相關的數據得出結論，而且可以反復的進行試驗，對不同的方案加以論證。與原型試驗投入成本相比，計算機仿真技術軟件開發與使用的費用要低得多。第三，可靠性高。與人工排塊不同，計算機仿真技術的應用以系統模型的正確以及軟件編制的正確性為前提,計算機施工仿真模擬通過軟件進行模擬，減少了人工排塊過程中因人為因素所造成的失誤。第四，實用性強。計算機仿真技術的應用面比較廣，一般情況模型只要是采用數學加以描述的，其系統的行為就可以通過運用計算機來模擬，并可以準確的把握系統未來的發展趨勢,估計剩余使用壽命等,隨著科技的不斷發展，計算機仿真技術將被運用到更多的領域。
2.2計算機仿真技術的實現
計算機仿真技術是在數學理論的基礎之上發展起來的一門試驗科學。作為一項實用技術，并不能對客觀具體事物進行直接處理，計算機模擬技術的應用需要以數學模型的建立才能作為能反映研究對象本質的關鍵技術。計算機仿真技術的實現是確定研究對象后，針對研究對象建立數學模型，并通過計算機對數學模型的仿真計算最終得到仿真結果的。第一步，建立模型。在進行仿真前要根據研究對象和研究目的的不同，抽象出一個確定的系統,并就系統的邊界和約束條件加以限定，采用力學、數學和其它相關知識將抽象出來的系統用數學表達式描述出來，形成“數學建模”。系統的數學模型，在研究目的不同的情況下可以劃分為：靜態模型、動態模型、離散時間動態模型和混合時間動態模型。模型準確與否影響著仿真結果是否能反映實際。第二步，輸入模型。模型的輸入即是對上一步所建立的數學表達式結合軟件不同特點輸入為計算機能夠處理的形式,這種形式所表現的內容,即是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關鍵。當然實現這一過程,也可以自行開發一個新的軟件。第三步，模型的仿真計算。所謂模型的仿真計算是指在計算機中載入上一步獲得的仿真模型，在事先設計的實驗方案內進行仿真計算。第四步，評估仿真結果。對一個系統的狀況從整體上加以把握是仿真的目的所在。系統運行信息是仿真的結果，仿真的研究目的在于對所獲取的信息進行分析進行評估和認識，并將仿真結果運用到施工實踐當中。
3計算機仿真技術在水利施工中的應用實例
3.1工程概況
某大型水電站混凝土拱壩壩高178m,混凝土澆筑量可達485萬m3,混凝土澆筑施工工藝復雜、施工難度高。如何有效、高質量、快速地組織大壩混凝土施工,合理安排澆筑順序,對于整個工程的進度和質量都有至關重要的影響。為了直觀反映該工程進度,借助于三維建模技術,對該工程施工過程進行仿真研究。
3.2三維建模
根據設計結果,提取混凝土拱壩的相關數據,首先用Auto-CAD工具建立三維網格模型,盡量真實地體現圖形實體對象與仿真變量間的對應關系。利用系統實體CAD圖形建模,目的是為了定義系統實體的形狀、結構及其他相關信息。仿真的目的是觀察大壩的澆筑施工狀態隨時間的動態變化,以便于及時掌握系統模型的基本特性,找出仿真系統的最佳設計參數,據此對真實大壩的設計結果進行改善或優化?？赏ㄟ^對數據庫中工程各澆筑塊數據的統計、計算,在已建的三維模型中描繪出各控制階段的筑壩進度面貌,直觀地再現大壩的概貌。
3.3施工過程模擬
模擬工作的主要思路就是安排各臺纜機所負責的澆筑塊的日程計劃。在壩型,尺寸及分縫一定的情況下,在某個給定的機械配置方案條件下,可根據各種限制及約束條件,找到某種適宜的分塊澆筑順序和最緊湊的工期。因此,在模擬中采取在給定的澆筑方案和機械配置情況下,按照滿足施工中各種約束限制條件的要求安排壩塊的澆筑順序,算出各壩塊澆筑施工進程,從而計算出所需的大壩工期。如果改變澆筑方案,可進行類似的模擬和計算,從而得到各種不同澆筑方案的結果。然后通過綜合比較,選出較優的方案。本文對4臺纜機和三臺纜機方案進行比較,實施仿真中考慮了以下約束條件:每一注塊能否澆筑的時間約束、相鄰注塊的允許高差、相鄰注塊的拆模限制、纜機工作范圍的限制、相鄰纜機工作干擾限制、氣溫條件對澆筑的影響、突發事件對澆筑的影響限值和其他可能的約束限制等約束條件。如對于分壩段而且分倉澆筑的重力壩,在其下游倉快達到壩頂時,可能存在并峰問題,這時可能同一壩段的兩個倉位在到達并峰高程后,要相互等待?；蛘邔τ诨炷凉皦?有的跨壩段孔洞需要安裝鋼襯,同樣存在需要相互等待到達同一高程的問題等等。
計算機三維仿真技術范文3
關鍵詞：計算機仿真技術；建筑工程；應用研究
1計算機仿真技術應用于建筑施工中的意義
計算機模擬技術在總體的工程規劃等各個方面給其他的單位以及專業建筑設計人員提供了正確的技術引導。這種考慮涉及了建筑內部結構的復雜性與多變性，因此在建筑設計研究時不得不在建筑施工工藝設計方面謹慎進行考慮，從而可能涉及到信息化是建筑設計的一個全部內容，在此類設計方面，關于優化設計方案、現場信息化施工等較為少見，這就間接體現了目前我國的建筑過程工程建設在應用信息化設計技術上普遍存在的不足。仿真技術的出現大大程度地彌補了這一技術的不足，仿真技術因其具備交互性、高度模擬性等諸多優點，通過它自身建立的可視化設計模型和數字幾何三維模型，不但能同時滿足設計師、業主、施工方等單位的施工設計需要，對多種建筑施工設計方案展開了模擬、驗證、對比和設計優化，并最終可以找到一種最優的可視化施工模型設計方法，實現低廉的施工成本、短時間的工期、高質量的技術經濟效益施工目的。不僅如此，由于計算機仿真技術可以重復進行多次高仿真實驗，還有利于減少工期，提高工程的質量?？梢姡抡婕夹g給建筑工程的發展帶來了一定的時代機遇和挑戰具有歷史意義，虛擬現實仿真技術在其施工設計過程中的廣泛應用無疑直接決定著其施工設計方案的品質優劣與否，它的應用一方面對我國建筑工程的設計與施工產生影響，另一方面也直接決定著建筑工程的品質與設計方案。
2計算機仿真技術在現代建筑工程設計中的重要應用
2.1仿真施工技術的應用研究
從一定層面上講，建筑施工過程就是將設計者的建筑設計圖紙現實化的過程，將虛擬的圖紙進行實際建造的過程具有十分重大的意義。然而，由于建筑工程其本身的復雜性，所使用的設計方案和設計技術非常繁多，這也導致了在實際建設工程中，圖紙需要根據情況的不同發生變化。圖紙在經過初始設計后，必須經過多次的矯正和糾錯，實際的建造與設計具有相當大的差距。并且，在傳統的建筑工程設計中，為了保證建筑工程的安全穩定，保障建筑施工的順利進展，通常會憑借大量的經驗積累，來應對建筑項目施工時的一些問題，但是正因為沒有進過理論驗證的經驗很可能造成嚴重的安全事故。目前，建筑結構趨向復雜，傳統的施工設計技術已經無法適應全新的設計結構，計算機仿真技術能夠有效發現建筑設計的漏洞和缺點，改善施工技術的盲點，降低人的主觀觀念對設計方案的干擾，更大程度上保證了建筑設計方案的安全性和穩定性，進一步提升建筑工程的質量，減少施工成本、耗材。
2.2仿真系統的應用研究
計算機仿真系統是建筑工程設計應用仿真模擬技術的重要基礎，利用計算機仿真系統，能夠直接模擬出建筑項目的施工過程以及施工周圍環境的真實情況，且具有非常真實可靠的效果。利用計算機仿真系統，建筑設計人員可以將設計圖紙的內容以及建筑現場的周圍景象進行直接的計算機建模，呈現出三維的立體影像，同時能夠將影響建筑項目的諸多因素，如：交通網絡，建筑場景進行詳細的模擬，使得設計人員能夠實時了解建筑施工的進度和各類條件，以便于更加合理地對設計方案做出規劃和修改。計算機仿真系統能夠將場景做出高度模擬的效果，使得每一個虛擬物體與對應的實體擁有相似的視覺真實效果，更有利于設計者的發揮。
3計算機仿真技術在建筑結構的施工過程中的應用
目前，隨著社會發展加速，城市建筑結構趨向于復雜化、高層化，部分結構復雜的建筑的設計需要從部分到整體，不僅難度很大，在施工階段中出現的突發性變化也很多，因此，對于施工設計的各類細節需要格外地注意。復雜建筑結構在不同的施工工序中，所面臨的負載情況、受力特性、結構形態均有差異。在一項復雜結構設計施工完成之后，整體將會保持暫時的平衡狀態，但是，一旦開始下一步結構施工，原始的平衡狀態又會被打破，必須進行相應的施工工序才能在每一階段保證整體結構的平衡穩定。正因為復雜結構施工需要注重的因素有很多，一旦施工操作稍有不慎，便會埋下很嚴重的安全隱患，極易發生安全事故。計算機仿真技術能夠模擬施工操作階段，對施工過程進行全方位的監控，能夠及時發現漏洞和錯誤，對施工過程進行全面的追蹤，更加容易控制施工階段的各種不確定因素。
4計算機仿真技術在建筑施工設計過程中的應用
計算機仿真技術促進了工程三維動畫的成功出現，打破了設計師在傳統建筑施工過程中只能直接依靠施工經驗數據分析確定施工過程的操作模式，為一個現代化的設計師在建筑施工過程中提供了一個便捷有效的數據分析和解決手段。通過仿真技術三維動畫對建筑施工過程的細節進行了分析，專家、施工的專業技術人員以及施工的業主就可以盡可能對建筑施工的全過程甚至重要的是每一個關鍵細節都盡可能進行清除和了解。此外，工程中會容易遇到的重難點以及施工的關鍵環節，都可以通過虛擬的仿真技術以虛擬三維動畫的表現形式清晰地展現了出來，而且還使設計師可以根據施工業主的實際所需要求進行合適的設計和調整，并及時的修改其原有的建筑施工設計方案。
5計算機仿真技術在施工安全方面的應用研究
保證建筑工程在項目施工與投入使用兩階段的安全穩定，是目前建筑行業做最為關注的重點，被認為是必須加強的重要主題之一。在傳統的建筑工程設計模式下，很難對建筑項目出現的安全隱患做出預測，計算機仿真技術的廣泛應用，為施工操作人員與方案設計者同時提供了控制建筑工程質量水平的有力技術，使得建筑工程安全管理水平大幅度提高。
5.1進行施工安全控制的方案優化
在對建筑工程的施工安全控制分析中，如果能夠采用先進的虛擬數據仿真技術對其進行數據分析，可以及時發現很多一些傳統模式下安全控制無法及時發現的問題和隱患，同時也可以能夠對不同類型的建筑施工安全控制解決方案的數據進行一個相應的數據模擬分析演練，并對數據進行了比較，最終可以確定得出—個最佳的安全控制方案，實現施工安全控制解決方案同相關的施工成本控制、資金成本預算、損耗成本控制等各個方面的效益最大化。
5.2如何實現安全演練與事故預防的最優化
建筑工程的消防通道以及防災防害設施，關系著群眾的生命財產安全，但是一直無法得到很好的效果檢驗，利用計算機仿真技術，我們能夠模擬建筑工程在面對這些極端災害時所表現出來漏洞，從而加以改正。實現安全演練的優化方法，有幾點方面需要注意。首先，安全消防工程師必須深入了解建筑工程內部的結構特點，利用自身豐富的工作經驗，對容易發生安全事故的環節進行細心檢查，并同時利用計算機仿真技術建立三維動態模型，為安全事故的發生做好預防工作；其次，利用計算機仿真技術實現人員在緊急現場逃生演練的應急模擬，從而規劃好逃生路線，并解決其中顯現出來的安全問題。
計算機三維仿真技術范文4
（北京理工大學軟件學院，北京100081）
摘要：在信息時代，網絡交流無論在深度還是在廣度上都顛覆了傳統意義上的交流，成為人們生活的重要組成部分，它不但滿足了人們的內在需要，擴大了人們的社交范圍，而且改變了人們的生活方式。計算機仿真技術作為一門專門利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術，為促進網絡社會的交流提供了較好的技術基礎。本文通過對計算機仿真技術和網絡虛擬交流平臺的研究，對仿真技術在促進網絡交流方面的技術突破點進行了詳細的介紹。
關鍵詞 ：仿真技術；網絡交流；虛擬；關鍵突破
DOI：10.16083/j.cnki.-1296/G4.2015.02.066
中圖分類號：O245文獻標識碼：A文章編號：1671—1580（2015）02—0151—02
本文受國家科技支撐計劃項目（2012BAH38F01-05）資助。
收稿日期：2014—09—12
作者簡介：張福泉（1975— ），男，福建福州人。北京理工大學軟件學院在讀博士，閩江學院計算機科學系，副教授，研究方向：流媒體智能存取技術，智能化數字表演與仿真技術。
一、虛擬網絡交流的重要平臺及其發展趨勢
隨著網絡技術的發展，人們的交流方式發生了巨大的變化，低效率的傳統交流方式逐漸被網絡交流方式所取代。網絡交流以網絡作為信息的載體，將互聯網作為交流分享的平臺，極大地提升了交流的即時性和效率。
當前，網絡交流平臺主要包括即時通信交流平臺、信息互動平臺、網絡商品交易平臺和在線交流平臺。無論人們在哪一個平臺進行網絡交流，對交流過程的快速、真實、便利的追求都永無止境，這極大地推動了仿真技術等計算機網絡技術的進一步發展，也為仿真技術的發展指明了方向。首先，雖然網絡交流平臺的種類越來越多，網絡交流的方式越來越繁雜，但是，單一的網絡交流平臺無法滿足人們的需要，未來網絡交流平臺不僅能實現“現實人”與“虛擬人”的交流，還將實現“現實人”、“虛擬人”以及“虛擬物”之間的交流。其次，網絡交流平臺畢竟都是虛擬環境下的交流，無法滿足人們相互之間真實的精神情感交流的需要。隨著計算機網絡技術的發展，網絡交流的可視化、智慧化以及無障礙交流必將成為新的發展趨勢，追求虛擬現實世界成為計算機仿真技術的發展方向。
二、可視化仿真技術在虛擬網絡交流中的技術突破
可視化仿真技術指的是將仿真中的數字信息變為直觀的、以圖形圖像形式表示的、隨時間和空間變化的仿真過程呈現的技術手段。可視化仿真技術是仿真領域的重要研究分支，包括了可視化算法、實時繪制、圖像生成、多通道及多視點顯示、人機交互、分布式與并行計算、軟件工程學、效果評估等理論技術以及各行業相關的建模技術，等等。
（一）可視化仿真軟件的智能化、自動化。隨著網絡交流的不斷深化和發展，實體動態、智能視點選取成為可視化軟件的發展潮流。1.實體動態生成。在仿真開始前先在想定仿真節點編制好態勢變化的想定文件，在仿真過程中通過節點的仿真軟件對想定文件進行動態解析，從而實現對不同仿真節點的動態匹配。實體動態生成技術的優點在于將網絡交流的不同需求進行分散化建模，簡化了仿真建模的復雜性。2.視點智能選取。Vega是可視化視點選取使用較為廣泛的工具，帶有靜止、運動模式等多種視點方式，但是，Vega等工具的固定觀看模式無法充分體現復雜系統仿真過程中各個實體、事件、環境、場景、系統的實時運動變化情況，要實現對虛擬環境的實時、動態的視點管理，就需要全局漫游、俯視以及智能眼視點等模式。
（二）可視化仿真建模的三維實體柔性技術。智能視點實現了對具有固定實體的動態實時仿真，對于沒有固定形狀，并且隨著時間和過程不斷變化的實體，例如云、風、煙霧彈等柔性體，則需要采用柔性仿真技術，通過對物體的運動特性、機理以及作用建立起這些柔性體特殊的動力學和運動學模型，進行可視化繪制，實現對柔性體的三維仿真。
（三）可視化仿真實時性和逼真度的技術實現。實時和逼真是虛擬網絡交流追求的兩個重點，在技術進步的基礎上實現兩者的最大突破成為可視化仿真技術不斷進步的動力。在硬件方面，通過提升計算機運行芯片的計算性能和處理模式來實現快速繪制；在軟件方面，借助網絡技術以及網格技術的并行計算、分布式計算，可以逐步優化軟件結構和代碼，減少計算量，從而提升繪制速度。
（四）非視覺物理量的可視化技術。在現實社會中不僅存在看得見、摸得到的實體，還存在不可見的非視覺物理量
（例如磁場、溫度場、水聲場、電場等）
。要實現虛擬社會交流的真實性，非視覺物理量的可視化技術也是非常重要的突破。非視覺物理量可視化仿真的關鍵技術是三維數據場仿真，一般通過兩個途徑來實現：1.對三維數據生成的等值面進行繪制，這是基于面的可視化，主要方法有切片技術、幾何變形曲面法以及網格劃分法等。2.將三維數據投影到計算機，再通過體繪制技術進行繪制，這是基于投影的可視化。
三、虛擬現實技術在促進虛擬網絡交流中的關鍵突破
虛擬現實（VR）技術通過虛擬的“現實人”體驗來表達、獲取信息，集合了多種計算機技術，例如人工智能、控制論、數據庫、計算機圖形學、實時計算技術、人機接口技術、電子傳感技術、機器人、多媒體以及遙現技術，等等，是一種最有效模擬“現實人”在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。通過VR技術，創造出一個“現實人”可以與虛擬世界進行對話、虛擬世界對“現實人”的行為作出反應的人機交互環境，同時，表現出虛擬世界的自律、臨場感，使得“現實人”具有身臨其境的感覺，這也正是人們在進行虛擬網絡社會交流時所極力追求的體驗。
（一）VR的視覺表現技術。真實感以及圖形圖像實時繪制是實現VR視覺感知的重要手段之一，也是構造虛擬環境的核心，更高、更強的真實感和實時性不但保證了VR系統的沉浸感和交互性，而且也是VR視覺表現技術所追逐的重要目標。圖形圖像繪制是VR視覺表現的基礎，一般可以分為：1.圖形繪制技術，主要研究真實感光照計算、自然景物繪制以及紋理映射等；2.場景繪制技術，包括全光函數、光場計算、同心拼圖、全景拼圖等研究內容；3.圖像與圖像相結合的繪制技術，包括幾何一致性以及光照一致性等方面的內容。
（二）VR的聽覺表現技術。聽覺是人類感知世界的重要信息來源，虛擬社會中的每一個發聲體都是“現實人”感知虛擬社會信息的一個重要來源。事實上，我們在網絡上感知的聲音素材大部分都是數字化音頻，由于不具有空間信息，無法體現虛擬社會聽覺空間的真實感和立體感，而通過描述人的聽覺系統對不同方位聲音的不同頻譜特性（頭部相關傳輸函數：HRTF），例如雙耳時間差、聲級差等，可以建立起虛擬聽覺空間（VAS），其中的聲音定位技術是實現三維逼真音效的關鍵技術。
（三）VR的力/觸覺表現技術。VR通過力/觸覺設備對力/觸覺信息（主要包括碰撞檢測和碰撞響應）進行高效處理，在客戶操作力/觸覺設備時，碰撞檢測算法對“現實人”與虛擬對象的碰撞情況進行檢測，并在發生碰撞后運行碰撞響應策略。
（四）VR的嗅/味覺表現技術。在現實社會，人的嗅覺是由化學刺激產生的，而且氣味間細微的差別都會引發不同人的不同反應，顯然，要對虛擬社會的嗅/味覺進行高仿真，現在還存在一定的困難，這也將成為未來VR技術研究的重要方向，現階段有許多科學家進行了有益的探索。例如：Amoore J.E就曾想用基本的七種氣味來進行合成，但真實度不高。
雖然仿真技術為促進虛擬網絡交流進行了各種關鍵技術的突破，實現了虛擬社會的可視化和可交流，但離現實社會中人與人的真實交往還存在一定的差距，而且虛擬社會中“現實人”、“虛擬人”以及“虛擬物”的相互交流還存在一定的障礙，需要進行進一步的仿真技術研究才能更好地實現。
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參考文獻］
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［2］王平，陳智剛，郭光全，孫玉振，李益強.基于Vega的爆炸毀傷視景仿真技術研究［J］.爆破器材，2013（4）.
［3］王濤.基于UDK的數字校園虛擬現實引擎關鍵技術的研究［J］.軟件工程師，2014（4）.
計算機三維仿真技術范文5
[關鍵詞]游戲引擎；機械動力仿真；虛擬現實技術
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的開發，更多的滲透到了教育軟件開發、虛擬現實應用、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，將為開發教育游戲中的虛擬物理實驗、網上數字科技館、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。
傳統的機械動力仿真技術和虛擬現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。傳統的機械工業仿真技術缺乏交互性，設計復雜，表現單調。隨著多媒體技術、計算機動畫技術、虛擬現實技術、網絡技術等技術的滲入，以VRML（Virtual Reality Modeling Language虛擬現實造型語言）或Cult3D為代表的技術給機械仿真領域帶來了交互性，但是由于傳統的虛擬現實技術固有的特性，如運動行為的硬編碼、交互性差、畫面不流暢、系統實現復雜等，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勢和更大的發展前景。
本論文研究的技術充分利用了游戲平臺的優勢，它不僅具有傳統虛擬現實系統所有的優點，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]機械仿真技術的發展為機械工業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的仿真提供了更好的基礎。
我國機械系統傳統的計算機輔助工具多數是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，不利于網上傳輸和遠程控制。同時這種方式建立的三維模型是靜態的，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方法的不足。因此，運用虛擬現實的方法實現機械設計系統成為必然。傳統的機械仿真都是代碼編寫控制的運動效果，沒有實現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，機械工業虛擬仿真技術由于其復雜性、綜合性決定了開發的困難，因此勢必需要一些工具來輔助開發，游戲引擎由于其本身的特點，成為開發機械工業虛擬系統的有力工具。
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、3D模型和圖像庫、網絡引擎、輸入系統。三維游戲引擎中各子系統關系可由（圖1）表示。
2.游戲引擎技術的優勢
（1）利用游戲引擎可以簡化系統制作的復雜度，縮短開發時間，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提供了保障，這也是不同于其他虛擬現實技術的閃光點。
（3）該游戲引擎能快速嵌入到網頁中運行，因此，極大的活躍了網頁式三維虛擬現實技術，因為傳統的三維網頁虛擬技術在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，這樣使得開發者可以及時瀏覽和調整系統。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的機械動力仿真系統，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”，大多數腳本語言都是面向對象的編程特點，具有封裝、多態、可復用性等特性。簡單易學，使虛擬系統設計者易于開發應用。
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，將其規格化、最佳化，以利于程序重用技術。利用引擎不僅可以開發出“景物真實、動作真實、感覺真實”的三維系統，更重要的是利用它我們可以節省大量的人員和資金，簡化系統制作的復雜度，縮短開發時間，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、動態編譯和可視化編輯功能有效解決了傳統的虛擬現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。從開發方面考慮，該引擎的腳本語言近似c#或javascript，使得開發輕車熟路，而且腳本是動態編譯的，運行速度和匯編接近，不會因為腳本的問題而影響系統的執行效率。從方面考慮，該引擎支持跨平臺，而且用該引擎開發的作品可以通過網頁直接運行，是3D虛擬現實作品輕松實現網頁漫游的良好解決方案。
參考文獻
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計算機三維仿真技術范文6
[關鍵詞] 虛擬制造 仿真 應用
一、引言
隨著經濟的全球化和社會的信息化，市場競爭日益激烈，制造企業為了在競爭中求得生存與發展，就應該以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本和最優的服務滿足不同顧客的需求。隨著信息技術的迅速發展和企業市場競爭的需求，美國20世紀80年代后期提出了虛擬制造技術，并在20世紀90年代得到極大重視并得到迅速發展。
二、虛擬制造技術定義
虛擬制造 (Virtual Manufacturing簡稱VM）是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制產品制造的本質過程，以增強制造過程中各級的決策和控制能力。它為工程師們提供了從產品概論的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環境，使得制造技術發展到了全方位預報的新階段 。
三、虛擬制造方法具有以下特點：
1.全新的研發模式：虛擬制造技術中，設計者采用三維方式，建立全關聯的的數字模型。當需要繪圖數據時，可以方便地從三維模型中抽取，實現三維數字無圖紙設計，同時還要求進行產品總體的模型設計，而不僅限于設計單個部件或零件，設計者需要了解零件如何制造、裝配，并應用于設計過程，各專業人員不再分開獨立地工作，而是按照項目進行組織并同時開展工作，能夠很好地解決設計過程中的同步問題。
2.降低研發成本、縮短研發周期、提高產品質量：通過計算機技術建立產品的數字化模型，可以完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗，從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優方案，減少了物理樣機的數量，縮短了研發周期、提高了產品質量。
3.實現動態聯盟的重要手段：通過網絡實現并行設計和制造，具有傳遞快速、反饋及時的特點，進而使動態聯盟的活動具有高度的并行性。
四、虛擬制造的關鍵技術
虛擬制造技術涉及面很廣，如環境構成技術、過程特征抽取、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等，其中后三項是虛擬制造的核心技術。
1.建模技術：虛擬制造系統的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。生產模型可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是指系統生產能力和生產特性的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產過程。虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型，包括三維動態模型，干涉檢查，應力分析等。工藝模型是將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。
2.仿真技術。仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到一系列的統計性能。目前廣泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三維軟件能較方便的構建三維模型，虛擬樣機是基于三維模型的產物，能完成結構分析、裝配仿真及運動仿真等復雜設計過程。
3.虛擬現實技術。虛擬現實技術VRT（Virtual Reality Technology）是綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境（稱為虛擬環境）中提供沉浸感覺的技術。由圖形系統及各種接口設備組成。在計算機上建立起的虛擬制造環境是一種接近人們自然活動的一種“自然”環境，可以充分發揮技術人員的想象力和創造能力，相互協作發揮集體智慧，提高產品開發的質量和縮短開發周期。
4.虛擬制造的分類。按照與生產各個階段的關系,虛擬制造可分成三類:(1)以設計為中心的VM，這類 VM 是將制造信息加入到產品設計和工藝設計中，并在計算機上進行數字化制造，仿真多種制造方案，評估各種生產情景，通過仿真制造來優化產品設計和工藝設計，以便作出正確決策。(2)以生產為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到生產計劃模型中，以便快捷化評價生產計劃，檢驗工藝流程、資源需求狀況以及生產效率，從而優化制造環境和生產供應計劃。(3)以控制為中心的VM，這類 VM 是將仿真能力加到控制模型中，提供對實際生產過程的仿真環境，即將機器控制模型用于仿真，其目標是實際生產中的過程優化，改進制造系統。
5.虛擬制造技術在制造業中的應用。虛擬制造技術首先在軍事、航空航天、汽車領域中獲得成功的應用。例如波音飛機公司777飛機的設計，就是采用虛擬制造技術的典型范例，設計、裝機、測試均在計算機中完成模擬，實時采集和處理數據并及時解決設計問題，使得最終制造出來的波音777飛機與設計方案誤差小于0.001英寸，保證一次試制成功。
目前虛擬制造技術應用得比較成熟的有：產品的外形設計、產品的布局設計、產品的運動和動力學仿真、熱加工工藝模擬、加工過程仿真、產品裝配仿真、虛擬樣機與產品工作性能評測、企業生產過程的仿真與優化、產品的廣告與漫游等。
五、結語
采用虛擬制造技術，在三維可視化虛擬環境中，能充分發揮設計人員的想象力和創造力，使設計人員的經驗和科學的計算分析完美地相結合，推進了產品設計的創新與發展，提高了機械產品的創新開發能力。隨著制造技術和網絡技術的發展，虛擬制造技術方面的研究將會進入一個更加嶄新的階段。
參考文獻：
[1]嚴雋琪等:虛擬制造的理論.技術基礎與實踐.上海交通大學出版社,2003：1～24
[2]王志新:虛擬技術及其應用.上海理工大學學報第20卷,第1期：49～55
