可视化仿真技术在交互式电子手册中的应用 - 航天测控中心工控博客工控论坛

韩先生

学历：大学本科

职称：工程师

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发表人：chnzui

发表时间：2009/10/23 10:58:00

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本栏论题：

可视化仿真技术在交互式电子手册中的应用 [5175]

    IETM（交互式电子技术手册）是装备技术发展与综合保障过程中随着实际的需求产生的，以电子化的形式完成了装备保障过程中的信息管理、查询，用户可以通过交互过程进行装备信息查询、故障模式查询和各种辅助功能。将以往的纸版手册替代为交互式的电子手册，大大提高了工作人员的效率，也使信息维护更加灵活。
    　　随着装备保障需求的日益提高，IETM在不断发展，级别也在不断升级，逐渐产生了4级和5级的IETM系统。但是在信息量表现方式方面，文字和原理图仍然是主要方式，这给信息查询过程中的效果展示造成了障碍。比如对于某些系统或部件的介绍，我们可能会以文字的信息进行描述，也可能以原理图的形式表示，但这些方法的表现力还是不够好，效果不直观，在某些环境下，用户需要高效获取所需要的信息，而不是针对某些介绍文字进行分析，然后再得出结果。基于这个需求，我们提出了将可视化三维仿真技术应用在IETM中，通过些方法，可以大提高工作效率，经过实际测试，不仅会缩短查询时间，还可以通过仿真流程设计功能进行特定情景的模拟，在很大程度上辅助维修、装配、检测等过程的进行，而且基于可视化技术，IETM的功能会产生很大的增强，不再是简单的“技术手册”，还可以根据需求进行各种装备系统的状态仿真与分析。
    　　三维可视化技术是随着虚拟现实的兴起而逐步发展起来的，尤其是在系统仿真需求的推动下，加速了这项技术的发展。由于装备的复杂和昂贵，系统仿真的重要性日益突出，而传统的仿真技术大多采用数据来表现仿真过程和结果，或是采用图表与曲线图的形式来表现，随着仿真过程的复杂化，数据量的增大会导致结果读取的困难甚至不可行，可视化技术的出现在一定程度上解决了这个问题，比如对于某些系统的状态信息或参数数据，我们可以以三维模型的形式表现出来，并可以根据实时的数据驱动来进行状态显示，在装备保障与仿真方面有很大的用途。
    　　当前比较普遍的可视化仿真方法主要有：基于OpenGL的可视化仿真、基于Vega等主流仿真软件的可视化仿真，另外的方法是在OpenGL基础上进行一次开发后形成新的开发工具。
    　　其中基于OpenGL底层开发库的仿真与显示系统是一种传统的方法，OpenGL库中提供了丰富的渲染与模型控制功能，通过调用这些功能可以设计出非常好的仿真现实效果，可以开发出丰富的功能和显示效果，但开发难度较大，在实际进行中往往借助于外部建模工具然后采用将其导入到开发的系统中，并进行各种形式的精细控制与泻染。在一些工业仿真或航天领域的仿真中，该技术得到很多的应用，在采用外部建模工具完成各种飞行器和场景的模型建立后，可以基于各种动力学、天体力学等数学模型开发出功能强大的仿真系统，并和各种实时驱动数据结合，进行状态显示，有很大的应用空间。
    　　对于一些演示性的仿真或显示，可以借助于现有的成熟的仿真软件进行，比如Vega是一种常用的软件，可以进行大场景的建模和实时渲染，但是可控性比较差，功能受到限制。这些软件裳知飞行视景仿真、三维地理信息系统、虚拟城市等方面，通过在场景中的漫游进行获取所需的信息。
    　　为了满足当前可视化仿真的需求，航天测控公司在IETM平台中加入了成熟的可视化仿真引擎，在以往的数据显示与浏览的基础上，以三维模型的形式进行曲了各种信息的表现，使用户可以在运行平台、网页浏览等情况下进行模型的浏览与分析，根据模型信息及相关的注释，大大提高工作效率，使装备保障与信息获取变得更加简单。
    　　IETM作为装备保障的强大工具，信息的表现方式是很关键的问题。以往的信息表示主要通过文字图表等，用户主要以阅读的方式获取信息。
    　　航天测控公司通过可视化显示功能的开发，使IETM的应用范围和使用效果得到了一定的提高。基于模型控制算法和特定的数学模型，可以在运行平台中对模型的状态和仿真显示流程进行设置，将原来杂乱且不直观的数据通过IETM系统转换成表达效果很好的三维模型，并借助各种模型数据管理方法、渲染控制算法，与用户的具体操作进行交互，可以真正实现信息的高效传输与获取。
    　　该技术首先实现了通用模型数据的渲染与控制，将采用3D MAX、Creator等工具建立的模型通过系统接口导入开发平台，然后根据物理引擎、控制算法、各种力学模型进行模型的控制与流程设计，可以生成演示动画，辅助观看和教学。其次，设计了友好的交互方式，使用户获取信息或控制流程的实现更人性化，要以采用鼠标点选、键盘控制甚至一些外部设备来进行交互，模型文件根据用户操作实时响应，可以达到很好的演示效果。
    　　通过网络化的应用和数据库的管理，可将三维模型进行发布，使分布在不同地点的用户可以同时访问模型数据，进行信息的获取，该技术可以促成远程指导、教学与协同开发功能的实现。
    　　该技术实现了三维数据库的优化管理，对于超大规模场景的仿真，往往会出现很高的延迟，在采用数据结构优化和渲染过程管理后，使得整个系统的效率得到了提高，解决了可视化的仿真中显示效果延迟和数据加载速度过慢的问题。
    　　基于IETM平台和三维可视化技术，实现了模型的加载、显示与控制，包括机械设备原理介绍、装配流程设计、故障演示等功能。使得“电子手册”变得更加灵活和人性化，功能得到了很大程度的提升。比如在进行装备信息的展示时，我们可以用模型的展示来代替传统的文字描述和图片介绍。首先将模型文件导入系统，包括结构、材质、纹理、光照等信息；然后根据坐标设置各种模型部件的依赖性和相互关系；再根据具体任务需要和要求开发出演示流程，归后将开发结果进行发布，使用户可以完成模型浏览和仿真流程的观看。
    　　可视化技术在装备保障、系统仿真方面的应用有很大的空间，比如针对装备性能分析的过程演示、基于维修、装配过程的指导演示、针对故障分兵民模拟的仿真系统，可以大提高工作效率，降低各项成本，例如在武器装备的测试、仿真与教学中，如果采用真实的装备会付出很高的代价，因为有些部件是无法重复使用的，而且灵活性也不够好，基于可视化技术可以将这些过程转移到显示系统中，不必采用真实的设备，可以进行反复的灵活的观看与仿真。
    　　虚拟现实的概念逐渐扩展到工业设计领域与仿真领域，虚拟现实充分利用计算机硬件、软件资源、显示设备的集成技术，提供一种实时的、三维的虚拟环境，用户可根据自身的感觉，通过多种传感设备，以精确的物理仿真引擎为基础，使用人的自然技能对虚拟环境中的物体进行考察或操作，参与其中的事件。该技术综合了计算机技术、图像图形学技术、传感技术、人工智能技术及生理心理学等技术，将真实世界在显示系统中以沉浸的方式显示给用户。该技术在今后的仿真领域会得到很大的应用，如飞行仿真、装备运行仿真等方面。
    　　通过交互式电子技术手册与可视化技术的结合，会解决在信息获取和交互方式方面很多的问题，但这只是初步的结合，随着IETM功能的不断进步和可视化技术的发展，交互式电子手册将突破原有的概念，在装备保障与仿真领域做出更大的贡献。