桌面式虛擬仿真訓練教學系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

基于專業(yè)技術(shù)的大型機械裝置虛擬仿真系統(tǒng)研發(fā)方案三維虛擬模擬（3d虛擬模擬）是利用三維建模技術(shù)為現(xiàn)實世界創(chuàng)建三維場景的三維場景。在特定的軟件環(huán)境中，整個三維場景被驅(qū)動，用戶輸入輸入，用戶根據(jù)不同的操作對應的反應，并顯示在三維環(huán)境中?，F(xiàn)代機械裝置往往結(jié)構(gòu)復雜，功能原理深奧，單純依靠實物進行教學、訓練，費用高且效率低，而利用開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)，不需要借助實物就可在計算機上進行日常的教學、訓練，費用低廉而且安全，在身臨其境的人機交互中，原本復雜深奧的裝置構(gòu)造、原理、拆裝、維修知識變得直觀易懂。雖然此類虛擬仿真系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，但還存在諸多的不足,如文獻中采用VB+VRML開發(fā)的仿真模型僅僅具有單調(diào)的顏色和簡單的反光特性；三維模型瀏覽需借助于外部已有的瀏覽器，而外部的瀏覽器需要單獨安裝，這使得整個系統(tǒng)的移植性不強。文獻中的VC+VRML系統(tǒng)交互方式單一，拆裝、機構(gòu)運動只能被動的進行動畫瀏覽。文獻中的Visproducts+VisMockupVisLab+VisJackVisVSA系統(tǒng)，對開發(fā)所需硬件水平要求高，昂貴的圖形工作站、三維鼠標、立體眼鏡等設備顯然不利于其推廣使用；文獻中的Multigen+OpenGvs+Virtools+OpenGL+XML+ACESS+VC系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)難度大，周期長，成本高。本文為解決此類問題展開了研究，通過分析研究，提出了一種新的基于普通微機和簡單交互設備(主要包括二維鼠標和普通彩色顯示器)的大型機械裝置虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)方案：1-DEAS+OpenGL+VC++。桌面式虛擬仿真應用系統(tǒng)的開發(fā)一般有兩種模式，如圖1所示。一種模式是直接使用底層圖形接口如OpenGL、Direct3D、Java3D等，另一種模式是使用位于底層圖形接口之上的開發(fā)平臺，如國外著名的商業(yè)產(chǎn)品OpenGVS、VEGA、Virtools和開源平臺OSG，以及國內(nèi)圖形平臺BH-Graph等。第一種模式的特點是可以完全自主控制應用系統(tǒng)的底層細節(jié)，靈活性強，可以較好體現(xiàn)應用系統(tǒng)需求方意愿，第二種模式需借助于已有仿真圖形平臺，系統(tǒng)開發(fā)自主性不高。同時，這些仿真平臺軟件的價格往往比較昂貴，系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)濟性不高。本文系統(tǒng)開發(fā)選擇第一種開發(fā)模式。桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相對沉浸式和增強型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，對硬件要求要低得多，本虛擬仿真訓練系統(tǒng)開發(fā)硬件環(huán)境為：(1)桌面式個人計算機(IntelPentiumII450或以上)；軟件環(huán)境為：(1)Windows操作系統(tǒng)；(2)OpenGL程序應用接口(API)。本方案選擇I-DEAS軟件作為建立三維仿真模型的平臺。I-DEAS是世界上最著名的機械CAD設計自動化軟件，革命性的VGXTM變數(shù)式幾何系統(tǒng)技術(shù)，讓使用者以更直覺的方式去雕塑三維實體模型；并直接在電腦三維實體原型上進行修改，如同以雙手拼組真實的零件一樣。運用VC++與OpenGL聯(lián)合開發(fā)交互圖形應用程序是因為：(1)同其它編程語言相比，VC對OpenGL的支持最好，能很方便地進行OpenGL編程，而且其功能十分強大。而Delphi不能對OpenGL提供很好的支持。(2)單純用VC++很難設計出高性能的三維圖形工具，目前圖形開發(fā)包DirectX適于游戲開發(fā)以及加強多媒體性能等方面，而OpenGL則可以制作出更順暢的3D效果，且OpenGL性能優(yōu)于DirectX。(3)OpenGL可以與VC++建立緊密接口，便于實現(xiàn)有關(guān)計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性。2場景仿真設計本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊定義和功能主要根據(jù)系統(tǒng)的各種功能需要，這些功能主要包括：(1)數(shù)據(jù)庫支持獲得接近最優(yōu)的虛擬拆卸序列，用以指導、提示操作者正確完成拆卸過程；(2)三維場景顯示模塊(主要包括機械裝置三維仿真模型、機構(gòu)仿真動畫、材質(zhì)、光照等)，對場景模型的編輯、控制、瀏覽等；(3)友好的用戶圖形界面(GUI)設計。相應的，設計出本系統(tǒng)的三個模塊：拆卸序列規(guī)劃；虛擬場景交互式瀏覽、編輯和動畫仿真；用戶圖形界面，如圖2所示。拆卸序列規(guī)劃模塊利用DCG(disassemblyconstraintgraph)序列生成法和遺傳算法得到接近最優(yōu)的拆卸序列。DCG法能夠得到拆卸維修某一部件時的所有合理拆卸序列，然后由遺傳算法來選擇最優(yōu)的序列，優(yōu)化主要考慮拆卸所花的時間，主要影響因素有拆卸工具的變換和拆卸方位的變換。關(guān)于這部分功能的具體實現(xiàn)途徑在文獻中已有詳細論述，這里不做討論。虛擬環(huán)境模塊包含了兩個子模塊，如圖2所示：幾何建模模塊和場景顯示模塊。系統(tǒng)仿真對象幾何模型的建立和驅(qū)動將在后文中詳細介紹。GUI模塊則用來將上述的模塊集合在一起成為一個完整的系統(tǒng)。3系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)3.1實時交互功能I-DEAS采用三維實體模型，該種模型文件通常非常大,在基于普通微機的硬件條件下不能滿足實時交互的要求。所以，在本方案中，將I-DEAS實體模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)相對簡單的表面(多邊形)模型就成為了必要，在這里選擇3DS格式，因為3DS是一種非常普遍的三維圖形數(shù)據(jù)格式,結(jié)構(gòu)相對簡單清晰,易于加工處理,如在后文中將要提到的簡化和用于程序讀取。3.23基于sd軟件的數(shù)據(jù)簡化將仿真模型從I-DEAS實體格式轉(zhuǎn)換為3DS多邊形格式后，雖然文件有所減小,但對于大型復雜機械裝置,在較低的圖形硬件水平下,模型數(shù)據(jù)簡化仍是必要的。3DS模型簡化可以綜合采用以下兩種方法：方法一：由于多邊形的數(shù)量取決于很多方面。比如由于零件的曲率，一個大部分是平面的5MB的3DS文件創(chuàng)建的三角形數(shù)量級會低于同樣一個5MB的包含管道及螺桿的3DS文件，所以，在I-DEAS中通過修改原仿真模型來減少數(shù)據(jù)的大小是簡化方法之一。方法二：通過Polytrans、3DSMAX等專業(yè)3DS文件處理軟件進行修改簡化。3.3定義各種封裝完成簡化并添加了材質(zhì)、光照、紋理等信息的仿真對象幾何模型3DS格式數(shù)據(jù)，實現(xiàn)OpenGL對其的讀取的方法為：首先定義一系列的結(jié)構(gòu)，如對象的材質(zhì)、材質(zhì)庫、位置矢量、四元數(shù)等，然后通過定義各種類封裝對3DS文件中各種對象的處理和讀取操作。讀入模型數(shù)據(jù)后就可利用OpenGL的常用繪圖函數(shù)如glVertex3f()進行繪圖顯示了,而對于模型的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、拾取等交互控制則主要是利用矩陣堆棧和OpenGL的選擇拾取和反饋機制來實現(xiàn)。3.4拉格朗日算法中的碰撞檢測虛擬拆裝是一個成功的虛擬仿真系統(tǒng)所不可或缺的功能，在1-DEAS+OpenGL+VC++開發(fā)方案中，用屏幕上的光標來代替拆裝虛擬“手”，利用OpenGL的選擇拾取機制和結(jié)合VC++編程實現(xiàn)整體裝配中單個零部件的拾取和拖動。碰撞檢測是提高虛擬交互式拆裝真實性和實用性的最有效途徑,碰撞檢測的實現(xiàn)最重要的是研究選擇碰撞檢測算法的問題，由于現(xiàn)在虛擬物體模型大多采用多面體表示(1-DEAS+OpenGL+VC++方案中的3DS模型為三角形，三角面片模型能夠很好地滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實時性的要求)，碰撞檢測實際上就是電腦計算判斷多面體相交的問題，場景中海量的姿態(tài)、位置各異的多面體使得上述計算是一項十分復雜耗時的工作,I-DEAS+OpenGL+VC++開發(fā)方案基于普通計算機硬件,這就使得對碰撞檢測算法的適當簡化顯得十分必要,其中建立裝配約束關(guān)系被證明了是一種十分有效的方法，這里的裝配約束是指裝配體中零件間的位置約束關(guān)系，主要從幾何方面考慮，如面貼合約束、對齊約束和定向約束等。裝配約束本質(zhì)上可歸結(jié)為幾何元素點、線、面之間的相互關(guān)系，它的具體建立由OpenGL編程實現(xiàn)，程序體的功能就是保證用虛擬“手”拖動某一零部件實現(xiàn)拆裝時根據(jù)實際中該零部件與其他零部件的位置關(guān)系(也就是上面說所的點、線、面之間的相互關(guān)系)限定其運動的自由度。3.5運動仿真的過程OpenGL支持雙緩存(DoubleBuffers)技術(shù)，該技術(shù)提供了一種生成平滑動畫的機制。這使利用OpenGL生成動畫非常簡單。在利用OpenGL設計動畫時，時間間隔起著十分重要的作用。時間間隔很大時，將浪費很多系統(tǒng)時間，時間間隔較小時，視頻不能進行正確地刷新，將有可能產(chǎn)生幀信息的丟失。在確定時間間隔時，一般應綜合考慮系統(tǒng)的視頻刷新頻率和計算的復雜度等因素。在進行機構(gòu)的運動仿真時，首先要建立運動機構(gòu)的三維幾何模型，并對模型進行各種坐標變換，以確定這些模型在三維空間中的定位和取向，并選定有利的觀察點。建立模型以后，接下來可以采用運動的動畫顯示技術(shù)，仿真機構(gòu)運動，以模擬實際的機構(gòu)運動情況。因為任何一個運動形式都是由平動和轉(zhuǎn)動組成的，OpenGL正是提供了實現(xiàn)這兩種分運動的函數(shù)，glRotatef()和glTranslatef(),只需將機構(gòu)運動規(guī)律或各運動部件相互的運動約束寫成程序語句(當然也可先在外部人工計算出各運動部件的絕對運動規(guī)律)，然后調(diào)用上述兩個函數(shù)，再添加交互控制函數(shù)即可制作出交互的機構(gòu)運動動畫，圖3所示為調(diào)距槳的仿真調(diào)距原理動畫其中的兩幀。4裝卸機構(gòu)的設計系統(tǒng)的用戶圖形界面設計參考了當今在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用的CAD軟件的界面設計，使操作者對其更覺友好和熟悉。以某型調(diào)距槳裝置為例來驗證該系統(tǒng)的功能,如圖4所示。假定操作對象為該調(diào)距槳裝置的槳殼體部件，在窗口1左上子窗口中的裝配關(guān)系樹上選定該部件，最優(yōu)拆卸序列生成并顯示在窗口3中。選擇“開始拆卸”后，“實時拆卸信息顯示”窗口給出拆卸每一步的狀態(tài)，包括目標對象、正在拆卸對象、拆卸所需總步數(shù)、已進行步數(shù)。圖4中正在拆卸對象為前活塞桿，選擇主菜單欄上的“拆卸工具”為“工具4”，鼠標形狀變化為“工具4”字樣，點擊選取并拖動拆卸對象實現(xiàn)拆卸動作(該功能主要根據(jù)OpenGL的選擇拾取機制實現(xiàn))，同時，“實物圖片顯示”子窗口顯示該拆卸對象實物圖片，窗口3中顯示該對象的功能、結(jié)構(gòu)和下一步拆卸對象等文字信息，加深操作和觀賞人員對裝置整體及其部件拆卸知識的理解。在拆卸過程中，工具選擇錯誤或拆裝順序錯誤都將使操作無法繼續(xù)進行。拆卸完成后，通過點擊“RESET”，可以從頭開始反復練習拆卸過程。在拆卸過程中，還可以通過配合使用鍵盤、鼠標來實現(xiàn)對拆卸對象的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)的導航控制；“場景編輯”和“顯示模式”選擇個性化的場景光照、模型材質(zhì)和點、線框、實體顯示模式。5機械cad仿真多通道設計技術(shù)VC++應用程序打包生成.exe文件或安裝文件后可以脫離VC++環(huán)境獨立安裝運行，本文提出的I-DEAS+OpenGL+VC++虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)方案有著廣泛的適用性；VC++和OpenGL底層開發(fā)法，還具有能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的個性化需求，滿足計算機通訊實時性的優(yōu)點，但它的缺點是要求用戶掌握較深的編程知識；機械CAD三維實體模型數(shù)據(jù)的文件大且結(jié)構(gòu)復雜,直接進行場景驅(qū)動對硬件水平要求高,編程困難,利用本文提出的幾種方法實現(xiàn)了將機