可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

1、可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐         引言仿真是指利用數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。仿真技術(shù)建立在計(jì)算機(jī)控制理論和相似原理基礎(chǔ)之上，其發(fā)展同計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。仿真經(jīng)歷了由數(shù)字仿真到可視化仿真等階段，而可視化仿真是數(shù)字模擬與科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般地講，可視化仿真包括兩方面的內(nèi)容：一是將仿真計(jì)算中產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形和圖像形式；二是仿真交互界面可視化。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，可視化仿真實(shí)時(shí)性要求更加嚴(yán)格，要求不僅能夠?qū)崟r(shí)跟蹤顯示仿真計(jì)算結(jié)果，而且要求能夠?qū)Ψ抡孢^程進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)。當(dāng)前國內(nèi)可視化仿真技

2、術(shù)的研究及應(yīng)用方興未艾，其顯著的特征是實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形及圖像處理。仿真系統(tǒng)是一個特殊的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可視化仿真系統(tǒng)除具有傳統(tǒng)數(shù)字仿真的能力外，還當(dāng)具有可視交互和動畫展示能力2，據(jù)此構(gòu)造圖1所示的可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1可視化仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 這里將仿真對象工程系統(tǒng)抽象為兩套模型，數(shù)學(xué)模型著重反映系統(tǒng)的特征規(guī)律，而形態(tài)模型著重反映系統(tǒng)物理構(gòu)成，此兩套模型構(gòu)成了可視化仿真的核心基礎(chǔ)。一般地講，數(shù)學(xué)模型由該領(lǐng)域的專家建立，因此本文將重點(diǎn)討論形態(tài)模型建立及可視化仿真軟件系統(tǒng)總體構(gòu)造。    1仿真建模建模是系統(tǒng)仿真的核心，由于可視化仿真的目標(biāo)是直觀表現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)

3、響應(yīng)，而形態(tài)模型則力爭以客觀、真實(shí)、生動的形式來表現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)與行為。一般情況，系統(tǒng)形態(tài)模型包括下列三方面內(nèi)容：(1) 系統(tǒng)場景描述：燈光、視點(diǎn)、背景等；(2) 個體靜態(tài)描述：幾何屬性、材質(zhì)屬性、位置屬性等；(3) 個體行為描述：運(yùn)動規(guī)律、力學(xué)性能等；可以看出，要完成建模需要強(qiáng)有力的圖形軟件及圖形技術(shù)支持，而圖形開放語言PoenGLEY AutoCAD軟件與3DS軟件為此提供了有力的支持，使在微機(jī)上開發(fā)可視化仿真軟件，尤其實(shí)現(xiàn)仿真建模成為現(xiàn)實(shí)。    1.1基于OpenGL的形態(tài)模型描述  OpenGL是Silicon Graphics公司在工作站上三維

4、圖形規(guī)范GL的微機(jī)板，是一個與硬件無關(guān)的圖形軟件接口，目前已成為高質(zhì)量三維圖形的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1。OpenGL提供了基本的三維圖形功能：由點(diǎn)線和多邊形產(chǎn)生復(fù)雜三維實(shí)體；三維圖形變換；著色、紋理、陰影等真實(shí)感處理手段等，完全滿足可視化仿真形態(tài)模型要求。進(jìn)一步分析可知，OpenGL是以表面模型形式表現(xiàn)三維形體的。為了統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，所有的復(fù)雜模型均以三角形平面片形式來表述，基于此，構(gòu)造下列三級描述的形態(tài)模型。(1) 基本描述Point:x,y,z;Face:p1,p2,p3;規(guī)定P1，P2，P3按逆時(shí)針方向排列構(gòu)成三角形，P1P2，P2P3指三角形相鄰兩邊并據(jù)此生成三角形片的法向向量N，以決定三角

5、形平面的正反向。N=P1P2×P2P3(2) 形體描述OBJECT=Point-List;Face-List;Material-description;Position-description;Attributes-description;由此描述系統(tǒng)中個體的幾何形態(tài)及主要屬性規(guī)律，為可視仿真提供物質(zhì)基礎(chǔ)。(3) 系統(tǒng)描述全面描述可視化仿真系統(tǒng)對象，提供完整的場景信息。System=Light-description;Viewpoint-description;Object-List;結(jié)合OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的特征，材質(zhì)及燈光描述均是以RGB形式給出；而視點(diǎn)的描述則是給出投影類型(透視或

6、正交投影)以及視見剪載體描述。形體幾何描述最終落實(shí)到幾何離散點(diǎn)的描述。    1.2幾何建模器與形體描述從上述分析可知，可視仿真形態(tài)模型的描述當(dāng)中幾何描述是十分繁瑣的。這是因?yàn)樵贠penGL中，實(shí)體構(gòu)造是以三角形平面片形式來表現(xiàn)的，并最終是以表面頂點(diǎn)形式完成，其表現(xiàn)形式如下：glBegin (GL-TRIANGLES);glVertex3f (x1,y1,z1);glVertex3f (x2,y2,z2);glVertex3f (x3,y3,z3);glEnd ();顯然這種描述的通用性好，但對于建立稍為復(fù)雜的形體模型則工作量繁多，且是困難的(OpenGL并沒有形

7、體布爾運(yùn)算等功能)。作者在系統(tǒng)建立工作過程中，通過探索實(shí)踐，利用現(xiàn)有成熟的幾何建模器幫助，很好地解決了這一問題。AutoCAD是微機(jī)上應(yīng)用十分廣泛地繪圖軟件，具有模型精度高、建模手段靈活以及接口方便的特征，尤其擅長建立二維的幾何模型。3DS軟件是微機(jī)上三維動畫制作軟件，但其諸如拉伸、布爾運(yùn)算等功能為建立三維幾何模型提供了有力地支持。由于著眼點(diǎn)不同，其操作精度不夠理想。為此，結(jié)合AutoCAD與3DS軟件的特長，進(jìn)行交互式幾何建模，模型幾何信息通過建模器支持的中性文件傳遞給仿真系統(tǒng)。    2可視化仿真軟件設(shè)計(jì)    2.1軟件結(jié)構(gòu)框圖

8、 可視化仿真軟件的核心是數(shù)字模擬，但同時(shí)又須具備可視交互與可視化過程展現(xiàn)的特征，還須有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。據(jù)此，規(guī)劃如圖2所示的軟件功能結(jié)構(gòu)。圖2可視化仿真軟件功能結(jié)構(gòu)各模塊有較強(qiáng)的獨(dú)立性，相互之間盡可能以數(shù)據(jù)信息進(jìn)行聯(lián)接，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性在于只要改變系統(tǒng)模型輸入，則將產(chǎn)生新的一輪可視化響應(yīng)。對于一個確定的系統(tǒng)而言，形態(tài)模型中除屬性部分不確定外，是相對穩(wěn)定的；而數(shù)學(xué)模型的變化也僅僅是激勵參數(shù)的改變，因此在模型交互部分將支持參數(shù)的交互編輯。數(shù)字模擬是針對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解過程，有許多成熟軟件可供調(diào)用。圖形仿真部分一般包括以三維圖形形式表現(xiàn)的系統(tǒng)過程和以二維曲線形式表現(xiàn)的系統(tǒng)性能，成為可視化仿真

9、的重要特征。    2.2OpenGL窗口與Windows窗口的協(xié)調(diào)OpenGL作為一個圖形軟件接口，其優(yōu)良的三維圖形功能為開發(fā)可視化仿真應(yīng)用程序提供了有力的支持，但存在如下問題：(1) 不提供視窗操作，且OpenGL窗口不能分割，一次只能顯示一幅畫面；(2) 不提供用戶輸入指令，自身無法接受交互輸入；(3) 窗口只能使用OpenGL繪圖函數(shù)，不能與高級語言繪圖函數(shù)混合使用。顯然，如何有效地克服上述三個問題，是開發(fā)友好的可視化界面必須解決的問題，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)可視化仿真軟件中圖形仿真部分功能必須解決的問題。一部分用作 OpenGL窗口，此窗口顯示以O(shè)penGL函數(shù)表現(xiàn)的三維場景行為；一部分用作高級語言視口，用以顯示高級語言函數(shù)表現(xiàn)的性能曲線；其余部分則用作進(jìn)行可視交互。事實(shí)上，這三個部分均可看作框架窗口的子窗口，在基于Windows的應(yīng)用程序中是易于實(shí)現(xiàn)的，而這三部分的動作行為則利用Windows時(shí)鐘事件來驅(qū)動協(xié)調(diào)。事實(shí)上，整個仿真過程，包括數(shù)字模擬和圖形仿真均是以時(shí)鐘事件來驅(qū)動，這樣既可滿足仿真實(shí)時(shí)性要求，也可同步協(xié)調(diào)各部分動作。    3結(jié)語工程系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，尤其可視化仿真，由于具有成本低、無危險(xiǎn)、形象生動的特征，在科學(xué)研究及工程實(shí)驗(yàn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于工程系統(tǒng)及客觀對