一种基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台研究和实现

第 13 卷第 3 期2001 年 5 月系统仿真学报JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONVolume 13 Number 3May 2001文章编号 1004-731X (2001) 03-0381-04一种基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台研究和实现王绍棣, 谢涛, 王汝传, 孙知信, 庄佳南京邮电学院计算机科学与技术系 南京 210003摘 要 在分析了当前系统仿真语言和仿真软件的一些不足之后 采用了虚拟现实技术 提出 了一种基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台 首先确定了该平台的功能和目标 然后研 究了其拓扑结构 提出了面向对象的仿真系统软件开发模式 并给出了仿真的一般步骤 最后 对涉及到的关键技术进行了阐述 实验系统证明 在这个平台上 可以快速灵活的开发分布式 半实物仿真系统关键词 系统仿真; 虚拟现实; 半实物仿真; 套接字接口; 通用串行总线中图分类号TP391.9文献标识码AResearch and Realization of One Distributed SemSim PlatformBased on Virtual RealityWANG Shao-di, XIE Tao, WANG Ru-chuan, SUN Zhi-xin, ZHUANG Jia,(Department of Computer Science and Technology NUPT Nanjing 210003, China)Abstract After discussion of some shortages of the simulation languages and software, this paper provides one distributed semsim(semi-p hysical simulation) p latform based on virtual reality. According to the target of this platform, some research work is introduced, including the architecture of this platform, the object -oriented development model, the steps of simulation and some key technologies. Making full use of the software tools that the well-known software corp s provide, we can develop a distributed semsim system fast and flexibly. Our test system also proved so.Keywords system simulation; virtual reality; semi-p hysical simulation; socket; USB工具仿真分析主要将各种先进的理论和方法 如神经网1概述 1.1 系统仿真 系统仿真技术的发展是随着各相关学科发展而不断发 展的 系统仿真因为可以解决对复杂系统的预测分析和性 能评价等问题 所以被广泛应用于各个领域 如生产管 理 军事研究 国民经济 航空航天以及核工业等等“ 仿真是一个基于模型的活动” 目前 系统仿真技术 研究主要集中在系统模型描述 仿真工具开发和仿真数据 分析三个方面 系统模型描述主要侧重于对各种模型描述 方法的研究 一般的 我们可以用一个通用集合结构模型公式 1 来描述一个系统1络 人工智能等1.2 虚拟现实 虚拟现实应用于数据分析Virtual Reality, VR 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统 虚拟环境是由计算机和电子技术生成通过视觉 听觉 触觉等作用于用户 使之产生 身临其境的感觉从根本意义上说 虚拟现实技术可以认1为是交互式仿真技术的高级形式但由于当前计算机技术的限制使得虚拟现实技术离实际应用还有一段差距2目前虚拟现实技术主要侧重于解决几个方面问题(1)视觉显示技术 (2)三维虚拟声音 (3)触摸与力量反馈 也制 造了一些虚拟现实系统 如桌面虚拟现实系统 坐舱式虚 拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统等 但我们可以发现这 些虚拟现实系统普遍存在一个问题 那就是“虚拟性” 它只是对现实世界的一个模仿而非现实世界真实的缩 微这就一点来说 目前虚拟现实还只是一个起步阶段 它弱化了仿真系统对现实世界的模型描述能力和仿真能S (T , X , , Q,Y ,6 , Z)其中 T 为时间基 X 为输入集为输入段集(1)Q 为内部 为输出函状态集为状态转移函数Y 为输出集数术 术仿真工具开发方面主要吸收目前计算机发展的先进技如面向对象技术 多媒体技术 数据库技术 网络技 虚拟现实技术等 来开发用户易用 界面美观的仿真力而侧重于对现实世界场景的三维虚拟重构2仿真语言和仿真软件 系统仿真的发展与仿真软件和仿真语言的研究开发紧收稿日期 2001-03-18作者简介 王绍棣 (1942-) 男, 上海市人 教授 研究生导师,曾担 任两项原邮电部重点科研项目的负责人,1989 年获邮电部全国邮电教育 先进工作者称号 1991 年获江苏省高等学校优秀共产党员称号, 目前 研究方向为计算机在通信中的应用 智能软件及专家系统在通信中的 应用 并行处理技术和多媒体技术等密相关仿真软件和仿真语言是利用计算机对系统进行仿真的基础具有代表性的仿真语言和软件有GPSSGASPIV Q-GERTSLAMSIMSCRIPTDYNAMO Matrixx 和 MATLAB 等 但我们发现传统的仿真语言和软 件侧重于对系统模型描述的实现 也即传统仿真语言和软 件本质上侧重于对公式 1 的计算机数值求解 虽然这些仿 真语言和软件都提供了一些 API Application Programming Interface 接口用于对仿真结果数据 公式 1 中的 Y 输出 进行分析但这些功能相对较弱 只是对数据的简单处理 和二维显示一些特殊的仿真领域 如武器对抗 航空航 天等领域要求在仿真过程中分布式控制 对仿真的结果要 求更直观的三维场景显示针对这些传统仿真语言和软件的不足 本文尝试运用 目前虚拟现实技术在三维场景重构上的能力 结合近年来 发展比较迅速的计算机网络技术 提出了一种基于虚拟现 实技术的分布式半实物仿真平台机的半实物仿真平台拓扑结构图 其中控制器由实物 如游戏杆 驾驶舱等 来代替 与控制数据采集服务器连 接 控制数据采集服务器在每个仿真时间点完成对控制器 数据的实时采集与格式转换 并通过局域网发往目标仿真 机 作为仿真系统的输入 仿真控制主机是整个仿真平台 的控制中心 主要负责安装主机控制软件和控制目标机仿 真软件的下载 协调整个仿真过程 目标仿真机在下载目 标机仿真软件后开始仿真计算 产生整个系统的仿真时 钟 在获得系统每个仿真时间点的输入后计算系统在各个 时间点上的状态和输出 并把仿真输出结果发往场景控制 服务器 场景控制服务器在收到目标仿真机发出的输出结 果后 驱动场景数据进行多通道三维场景显示 同时配以 立体声声效等其他多媒体效果从图 1 我们可以发现与传统的仿真平台相比 此平台 主要在分布式仿真系统中加入了三维场景控制服务器 使 得仿真系统的结果能够以更加直观 生动的方式显示 便 于对仿真结果进行分析考虑到仿真系统的可移植性和可扩展性 我们从面向 对象的软件开发方法学出发 开发具有通用接口功能的组3基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台3.1 功能和目标 “ 基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台” 以下 简称分布式半实物仿真平台 就是提供一个分布式集成仿 真平台 完成对现实世界中某个实物系统 一个产品或者 一个事件 的半实物仿真 所谓半实物仿真 就是对系统 中比较简单的部分建立数学模型 并在计算机上加以实 现 而对比较复杂的部分 由于这部分的数学模型建立比 较困难 而采用物理模型或者实物 仿真的时候将这两个 部分连接起来完成对整个系统的仿真 分布式半实物仿真 平台要求达到以下目标件对象针对图 1 中半实物仿真平台拓扑结构图 我们把这个仿真平台的功能模块封装成几个主要的组件 如图 2这些组件封装了本组件的主要的功能 并以标准的接口与其他组件交互 这些接口具有跨过局域网进行网络通信的能力 由于底层采用标准 c 语言开发 因此这些 接口可以在不同的平台上平滑的移植 从图 2 中我们还可 以发现 由于采用了组件化技术 使得半实物仿真平台中 各个组件之间的耦合减少到最低 这大大增强了在此平台 上开发不同仿真系统的软件可重用性准确性实时性要求对实物系统进行准确的模型描述要求能够实时的反映实物系统的状态变3.3 在分布式半实物仿真平台上仿真的一般步骤 化可视化分布式 集成性要求对仿真结果有三维场景显示要求灵活的分布式配置和分布式控制 要求对已有产品和软件的有机集成3.2 仿真平台拓扑结构图和面向对象的组件开发 为了实现以上目标 我们通过局域网把仿真系统的各 个部分连接成一个集成的仿真环境 图 1 是我们基于 PC仿真控制控制数据主机采集服务器图 2 面向对象的仿真系统软件开发模式在此分布式半实物仿真平台进行半实物仿真的一般步 骤如图 3 在对现实世界进行仿真之前首先必须对实物系 统进行分析 确定实物系统的边界 获得实物系统的先验 知识和必要的测试数据 在对实物系统分析后抽象出实物多通道 三维显示多通道 三维显示控制器控制器局域网 LAN场景 数据库目标仿真机 (AC-104等场景控制 服务器控制数 据采集 服务器C 语言开发环境操作系统硬件支撑平台实物系统 仿真模块场景控制 服务器图 3 系统仿真的一般步骤第 13 卷第 3 期王绍棣等一种基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真平台研究和实现 383 系统的数学模型 这是形式化建模的主要任务在获得了实物系统的数学模型并验证无误后 按组件化软件开发模式对实物系统进行仿真建模统和离散系统快速建模的能力 并且能够方便的进行数字仿真代码自动生成和文档自动生成 在三维场景建模 实时视景仿真声音仿真中我们采用 MultiGen & Paradigm 公司的 Creator 工具集和 Vega 软件 使用 Vega 软 件可以快速的创建各种实时交互的三维环境3.4.2 通信接口的实现 套接字 Socket 是 TCP/IP 网络通信的基本构件 是 可以被命名和寻址的通信端口 针对这个平台的分布式组 件和接口封装的特点 我们在各个部件通信接口的实现上 采用了面向连接的 Socket 并且考虑到系统仿真的实时 性 仿真系统各个组件之间交换的数据都带有时间戳 信 息的交换都是双向的3.4.3 通用串行总线USB 接口 我们采用通用串行总线 USB Universal Serial Bus 作为控制器输入输出标准接口 USB 是一种总线标准 具 有传送数据快扩展方便兼容性好支持热插拔等特 点广泛应用在 PC 领域输入输出设备中 控制数据采集 服务器通过 USB 接口完成对控制器数据的实时采集与格式 转换3.4.4 数字仿真中实现低精度实时仿真 如前文3.2 节 所述 在仿真平台拓扑结构图 图1 中我们采用专门的目标仿真机来产生整个系统的仿真时 钟 并在获得系统每个仿真时间点的输入后计算系统在各 个时间点上的状态和输出 但在一些实时性精度要求不是 太高的场合 如汽车模拟驾驶等 我们可以使用价格相 对低廉的 PC 机来代替目标仿真机 我们采用的 Matrixx 系 统仿真软件提供了基于 PC 机的数字仿真环境 我们通过 在这个数字仿真环境中加入定时时钟发生器 基于 PC 平 台 精确到毫秒级 来达到一个低精度 毫秒级 的实时 仿真3.4.5 多接入场景控制服务器的实现 在场景控制服务器的多接入实现上我们采用多进程技 术 保证每一个显示通道都能随机并发接入 即在任何时 候都可以加入一个显示通道 并且在加入后能够在下一显 示帧上和其他显示通道保持同步 这可以通过进程间的同 步标志位来实现就可以在仿真建模中主要考虑算法的稳定性和精度以及参数的选择 在仿真建模过程中除了大量使用仿真平台提供的标准功能模块之外还可以编写具有特殊功能的功能模块开始NYNNN正确否结束图 3 系统仿真的一般步骤在对仿真模型校验无误之后 可以在 PC 机上进行数字仿真 数字仿真是对实物系统中能够用数学关系描述的 部分进行数学仿真 由于我们在仿真平台中采用了虚拟现 实技术 使得我们能够对数字仿真结果 包括将来的半实 物仿真结果 进行直观的观察和分析 根据仿真结果及时 的修正仿真模型和参数在数字仿真完全成功之后 就可以利用代码自动生成 功能生成目标仿真机的代码并下载到目标仿真机上 在对 目标仿真机和网络配置后就可以进行半实物仿真由于实物系统往往具有复杂性 因此在仿真过程中需 要反复调试 对仿真模型进行修改和完善 在半实物仿真 成功后文档工作也是十分必要的由于我们采用了虚拟现实技术 使得我们在半实物仿 真过程中可以感受到多通道的三维场景显示和立体声等多 媒体效果 我们认为在这个平台上的半实物仿真是实物系 统的一个真实缩微3.4 关键技术的实现 3.4.1 软件集成技术 4实验系统的实现 使用这个半实物仿真平台 我们在基于 PC 和图形工 作站的局域网上快速开发了飞机模拟驾驶实验仿真系统见图 4特别的 我们在 Matrixx 的 User Code BlockUCB 功能块中使用 socket 来实现仿真系统的输入输出功能 见图 4 中 Matrixx System Build 建模部分图 5 是考虑到仿真系统开发的复杂性和周期性我们在这个控制器采集数据服务器用户界面 图 6 是模拟飞机飞行驾驶的三维场景实时显示为了分析这个系统的实时性 我们必须分析整个系统平台上整合了一些国际上比较流行和成熟的软件工具 在系统建模方面我们主要采用了 windriver 公司的 Matrixx 仿 真软件来完成系统的仿真 Matrixx 仿真软件具有对连续系文档生成仿真目标机和配置代码自动生成Y代码下载 代码分发半实物实物系统分析N可信否Y正确否YN数字仿真结果分析数字仿真运行型校验模块化仿真建模仿真模形式建模图 6 数字仿真结果三维场景显示的迟延 由于 Matrixx 软件和 Vega 软件本身已经比较好的解决了模型仿真计算和三维场景显示驱动 因此我们重点 测试本实验仿真系统对网络带宽的要求(可以参照表1)从表 1 可以我们发现实时仿真需要总的带宽大致为 200Kbyte/s这在当前的局域网上完全能够实现 我们实 验系统的仿真结果也显示 仿真的实时性是比较理想的表 1 实验仿真系统实时仿真对网络带宽的要求 Socket接口交换数据 结构大小抽样 频率需要带宽(增加40 冗余)通信双方交换信息内容NetWorkUCB-控制 数据采集 服务器UCB-场景 控制服务器手柄控制信息80 Byte60 Hz6.7 Kbyte/sSocket接口Socket接口声效 数据库立体声 声效Socket接口场景中对象 控 制 信 息 以 40 个对 象为例场景中对象 控制信息 40 个对象 3 个通 道Socket接口28 40ByteNetWork30 Hz47.1场景 数据库NetWorkSGI VisualWorkstation场景控制服务器手柄控制器场景控制服务器-声效和 三维场景显 示工作站Socket接口场景 数据库Socket接口28 40Byte330 Hz141.1数据采集服务器SGI VisualWorkstation图 4飞机模拟驾驶的仿真系统结构图总计:200 Kbyte/s5应用前景 本文采用虚拟现实技术来增强对仿真结果的三维场景显示平台 系统 应用提出了一种基于虚拟现实技术的分布式半实物仿真由于在这个平台上可以快速灵活的开发半实物仿真 因此在武器对抗 模拟驾驶等仿真领域有着广泛的参考文献 :肖田元, 张燕云, 陈加栋. 系统仿真导论 M. 北京 清华大学出版社 2000.陈丹伟, 顾翔, 张灯银, 王汝传. 虚拟现实与 VRML J. 南京邮电 学院学报 2000.王汝传. 用虚拟现实建模语言 VRML 创建第二代 WWW J. 电子 工程师, 1998, 4. 美 Joe Gradecki 著 王涌天 何定等译. The Virtual RealityProgrammers KIT M. 北京 电子工业出版社 1998.黄心渊. 虚拟现实技术与应用 M. 北京 科学出版社 1999. 李伯虎, 王行仁等. 综合仿真系统研究 J. 系统仿真学报 2000, (12)5: 429-434.MultiGen-Paradigm, Inc. Vega Programmers Guide Version 3.3 forWindows NT EB/OL. , 1999Integrated Systems, Inc. SystemBuild Users Guide. http:/www.isi. com, 1999, 9.1图 5控制器采集数据服务器用户界面2345678上接第 372 页参考文献 1995, 25: 237-242.王广军等. 锅炉单相受热面动态过程建模与仿真的一种新方法 J.中国电机工程学报, 1993, 13(4): 20-25.Reid R C, et al. The properties of gasses and liquids M. New Yor