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虛擬現實與仿真技術范文1
關鍵詞：虛擬現實；交通環境；仿真
中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)11-2694-02
Simulate 3D Traffic Environment Based on Virtual Reality
HE Bi
(Department of Civil Engineering, Shandong Jiaotong University, Jinan 250357, China)
Abstract: On the basis of the requirement of 3D traffic environment simulation, the structure elements of 3D traffic environment was analysis, the steps and method of environment simulation was discussed, the application of virtual reality in 3D traffic environment simulation was researched, at the end, one sample of simulating 3D traffic environment based on virtual reality was provide and the key program code was supplied.
Key words: virtual reality; traffic environment; simulate
隨著城市人口數與機動車保有量的不斷攀升，交通出行的需求與交通設施服務供給之間的矛盾不斷升級，交通擁堵的發生頻率和嚴重程度也不斷上升。解決交通問題有兩個思路，一是改建和擴建現有交通設施體系，二是提高交通管理水平，其中提高交通管理水平是充分挖掘現有交通設施體系潛能，緩解交通壓力的有力手段，交通信息化管理是提高交通管理水平的一個重要措施，交通信息化管理的基礎是交通設施系統的數字化，利用虛擬現實技術對三維交通環境進行仿真是交通設施系統數字化的重要方式。在虛擬現實技術的支持下，三維交通環境在計算機平臺上進行仿真，車流、人流等交通要素能夠在仿真環境中進行模擬運行，從而為不同的交通管理方案提供了低成本的試驗條件。
1 仿真系統總體設計
三維交通環境仿真系統包含路面、標志標線、指示牌、路燈照明系統、隔離帶、綠化帶等所有交通要素的仿真，交通要素通過統一坐標系集合在一個空間參考系中進行管理。仿真系統的總體結構如圖1所示。
其中，環境設置單元和空間坐標單元是系統的基本設定，通過這兩個單元，可以確定系統的背景顏色、坐標原點等控制性的要素，從而為每個交通要素所處的位置起到一個參考坐標系的作用?；驹煨蛦卧屯獠吭匾雴卧淖饔檬菢嬙旄鞣N交通要素，通過系統內在的基本造型（如立方體、圓柱等常用圖形）以及外部提供的實景照片等來完成各種交通要素的構建。人機交互單元是實現仿真系統能動性的關鍵，通過人機交互單元，人們可以從多角度來以各種方式控制仿真場景的變換。
2 虛擬現實技術下的仿真系統開發
仿真系統利用虛擬現實建模語言VRML開發，編輯器采用VrmlPad工具，而編譯器采用CortVRML，系統的最終瀏覽通過IE瀏覽器進行瀏覽。VrmlPad是一個體積小巧、使用方便、功能強大、可即時預覽分部造型單元并提供元素結構樹型目錄圖的虛擬現實建模語言編輯器，通過它所編寫的虛擬現實代碼經過CortVRNL編譯器的編譯即可供最終用戶瀏覽虛擬現實環境。下面以三維交通環境模擬中的幾個典型功能的代碼進行示例：
2.1 環境特征的設置
環境特征的設置是指在系統中設定交通環境的背景特征等基本要素。
Background {
skyColor[0.2,0.9,0.2] } // 以RGB值來定義背景顏色，三個參數代表R/G/B的份量，從而確定仿真系統背景的色彩。
2.2 地物創建
地物創建是指利用系統中可調用的不同外形的立體圖形來創建不同的地物對像。
Transform {
translation 2 2 4 // 定義地物造型出現的位置
children
Shape
appearance Appearance
material Material
diffuseColor 1 0 0 // 定義地物造型的表面顏色
geometry Cylinder } //定義地物造型的形狀
2.3 外部地物要素的引入
外部地物要素的引入是指在系統中可調用的形狀對像不能滿足需要時，從系統外部引入相應的形狀來表達不同的地物，例如可以引入實地拍攝的樹木的圖片進行貼圖從而表現樹木。
Transform
{translation 0 1 1//確立要放置圖片的位置
scale 0.3 0.3 0.3 //確定放置圖片的容器的大小
children
Shape
appearance Appearance
texture ImageTexture
url "tree.jpg" //引入外部圖片的語句，這里用的是絕對路徑，也就是說圖片應該放在虛擬現實
主程序所在的路徑下。
geometry Box {} }// 建立圖片貼圖的窗口，這里以一個立方體為容器。
2.4 人機交互的設定
人機交互的設定是指實現用戶與系統之間的交互操作，例如利用不同的視點變化時，用戶能看到不同的場景角度來實現交互式操作。
DEF view1 Viewpoint
{ position 0 0 20
description "view"} //定義第一個視點
DEF view2 Viewpoint
{ position 5 0 20
description "view2" } //定義第二個視點
Transform {
translation 0 0 0
scale 1 1 3
children
Shape
appearance Appearance
material Material
diffuseColor 0 0 1
geometry Box {}
DEF touchbox TouchSensor {}}//定義一個觸發器
ROUTE touchbox.isActive TO view2.set_bind//例如觸發器被激活時觸發相應的事件來實現人機交互
以上代碼在Windows XP SP2+VrmlPad2.1+CortVRML+IE7.0的開發與瀏覽環境中調試通過。
3 結束語
隨著交通需求的日常增加，交通管理難度也隨之加大，利用先進的信息技術來解決交通行業中的各種問題是一條必由的道路，而虛擬現實技術支持下的交通環境仿真能夠以極大的真實性、精確性來模擬現實交通環境，從而為各種交通解決方案提供一個良好的數字化實驗平臺，為管理部門的各種解決方案的低成本仿真、預測、檢驗等提供保障，同時也是交通建設成果的良好展示平臺。
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虛擬現實與仿真技術范文2
自20世紀9O年代以來，以計算機仿真技術、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現，并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段，虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊，并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。
2．虛擬仿真技術簡介
虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。
2．1虛擬現實技術
虛擬現實技術就是利用三維建模技術，構建一個與現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產品設計與展示、商業廣告、游戲設計等。
在航空電子裝備教學中，大量用到對裝備的外觀、結構、組成、連接、機安裝位置的展示，傳統教學大都采用實物展示的方法。近年來隨著大量航空電子裝備的更新換代，因受經費、場地及使用壽命等因素的限制，傳統教學方法已遠遠不能滿足要求，而采用虛擬現實技術的展示方法則以其廉價、無場地限制和效果良好得以廣泛應用。
目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿真的開發，主流平臺CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫OPENFLIGHT已經成為了工業標準，在軍事、航空航天等領域應用都比較成熟。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用rVegaPrime、GLStudio和EON作為視景仿真開發的技術平臺，解決物理模型的創建、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級的視景仿真效果．同時采用嵌入OPENGL技術來解決物理模型的交互問題。
2．2系統仿真技術
系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科．它通過建立實際系統的數學模型，利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、研究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式的仿真，也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域，后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業部門，并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。
在航空電子裝備教學中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述，配合一些靜態的圖形幫助學員理解．教學效果主要依賴于教員的授課水平和技巧。近年來．我們嘗試將系統仿真技術應用到航空電子裝備教學中，根據被仿真裝備的工作原理，建立系統的數學模型，并根據裝備的不同工作狀態，對模型進行動態運行．結合虛擬現實技術實現的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用．也可供學員自學，并達到了較好的教學效果。
目前，有許多成熟的系統仿真開發平臺軟件．如Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數據接口．仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。
3．虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟
3．1建立仿真模型
這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型，也包括揭示其內在工作機理及行為的數學模型。對三維物理模型的建立，主要依據裝備本身的物理狀態，其原則就是在盡量減小面數的同時提高逼真度。對系統數學模型的建立，則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化，本著夠用為度的原則，以盡量減小運算量。建立數學模型時，還應考慮到系統運行時的參數調整。
3．2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動
對于虛擬場景的驅動，根據使用方式的不同采用了不同的方式如果進行的僅是裝備外觀、結構的展示，可使用EON進行動作的編輯和驅動；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用GLStudio軟件先進行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用VegaPrime驅動以實現更復雜的交互操作。
3.3系統集成
系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起，使之成為_個完整的、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用軟件開發平臺的運行插件，因此，系統集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。
系統集成時，還需要將系統行為仿真的結果通過視景仿真表現出來，即用行為仿真的數據來驅動三維物理模型的動作。由于系統行為仿真采用了專門的運行平臺，與視景仿真處于不同的系統進程中．因此這種驅動是通過兩進程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。
虛擬現實與仿真技術范文3
關鍵詞：工科院校；三維仿真技術；虛擬現實技術；教學應用
1.引言
隨著時代的進步，科技的要求。工業生產及其制造業愈發顯得重要。伴隨著德國工業4.0的提出，所謂的第四次工業革命已經蓄勢待發。為了時代的需求，世界各國相繼推出了工業改革計劃與發案，共同推動世界工業化的再一次升級。這不僅是時代的挑戰與機遇，也是國家的挑戰機遇。
在工業4.0的背景下，工科院校在人才培養方面顯得極其重要。這不僅是國內工科院校的機遇更是挑戰；社會對工科類人才的要求，不僅僅在理論知識方面，更重要是能掌握先進技術，擁有實際操作能力及工程經驗。工科教學要以實踐為基礎，培養其動手能力[3]；首先優化教學方式，根據學校的實際情況，將三維仿真技術運用到實際教學中，改善傳統的教學方式，使學生從課堂上獲得實際的操作能力，如同在工廠一般，不僅是理論知識的獲得，更是實際能力獲得，充分體現工科學生的最基本素質：主動思維判斷與綜合分析能力、解決實際問題的能力、工程設計能力、創新與創造能力、復合能力[4]。通過三維仿真技術將實際的模型、設計、實驗等實際場景與效果展示給學生，從而真正的實現解放課堂，優化課堂，培養出真正的工科類的杰出人才。
2.三維仿真技術的發展現狀
2.1.國外
自從1962年，Morton？Heilig發明實感全景仿真機以來，三維仿真技術便在美國、歐洲、日本等一些國家和地區迅速開展起來。隨著科技的進步，時代的發展，三維仿真技術與虛擬現實技術越來越受到世界各國的關注，以三個I為代表，即Immersion（沉浸感）、Interaction（交互性―）、Imagination（思維構想性），作為三維仿真技術與虛擬現實技術最本質的特點，在發展的過程中融入了其它相關的先進技術。近些年，三維仿真技術結合虛擬現實技術在世界各國普遍應用，不僅在軍事、航空航天、地理地形、工業領域[1]，更在生活、交通、教學研究、旅游等領域普遍運用起來；如英國路虎汽車采用人性化的仿真虛擬技術向客戶提供模擬車型體驗；美國先靈葆雅公司生產的抗過敏藥開瑞坦在廣告中將三維虛擬技術應用于廣告人物形象等。
與此同時，眾多世界名校也運用三維仿真技術與虛擬現實技術，開展教學與科技研究，如：美國北卡羅來納大學（UNC）、麻省理工學院（MIT） 、華盛頓大學、喬治梅森大學；日本奈良尖端技術研究生院大學、東京大學等世界名校早已在上個世紀就開始了相關方面的技術研究。幾十年的發展使美國、德國、英國、日本等一些發達國家，在這個領域已走在世界前列，并迅速融合到生活的各個方面。不僅使國家經濟有所提升，更從科技及教學等眾多方面有了極大的突破。
2.2.國內
隨著國際間的競爭日益激烈，國家對科技的重視更加重視，國內部分研究機構開始發展中國的三維虛擬仿真技術。由于國情的原因，中國在這方面的技術與世界的發展水平有一定的差距[1]，但近些年的努力使我國在三維虛擬仿真技術也取得了一些相應的成就，建立以一些科技研究機構，將三維虛擬仿真技術運用到工業設計與科學教研工作中。逐步走進其它領域：比如教學課堂，將三維虛擬仿真技術與理論教學只是相結合，進一步提升教學的質量。
尤其一些工科類的大學，根據學校的具體情況與實際能力，制定相關的工作計劃，融入教學工作與研究中例如：北京航空航天大學的計算機系根據自身特點，實現了分布式三維虛擬環境網絡設計，可以創造實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、適用行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺；浙江大學CAD&CG國家重點實驗室研發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和臨場感的方面進行了研究；一些相關高校取得了很大的成果，但在國內眾多學校中還未廣泛運用。傳統的教學體系依舊存在于很多高校中。
3.教學中的應用
隨著科技的進步，技術的競爭，工科院校傳統的教學方式已經不滿足現代化工業對人才的要求，培養高素質的工科類學生是學校的目標，也是當代工科院校的責任與義務。傳統課堂以老師講授為主，教授理論知識[2]，由于教學設備的不足、學生眾多、實踐地點不足、實驗室不足等一些問題制約之教學，使學生實際操作能力不足[3]，直接影響學生的創新與工程設計能力。
利用計算機作為基本工具，將三維仿真技術運用到實際教學工作中，把抽象的概念與模型用電腦展示給學生，直觀感受與真實的效果。將實踐課程運用三維虛擬仿真技術，創造虛擬空間，使學生感覺如同真實環境一般[2]，同時能進行實際操作，鍛煉學生操作能力，展開學生立體化想象空間，培養學生創造力與想象力更加便于創造與創新[4]。例如機械設計，通過三維軟件如solidworks等創造模型，通過設計、模擬、分析等各方面的仿真的出實際效果。通過有限元分析，展示零件實際運用過程中效果。使學生更加清晰、具體的了解實際現實中的特點，同時學生能自作，培養其動手能力，提升實際操作經驗。
如圖1 LED 燈受熱分布
如圖2 受熱后位移變化
運用三維仿真技術（solidworks軟件），對模型進行實體分析，通過模擬把抽象的現象直觀的展示在課堂上，避免只有理論沒有實際的模擬的教學課堂，同時解決了實驗室不足的問題。
如圖3 聚氯乙烯的懸浮聚合的模擬仿真流程圖[2]
如圖4 熱電廠生產框架圖
圖3、4是傳統教學課堂上的講授化工操作的實際流程圖與電力大學講授電廠發電過程的機構框圖，學生不能深入了解其實際過程中的現象。
理論過程與實際現實總是有一定的差別[2]。通過三維虛擬仿真技術，運用Solidworks、 3Dmax、Flunent等軟件模擬實際場景效果，創造立體環境，將實際過程的每個用動畫場景展示，避免工廠實踐和一些實踐過程存在的問題[2]，更加直觀了解生產的環節，從而達到理論與實踐相結合的效果。培養出具有創新與創造能力以及實踐經驗的工科類人才，適應社會的需求，顯示工科類院校的特點。
4.結束語
本文簡單闡述了三維仿真技術國內外的發展現狀，以及在工科教學中的應用及相關成果。三維仿真技術應用于工科教學中，優化教學資源，極大的提高教學的質量，同時解決院校資金不足與教學設備不齊全的問題。解放了學生思想空間，在教學中從分的發揮了學生的主體地位與作用[1]，激發學生積極、主動地參與教學過程中；培養其獨立創新素質與實踐的能力。將工業生產過程中流程及原理，通過三維仿真技術直觀、具體的展示給學生，發揮其優勢。
然而三維仿真技術在國內教育領域還處于自發狀態，尚未形成完善的、良性循環的、自覺開發和應用的體制[1]，這將是教學改革的機遇與挑戰。
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作者簡介：
虛擬現實與仿真技術范文4
[關鍵詞]虛擬現實技術 機械工程 應用狀況 應用方式
中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）15-0338-01
一 虛擬現實技術簡介
虛擬現實技術是21世紀才逐漸發展起來的全新技術，它概念的在1980年首次提出，是一項以計算機仿真技術為基礎的，與許多相關聯的綜合型技術，由于它發展歷史較短，目前對它還沒有一個統一的標準定義，籠統的講，虛擬堅實技術就是一個通過計算機仿真技術，計算機處理技術以及信息處理技術等手段對生活中的真實對象及其物質運動過程進行虛擬模仿的技術，它能夠為我們建成一個形象逼真的虛擬環境，是我們能夠在這一環境內進行工程上的操作并感受真實的運動過程。總之通過虛擬技術可以實現人機交互，對一些工程實例進行逼真模仿，為后續的制作工作奠定良好的基礎。
二 虛擬現實技術的特征及關鍵技術
作為一項全新的綜合技術，虛擬現實技術與傳統的技術相比具有許多新的特點，具體包括以下幾點：
（1）逼真性：這是指觀察者對由這一技術所創建的虛擬世界的真實感受，虛擬現實技術通過仿真技術和信息處理技術創建出虛擬世界，并允許用戶通過各種感官來體會發生在這一虛擬空間中的一切，給使用者以最逼真的感覺。
（2）相關性：這主要是指在虛擬世界中用戶和計算機的溝通程度，利用虛擬現實技術，用戶可以與計算機之間進行深入的溝通，不僅可以利用鼠標，鍵盤還可以利用指紋，聲音等其它手段，同時還可以利用一些監控設備來監控人機溝通的過程。
（3）全方位性：利用虛擬現實技術所構成的人機交互系統中包含視覺感應，觸覺感應，聽覺感應，嗅覺感應以及動作感應裝置，因此，在虛擬空間中，使用者可以在聽覺，視覺，徐覺以及動作等多種信息中與計算機進行溝通，不但可以給人以直觀的全方位的感覺，還能夠有效的激發人的內在潛力，提高后續工作的效率。
（4）及時性。這也是提高工程效率的關鍵，利用虛擬現實技術所構建的系統可以保證人與計算機之間的溝通，計算機的現實，以及計算機工作過程的實時性，將人機溝通以及計算機處理的時間降到最低，達到人機高度融合，人機一體的效果。
要想成功的創建一個逼真的虛擬空間，必須掌握虛擬現實技術中的關鍵手段，主要包括以下幾點：
（1） 動態建模技術：動態建模師虛擬現實技術的關鍵內容，建模的目的是得到現實環境的真實信息，三維指數等，并以這些信息為基礎來構建我們需要的虛擬環境，為后續環節創造條件。
（2） 圖像生產技術：這里所指的圖形是三維圖像，不但要保證圖像的準確合理性，還要保證圖像生成過程的實時性，為了達到實時性的要求，必須是圖像的更新頻率高于或等于15幀/秒，且在高于35幀/秒時效果最好，更新頻率的提高也是使虛擬現實技術的有效性增加的重要手段。
（3）顯示技術和傳感技術：顯示技術和傳感技術是虛擬現實系統中進行人機交互的關鍵技術，就當前的發展情況來看，現在的現實技術和傳感技術與期待的水平還差很多，并且在觸覺感應和動作感應方面還有一定的不足，另外現在的一些基于虛擬現實技術的產品的精度也比較低。
（4）系統開發技術：任何一個技術最終都是要投入實際應用的，虛擬現實技術也是如此，由此可先，系統開發也是虛擬現實技術中的一個十分重要的技術?，F在世界上用來實現虛擬開放技術的工具主要有：aVRT，它來自super cape公司，VRT可以實現具有較高水平的信息處理和人機相互的可視化平臺。b.WTK，它來自sense8公司，WTK中具有一個合成的虛擬空間的應用開發環境。c.Multi Gen，它來自Multi Gen公司，Multi Gen提供了一個具有人機交互功能的圖像建模系統。d.Vega，它來自Multi Gen―paradigm公司，在Vega可以實現聽覺感應以及視覺感應的仿真。e.IRIS performer，它來自SGI公司，可以實現三維圖像的人機相互應用。
（5）集成技術。構建虛擬空間是往往包含著大量的物質模型和感覺信息，將這些信息和模型整合起來才能成功的構建虛擬空間，集成技術就是實現這個環節的技術，現有的集成技術主要包括信息同步技術，信息轉換技術，模型標定技術，信息合成技術以及信息管理技術等。
三.虛擬現實技術在機械工程中的應用
1.虛擬設計
虛擬設計就是指虛擬人員依照概念設計的結果開始進行虛擬產品設計的過程，在這一過程中，設計者需要及時有效的分析虛擬產品的質量，一旦發現問題就喲及時更改，避免影響后續制造過程。利用虛擬現實技術可以幫助設計者高效快速的虛擬設計，具體的應用方法有以下兩種：（1）利用CAD系統構建機械模型，在這這一模型轉換到虛擬空間中，在虛擬空間里多角度觀察模型并繼續完善設計，設計者可以利用各種虛擬設備如立體顯示器來提高設計效果。（2）應用VR-CAD系統，具體過程為直接在CAD系統中應用虛擬現實技術，在展現機械模型形狀信息的同時還向用戶展現模型的材料，物理性能以及重量等信息，更加全面的展現虛擬設計的產品，幫助設計者完善虛擬設計。
發動機的虛擬設計圖如圖一：
2 虛擬制造
虛擬制造就是指用計算機仿真實際的制造過程，將虛擬現實技術與仿真技術結合起來，能將產品的虛擬制造過程形象的在三維虛擬空間內動態的展現出來，利用虛擬現實技術進行仿真還可以實現公益規劃，產品性能分析，產品功能體驗，產品質量檢查以及制造過程的監督與管理，提高虛擬制造的水平。在汽車以及飛機的虛擬制造方面，虛擬現實技術的應用尤為突出，利用虛擬現實技術進行飛機的虛擬制造時，機械設計，裝機過程以及模型測試等操作全在虛擬系統中完成，這不但降低了成本，也降低了工程難度，提高了工程效率。一個制造過程中的虛擬體驗例子如圖二
虛擬現實與仿真技術范文5
關鍵詞：計算機；仿真；制造業
中圖分類號：TP278
計算機仿真技術在制造業的作用越來越明顯，它在產品設計和整個生產流程中都發揮著不可估量的作用。這種技術的應用為開發和制造企業節約了大量的經費，減少了不必要的損失，大大縮短了產品的開發周期并提高了產品質量。計算機仿真技術在日趨激烈的制造業競爭中占有越來越重要的地位?，F代制造業的飛速發展為計算機仿真技術帶了新的機遇，同時也提出了新的要求。我們放眼計算機仿真技術的發展歷程，它已經突破了在傳統領域的運用，發展到了產品的設計開發以及銷售方面?，F代社會網絡技術的發展也為計算機仿真技術開辟了新的發展空間，使得這種技術表現出許多新的特點。如交互性、分布性，集成化等。這也將成為計算機仿真技術新的應用趨勢。
1 在制造業中，計算機仿真技術應用的分類
計算機仿真技術在制造業中按照模型種類，可大致分為三種，它以產品模型、開發模型以及制造系統模型為中心進行拓展。
1.1 仿真技術以產品模型為中心的應用。在產品模型中，計算機仿真技術的應用對產品的靜態與動態性能，可制造型、可裝配性進行分析。因為設計者在開發產品的時候，不僅要考慮它的實用功能和需求，還要考慮諸如外形，外觀以及尺寸等方面的因素，而且還要考慮產品的可制造性，可批量生產或者是在裝配、保養、維護等方面的因素。這就需要計算機仿真技術在產品模型中發揮作用。
1.2 仿真技術以制造系統模型為中心的應用。制造系統模型包括制造設備的高仿真智能運用、相對復雜的制造系統的模擬運行。在檢測設備的運行能力與實際運行狀況時，如物料供給、資源分配或者是加工流程上發揮著巨大作用。
1.3 仿真技術以開發過程模型為中心的運用。以開發模型為中心的仿真包括設計和制造過程的仿真。很多產品的性能以及生產成本在設計階段就基本定型了，設計階段對于一種新產品的開發非常重要，它需要反復設計和試驗，復雜的計算以及多學科的共同協作，這些特點決定產品的開發過程迫切需要一種能建立模型并仿真試驗的計算機仿真技術。而在制造過程中運用仿真技術將制造系統模型和產品模型結合到一起，多方位模擬，整體運算，再綜合考慮庫存、成本控制以及負載等因素，開發出合格的新產品。
2 在當代制造業中計算機仿真技術的廣泛應用
計算機仿真技術是一門高新科學技術，在當代制造業中，產品的設計和制造都離不開它，尤其是一些諸如航空航天工業、國防工業等規模大，復雜性強的系統研發中，作用更加明顯。它作為一種新型的科學手段和工具，有效地減少了不必要的經濟損失，節約了大量研究經費，并大大縮短了產品的開發周期和提高了產品質量。計算機仿真技術貫穿于產品的設計、制造和測試運行的全過程。當代企業的研發部門只有重視質量、成本、時間、服務和環境這五項指標，才能獲得更好的發展。這種需求也促進了計算機集成技術、模擬測試系統，仿真運行環境等技術的相互結合。他們已經成為制造業不可缺少的重要技術手段。上世紀八十年代以后，計算機仿真技術的發展越來越快，應用最為廣泛的就是“虛擬制造”。通過在計算機上模擬產品的設計和制造過程，提前發現在制造中可能出現的問題，減少不必要的經濟損失。
虛擬運行環境，也稱虛擬現實技術或者是靈境技術，它通過模擬人在自然環境中的感官和行動，實現高級人機互動，對產品的性能和運行狀況進行測試。它綜合運用了計算機圖形學、高仿真技術以及計算機傳感技術等多種科學技術手段?！办`境感”和“交互感”是虛擬現實技術的基本特征。通過計算機虛擬現實技術，將事物內部各種關系的交互與真實作用模擬運行，仿真出一個幾乎真實的虛擬環境讓用戶體驗，從而使用戶的感受更加真實，人機交流的方式更為先進。這種計算機虛擬現實技術，可以支持產品的各個階段，客戶可以通過虛擬的現實環境，驗證產品的各個部件是否合格，產品的性能是否穩定，功能是否能夠滿足人們的日常需要。
隨著當代制造業的發展，人們開始對仿真技術的另一個應用熱點，即虛擬產品開發技術越來越重視。并行工程的運用促進了虛擬產品開發技術的出現和發展。并行工程思想將現代哲學、文化等與現代先進組織思想集合起來，將產品的設計、制造、使用和支持過程并行運作，進行一體化的設計和開發。并行工程從產品開發之初就將投資、制造、裝配以及銷售維護等產品生命周期中各種因素考慮在內，有效地解決了產品設計與開發之間存在的矛盾。而虛擬產品開發技術就是在并行工程思想的指導下，將計算機輔助設計、CS和大型的產品數字化管理系統綜合運用，虛擬一個產品的開發環境。方便產品開發人員在近乎真實的環境下進行策劃、設計和預測產品在現實環境中的性能及其他狀況，將產品在現實工況下的真實運行能力，這樣就可以避免反復設計，不斷變更設計方案，避免因反復制作樣機而造成的資源浪費和經濟損失；方便對產品的設計進行檢驗、指導和優化，使產品的開發周期大大縮減，從而節省了大筆開發費用。在計算機仿真技術的發展中，虛擬產品開發技術是又一重要發展，它深入到產品復雜的制造過程中，產生的經濟效益不可小覷。
現在，仿真技術的應用已經從單一的系統走向開放復雜的大系統。當仿真對象分布于廣闊的時空領域，仿真任務要求將不同地理位置、不同類型（包括人在內）的仿真對象構成一個統一整體進行仿真時，產生了分布交互化仿真（DIS――Districted InteractiveSimulation）。這種仿真系統里包含有不同類型的實體―虛體、真實實體和構造實體，這些實體可以基于不同目的系統、不同年代的技術、不同廠商的產品和不同產品組成，并允許它們交互操作。DIS實現用計算機網絡將不同地點的仿真設備連接起來，通過實體間的數據交換構成時空到合成仿真環境的一種先進仿真技術。在這種復雜的分布綜合的系統進行實時仿真時，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應的處理。美國是最早研究這種技術并投入使用的國家，已經完成了多項基于虛擬仿真的DIS工程項目，相關的協議與標準已經完成或正在完成。
在制造行業，已經產生了類似于DIS的虛擬研究開發中心或虛擬企業。香港生產力促進局和香港城市大學共建的快速科技中心就是一個虛擬研究開發中心。此外，為了適應快速變化的世界市場，克服單個企業難以在短期內具備所需資源的局限性，出現了在一定時限內，為了某一市場機遇，通過網絡臨時聯結的一種動態聯盟――虛擬企業。美國波音（BOEING）公司可以把777飛機的研制、生產做到幾乎“無圖紙”的程度。波音777飛機的研制、整機設計、裝配、部件測試以及各種試飛，都是由計算機完成的。它能將開發周期從原來的8年縮短到5年，節約了數百萬美元經費。
3 結論
當代制造業中，計算機仿真技術已經成為一種綜合性的高新科學技術，它綜合了計算機技術、計算機輔助設計技術、多媒體技術、網絡技術、信息技術、軟件工程、數字化控制技術等多種科學技術，在制造業中發揮著越來越大的作用，在一些大型的復雜形同研發中，更是必不可少的重要工具，它有效地減少了企業的經濟損失，節省了大量的研發經費，使產品的開發周期大大縮減，產品質量得到顯著提高。
參考文獻：
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虛擬現實與仿真技術范文6
【關鍵詞】 虛擬實現技術 職業教育 實訓 應用實踐
運用計算機技術進行教育學習，傳統模式是人和計算機視為兩個獨立的個體，通過界面進行信息交換，就是使用者把設計要求或信息指令輸入計算機，計算機作出動作顯現反饋，而虛擬現實（Virtual Reality）是把現實中存在的或并不存在的事物和場景，通過運用計算機軟件，可以將使用者和計算機虛擬實現一個整體，通過三維立體空間和圖像工具實現信息可視化，把使用者置身于通過三維空間模擬出一個逼真的計算機環境中自由地使用各種指令信息，整個過程由計算機按照仿真軟件進行控制。
1 虛擬現實技術
虛擬現實技術（Virtual Reality），涵蓋計算機圖形（CG）應用技術、仿真技術、人機交互技術、顯示技術、傳感器技術、人工智能和網絡運行處理技術等領域內容，通過計算機通過仿真軟件生成逼真的三維空間，可以通過傳感器捕捉到使用者的信息，立即進行高速運算，運算結果轉化成精確的3D世界影像傳出，使用者在虛擬空間實現視、聽、嗅等感官感覺和完成肢體動作，自然地對虛擬世界進行體驗和互動，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。
2 虛擬現實技術在教育中的應用
在現代信息化學習方式和手段中，虛擬現實技術特別是基于網絡的虛擬現實技術（Web3D）有著廣泛的作用和影響，尤其在虛擬教學和仿真實驗，以及信息化平臺等方面的應用具有廣泛性。虛擬現實技術能夠為師生提供生動而逼真的計算機學習環境，師生都可成為虛擬環境中的參與者，并且每個人可以在虛擬環境中扮演不同的角色，這有力的調動參與者的學習積極性和能動性，對學習中的重點和難點容易掌握，并且對培養和訓練技能都將起到積極有效的作用，并且可以降低成本和消耗。
虛擬現實技術在教學過程中主要三個方面的應用。（1）知識學習。知識學習是利用虛擬現實系統學生學習課程知識。其一，虛擬系統可以仿真出實際生活中不容易甚至無法觀察到的自然中事物的變化過程和現象，學生通過虛擬系統可以觀察、感受甚至參與整個生動和逼真過程，學習和了解知識，輕易解決學習中的知識重點難點。譬如：地理課程學習，通過虛擬現實系統，可以學生帶到不同的地理環境，領略那里的自然風光，了解地理變化過程和特點等；物理知識學習，利用虛擬現實技術，可以展現各種物理變化過程，剖析變化原理，比如展示如原子核裂變、磁場感應和光纖傳送信息等物理現象，讓學生在觀察和感受中學習掌握知識等。其二，通過虛擬系統可以使抽象的概念和理論，能夠直觀化和形象化展現給學生，便于學生對抽象概念的理解。例如，學習地球引力重力加速度概念，通過虛擬演示物體自由落體慢過程，形象直觀的顯示物體重力大小、方向以及速度的變化過程，使學生容易理解地球引力和加速度概念。（2）探索學習。虛擬現實技術可以虛擬學生學習過程中所提出的各種假設，通過虛擬系統學生便可直觀逼真地觀察假設所產生的結果產生的過程或效果。譬如：在學習分子鏈時，學生可以創新學習，大膽的按照自己的假設，將不同的分子組合新的物質，通過這種探索式的學習方式，不僅學生可能創新研究出新的物質，而且有利于激發學生的學習的能動性和創造性思維，培養學生的創新能力。（3）虛擬實驗。利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室或實訓室。譬如：在虛擬的化學實驗室里，可以觀察化學反應的慢過程，模擬做一些具有危險性的燃燒和爆炸等反應現象；在汽車實訓室汽車虛擬4S店里，可以動態體驗學習汽車銷售流程和規范的業務接待，業務辦理等；在醫學解剖實驗實訓室，可以虛擬人體解剖過程，觀察人體局部器官新陳代謝和生理反應等。
3 基于VR虛擬仿真技術的汽車實訓平臺的應用
3.1 平臺建設背景
近年來，國家大力發展職業教育，已成為國家人才發展戰略，近十年來特別是高等職業教育蓬勃發展，規模不斷擴大質量不斷提高，但大多院校也出現辦學資金緊缺，“雙師型”專業老師數量不足，培養模式與手段有待改革和創新等問題，特別是職業教育的實驗實訓條件，是職業教育核心教學現場和條件，需要大力校內建設或是校企合作，這些制約了職業教育內涵建設和轉型發展。一般學?，F有的條件下，受到實驗設備投資限制，大型實驗設備的操作實驗不容易實現、裝配工藝流程的教學講解抽象難以理解。即使學校有能力建設這樣的實驗室，其設備維護的費用也相當驚人，利用虛擬現實技術，建設虛擬實驗實訓室，節約建設成本，節約基礎建設空間，降低實驗實訓維護和消耗，提高實驗實訓效果和安全性，有效地解決場地、資金、管理和消耗等在建設實驗實訓中的矛盾。
3.2 汽車虛擬培訓平臺系統
該系統基于VR虛擬仿真技術的汽車實訓平臺的開發以培養汽車維修的優秀人才為目的而研發的汽車實訓操作平臺。
該系統基于“創壹Web3D虛擬現實三維互動教學平臺”運行的網絡虛擬實驗3D環境，采用虛擬現實技術制作汽車主體及其部件，并具有逼真3D互動虛擬實驗、3D動畫演示、聲音與相關原理文字自動同步顯示、3D汽車模型或其部件模型任意方向旋轉及視點變換的功能。能夠實現大量并行用戶快速下載及構建渲染動態3D場景，確保用戶與3D場景互動的即時性，所有部件都可360度全方位觀看，具有直觀立體，真實互動的效果。
該系統的主要功能涵蓋：汽車結構解析、總成和零部件拆裝工藝、總成和系統工作原理動畫實現、虛擬故障現象和診斷排除等，用戶不僅可以動手對汽車產品進行虛擬仿真操作，了解汽車每個細節，熟悉汽車工作原理，而且還可以進入“汽車故障診斷”進行多種情況下不同部件的機械及電路故障排除模擬操作，從而能夠積累實踐經驗，也可為汽車企業減少了不少培訓成本。
汽車虛擬培訓平臺系統包括了汽車駕駛、汽車結構與拆裝、汽車的修理、汽車故障診斷等，其中包含了大眾（德系）、別克（美系）、豐田（日系）。分為教學、實訓、考核三個模式，通過教學模式學習，就可以在實訓模式進行設備拆卸和虛擬實驗故障排除等各種操作，具有很強自主性；考核模式當教師編輯并派發了考試試卷后，對應學員登錄后就會出現考試內容，并可實時記錄保存，自動評分，使教師輕輕松松便可實現“無紙化”考試管理。
3.3 汽車虛擬培訓平臺系統性能指標
該平臺系統是一套針對高校、職業院?；蚪逃嘤枡C構開發的快捷、可擴展性3D仿真汽修教學平臺，系統采用B/S架構，整合Web3D仿真、Com組件、PHP動態網頁、AJAX輕量交互等最新技術，基于Apache+MySQL高性價比解決方案。
在現在高等教育，逐步向信息化、互動性教學轉型的過程中，該平臺系統已包括以下數據安全與快速響應技術，通過可視化Web3DEditor三維仿真建模軟件，讓高校擺脫其它專業領域技術應用與整合的束縛，專注于自身優勢教學內容改進與擴充，以能快速的構建自己精品課程、仿真互動課程整合平臺，提高新教學內容的使用率及教學方式轉型，突破傳統教學模式的地域限制和時間限制，又不失傳統的教學方式身臨其境的效果。該平臺系統采用C++、PHP、Javascript等主流語言程序開發，最后全部通過打包加密后再利用編譯程序進行系統優化，這樣大大加快了系統整體運行速度。支持的數據庫為：大型的關系型數據庫，如SQL Server， Oracel，MySQL等。本系統在運行過程中學員操作的3D動畫的動作是通過TCP/IP 協議發送給服務器端程序的，而該系統中的 TCP/IP 協議采取的是UDP 用戶數據包模式，這樣就保證了數據不會輕易的丟失與延遲。
（1）3D汽修模型及智能控制動畫，實現智能虛擬互動隨意拆裝， 并能自動判斷拆裝操作的正確性；（2）3D模型數據量小運行速度快（如一個發動機包括所有零部件在內的逼真3D模型數據量小于1MB）。（3）3D汽修智能虛擬電路檢測；（4）3D汽修智能虛擬故障排除；（5）在虛擬汽修培訓系統中實現128位隨機加密；（6）動態3D場景傳送；（7）動態場景渲染；（8）分布式3D數據庫自動分區平衡各數據庫負荷技術；（9）能夠實現大量并行用戶快速下載；（10）構建渲染動態3D場景確保用戶與3D場景互動的即時性。
參考文獻：
