关键词：
视景增强系统（精选七篇）
视景增强系统 篇1
最近一段时期, 民航引进了大量先进技术, 平视显示器 (HUD) 和增强视景系统即是其中之一, 本文结合THALES产品对这一技术作以简单介绍。
1 平视显示器原理及国内推广路线
平视显示器 (Head Up Display) , 简称HUD, 是60年代出现的一种综合电子显示设备, 首先用到军用飞机上, 80年代于麦道80系列飞机投入试用, 近年来开始大规模投入使用。
它利用计算机图形显示技术将飞行参数、导航及报警信息, 以图形和简单字符方式, 利用光学部件投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电显示装置上, 信息投射在无限远处, 飞行员从而无需将真实飞行环境在驾驶舱内二次聚焦成像, 且信息以“正形投影”方式成像, 所以飞行员可保持平视状态注视平视显示器上的飞行仪表和导航信息, 根据HUD飞行指引FD (FLIGHT DIRECT) , HUD上的数据和风挡外叠加实景, 及时修正飞行姿态, 显著改善飞行品质和精度, 减轻飞行员负担, 提高飞行员环境感知能力 (situation awareness) , 增强飞行安全。特别是民航客机在起飞和降落过程中, 飞行员同时要操作飞机和低空联络, 频繁的交错观察舱内仪表和外部环境, 很容易注意力分散, 动作不仔细, 利用平视显示器可以提高着陆精度, 提高其将成功率, 而且平视显示器和增强视景系统的结合能实现低能见度起降, 提高航班正点率, 降低航空公司的运营成本。由于以上优点, ICAO (国际民航组织) 建议各国民航当局将平视显示技术作为提高飞行安全品质的措施之一, 并进行推广。我国民用航空总局在2012年发布了《平视显示器应用发展路线图》, 中国民航分三步逐步推广HUD技术, 第一阶段在2014年前, 鼓励并支持航空运营人现役飞机加装并获得运行资格。30%的机场HUD运行前期评估, 当评估符合运行条件后, 在进近图中公布特殊I类运行最低标准和起飞最低标准。第二阶段, 应在新购飞机上至少安装单套HUD设备, 2018年底需要在50%的服役航空器上加装HUD系统, 2017年底前, 完成国内所有机场HUD评估, 对设备, 设施做相应升级, 公布在I类仪表着陆系统上实施特殊I类, II类和起飞最低标准。在减少机场设施成本的同时, 获得相同的运行优势, 使机场具备更高的运行保障能力。第三步到2020年中国的航空运营人所有合格的航空器至少安装并运行单套HUD和EVS。所有改扩, 新建机场合格I类运行跑道均应具备使用HUD实施II类运行的能力, 经过评估后可具备III类运行条件, 可根据运行需要在进近图中公布适用的最低标准。
2 THALES平视显示器组成及部件功用
THALES平视显示器由HPU (HUD Projector unit) , HCU (HUD Combiner unit) , PMM (Personalization Memory Moduel) , HUDC (HUD Computer) 和控制面板组成。HUD投射组件HPU安装在机长头顶板上, 根据HUDC数据生成投射在HCU上图像, 并且完成环境参数数模转换。HCU由一块显示图像的透明玻璃, 一个收藏和放下机构, 一个用于监测HCU机械位置校准的电子机械传感器, 以及环境亮度器构成。HUDC是平视显示器系统的核心部件, 它收集和处理飞机发送和HUD系统请求的数据, 负责显示字符的设定, 显示图形的处理, 自检, 自动补偿电子轴线, 软件上传等功能。PMM存储电子轴线数据, 用于保持HUD所显示的飞行信息与外部视景投影精准的匹配。控制面板安装在机长前面的遮光板上, 用于HCU亮度调节及参数的设定。
3 平视显示器的重要作用
平视显示器在飞机整个运行阶段:滑行, 起飞, 爬升, 巡航, 下降, 进近着陆和滑跑都能发挥重要作用。
(1) 飞机在候机楼滑行到跑道的滑行过程中, 平视显示器可以实现场面导引, 飞行员根据导引符号控制飞机在滑行道上安全, 准确的滑行, 在低能见度情况下滑行时, 平视显示器与视景增强系统结合, 帮助飞行员扩大观察范围, 大大减少飞机在滑行道及交叉口发生的意外事故, 避免滑错滑行道和跑道。对于繁忙的机场, 可以有效调高整个机场的运行效率和吞吐量。
(2) 飞行员在操作飞机起飞时, 同时要观察仪表和外部视景, 很容易在高速滑跑中因低头看仪表而导致的对外部视景的中断, 从而发生危险, 特别是在低能见度情况下的起飞。另外, 利用HUD的迎角和仰角提示可以准确控制飞机姿态, 避免擦机尾事故的发生。低能见度起飞导引是HUD特有的功能, HUD利用FMGC产生的飞行指引信号指引飞行员实现低能见度的起飞。
(3) 在爬升, 巡航及下降等飞行阶段, HUD可以帮助飞行员快速识别异常和危险状态, 避免危险事故发生, 在空中防撞系统发出RA告警时, HUD可以直观地显示操纵提示符号, 在飞行员不用低头看其他仪表的情况下, 根据指引符号操纵飞机避开危险区域。
(4) 在目视进近时, HUD显示的参考下滑道, 飞行轨迹矢量能帮助飞行员做出正确的判断, 减少飞行员负担, 在仪表着陆进近时, 使飞行员保持平视飞行, 使飞行更安全。HUD降低了最小起飞和着陆天气标准, 结合仪表着陆系统的运用, 经过局方的特殊批准, 航空公司可以在I类仪表着陆实施特殊批准的I类、II类、III类运行。目前国内大多数的机场只能实施传统的I类运行, 在遇到恶劣天气的情况下, 飞机不能满足运行最带天气标准, 从而造成大面积的航班延误。HUD可在I类仪表着陆系统上降低最低标准, 中国民航批准的HUD运行标准为特殊批准I类 (RVR 450米, 决断高度45米) 。
增强视景系统就是把机载红外传感器或者毫米波雷达给出的图像和飞行以及导航数据重叠在平视显示器上。由于红外传感器的成像受云、雾、霾、雪、夜间等气象条件的影响较小, 因此, 在目视能见度受限的情况下, 利用增强视景系统能够增强飞行能见度, 提高飞行环境感知能力, 使飞机具备全天候起降能力。
4 结束语
随着民航科技的进步, 未来几年必然会出现一个技术大的飞跃, 作为一个一线技术人员, 我认为随时跟踪新知识, 新技术还是很有必要的, 最近分局举办民航新技术讲座, 粗略了解下HUD和增强视景技术, 望大家指正。
摘要：民航新技术平视显示器原理和作用简介, 国内民航的推广, THALES平视显示器组成。
某型直升机半物理仿真视景系统设计 篇2
某型直升机半物理仿真视景系统设计
仿真视景系统能将所采集到的数字式自动驾驶仪系统信号全面显示,并且模拟发送自动驾驶仪半物理仿真系统所需信号.视景系统集成了基于硬件采集的数据收发系统,并且通过软件实现数据接收、存储与发送.在地面半物理仿真中进行联调试验,研究探讨了该系统的技术要点,给出了系统硬件、软件设计,并对所存数据进行分析.结果表明该系统具备工程应用要求,真实的反映直升机半物理仿真试验过程.
作 者：余翔 李俨 王新民 刘磊 YU Xiang LI Yan WANG Xin-min LIU Lei 作者单位：西北工业大学自动化学院,陕西,西安,710072刊 名：计算机仿真 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：24(1)分类号：V2 TP3关键词：自动驾驶仪 视景系统 半物理仿真
光电跟踪设备视景仿真系统设计 篇3
在实际测量任务中,所用的导弹和靶机成本较高,如果由于操作手失误造成测量任务失败,可能导致整个测试的失败,这将导致很大的损失。所以需要对操作手进行有针对性的训练,提高其操作技能,以确保能胜利完成测量任务,但采用信号弹或靶机进行训练的话,会产生较大的训练成本。通过视景仿真技术对实际观测环境进行仿真,通过人机交互设备模拟操作对设备的控制,实现对操作手的训练。
采用MFC中的基于单文档/视图结构的应用程序框架实现Vega Prime视景仿真程序的开发。仿真模拟软件可以根据需要随时改变仿真场景设置和目标飞行轨迹设置,根据对人机交互输入的视轴信息,实时更新模拟视景窗口指向,模拟实际跟踪过程。
2 Vega Prime介绍
Vega Prime是Multigen-Paradigm公司推出的实时三维虚拟现实开发工具,支持面向对象技术,其底层是基于开放式Open GL技术具有良好的跨平台性[1,2,3,4,5],通过Lynx Prime GUI图形化工具可以进行快速配置,简单易用让用户可以快速准确地开发出适合要求的视景仿真应用程序,是实景仿真软件平台的主流工具[6,7]。
3 视景仿真系统构成原理
主要包含有视轴姿态信息输入、仿真图像显示、目标轨迹设置、仿真环境设置,Vega Prime场景渲染,各模块间关系如图3所示。
仿真系统采用基于单文档/视图结构的MFC面向对象应用程序框架进行开发[8]。为实现仿真程序具有实时的人机交互性,程序采用多线程模式,包含的线程有视轴姿态输入线程、Vega Prime渲染线程、MFC主线程,程序运行流程图如图4 所示。
视窗指向控制,先用Creator创建一个很小点目标作为视轴目标,在Lyn X配置文件中创建视轴目标Object,在显示场景中可以忽略它的存在,将它作为Vega Prime目标观察物,视轴目标始终处于视窗中心,通过改变视轴目标位置进而实现视窗指向改变。
视轴姿态输入,由人机交互设备输入视轴控制信息,实验所采用的输入设备是键盘,通过上下键控制视轴的俯仰角变化,左右键控制视轴的方位角变化。在Vega prime仿真渲染线程中对输入事件响应,根据事件类型调整视轴方位俯仰值,转换为视轴目标位置,更新视轴目标位置实现视窗控制,输入设备可由其他设备替代键盘,如游戏手柄等。
目标轨迹设置,以观测点中心为原点,载入运动目标轨迹文件将目标轨迹点保存于内存中,在Vega prime进行渲染时根据运动时间提取轨迹点,设置目标位置。目标姿态,根据前后两次位置变化方向进行实时更新,才能获得较好的视觉效果。
仿真环境设置,可以设置背景云量,模拟晴天与阴天,对场景加入噪声、抖动、模糊等效果实现对真实成像过程仿真,可以通过Vega Prime API函数进行实时调整。
相机效果仿真设置,在Lynx配置文件中,添加vp Camera和vp Camera Composite Effect两项,前者为相机后者为相机效果设置,该类可以仿真平台的抖动,模糊,乘法固定模式噪声,随机噪声等效果。
3.1运动目标轨迹设置
目标运动轨迹坐标均以观测点为坐标中心,仿真系统可以进行3 种模式运动目标轨迹设置,分别为变速运动轨迹、等效正弦运动轨迹,直接载入包含时间和目标位置的理论目标轨迹。
3.1.1变速目标轨迹设置
设定目标方位角运动角速度、角加速度,俯仰角运动角速度、角加速度。
根据下式每帧更新目标方位和俯仰:
其中,S为更新角度,S0为初始角度,v为角速度,a为角加速度,t为目标运动时间。
3.1.2等效正弦运动轨迹设置
设定目标运动方位角最大角速度、最大角加速度,俯仰角最大角速度、最大角加速度。
根据下式每帧更新目标方位和俯仰:
其中为最大角速度,为最大角加速度。
3.1.3目标位置解算
其中,R为目标与观测点距离,其中E为目标俯仰角,A为目标方位角。
3.2运动目标姿态变化仿真
Vega Prime进行目标位置更新时,不会对姿态进行更新,需根据运动方向实时解算目标姿态进行更新才能逼近目标真实运动状态。
其中yaw为偏航角,pitch为俯仰角,Δx , Δy , Δz为目标位置变化。
目标滚转角为自身旋转变化,可根据实际目标运行情况设定。
3.3 目标脱靶量计算及跟踪评价
对于每一帧仿真图像而言,目标的空间位置和视轴指向位置都是已知的,通过求解目标与视轴的方位和俯仰差值即可得出目标在此帧场景中的理论脱靶量。在以观测点为中心的直角坐标系,目标和视轴之间的位置关系如右图5所示。视轴方位As,俯仰Es,目标方位At,俯仰Et。
脱靶量计算:
方位A和俯仰E值可通过获取目标在场景中位置坐标(x,y,z)计算得到。
对ΔA、ΔE进行平均值和方差进行统计,可以作为操作手技能水平的评价指标。
4 仿真效果
进行模拟训练时,首先通过人机交互界面设定目标运动轨迹参数,设定键盘左右键控制量变化大小,天气情况设定及相机效果设定,更新视轴方向使目标处于视场中心。然后启动目标仿真,目标开始沿设定的轨迹运动,此时通过操作控制视窗指向的“上、下、左、右”键改变视窗指向,使目标保持在十字丝中心。或设定目标从各个方向飞入视场场景,演练操作手的反应和操作速度。通过模拟各种运动目标和不同场景,对操作手进行训练。记录目标方位俯仰与视轴的方位俯仰差值,即目标脱靶量,通过对目标脱靶量统计情况来衡量操作手的技能水平。
5结论
结合Vega Prime和MFC实现对光电跟踪设备视景仿真系统的开发,介绍了视景仿真系统结构和软件运行流程,阐述了运动目标轨迹设置方法和运动过程中目标姿态更新方法。MFC通过调用Vega Prime API实时对Vega Prime仿真场景进行改变。通过相机仿真效果和天气背景条件设置,实现对真实场景的仿真。跟踪目标可以加载变速运动轨迹、正弦运动轨迹或直接载入真实目标运动轨迹,使操纵手在接近真实情况下得到训练,提高操作技能,降低训练成本。
摘要：由于受环境天气及训练成本影响,操作手只能在光电跟踪设备上进行有限的训练。运用MFC和Vega Prime设计了光电跟踪设备视景仿真系统,通过对视景仿真系统的操作可满足操作手的训练需求。根据背景环境设置,系统视场大小,目标模型等,利用Vega Prime进行场景仿真渲染。仿真系统视窗指向由人机交互设备进行控制,通过控制设备使运动目标保持在视场中央,模拟实际手动跟踪目标过程。此系统可通过仿真不同目标运动轨迹和不同环境,对操作手进行训练,提高操作手技能。
关键词：VegaPrime,仿真系统,光电跟踪设备,MFC,模拟训练
参考文献
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虚拟驾驶视景仿真系统中实效性研究 篇4
关键词：视景仿真,虚拟驾驶,碰撞检测,包围盒
0引言
汽车是当今社会最重要的交通工具之一。随着新兴科学技术领域的不断创新,尤其是计算机、电子控制、人工智能、网络通信等高新技术的迅速发展,对汽车工业的发展产生了巨大的影响和渗透。随着汽车工业的迅速发展,汽车电子技术为汽车提供越来越多的功能,包括安全性、舒适性和娱乐性等。近年来,虚拟现实技术在虚拟驾驶仿真中的应用为汽车电子产品开发、测试、模拟驾驶培训等提供了有利手段,已经引起越来越广泛的关注。
由于虚拟驾驶环境中的场景复杂、模型多、规模大,使得虚拟仿真环境的计算量和计算复杂度大大提高。然而对于汽车电子开发、测试、模拟驾驶等,要求虚拟场景中各模型间相互作用、操作者与虚拟环境之间的交互以及计算机对虚拟场景的计算和渲染等需要快速准确完成,才能获得良好的沉浸感和实效性。因此,快速、精准地检测虚拟驾驶视景中的模型间的碰撞,对于提高虚拟驾驶环境的实时性和真实性,增强虚拟驾驶环境的沉浸感有着至关重要的作用。
应用于汽车电子产品开发、测试的虚拟驾驶仿真场景的碰撞检测是个复杂的系统问题。问题主要在于实现在大量复杂的虚拟物体环境中检测到相互碰撞的物体及碰撞的程度,提高检测的实时性和精确性。而实时性和精确性是相互矛盾的,需要结合实际情况平衡两者之间的关系。常用的碰撞检测方法有空间剖分法和层次包围盒法,空间剖分法由于存储量大及灵活性不好,使用不如包围盒层次法广泛。由于OBB包围盒最大特点是方向任意,紧密性较好,并且在几何对象发生平移或旋转后,只需要对OBB的基底进行同样变换即可。因此,本文综合考虑以上各因素,改进并设计了基于OBBTree的层次包围盒碰撞检测算法,并将该算法应用到虚拟驾驶场景,获得了很好的效果。
1碰撞检测
碰撞检测的基本任务就是判断虚拟场景中不同的两个或多个多面体间是否发生接触或穿透[1]。虚拟驾驶场景中运动的车辆与静态建筑物之间、运动的车辆与障碍物之间或者运动车辆与运动车辆之间等交互的基础就是碰撞检测。
1.1OBB包围盒
OBBTree层次包围盒碰撞检测算法的基本思想是用体积略大而几何特性简单的OBB包围盒,来近似地描述复杂的几何对象,进而通过构造树状层次结构,来逼近对象的几何模型,直到几乎完全获得对象的几何特性[2]。
OBB是有向包围盒的简称,它是一个表面法线两两垂直的长方体,或者说是一个任意旋转的AABB包围盒。一个OBB包围盒可以用它的中心点bc和3个有向向量bu、bv和bw来描述,这3个向量用来表示长方体的边方向,如图1所示。
关于OBB包围盒的构建,首先将几何模型表面三角化可得到n个三角形,记做△pkqkrk,其中pk、qk和rk分别是三角形k的3个顶点,0≤k<n,则三角形k的面积ak和三角形i的质心可分别如式(1)、式(2)所示:
则整个凸包的质心mH,如式(3)所示:
然后,采用对构成物体的所有三角片的顶点进行统计,可求得协方差矩阵C,如式(4)所示:
在计算完协方差矩阵C后,可以计算出它的特征向量,并将其归一化,这些向量即为OBB包围盒的方向向量。
下一步,将凸包上的点投影到方向向量上,找到每个方向上的最大值和最小值,进而确定了包围盒的大小和位置。
1.2包围盒的相交测试
关于OBB包围盒的相交测试,本文采用了分离轴理论。根据分离轴理论,存在一个分离轴,或者垂直于一多面体的一个面,或者垂直于两多面体的各一条边,因而最多只需测试15种可能的轴,即一个OBB的3个面,另一个OBB的3个面,以及两个OBB的各3条边的9种组合就可以判断出两个OBB是否不相交。基于分离轴理论OBB包围盒的相交测试,如图2所示。
图2中A、B分别表示OBB包围盒,如果A只需旋转r并平移t就能到达B的位置和方向。假设将一条可能分离轴记作L,将包围盒A和B分别向轴线上做投影,那么可以得到这两个OBB在这轴线上的“半长”,分别为dA和dB,如式(5)、式(6)所示:
当且仅当,L是一条分离轴时,满足式(7)时:
在这条轴线上的投影才彼此分离,不重叠。
如果15条分离轴中有一条分离,则就可以确定这两个OBB包围盒A和B是不相交的。另外,以不同顺序对这些轴线进行测试,也会对程序性能产生影响。对于OBB包围盒A和B,考虑到au、av、aw及bu、bv、bw之间的正交性,我们先以这6条轴为分离轴进行快速简单的重叠排除测试。在完成这些测试之后,再对由A和B形成的轴线进行测试。
1.3OBBTree的树状结构
本文中采用了自顶向下的二叉树方法构造层次包围盒的树状结构,首先计算凸多边体模型的OBB包围盒作为根节点;然后选取OBB包围盒的一个轴,生成一个与之垂直的平面,对OBB包围盒进行剖分,得到根节点的两子节点;而后为每个子节点构建新包围盒以递归方式继续剖分,直到包围盒形体不可再分得到叶子节点,具体方法如图3所示。
对于OBB包围盒的分离轴选取,本文采用了最长轴剖分策略,即选择包围盒的最长轴作分离轴,选用垂直于该轴的平面来剖分OBB包围盒。为了使平衡树最优,这个平面包含包围盒的中心将包围盒的最长轴分为相同长度的两部分,过程可参见图3,如果不能对最长轴进行细分,那么以此递减次序对其他轴进行尝试。
2碰撞检测算法优化
基于OBBTree的层次包围盒碰撞检测算法的执行速度主要受三个方面的影响:OBB包围盒间的相交测试、OBB树的遍历和基本几何元素的相交测试。本文对常规的层次包围盒碰撞检测算法进行了结构优化,消减碰撞检测中不必要的数据及计算,通过碰撞检测预检测减少包围盒间的相交测试时间,大大提高了碰撞检测的效率,加快碰撞检测速度,获得了较好的实时效果。
2.1OBB树状结构优化
当模型比较大,对象所包含的基本几何元素(三角面片)较多时,在为对象构造包围盒树进行精确检测时,压缩存储内部节点、同时对叶节点进行存储优化,可加快对树的遍历,节省存储空间且没有增加额外的时间消耗,可提高算法的执行速度。本文中采用文献[4,5]提出的快速三角形与三角形相交测试和快速三角形与包围盒相交测试算法。
两个测试对象的OBB树重叠测试过程中,涉及到叶节点的重叠测试,可以不用到包围盒信息,而直接用三角形进行测试。一个三角形叶节点被包围盒包围时,在遍历到三角形之前需进行OBB包围盒相交测试,然而,树状结构被修剪后,可以用三角形与包围盒测试代替OBB包围盒测试,由于三角形是模型几何的一部分,因此三角形与包围盒测试比OBB包围盒相交测试结束得早,如图4所示。
图4中,不必再用一个独立的节点表示叶节点,从包围盒树的存储空间中可直接删除叶节点,并且,当一棵树的叶子节点和另一棵树的内部节点相遇的时候,可以直接采用三角形和包围盒测试,而不必用树的内部节点进行递归。
在一个平衡二叉树中,一棵含有N个叶节点的完全OBB树共有2N- 1个节点,当修剪了OBB树存储后不再需要为叶节点分配存储空间,则相当于从包围盒树的节点中删掉了一半的节点。这样大大节省了存储空间,减少了一半的内存需求。
2.2相交测试方法优化
在虚拟驾驶场景中,应用传统的基于OBBTree的碰撞检测算法,当模型数量较少、场景较小时,包围盒之间的碰撞检测计算开销很小,几乎可以忽略,但是,当虚拟驾驶规模比较大时,物体数量较多,包围盒之间碰撞检测的计算开销增大,在真实系统中,对于上千个包围盒进行碰撞检测已经能够明显感到运算开销的增大。因此在真正的“OBB/OBB”相交测试之前增加一个快速排除测试,可进一步提高基于OBBTree的层次包围盒碰撞检测算法的效率。
由于OBB的包围球体的球心位于OBB的中心bc处,而且可以根据OBB的半径长计算出球的半径长,最后就可以通过“球体/球体”的相交测试方法来进行快速排除测试。此种方法比较常用,速度比较快,但紧密型差,准确性较低。考虑到在虚拟驾驶场景中房屋、车辆、行人等初始位置位于水平面,并且运动的汽车沿水平面行驶,因此我们可选择xy面为投影面,将空间三维物体投影到二维平面,首先进行快速排除测试,如果两模型相交,则碰撞检测程序继续运算,否则即可判断两模型不相交,测试终止。
将模型投影到xy平面后,采用分离轴算法仍是最佳选择,分别在x轴和y轴分离轴上投影之后,在每一根分离轴上采用区间测试,可以确定两个投影面是否重叠。区间测试在每根轴上最多进行两次,每一对投影面最多进行4次比较运算,如图5所示。
在图5中,A、B分别表示空间包围盒OBB包围盒的xy面的二维投影,两包围盒的x坐标的最大值与最小值分别为Axmin、Axmax和Bxmin、Bxmax,当投影到xy面后坐标值不变,因此我们只需对包围盒的x和y坐标轴上分别进行这样的比较。如果Axmax<Bxmin,那么A与B不相交,如图5(A)所示;如果Axmax>Bxmin,那么A与B相交,如图5(B)所示。同样道理,亦对y轴进行相同的测试。
上述算法针对虚拟驾驶场景中的模型特点,可以大大提高模型与模型之间相交测试的效率,当虚拟驾驶场景较大,模型较多时,此方法可省去很多多余的检测时间,提高虚拟驾驶视景仿真系统的实时性。
3虚拟驾驶视景仿真系统中的应用
利用以上理论,结合VS2005和OSG开发平台,笔者对虚拟驾驶视景仿真系统进行了仿真。为了测试算法的性能与效率,我们在视景仿真系统程序中分别嵌入基于OBBTree层次包围盒原算法和改进后的算法,基于普通PC机对系统进行了多次测试。测试的硬件环境为Intel Core 2.66GHz,3GB内存,nVidia Gforces9800显卡,操作系统为SP3。在虚拟驾驶仿真系统中,系统的视景仿真效果图如图6所示。图中,左边两幅图为基于碰撞检测算法的虚拟驾驶仿真效果,右边两幅图为没有采用碰撞检测算法的虚拟驾驶仿真效果。
为了测试仿真效果的实时性,本文采用改进的OBBTree层次包围盒算法和常规的OBBTree层次包围盒算法,分别在三角形面片为43551、78849、139158、182267、281538的不同大小虚拟驾驶场景中分别进行多次实验,测试了场景碰撞检测的时间,对比结果如图7所示。
实验表明,改进后的碰撞检测算法较之常规的OBBTree层次包围盒算法有了明显改进,并且当随着虚拟驾驶场景的规模变大时,算法改进的效果越明显。其中,当场景模型三角形面片个数为281538个时,时间优化了1208ms,效率提高了大约35%。
在虚拟驾驶视景仿真场景中,通过采用改进的OBBTree算法,场景中汽车行驶动作流畅,屏幕的刷新率可达50帧/秒,完全满足了实际的需求。其中三维虚拟行驶汽车可以精确地与道路、其他行驶车辆以及道路障碍物等实现碰撞检测,增强了虚拟驾驶场景的沉浸感。
4结语
本文通过应用虚拟现实技术为汽车电子开发、测试提供了安全真实的虚拟驾驶视景仿真环境,并通过优化和改进常规的OBBTree层次包围盒的碰撞检测算法,进一步提高了虚拟驾驶仿真的效率。基于改进优化后的OBBTree层次包围盒碰撞检测的精确性和实时性都达到仿真系统要求,虚拟驾驶的仿真效果得到了很大的提升。该方案解决了虚拟驾驶视景仿真系统中的真实性与实时性问题,增强了虚拟驾驶的沉浸感,可以较好地应用于虚拟驾驶视景仿真系统。
参考文献
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视景增强系统 篇5
视景仿真技术是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。它作为一种研究方法和实验技术直接应用于系统研究，是一种利用相似与类比的关系来间接研究事物的方法。它为进行系统分析，综合研究，设计，以及对专业人员的培训提供了一种先进的技术手段[1]。视景仿真可分为仿真环境制作和仿真驱动。仿真环境制作主要包括：三维模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效；仿真驱动主要包括：场景驱动引擎、模型调动处理、分布交互、大地形处理等，它要求高速逼真的再现仿真环境，实时响应交互操作等。本漫游系统以某一变电所作业区为虚拟对象，以MultiGen为主要建模工具，并结合3ds Max[2]和PhotoShop[3]来辅助制图，以OpenGVS[4]为引擎驱动工具，开发出一个桌面型的变电所漫游系统。
1 三维模型构建
1.1 三维建模的概念
建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。三维建模技术是视景仿真技术中的关键技术之一。我们所漫游的世界是否“能看起来真实、动起来真实、摸起来真实”，依靠的就是建模技术[5]。
1.2 漫游系统模型构建的任务分析
根据现场提供的照片和录像，本文分析，变电所漫游系统主要是室外漫游和室内漫游，以此建模的主要工作是室外建模和室内建模两部分。在每一个部分中又包含有很多的单个模型。整体工作量如图1所示。
1.3 三维模型的构建过程
变电所漫游系统场景中包含有许多模型，每一个模型的逼真度以及对系统资源的使用都对最终合成的总场景的视觉效果和运行速度起着至关重要的作用。因此，可以说三维模型的构建是整个工作中重点。整个场景被划分为若干部分，每部分模型的制作流程都是相似的，在这里仅以室外模型中的中变压器为例来介绍一下三维建模的过程。
(1) 数据的收集与整理：数据的来源主要是现场拍回的照片和录像，在录像中详细观察电容器在整个场景当中的位置以及电容器的每一个组成部分和各个部分的比例关系。数据的整理工作主要是在PhotoShop和3ds Max中进行，整理的目的是获取纹理素材。
(2) 几何建模：遵循由里到外，由上到下，由局部到整体的原则，逐层逐块地利用建模软件MultiGen提供的点、线、面、体创建和修改工具，进行变压器几何模型的创建。
(3) 物理建模：变压器的几何模型构建完成后，只是简单的一个模型没有任何立体效果，会有一种不真实的感觉，这就需要通过使用纹理、材质和阴影效果等物理建模的方法来增强模型的真实性。
(4) 运动建模：运动建模是三维建模的最后一步，它主要是对于会产生运动的模型进行自由度的设置和处理。通过上述过程建立的变压器三维模型如图2所示。
2 漫游引擎的设计与实现
2.1 变电所漫游引擎的设计
基于视景仿真技术的漫游系统的图形渲染时“实时”的，而且具有很强大的人机交互性。该漫游系统提供给用户交互控制的权限，用户可以在虚拟场景中随意前进、后退、旋转等[6]。
该漫游系统从功能上分为4大模块。
(1) 自由漫游模块。用户可以随心所欲地控制角色在虚拟场景中漫游，从而看到场景中任何一个角落。用户可以通过漫游平台上的对应按钮操纵角色前进、后退、左转、右转，也可以抬高视角、降低视角。这些功能通过键盘按键也可以实现。 (2) 自动漫游模块。用户在事先定制的漫游路线中可以按照个人意愿选择其中一条，漫游引擎可以让虚拟场景中的角色在选定的漫游路线上自动进行漫游，为用户展示沿线的虚拟建筑。另外，用户也可以按照自己的想法定制漫游路径。 (3) 音乐控制模块。漫游引擎内置了2首背景音乐供用户选择，背景音乐可以循环播放。 (4) 帮助模块。漫游引擎提供了文档帮助，具体说明漫游引擎的使用方式以及各种功能对应的键盘命令。
2.2 漫游系统的实现
漫游引擎是搭建在OpenGVS软件开发平台上的，而OpenGVS主要包括三个软件模块，即初始化模块，运行模块和关闭模块，这也是OpenGVS按照时序执行的先后顺序。基于OpenGVS的程序框架及漫游引擎的相关功能主要在用户初始化函数GV-user-init () 和用户运行函数是函数GV-user-proc () 中实现。其中，用户初始化函数在系统中只执行一次，而用户运行时函数则每帧调用一次。最后变电所漫游系统的室内外渲染效果图如图3和图4所示。
3 结束语
本文所阐述的变电所漫游系统是基于视景仿真技术，利用OpenGVS软件开发平台设计并实现的。该系统虚拟场景逼真，漫游功能齐全，用户可以进行多视点、多场景的浏览，让用户有身临其境的感觉。本系统取得了较好的视觉效果，目前已经应用到实际中，宣传效果极佳。
参考文献
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[5]杨克俭, 刘舒燕, 陈定方.虚拟现实中的建模方法.武汉工业大学学报, 2001, 23 (6) :47～50.
视景增强系统 篇6
半潜船因其船舶自身和所装货物的特点, 运输业务发展势头依然迅猛, 所创利润不断提高。同时, 2007年10月, 国际著名船级社挪威船级社 (DNV) 对航海模拟器系统认证进行了修改, 新增加了溢油、遥控船只、移动近岸平台等特种作业模拟器。半潜船操作模拟器划归于移动近岸平台的特种作业模拟器, 在航海模拟器中添加半潜船操作模拟器势在必行。 半潜船操作模拟器视景系统是一套实时计算机网络系统, 它为现场操作人员实时提供操作过程的虚拟景象, 可以使现场操作人员利用仿真系统提供的仿真设备和三维视景, 实现半潜船作业过程的仿真, 从而增强系统的培训和航海教育的效果。
1 半潜船操作模拟器仿真系统构架
半潜船操作模拟器仿真系统主要有用户控制人机交互模块、稳性及强度的实时计算模块、视景显示模块和船舶运动数学解算模块等四个部分组成。半潜船操作模拟器视景显示模块需要实时读取船舶运动数学模块提供的船舶位置、航向速度等数据以及船舶稳性计算模块计算出的船舶稳性相关参数, 图1直观地显示了半潜船操作操作模拟器几个模块间的关系。
2 半潜船的几何建模
目前, 三维几何建模的软件很多, 该视景仿真系统中, 需要选择一种建模软件不但能够保证模型足够真实, 而且对于同一物体的建模使用的多边形数目又相对较少, 基于该条件考虑, 我们选择MultiGen Creator软件建模, 模型如图2所示。
半潜船几何建模主要包括:船体、栏杆、桅杆等等, 图3是半潜船建模的MultiGen Creator的分层数据结构图。
3 视景仿真的关键技术
目前, 计算机3D技术确实达到了一个相当高的程度, 所能完成的效果令人美不胜收, 惊叹不已。三维视景软件很多, 大部分3D软件都是基于OpenGL和Direct3D。在整个半潜船操作模拟器视景系统的仿真中, 采用的是Quamtum3D公司出品的OpenGVS三维视景管理软件。OpenGVS视景管理软件, 主要用于场景图形的视景仿真的实时开发, 易用性和重用性好, 有良好的模块性, 巨大的编程灵活性和可移植性。该仿真软件主要是基于Visual C++ 6.0的平台下开发的, 系统的主程序由两个线程组成, 一个为系统的用户操作界面线程, 主要用于与实际用户之间的数据交流, 通过事件方式向系统内传递与查询消息;另一个为OpenGVS三维场景渲染线程, 是OpenGVS函数实际工作的线程, 主要负责三维场景方面的渲染处理。这两个线程之间通过公共变量实现联系和相互协调工作。图4是整个视景驱动程序流程图。
3.1 视点控制
在OpenGVS应用软件中, 相机是用于动态控制观察点的主要软件。在半潜船操作模拟器视景仿真中, 设置了多架虚拟相机, 其中三架相机绑定在半潜船的驾驶台、甲板、外部半潜船全景, 它们能够动态地显示半潜船某一时刻所处的动态状态。最后一架相机, 绑定在货物上。设置该相机的目的, 只是为了动态显示重大件货物未装入半潜船前的位置变化和角度变化。
关键代码:
通过编写相应的回调函数, 来实现视点的跟踪机制, 如gfx_camera_xtak_sim_callback (GV_Camera, void* pdata) 定义了半潜船的回调函数实现了视点跟踪。通过void tkui_event_change_camera (int device) 实现四架相机镜头的转移。如图5所示。
3.2 碰撞检测
碰撞检测是视景仿真系统中非常重要的一个问题, 也是一个难点。在半潜船操作模拟器仿真系统中, 主要考虑重大件货物装货前与底面的碰撞, 以及重大件货物装货过程中与半潜船的碰撞。如果这两个问题解决不好, 就不能直接真实地模拟半潜船装卸货的实际情况, 达不到很好的仿真效果。这里, 利用OpenGVS功能函数对半潜船操作模拟器视景研发中的碰撞检测做一些探讨。
3.2.1 重大件货物与地面的碰撞检测
重大件货物与底面的碰撞检测问题又称为地形匹配问题, 如果处理不好会出现重大件货物钻入地下或者腾空飞行的现象。OpenGVS本身提供了很多函数来检测碰撞, 但是发现很多函数在VC++的编程中达不到预期的效果, 利用如下函数可以达到预期的效果:
GV_geo_inq_intersection ( GV_Scene cur_scene, constG_Vector3*v0, constG_Vector3*v1, GV_Geo_isc_control_mask isc_mask, G_Mask exclusion_mask, GV_Geo_isc_data * p_iscdat ) ;
该重大件货物底面为十二边行, 如图6-7所示, 利用二十边行的顶点A-K, 分别发出十二条射线, 来检测底边十二顶点的高程, 利用函数GV_geo_inq_intersection () 函数获得与十二个顶点相交面的高程。将所有的高程相加求其平均值为作为重大件货物的Y方向的值。这样的方法, 在半潜船操作模拟器视景系统中得到了很好的应用。
3.2.2 重大件货物与半潜船的碰撞检测
重大件货物与半潜船的碰撞检测相当麻烦, 若检测不好, 就会出现重大件货物直接穿透半潜船, 与实际情况完全严重不符。为了更为真实地再现半潜船装货视景, 也可以利用GV_geo_inq_intersection () 函数, 检测到大海、岸边以及半潜船时, 执行不同的代码, 实现碰撞检测。
3.3 半潜船装卸重大件货物
半潜船完成重大件货物装货时, 也就是重大件货物的重心与半潜船的重心重合时, 将重大件货物指定为半潜船对象的子对象, 也就是把重大件货物作为半潜船对象的一部分。这时, 当半潜船做六个自由度运动时, 重大件货物也会随着半潜船做相应的运动, 重大件货物装货后的仿真效果, 符合真实情况。这些工作的完成, 需要void xtak_attach_czdj () 回调函数。关键代码如下:
GV_obi_attach_child (xtak, czdj) ;
//将重大件货物变成xtak的一个子对象。
当重大件货物被运输到指定的目的地时, 可以将重大件货物由半潜船的子对象提升为一个独立的对象, 完成重大件货物卸货仿真, 这些工作的完成, 需要 void xtak_detach_child () 回调函数来实现, 关键代码如下:
GV_obi_promote_child (czdj) ;
//将重大件货物提升一个独立的根节点, 作为一个独立的对象。
需要注意的是, 半潜船在OpenGVS视景中的横倾以及纵倾的参考标准与半潜船在船用坐标系统中不同。半潜船在OpenGVS视景中的横倾标准, 当x为负值时, 半潜船发生左倾;而x为正值时, 半潜船发生右倾。半潜船在船用坐标系统中的横倾标准, 当x为正值时, 半潜船发生左倾;而x为负值时, 半潜船发生右倾。如图8所示。
3.4 重大件货物前后, 重大件货物运行机制
半潜船装载重大件货物前和半潜船卸重大件货物后, 重大件始终是一个独立的根节点, 是一个独立的对象可以通过按键产生消息响应, 实现各种运动状态的变化, 控制重大件货物的状态。
键盘按键“G”或者“g”实现重大件货物向前运动, 由函数static void event_czdj_forward (int device) 完成;键盘按键“T”或者“t”实现重大件货物向后运动, 由函数static void event_czdj_backward (int device) 来实现;键盘按键“V”或者“v”实现重大件货物向左移动, 由函数static void event_czdj_left (int device) 实现;键盘按键“E”或者“e”实现重大件货物向右移动, 由函数static void event_czdj_right (int device) 实现。
通过这四个函数, 实现了半潜船装载重大件货物前和半潜船卸重大件货物后, 重大件货物独立的运动, 模拟了重大件货物滚动装货前后所需要的各种运动状态和潜装潜卸所需要的运动状态。
通过在void events_init ( void ) 函数中调用以下代码可以激活按键。关键代码如下:
tkui_add_callback (′g′, event_czdj_forward) ;
tkui_add_callback ( ′G′, event_czdj_forward) ;
tkui_add_description ( ′G′, ″g, G czdj forward″) ;
tkui_add_color ( ′g′, &textcolor ) ;
4 系统间的数据通信
视景系统与船舶配载计算系统的通信 (稳性计算模块) 、船舶运动解算模块的通信, 主要是通过MFC与OpenGVS的接口函数 extern global_gvs_info g_info;在该接口函数中定义三个结构体, 分别是稳性参数结构体、重大件货物参数结构体和船舶运动解算参数结构体, 通过这三个结构体, 实现系统间的数据通信, 在动态计算半潜船重大件货物过程中需要实时船舶稳性参数, 将半潜船稳性参数, 如首吃水、尾吃水、左舷吃水、右舷吃水、横倾与纵倾等参数传递给压载水控制的人机交换界面, 可以采用文本方式读取数据, 实现通信。如图9所示。
5 船舶稳性参数的实时响应数据
根据排水量D查静水力曲线表型, 得到型吃水dm、LCB、LCF、MTC、TKM等数据, 利用公式 (1) , 得到相关的稳性参数。界面如图10所示。
LCG=∑PiXgiD
t=D· (LCG-LCB) / (100MTC)
dF=dm+t (LBP2-Xf) /LBP
dA=dm-t (LBP2+Xf) /LBP
KG=∑PiZiD
KG′=KG+IFSMD
GM=TKM-KG
GM0=GM-IFSMD (1)
其中:
LCB—船舶浮心的纵向坐标;
LCF—船舶漂心的纵向坐标;
MTC—厘米纵倾力矩;
TKM—横稳心高度;
LBP—两柱间长;
dF—船舶首吃水;
dA—船舶尾吃水;
KG—重心垂向坐标;
GM—初稳性高度。
关键编程如下:
double m_fTrim, m_fDraftA, m_fDraftF;
m_fTrim=dTotalWeight* (ShipLCG-LCB) / (100*MTC) * (InputDlg.m_dInputDensity/1.025f) ;
m_fDraftF= (EqualDraft) + (LPP/2.0f-LCF) *m_fTrim/LPP; m_fDraftA= (EqualDraft) - (LPP/2.0f+LCF) *m_fTrim/LPP;
参照半潜船“泰安口”完整稳性计算书资料, 进行分析对比如表1和表2所示。
从两个表中可以得出, 有些参数 (船舶稳心高度KM, 自由修正液面) 达到了零误差, 但是有些参数误差确很大, 如船舶的尾吃水。分析产生误差的原因, 可能是对数据进行计算时, 采用线性插值方法所产生的误差。仿真环境及隐性参数如表3-表4所示, 外部视景如图11所示。
6 结 论
本文主要就半潜船操作模拟器视景仿真的关键技术做了初步的研究, 根据所遇到的问题, 提出了相应的解决方案, 以船舶静稳性力学为基础, 实时计算该时刻的稳性参数, 并将其稳性参数传递给半潜船操作模拟器视景系统中。以Visual C++6.0和OpenGVS场景管理软件为开发平台, 研制开发了半潜船操作模拟器应具备的视景仿真系统, 达到了预期的效果, 满足实时性的要求。
摘要：为了满足半潜船作业人员学习和培训的需要, 有必要在航海模拟器大环境下研发半潜船操作模拟器仿真系统。以船舶静力学为基础, 实现了半潜船装载重大件货物的过程的动态稳性计算, 以Visual C++6.0和OpenGVS场景管理软件为开发平台, 研制开发了半潜船操作模拟器应具备的视景系统。该仿真系统实现了视点的转移和跟踪, 通过设置在半潜船的驾驶台、甲板及外部三个虚拟相机, 实时动态显示半潜船各种运动的状态, 同时实现了半潜船操作模拟器几个模块间的相互通信, 取得了很好的效果。
关键词：半潜船,OpenGVS,视景显示,稳性计算
参考文献
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视景增强系统 篇7
关键词：安全,技能仿真,MMORPG,视景仿真技术
0 引言
在知识经济时代，安全知识作为人类知识的重要组成部分，必将成为生产力的一大要素，只有提高安全知识水平，才能对生产力的发展起到促进作用。安全技能仿真培训系统是以工作票执行能力为主线任务的安全技术培训系统，主要用于培训并提高工作负责人、工作许可人、工作票签发人及工作班人员安全技能水平，着重规范和提升他们的工作票执行能力。通过安全技能仿真培训，使学员掌握工作票执行中各阶段的危险因素辨识和控制能力，提高现场作业人员的安全意识和安全技能水平。
为解决传统的电力仿真培训系统的诸多缺陷，例如只能单人培训模式，培训场景不能随意搭建，不支持学员在培训时进行语音及文字交流也无远程（局域网）培训等功能，系统采用基于MMORPG和视景仿真技术进行开发，实现满足多人（多角色）、多班组相互协作的培训模式，支持对场景随意搭建，支持学员在培训时进行语音及文字交流及远程（局域网）培训，提高安全技能培训的针对性、实效性。目前国内外未有相关资料显示以MMORPG和视景仿真技术开发的安全技能仿真培训系统。
1 电力企业安全培训的方法
近几年，电力企业不断地改进培训方法，力争摒弃那种空洞无物、呆板无趣的说教。主要有以下几种培训方法[2]：
(1)岗位培训。对新员工进行岗位培训，介绍本岗位工作性质、工作范围、设备的使用、安全工作规程、岗位安全责任制和有关安全注意事项等。培训后，进行考核。(2)安全竞赛。包括安全知识竞赛、安全讲演竞赛、百日无事故竞赛、安全操作技术无差错竞赛等。安全竞赛体现了公平竞争，优胜劣汰，适合争强好胜、思想活跃的青年职工。(3)事故案例分析。通过分析本企业或其他企业发生的事故案例，引起员工对这类事故的警惕，变他人的事故为共同的教训，加深对有关安全规程的理解。
2 安全技能仿真培训系统建设的必要性
2.1 传统的电力安全培训的模式单一，多数为对员工进行安全方针政策知识的宣贯及案例分析的教育，重理论，轻技能，把安全知识理论考核作为评价员工掌握安全技能水平的唯一标准。电力企业安全培训应该突破发展瓶颈，创建新的模式，采取灵活多变的教学模式，不断提升安全教育培训效果[1]。
2.2 电力企业安全培训的对象为电力企业在职员工，年龄层次多，对知识的掌握能力参差不齐，大多数表现为记忆力下降、上课注意力不集中、学习能力差等现象[1]，若继续采取传统的安全培训模式，培训效率将得不到提高，安全技能仿真培训系统的建设将打破传统的培训模式，展现一个全新的培训环境。该培训系统适合各个阶层的员工，操作方法简单，无需另外进行计算机操作培训；培训环境贴合实际，交互性好，趣味性强。
2.3 以往的安全培训忽视了安全技能的培训，职工在遇到危险时不能冷静处理，导致事故的发生。电力企业应该加强对员工安全技能方面的培训，安全技能仿真培训系统提供一种身临其境的安全技能操作培训界面，解决了操作训练对全套硬件设施高要求的问题，实现对员工的安全技能培训，提高其防范能力。
3 MMORPG和视景仿真技术
3.1 MMORPG技术
MMORPG技术（Massively Multiplayer Online Role Playing Game）大型多人在线角色扮演游戏技术以同步机制和并发架构为核心技术，保证游戏的交互性、降低通信量、减轻系统负载及系统可扩展性和稳定性。MMORPG分为客户端和服务器端两部分。各个客户端与服务器端、各个客户端之间达到同步。用户的资料保存在服务器端，用户从客户端通过互联网连接，登陆服务器端后方可进入游戏[3]。游戏的过程即是不同的用户扮演的不同角色在同一个网络虚拟空间中进行的实时互动过程。
3.2 视景仿真技术
视景仿真技术(Visual Simulation)，采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，已广泛应用于各种研究领域：军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等[4]。
4 基于MMORPG和视景仿真技术的安全技能仿真培训系统的主要特点
4.1 将MMORPG技术（大型多人在线角色扮演游戏技术）应用到安全技能仿真培训系统，可实现多人（多角色）、多班组同时在线扮演角色进行安全技能培训及在培训当中体验很好的互动，系统操作简单。在保证培训系统硬件配置的情况下，培训系统不受人数的限制，保证了学员随时登陆系统参与培训。同时保证了培训模式多样化，包括自学（自测）、多人（多角色）、多班组、教师指导、考试（比赛）等培训模式。
4.2 根据学员的培训需求，系统提供自由设置或组合培训界面、地理环境（含地貌和气象）及电气设备等功能，通过对各种设备进行建模，搭建场景编辑平台，教师可任意拖动场景编辑平台上的元件，放入到培训场景中，可以实现地理环境的更改、天气的更改、设备等的更改，类似于搭积木的模式，将元件以一定的构建顺序，搭建成一个虚拟的操作场景，实现灵活、方便地将培训场景进行搭接设置，形成新的培训界面，提高教学、培训质量。
4.3 基于3D为核心技术开发的视景仿真技术是多种高科技技术的结合，其作为计算机仿真的组成部分，采用计算机图形图像技术，构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果，形成高仿真度的三维虚拟世界。使培训学员在这样的世界中如同在现实世界里，一切感觉都好像是真的，具有很好的交互性。系统将各专业工种技术与虚拟技术相结合，将虚拟仿真模型与三维动画相结合，达到多视角、多角度地表现知识内容，使学员在不下现场的情况下，就能感受到现场的真实环境，从而在这个环境下完成整个学习过程。
4.4 学员通过客户机与服务器进行数据交互，使培训系统的使用不受地域的限制，有网络连接即可使用培训系统，实现远程培训功能，这样不但可以节约培训成本，还大大提高了培训的效果。
4.5 系统设聊天功能有教学频道（教学模式下，教师与所有学员交流频道）、指挥频道（仅场景内工作负责人之间交流信息）、班组频道（班组成员交流信息）、世界频道（场景内所有学员交流信息），选择系统聊天频道，培训中的学员可以通过语音或文字发言，达到即时通讯的目的。
4.6 系统具有可扩充性，利用场景编辑器进行场景编辑可无限扩充培训场景，同时针对培训场景增加培训课件、培训教案等，不断丰富培训系统。
5 安全技能仿真培训系统的建设将具备以下培训仿真功能
(1)可满足电力公司对现场工作票涉及人员的安全技能知识的培训需求。(2)承担电力公司对各专业工种的相关安全技能知识竞赛。(3)应用于电力公司各专业工种的技能考核工作。
6 技能培训仿真系统结构
根据安全技能仿真培训的需求，设计图1所示的系统组织框架结构，满足系统在具体培训中的应用。
培训系统组织框架结构如图1所示。
6.1 技能操作
学员在虚拟场景中可以自由行走，只要简单的控制鼠标和几个按键即可以对现场场景、设备进行全方位观察，也可360度操作设备，并可观察到相应的结果。技能操作培训模式设为自学（自测）、多人（多角色）、多班组的互动、教师指导、比赛（考试）等模式。
(1)自学（自测）模式：学员独自以不同的角色在教案所对应的虚拟场景中进行操作演练，练习相关专业的标准化作业操作，可以重复对同一个任务进行练习直至达到熟练应用水平。(2)多人（多角色）模式：多个学员根据培训教案选择不同的角色，组成班组作业方式，根据岗位职责同时在仿真培训系统中进行协作作业培训。(3)多班组互动模式：不同专业的多班组在同一虚拟场景中同时参与仿真系统培训，相互配合完成作业操作。(4)教师指导模式：教师可以随时进入任意培训场景，与相同培训场景内的学员进行教学交流，教师可指导、观看、监督、评价学员们进行的所有作业。(5)比赛（考试）模式：同一个培训场景下，不同专业不同班组在相同时间里进行比赛（考试）操作。
6.2 成绩评定系统
系统通过内设的评分标准对学员的操作进行成绩自动评定；教师在线或离线的情况下可对学员的操作记录文档或回放操作全过程视频进行手动评定；自动或手动评定后，相关评定信息均能保存在数据库中。
6.3 地图系统
可显示一级地图和二级地图：一级地图显示安全培训系统全场景地图（世界地图）；二级地图显示各区域地图。一级地图与二级地图通过鼠标点击菜单选项进行切换。
6.4 时钟系统
教师通过编辑教案设置技能操作时的当前时间、任务完成时间、当前任务使用时间情况、故障及事故时间等，提高模拟现实的真实度。
6.5 天气系统
培训界面中显示当前作业天气情况，包括天气图标（晴/阴/雨/雪/雾）、环境温度、风力级数、湿度，并能相应的模拟真实世界的雨、雪、阴、晴、雾等天气情况。
6.6 授课及讲评
教师通过任意选择系统内保存的教案或重新编制的教案进行授课，教师与学员在同一个场景中；还可随时进入任意培训界面，与相同培训界面内的学员进行教学交流，对学员的操作进行指导、观看、监督、评价。
6.7 自动更新
点击培训系统运行程序，系统自动判断当前软件是否最新版本，如版本过低，逐个下载更新包并进行更新，直到更新所有更新包，即可登录进入系统，解决客户端更新慢的问题。
6.8 自学成绩查询
学员选择自学模式后进行自学，完成自学流程后可即时查询自学成绩。
6.9 教案制作
教案制作包括地图环境设置（地形、地貌编辑）、电网搭建、故障及事故设置、标准作业流程及评分标准设计、培训时间设置、科目难易程度设置等与课程相关的信息，组成满足培训需求的教案，保存后供教师、学员培训使用。
6.1 0 后台管理
系统管理员可对培训系统的用户进行添加、删除、更改；对数据库数据、场景编辑保存的数据、操作记录保存的数据进行删除、编辑、发布；对各种比赛、考试、教学信息进行设置；对用户权限进行设置；根据学员姓名、帐号、学号等组合查询学员的自学成绩、考试成绩等。
7 结语
虚拟仿真培训已经成为当今教育技术和计算机多媒体辅助教学的重要发展方向之一。以工作票在执行中各阶段危险因素辨识和控制为培训主线，建设安全技能仿真培训系统，提高学员安全意识、工作票执行能力和安全技能水平，同时填补了安全技能仿真培训在国内的空白，起到了积极的培训作用。将MMORPG和视景仿真技术应用在安全技能仿真培训系统中不仅在培训模式、教案设计、培训互动性方面具有一定优势，特别是给学员提供高仿真的现场真实场景和培训内容，有效地提高安全技能培训的效果。
参考文献
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