一種基於osg的電工電子虛擬實驗仿真系統的製作方法

2023-07-07 00:11:01 2

專利名稱：一種基於osg的電工電子虛擬實驗仿真系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種虛擬實驗仿真系統，尤其是涉及一種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統。
背景技術：
Open Scene Graph(簡稱OSG)場景圖形系統是ー個開源的場景圖形管理開發庫，主要為圖形圖像應用程式的開發提供場景管理和圖形渲染優化功能。一般用於戰鬥機仿真、遊戲、虛擬實境以及科學可視化等高性能圖形應用領域。以Visual Studio作為電エ電子虛擬實驗的開發環境，Visual Studio是微軟公司推出的開發環境，可以用來創建Windows平臺下的Windows應用程式和網絡應用程式,也可以用來創建網絡服務、智能設備應用程式和Office插件。傳統的實驗教學需要提供給學生動手操作的硬體環境和軟體環境，這需要佔用大量的教學資源，尤其在實驗內容複雜、危險，實驗條件成本較高的實驗教學中這種困難尤為突出。而虛擬實驗在解決以上問題的基礎上對培養學生的學習自主性和積極性等也起到了重要的作用。虛擬實驗近年來已經成為實驗教學改革中的ー個重點。國內虛擬實驗使用在電エ電子實驗教學中還是比較少的，除了常用的幾款仿真軟體，如Multisim, Matlab/Simulink之外，還有基於Modelica開發的虛擬實驗環境。這兩種虛擬實驗方式均是基於2D視景，元件符號和2D模型混合搭建的方式，無法提供逼真的實驗環境和3D視景，無論是從操作度以及可視性上都有一定的欠缺，對學生融入實驗環境進行實驗都有一定的影響。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供ー種可快速高效地完成虛擬實驗開發、具有良好可擴展性和可移植性的基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，包括虛擬實驗環境構建裝置，用於構建不同實驗所對應的虛擬實驗環境；虛擬實驗環境調取裝置，用於根據實驗操作要求調取相應的虛擬實驗環境；參數設定裝置，用於在虛擬實驗環境中根據實驗的相關內容對相應參數進行設定;實驗仿真裝置，用於接收設定的實驗參數，根據實驗求解的數學模型對實驗結果進行數學求解，並把結果返回給前臺做結果顯示。所述的虛擬實驗環境構建裝置包括三維虛擬場景模塊，用於虛擬實驗提供虛擬實驗平臺；程序框架模塊，用於提供實驗數學模型計算、命令控制及結果顯示的程序。
所述的三維虛擬場景模塊包括模型管理単元、視景操作単元、場景渲染單元和用於完成簡單動作和粒子運動的動畫單元。所述的模型管理単元中的模型包括電エ電子元件的幾何模型、實驗場景的幾何模型、實驗現象的物理模型和操作指示的幾何模型。所述的視景操作単元的操作包括視角的角度變化、旋轉、放大縮小、模型的拖曳及碰撞檢測。所述的程序框架模塊包括實驗數學模型求解単元、負責各種命令操作的命令操作単元、提示幫助單元、以及用於顯示實驗現象和實驗結果的結果顯示単元。
所述的結果顯示単元的窗ロ界面包括基本對話框和波形顯示對話框。與現有技術相比，本發明具有以下優勢I)採用高性能開源軟體OSG作為虛擬實驗環境的圖形引擎，其提供大量用以快速開發高性能圖形應用程式的庫，可以快速高效的完成虛擬實驗的開發；2)0SG支持多種場景裁剪技術、細節層次節點、渲染狀態排序、定點數組、顯示列表、OpenGL著色語言等技術，可以實現場景動態調度、多線程渲染等機制，並且提供了文字顯示、粒子系統、陰影系統、等特效模擬，使虛擬實驗環境支持更加豐富的三維圖像顯示效果，使各種元件設備的幾何模型更加逼真，各種物理現象的仿真更加豐富生動，同時支持更強的後續擴展開發的特性；3)OSG支持多種基本操作類型庫，使虛擬實驗環境的三維漫遊及元件操作更加便捷和人性化，有助於改善學生參與實驗時的操作體驗，增強學生的學習積極性。4)0SG作為ー個開源的圖形引擎，其還具有良好的可擴展性和可移植性，同時不存在成本問題及智慧財產權問題；5) Visual Studio中的MFC是非常成熟的視窗軟體開發類型庫，採用MFC作為軟體的框架設計環境，使軟體界面更加友好，菜單及工具按鈕操作更加簡單方便，符合大多數人的操作習慣；6)基於OSG的電エ電子虛擬實驗環境以其友好的人機操作接ロ、逼真的顯示模型、豐富生動的實驗現象、富有針對性的數據顯示和記錄功能等豐富了實驗教學的手段，尤其在部分實驗操作複雜，具有一定危險性，成本高的實驗中，這種虛擬實驗教學方式體現出巨大的優勢。


圖I為本發明的功能框圖；圖2為電弧發生虛擬實驗的場景樹示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例如圖I所示，一種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，包括虛擬實驗環境構建裝置，用於構建不同實驗所對應的虛擬實驗環境；虛擬實驗環境調取裝置，用於根據實驗操作要求調取相應的虛擬實驗環境；
參數設定裝置，用於在虛擬實驗環境中根據實驗的相關內容對相應參數進行設定;實驗仿真裝置，用於接收設定的實驗參數，根據實驗求解的數學模型對實驗結果進行數學求解，並把結果返回給前臺做結果顯示。所述的虛擬實驗環境構建裝置包括三維虛擬場景模塊，用於虛擬實驗提供虛擬實驗平臺；程序框架模塊，用於提供實驗數學模型計算、命令控制及結果顯示的程序。所述的三維虛擬場景模塊包括模型管理単元、視景操作単元、場景渲染單元和用於完成簡單動作和粒子運動的動畫單元。所述的模型管理単元中的模型包括電エ電子元件的幾何模型、實驗場景的幾何模型、實驗現象的物理模型和操作指示的幾何模型。所述的視景操作単元的操作包括視角的角度變化、旋轉、放大縮小、模型的拖曳及碰撞檢測。所述的程序框架模塊包括實驗數學模型求解単元、負責各種命令操作的命令操作単元、提示幫助単元、以及用於顯示實驗現象和實驗結果的結果顯示単元。所述的結果顯示単元的窗ロ界面包括基本對話框和波形顯示對話框。 本發明的工作流程如下I)在分析電エ電子實驗原理及內容的基礎上，從中抽象出不同實驗所對應的虛擬實驗環境，虛擬程序由3D虛擬場景組成和程序框架組成，其中3D虛擬場景由OSG配合三維建模軟體完成，其包含對實驗相關的物理環境建立的幾何模型及其管理模塊、場景渲染模塊、視景操作模塊、以及動畫模塊；程序框架主要由C++語言編寫，包含對實驗數學模型進行計算的求解模塊、負責各種命令操作的指令模塊、幫助模塊、基於各種窗ロ界面的結果顯示模塊等，將以上這些模塊有機整合為ー個實驗的虛擬實驗環境，最後可以將多個實驗的虛擬環境整合成為整個電エ電子虛擬實驗平臺；2)通過調取相應的虛擬實驗環境，實驗操作者根據實驗操作要求對虛擬實驗環境進行相關的實驗操作，包括對相關元件的移動、擺放，接線，對相應器材的使用調節，來完成整個實驗的操作部分，並通過虛擬實驗環境中操作模塊下的檢測功能對實驗操作部分進行檢測評判；3)根據實驗的相關內容，實驗操作者在虛擬實驗環境中對相應參數進行設定，包括元件參數、環境參數等，即可對實驗現象及實驗結果進行仿真；4)虛擬實驗環境的後臺求解程序接收相關實驗參數，根據實驗求解的數學模型對實驗結果進行數學求解，把結果返回給前臺相關窗ロ進行結果顯示，部分實驗的計算結果可以通過虛擬實驗環境的動畫模塊生成實驗物理現象渲染到虛擬實驗環境的三維環境中，達到數據結果與實驗現象的可視化展示。步驟I)所述的實驗的虛擬實驗環境包括(I)實驗環境的幾何模型電エ電子元件的幾何模型、實驗場景的幾何模型、實驗現象的物理模型、操作指示的幾何模型，為虛擬實驗實例虛擬電弧發生實驗的實驗場景的幾何模型外觀；(2)實驗求解程序用C++語言編寫，包含相關電子元件的數學模型、實驗的整體求解數學模型，並將這些數學模型的求解方法抽象出對應的C++語言代碼進行程序實現；(3)視景操作模塊分為三維漫遊部分和模型操作部分，其中三維漫遊部分包括視角的任意角度變化、旋轉及放大縮小，模型操作部分包括模型的拖拽及碰撞檢測；(4)命令操作模塊包括檢測實驗操作情況、設置及調節實驗參數、控制實驗開始結束暫停等相關進度；(5)程序框架由MFC編寫，包含菜單欄、工具欄及對話框，主要作為指令操作及實驗結果顯示的前臺顯示部分，通過點擊菜單欄的相關菜單項及工具欄的相關工具按鈕，調取相關指令，實現指令操作，並將接收到的實驗求解數據結果進行實驗結果顯示。所述的電エ電子元件的幾何模型均與求解程序中相應的數學模型相對應，其包含的參數包括模型的ID、名稱、調用幾何模型文件的邏輯路徑、初始值、數學表達式、初始位置坐標、可否被更改、可否被賦值、可否被拖拽，所述的初始值在不可被賦值的模型中代表其本身的值，在可以被賦值的模型中代表未被賦值時的預設值，所述的可否被更改表明在實驗結果改變或者實驗場景改變時是否會更改該模型的幾何外形，所述的可否被賦值表明在實驗操作中實驗操作者是否可以通過指令操作更改模型的數學模型中的值。所述的實驗環境的3D虛擬場景，為樹狀結構，根據相應的邏輯關係將電エ電子元件的幾何模型與數學模型、實驗場景的幾何模型與數學模型、實驗現象的動畫模型、操作模塊分別對應到從根節點、枝節點到葉子節點的各個節點上，如圖2所示就是虛擬實驗實例虛擬電弧發生實驗的樹狀場景結構。步驟3)所述的實驗現象及實驗結果的仿真過程是實驗操作者在完成實驗操作後虛擬實驗環境對實驗操作進行檢測，檢測無誤後將實驗操作者設定的環境參數及元件參數傳入後臺求解程序，後臺求解程序根據元件的數學模型求解得到相關參數，再根據實驗求解的數學模型以及所有數據求解得到實驗結果，並根據此結果得出相應的實驗現象表示參數，作為實驗現象展示的指示標誌。步驟4)所述的實驗現象與實驗結果的可視化顯示是虛擬實驗環境的三維實驗環境以及窗ロ界面中的結果顯示對話框，接收權利要求5所述的實驗結果以及實驗現象標誌參數，根據實驗內容要求，實驗結果可以以連續波形以及數據結果的形式顯示在窗ロ界面的結果顯示對話框中；實驗現象是三維實驗環境根據實驗現象標誌參數對三維環境進行重新渲染，通過OSG粒子系統及動畫系統展現的。以虛擬電弧發生實驗為實例，其具體實驗操作步驟如下步驟I :在虛擬實驗平臺中選擇虛擬電弧發生實驗，虛擬實驗平臺將生成虛擬電弧發生實驗的實驗環境；步驟2:在菜單欄中點擊操作菜單，調出電弧發生裝置的控制面板進行相應的指 令操作；步驟3 :通過操作面板中的「復位」、「產生電弧」、「斷開電弧」等指令操作按鈕，控制虛擬電弧發生實驗場景中的發生裝置產生電弧，同時可在實驗場景中觀察到電弧產生的動畫效果。步驟4 :通過「啟動」和「暫停」按鈕，可控制操作面板左側的波形顯示窗ロ，顯示或暫停電弧發生裝置中電弧發生電極兩端實時的電流和電壓波形。步驟5 :通過調節右下的氣隙距離滑塊來控制電弧發生電極兩端的距離，可以觀察電極距離與電弧強弱以及電極兩端電壓電流波形之間的定性關係。通過以上步驟即可完成對虛擬電弧發生實驗的操作以及可視化仿真。
權利要求
1.一種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，包括 虛擬實驗環境構建裝置，用於構建不同實驗所對應的虛擬實驗環境； 虛擬實驗環境調取裝置，用於根據實驗操作要求調取相應的虛擬實驗環境； 參數設定裝置，用於在虛擬實驗環境中根據實驗的相關內容對相應參數進行設定； 實驗仿真裝置，用於接收設定的實驗參數，根據實驗求解的數學模型對實驗結果進行數學求解，並把結果返回給前臺做結果顯示。
2.根據權利要求I所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的虛擬實驗環境構建裝置包括 三維虛擬場景模塊，用於虛擬實驗提供虛擬實驗平臺； 程序框架模塊，用於提供實驗數學模型計算、命令控制及結果顯示的程序。
3.根據權利要求2所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的三維虛擬場景模塊包括模型管理単元、視景操作単元、場景渲染單元和用於完成簡單動作和粒子運動的動畫單元。
4.根據權利要求3所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的模型管理単元中的模型包括電エ電子元件的幾何模型、實驗場景的幾何模型、實驗現象的物理模型和操作指示的幾何模型。
5.根據權利要求2所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的視景操作単元的操作包括視角的角度變化、旋轉、放大縮小、模型的拖曳及碰撞檢測。
6.根據權利要求2所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的程序框架模塊包括實驗數學模型求解単元、負責各種命令操作的命令操作単元、提示幫助單元、以及用於顯示實驗現象和實驗結果的結果顯示単元。
7.根據權利要求6所述的ー種基於OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統，其特徵在於，所述的結果顯示単元的窗ロ界面包括基本對話框和波形顯示對話框。
全文摘要
本發明涉及一種基於OSG的電工電子虛擬實驗仿真系統，包括虛擬實驗環境構建裝置，用於構建不同實驗所對應的虛擬實驗環境；虛擬實驗環境調取裝置，用於根據實驗操作要求調取相應的虛擬實驗環境；參數設定裝置，用於在虛擬實驗環境中根據實驗的相關內容對相應參數進行設定；實驗仿真裝置，用於接收設定的實驗參數，根據實驗求解的數學模型對實驗結果進行數學求解，並把結果返回給前臺做結果顯示。與現有技術相比，本發明具有可快速高效地完成虛擬實驗開發、具有良好可擴展性和可移植性等優點。
文檔編號G06F9/44GK102651180SQ20121010171
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者仇佳捷, 寧慶, 張峰, 王子駿 申請人:上海交通大學