虚拟仿真软件系统探讨与应用

虚拟仿真软件系统探讨与应用

于建

杭州浙大旭日科技开发有限公司

摘要：研究以计算机专业程序设计语言类为基础，结合VR技术，构建一种虚拟仿真实验环境。旨在利用VR眼镜或虚拟头盔等专业设备，让用户在虚拟空间中，通过三维感知，实现对相关知识内容的学习和实践操作练习。VR技术在计算机专业中的应用，能够使得计算机教育具有真实化操作性，还能够让学生通过虚拟技术获得更为直观的感受。因此，对基于VR技术的计算机虚拟仿真系统进了展开了讨论，并通过实验证明了，基于VR技术的计算机虚拟仿真系统的可行性。

关键词：VR技术;虚拟仿真系统;虚拟现实技术

1 虚拟仿真系统介绍

1.1 虚拟技术特征

虚拟仿真技术具有以下四个基本特性：

1．沉浸性（Immersion）

虚拟仿真系统中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。

2．交互性（Interaction）

虚拟仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。例如，当飞行员按动导弹发射按钮时，会看见虚拟的导弹发射出去并跟踪虚拟的目标；当导弹碰到目标时会发生爆炸，能够看到爆炸的碎片和火光。

3.虚幻性（Imagination）

即系统中的环境是虚幻的，是由人利用计算机等工具模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境，还可模拟客观世界中并不会存在的而仅仅属于人们幻想的环境。

4.逼真性（reality）

虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。如当给虚幻物体一个作用力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生相应的加速度；当它遇到障碍物时，会被阻挡。

1.2  仿真技术

1.2.1  仿真技术的概念和原理

计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术，伴随着计算机的发展而形成的一门学科。它的研究起源于20世纪70年代，但由于受计算机软硬件水平的影响，很难得到广泛应用。它一般设计和构造一个客观世界某一系统的数理逻辑模型，并借助计算机对该模型进行实验的过程。

根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。

现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用[3]。

1.2.2国内数控加工仿真技术的发展状况

国内的主流数控加工仿真软件有上海宇龙软件工程有限公司开发的宇龙数控加工仿真系统、南京宇航自动化技术研究所开发的YHCNC 宇航数控车铣模拟仿真教学软件、北京斐克科技有限责任公司开发的VNUC 数控加工仿真软件。
宇龙开发的数控加工仿真系统目前在国内的职业技术培训学校获得了广泛的使用，取得了较好的效果。软件可以支持二轴和三轴的动态加工仿真，兼容国内的主流数控系统如fanuc数控铣床和数控车床，siemens数控铣床和数控车床，PA系统等[4]。
　　　　YHCNC 宇航数控车铣模拟仿真教学软件是结合机床厂家实际加工制造经验与高校(含职业技术学院、中等专业学校、 技工学校和职业学校)教学训练一体所开发的，也具有一定的用户群。该软件支持的机床和数控系统较多，软件可以支持二轴和三轴的动态加工仿真，但核心仿真算法不是太稳定。
VNUC 数控加工仿真软件是唯一通过国家权威部门鉴定并推广使用的数控加工仿真软件，并且是第一届全国数控技能大赛唯一指定仿真软件。支持变量编程（不仅是宏程序）的数控加工仿真软件。 集成了劳动部认可的数控技能培训远程教学与考试系统的数控仿真加工软件。主要有三大系统：FANUC、西门子、华中数控，还有其他的系统如：广州数控、阿贝尔信浓ASINA Series 205-T CNC数控系统等。在主要的三大系统中，又分车、铣、加工中心，不同的系统型号共20多种，增加学生的认识面，对将来快速投入到加工行业打下良好的基础。目前推出的最高版本为3.0版本。软件可以支持国内的主流数控系统等，界面配置比较灵活

[5]。

1.2.3  国外数控加工仿真技术的发展状况

目前国外主流的数控加工仿真软件有美国CGTech公司推出的VERICUT 软件、韩国的V-CNC虚拟数控机床模拟操作系统和德国的MTS高端数控仿真软件。
VERICUT 软件功能强大，具有很强的动态建模能力，可以支持三轴到五轴的动态加工仿真，并提供二次开发工具供用户扩展软件功能。用户可以动态创建和修改CNC机床，定制CNC控制器，可以实现机床运动仿真、切削过程及工件的变化，NC 程序仿真验证和优化等功能。VERICUT 软件应用范围很广，既可用于实际加工，也可用于教学培训，在欧美数控加工仿真领域占据主要市场份额，该软件偏重于实际加工过程的仿真，不支持数控加工面板的仿真。
  V-CNC虚拟数控机床模拟操作系统是专为学校提供先进的CAD/CAM仿真软件，可以支持车削和三轴洗削的加工仿真，该软件主要面向教学，支持数控加工面板的仿真的仿真，但不具备动态建模的功能，只能支持几种典型的机床模型、CNC控制器和数控面板，用户无法进行定制。
德国的MTS是德国著名的高端数控仿真软件品牌，有着超过二十年的CAD/CAM软件和数控机床模拟仿真软件开发经验。可对fanuc，siemens，fagor，dmg，Mitsubishi等大多数常用数控系统进行三维真实感实时模拟仿真，是欧洲乃至全球功能强大、应用广泛的数控仿真软件。该软件也是采用静态建模技术，支持二轴和三轴的动态加工仿真，具有简单的数控操作面板，但没有开放二次开发接口，用户无法自主扩展机床模型和控制器面板[6]。
现有系统存在的问题：
1国内的数控加工软件和国外的同类软件相比主要差距在于：
普遍采用静态建模技术由于采用静态建模技术，软件只能支持有限种类的机床模型，软件机床库、控制库和面板库的扩展困难，难以适应当前数控机床开发性和多样化发展的形势。
2　国内开发的各类应用软件普遍不具备二次开发接口
二次开发功能是很多国外应用软件的基本功能，一些大型的应用软件本来就是一个开发平台，用户在这个平台上可以非常方便的定制自己的特定需求和扩展软件的功能。
目前的模拟数控机床系统普遍存在不能动态生成控制模板和没有二次开发接口的问题。通常在模拟数控机床系统中，在系统形成时根据用户的不同使用需求生成初始化面板。由于不同的厂家生产的模拟数控机床控制面板并不统一、同一厂家生产的不同型号的模板也不能统一，因此，静态系统的更新工作相当繁重。每次用户提出新的需求，系统设计人员必须都要对系统进行更新。
3提出的解决方法
针对目前国内外研究过程中存在的问题，我们希望产生一种能够动态生成控制面板的仿真软件，并将该软件嵌入控制面板实体内，制成控制面板实体仿真软件。通过动态建模的方式，实现控制面板的动态特性。当用户对某种系统有需求的时候，根据软件设置可自动生成用户需要的控件。这个过程不需要程序设计人员的干预，可直接由用户根据使用说明改造完成。这样我们实际是用硬件控制面板模拟真实机床，是一种介于实体机床和仿真软件之间的系统，即具备实体机床真实逼真的优点，又具备仿真软件投资小资金占用少的好处，一次投入即可终身受益[7]。

3 虚拟仿真技术展望

虚拟仿真（虚拟现实）技术是一门新兴的跨学科尖端技术，它的研究、开发和使用是一项技术要求比较高的工作，它需要有相应的软硬件系统环境配套进行。身临其境的沉浸式体验是虚拟现实技术的重要内涵，沉浸式视觉体验是获得沉浸感的最重要的方式之一。实现沉浸式视觉体验的主要方式包括：CAVE显示系统、多通道柱面立体显示系统、球面立体显示系统等等。

球面—虚拟仿真显示系统

沉浸式球面虚拟仿真系统能提供一个完全沉浸的地理和空天虚拟现实环境，在航空航天、天文、海洋仿真等领域具有不可替代的应用优势。

在所有的沉浸式虚拟现实系统建设中，穹顶球面虚拟仿真环境是专业性最强的一种，主要体现在专业应用领域和专业的技术需求。系统技术要求涉及球面三维视锥的科学设计算法、数字图像边缘融合技术、数字几何矫正（曲面校正）技术、多通道视景并行渲染与同步控制技术、计算机图形学等众多专业技术和学科，其中球面视锥的科学设计算法是球面虚拟现实显示系统最关键的技术。

沉浸式穹顶球面虚拟现实显示系统已被广泛应用于飞行器模拟虚拟仿真训练、地理空间信息可视化、航空航天、天文等虚拟现实领域。系统特点投资大，专业性强，技术要求高，沉浸感好，且对安装场地要求较高，需要提前规划设计。

球面虚拟现实系统基本性能

系统组成：多投影系统、图像融合校正系统、信号传输系统、可视化集群工作站系统、虚拟仿真软件系统、3D音响

屏幕呈球面带状物理外形，模块化装配结构（可拆装），表面无缝一体化成像；

内置像素校准光学阵列传感器与信号处理模块；

传感器采用UDP通讯协议，支持与图像融校正系统同步通讯与协同工作，可实现像素漂移一键复位；

增益1.0，表面曲率恒定，色彩均匀，光学反射与成像性能一致；

高分子复合材料，环保无污染；

物理性能稳定、高强度、阻燃、防潮、长期无变形；

光学成像涂层抗脱落、抗腐蚀，易清洁；；

沉浸式CAVE显示系统

沉浸式CAVE虚拟现实系统是一种全沉浸式虚拟现实显示系统和可视化虚拟仿真协同环境，系统基于多通道视景同步技术、三维空间整形校正算法、立体显示技术，可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投影显示空间，供多人观看，所有参与者均完全沉浸在一个被三维立体场景包围的虚拟仿真环境中，借助相应的虚拟现实交互设备（如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等），参与者可获得完全身临其境的三维交互式体验。

CAVE系统是一种设计独特的虚拟现实显示环境，由于CAVE系统能完全覆盖参与者全部视野,所以能提供给使用者一种前所未有的完全的沉浸感，用户可以根据应用需求选择不同的CAVE类型：多通道柱面沉浸式显示系统，柱面虚拟现实系统是一种沉浸式、高分辨率VR可视化虚拟仿真协同环境。系统采用立体投影显示来实现视觉沉浸感，并配备了多维感知交互系统和环绕立体音响系统，充分满足虚拟现实技术的视、听、触等多感知技术需求，为参与者提供一个身临其境的半沉浸式虚拟现实系统体验环境，可供给数十人的开发研究小组进行协同应用，是科研和教学工作理想的虚拟仿真科技创新平台。

参考文献

[1] 基于VR技术的压缩机故障分析与诊断仿真系统的设计[J]. 肖凯.专用汽车,2022(05)

[2] 基于计算机VR技术的骑行仿真系统设计[J]. 崔学勇.西安文理学院学报(自然科学版),2017(04)

[3] 基于VR技术的湘瓷工艺仿真系统设计与实现[J]. 康美林;邓卉.电子产品世界,2021(10)

[4] 基于VR技术的柴油机保养维修教学仿真系统设计[J]. 聂永涛;赵书锐.佳木斯大学学报(自然科学版),2022(03)

[5] 基于VR的物流分拣仿真系统设计[J]. 张闯;张国涛;赵龙葛;矣璐;弓雯静;周世宽.中小企业管理与科技(上旬刊),2020(09)

[6] 基于VR技术的小学信息技术课例设计[J]. 程怡霞.中国教育技术装备

[7] 如何在数字媒体艺术设计中有效运用VR技术[J]. 张颖.中国新通信,2023(01)

[8] 5G+VR领域标准体系的研制与应用[J]. 杨楠;刘颖;徐忻;李滟;王曦.中国标准化,2023(04)