張帆

摘要：目前新裝備種類繁多、層出不窮，虛擬仿真技術(shù)作為一種新型的輔助教學(xué)手段，能夠使學(xué)員在操作使用前對(duì)裝備動(dòng)作原理和結(jié)構(gòu)部件有深入的了解，以便在實(shí)際使用時(shí)得心應(yīng)手、減少損耗。該文以裝備課為例，談?wù)勀M仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：裝備；模擬仿真；三維模型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）33-0109-02

當(dāng)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(wú)法在最快的時(shí)間內(nèi)掌握使用維護(hù)保養(yǎng)方法。而計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的三維物體的技術(shù)已逐步完善，這成為了解決裝備訓(xùn)練問(wèn)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(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境、模擬過(guò)程和模擬效應(yīng)，具有低成本、全立體空間顯示、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

利用模擬仿真系統(tǒng)，主要可以解決以下三個(gè)問(wèn)題：

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

2）不善于教的問(wèn)題。由于對(duì)裝備的內(nèi)部構(gòu)造掌握不夠準(zhǔn)確，造成對(duì)裝備基本構(gòu)造、動(dòng)作原理情況認(rèn)識(shí)模糊。

3）易損壞的問(wèn)題。在教學(xué)、訓(xùn)練、使用過(guò)程中必然會(huì)對(duì)裝備造成一定程度的損壞，而相關(guān)維修人才、設(shè)備、費(fèi)用的缺乏導(dǎo)致使用者對(duì)新裝備存在“過(guò)度保護(hù)”的情況。

充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以便于我們科學(xué)施訓(xùn)，有效地節(jié)約成本，維護(hù)裝備的性能。在動(dòng)用新裝備之前，先進(jìn)行學(xué)習(xí)和模擬訓(xùn)練，掌握了基本的知識(shí)，再進(jìn)行現(xiàn)實(shí)使用訓(xùn)練，減少裝備不必要的損耗。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則

模擬仿真系統(tǒng)是面向教學(xué)、訓(xùn)練的輔助系統(tǒng)，是集三維圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，虛擬仿真技術(shù)為一體著重于實(shí)際運(yùn)用的軟件系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中應(yīng)遵循以下原則：

2.1 實(shí)用性和先進(jìn)性

作為教學(xué)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)，其實(shí)用性是評(píng)判此類系統(tǒng)好壞的基礎(chǔ)指標(biāo)。而先進(jìn)性則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的體現(xiàn)。系統(tǒng)始終要以使用者的需求為導(dǎo)向，在符合實(shí)際的前提下，完成功能的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，使用的技術(shù)算法必須先進(jìn)。

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

2.2 真實(shí)性和可靠性

此類模擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的之一就是能代替真實(shí)裝備進(jìn)行教學(xué)演練，優(yōu)化教學(xué)流程環(huán)境。所以三維模型與現(xiàn)實(shí)中零部件大小形狀需一致，三維場(chǎng)景中零部件位置與真實(shí)裝備中的位置需一致，并且物理仿真出的效果與現(xiàn)實(shí)環(huán)境需相似性。只有越接近真實(shí)的裝備，系統(tǒng)的仿真意義才越能夠體現(xiàn)。只有嚴(yán)格按照實(shí)際物體尺寸建模，認(rèn)真還原部件位置與動(dòng)作動(dòng)畫(huà)，最后的系統(tǒng)才能達(dá)到模擬、仿真、訓(xùn)練的目的。

2.3 實(shí)時(shí)性和易操作性

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

實(shí)時(shí)性主要是指系統(tǒng)能夠及時(shí)地反饋用戶的操作信息，并能將相應(yīng)的場(chǎng)景內(nèi)容渲染到屏幕中。作為仿真的核心之一，三維動(dòng)畫(huà)必須要求過(guò)場(chǎng)流暢，幀速穩(wěn)定，運(yùn)行快速流暢體現(xiàn)在軟件系統(tǒng)啟動(dòng)快速，界面動(dòng)畫(huà)不拖沓，三維模型動(dòng)畫(huà)不掉幀，人機(jī)交互響應(yīng)不延遲。

易于操作則是在人機(jī)交互設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮用戶的使用操作習(xí)慣，使界面友好易于理解管理，操作簡(jiǎn)單并減少誤操作的可能性。易操作性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)上：人與計(jì)算機(jī)間以一定的交互方式完成對(duì)話，進(jìn)行信息交換。人機(jī)交互設(shè)計(jì)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(xiàn)在只要滿足基本的要求，無(wú)需復(fù)雜的安裝就可以在一般的PC上運(yùn)行。

易修改的原則是由于要顧及到模型及其動(dòng)畫(huà)的真實(shí)性，考慮作為一款教學(xué)訓(xùn)練軟件，未來(lái)可能存在仿真模型動(dòng)作的變化，需要系統(tǒng)有一定的可擴(kuò)展性。利用腳本等其他手段做到無(wú)需修改源程序即可改變內(nèi)容，以滿足方便修改的功能。同時(shí)內(nèi)部代碼需要有良好的可擴(kuò)展性，方便之后的升級(jí)和二次開(kāi)發(fā)。因此可以在系統(tǒng)中加入腳本文件，使模型文件和動(dòng)畫(huà)文件能夠動(dòng)態(tài)地被讀取，無(wú)需修改系統(tǒng)源代碼就可以修改替換模型動(dòng)畫(huà)文件，降低工作量。

3 常用技術(shù)路線

3.1 基于QT的界面架構(gòu)技術(shù)路線

QT是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它包括一套跨平臺(tái)的類庫(kù)，一套整合的開(kāi)發(fā)工具和一個(gè)跨平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是一個(gè)用于創(chuàng)建優(yōu)美強(qiáng)大的用戶界面和原生應(yīng)用的框架。[1]比起Windows平臺(tái)上的MFC，ATL等框架相比，QT的開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單，更快速但做出來(lái)的界面卻更漂亮。

作為一個(gè)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序框架，QT支持的平臺(tái)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(tái)?，F(xiàn)在在Android和IOS設(shè)備上，利用QT開(kāi)發(fā)同樣也是一個(gè)很好的選擇。[1]

3.2 基于OpenGL的三維模型展示技術(shù)路線

OpenGL即開(kāi)放式圖形庫(kù)。它定義了一個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)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(jì)算機(jī)?！?】

OpenGL獨(dú)立于窗口操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，將用戶從具體的硬件考慮中解放出來(lái)，無(wú)需理解這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，只要根據(jù)規(guī)定的格式編寫(xiě)應(yīng)用程序就可以在硬件平臺(tái)上執(zhí)行。

OpenGL的圖形操作函數(shù)圖形質(zhì)量好、性能高，是開(kāi)放的、獨(dú)立的、跨平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，版本兼容性強(qiáng)，代碼簡(jiǎn)單易用，支持多種系統(tǒng)，非常方便開(kāi)發(fā)人員選擇平臺(tái)。

3.3 基于場(chǎng)景樹(shù)的三維模型管理技術(shù)路線

隨著現(xiàn)代3D圖形學(xué)的技術(shù)發(fā)展，三維空間中的圖像畫(huà)面越來(lái)越精致，真實(shí)性越來(lái)越強(qiáng)，但隨之帶來(lái)的三維場(chǎng)景中的物體數(shù)量也越來(lái)越多，物體大小也越來(lái)越細(xì)。因此，三維場(chǎng)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(xiàn)的效率。

一個(gè)場(chǎng)景管理機(jī)制需要能夠組織場(chǎng)景物體、添加刪除物體、獲得場(chǎng)景中的物體并訪問(wèn)其屬性，并且能夠體現(xiàn)物體間的父子從屬關(guān)系。而樹(shù)狀結(jié)構(gòu)具有詳細(xì)的物體父子關(guān)系，樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)對(duì)象，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)中添加指針，能有效的表明節(jié)點(diǎn)的位置，方便引用節(jié)點(diǎn)周圍的物體，有利于場(chǎng)景管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

模擬仿真技術(shù)是一種新穎的應(yīng)對(duì)裝備課教學(xué)訓(xùn)練的信息化輔助手段，一個(gè)好的模擬仿真系統(tǒng)可以有效地節(jié)約訓(xùn)練成本，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李春虎.基于Qt的跨平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[2] Hil1 F S，胡事民.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（OpenGL版）[M]. 3版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.