1、第 1 页 共 45 页虚拟现实目标仿真设计摘 要本设计在介绍了虚拟现实仿真的背景、发展及意义后，在 MATLAB 理论的基础上，探讨了利用 3D Studio MAX 建造模型和 MATLAB 实现飞行目标仿真的具体工作内容。MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图象处理等学科的处理功能于一体,具有极高的编程效率。MATLAB 是一个高度集成的系统,MATLAB 提供的 Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，本设计着重介绍了 Simulink 软件的安装、应用、基本用法和通过 Simulink 控制虚拟现实
2、工具箱中建立的飞碟模型的飞行轨迹实现仿真的过程。关键词：虚拟现实仿真，MATLAB，3D Studio MAX，Simulink。第 2 页 共 45 页Virtual Reality Simulation design goalsAbstractThe design presented in the context of virtual reality simulation, development and significance, in MATLAB theory on the basis of the use of 3D Studio MAX models and MATLAB con
3、struction flight simulation target the specific content. MATLAB is a science and engineering calculations for the high-level language, which sets scientific computing, automatic control and signal processing, neural networks and image processing, and other disciplines processing functions in one, is
4、 highly efficient programming. MATLAB is a highly integrated system, MATLAB provided to the Simulink is a dynamic system modeling, simulation and analysis software package, the design focuses on the Simulink software installation, application, basic usage and adoption of virtual reality control Simu
5、link Toolbox in the establishment of the flying saucer model simulation of the flight path to achieve the process. Key words: virtual reality simulation, MATLAB, 3D Studio MAX, Simulink.1 绪论1.1 虚拟现实仿真的意义虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用 1。因此，将虚拟现实技术应用于军
6、事训练仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面：1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。因此利用 VR 作为工具设计出相应具有立体感、逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试者处于其中，仿佛置身于真实的训练场上，就能达到理想客观的实验效果。第 3 页 共 45 页2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
7、3.节省研究经费。改用真实的训练系统进行相应的试验研究耗资大，重复利用率低，弹药爆炸时的污染大。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。4利用虚拟现实技术模拟训练过程已成为培训训练的一种安全的高科技方法2。在进行自动控制系统分析、综合与设计的过程中，人们除了运用理论知识对系统进行理论上的分析计算以外，常常要对系统的特性进行实验研究。这种研究一般分两种:一种是在实际系统上进行 (原型实验 )，另 一种则是在模型上进行 (模型实验)。模型实验一般又分为物理模型实验和数学模型实验。随着控制系统理论与研究的不断发展，许多
8、控制系统变得越来越复杂，利用物理模型实验来进行仿真研究变得更加困难 3。近年来，随着计算机技术、数值计算方法和控制理论的不断发展，使得复杂控制系统的数学模型实验(数字仿真实验)成为可能 它将实际系统的运动规律用数学形式表达出来，然后用计算机进行描述，这样用同一套仿真设备可以对物理性质截然不同的许多控制系统进行仿真研究，而且进行一次仿真研究的准备工作主要是系统分析和准备计算程序;与在实际物理模型中进行仿真相比，这种方法的工作量小、周期短、费用低。依照观察问题的角度和选择的分类标准不同，可以将仿真分成多种类型。如果按仿真时间与实际时间的比例关系来进行分类，可分为实时仿真 (仿真时间标尺等于自然时间
9、标尺)、超实时仿真 (仿真时间标尺大于自然时间标尺)、亚实时仿真 (仿真时间标尺小于自然时间标尺)。其中，实时仿真中又存在一个重要分支，那就是“半实物仿真” 。其中，实时仿真要求仿真时系统的响应速度与实际系统的响应速度一致，即仿真试验时的时间标尺与实际时间标尺 t 之间的 /t 一 1 4。所谓“半实物仿真” ，是指在仿真实验系统的仿真回路中介入部分实物的实时第 4 页 共 45 页仿真。 “半实物仿真”这一称谓是国内仿真界对这 一类仿真方法和相应的仿真系统的一种通俗而习惯的称呼，其准确的含义是:Hardware in the Loop Simulation (HILS)，即回路中含有实物的仿
10、真 Pnl 实时性是 HILS 的必要前提。1.2 虚拟现实的特征现在人们常引用了泊第亚(G. Burden)在虚拟现实系统和它的应用一文中提出的“虚拟现实技术三角形”来说明虚拟现实系统的 3 个基木特征，也称为虚拟现实 3 要素，它们分别是沉浸是（immersion） 、交互(interaction)和构想(imagination ) 5，如图 1.1 所示。图 1.1 虚拟现实系统的基本特性1.3 虚拟现实的组成(1)硬件平台由于虚拟世界本身的复杂性(如大面积区域场景的立体显示等)及计算实时性的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对中心计算机的配置提出了极大的要求。目前，国外的 VR
11、 系统一般配备有 SGI 或 SUN 工作站;大型的虚拟现实系统采用的是计算机并行处理系统。这些超级计算机虽然性能超群，但是价格非常昂贵，入门级的系统往往也要数十万美金以上。伟景行科技新近推出的高性能专业图形集群系统，性能达到甚至超过国外同类产品，但价格更能适应国内各类用户的预算要求。(2)软件系统第 5 页 共 45 页虚拟现实的软件系统是实现 VR 技术应用的关键。VR 技术在国外的应用比国内早，在军事领域战场模拟、飞行仿真以及飞机、汽车制造等工程需求的支持下，培育出一些大型的 VR 开发及演示软件 6。(3)输入和输出设备虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性(interaction
12、)为了实现人机之间充分交换信息，必须设计特殊输入工具和演示设备，以识别人的各种输入命令，且提供相应反馈信息，实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括:a、头盔式显示器和跟踪器b、数据传感手套c、大屏幕立体显示系统d、三维虚拟立体声音生成装置 71.4 仿真应进行的工作对一般仿真过程，有以卜五个步骤:(1)写出实际系统的数学模型;(一次模型)(2)将它转变成在计算机下进行运转的仿真模型;(二次模型)(3)编出仿真程序;(4)进行仿真实验;(5)分析仿真结果，对仿真模型进行修正。对于一般控制系统，对其进行分析研究时，要用到多种分析方法，同时对其控制部分的选
13、择要根据实际系统的要求进行设计。对照上述五个步骤，如果全部由设计人员用通用语言如:Fortran, Basic. Ada, Pascal 等来进行二次建模并进行分析设计，即使对熟练的计算机编程人员来说，也将是 项非常艰巨的工作。与此同时，随着控制理论和控制系统的迅速发展，对控制效果的要求越来越高，控制算法也越来越复杂，因而控制器的设计也越来越困难。于是自然地出现了控制系统的计算机辅助设计技术(Computer-Aided ControlSystem Design,简称 CACSD技术)。控制系统计算机辅助设计可以将控制系统分析设计人员从繁重的编程任务第 6 页 共 45 页中解脱出来，而将精力
14、集中到控制系统的分析、设计当中去，从而极大地提高控制系统分析设计的效率。针对实时仿真而言，我们在编制仿真程序的时候，还必须考虑如何保证仿真试验时的时间标尺 a 与实际时间标尺 t 一致。1.5 用 MATLAB 实现实时仿真控制系统计算机辅助设计从成为一门独立的学科以来，至今已经有 20 多年的历史，在其发展过程中出现了各种各样的实用工具和理论成果。MATLAB 语言的出现，反映了当今 CACSD 领域的最新成果。它不但对 CACSD 算法的研究，而且对其它 CACSD 软件环境的开发起到了巨大的推动作用，它己经成为并将继续成为国际控制界应用最广的语言和工具之一。国外现有的很多控制系统分析设计
15、工具软件提供了对 MATLAB 的支持。MATLAB 是一个功能相当强大的工具软件。同时也是一个开放性的系统。由于它给用户提供了开放的接口，使得用户利用这些接口实现实时仿真成为可能，MATLAB5.x 新增加的 Real-Time Workshop 和 Real-Time Windows Target 工具，也为将 MATLAB 用于实时仿真提供了帮助。1.6 国内外发展现状虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR） ，是一种基于计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是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
16、与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。VR 思想的起源可追溯到 1965 年 Ivan Sutherland 在 IFIP 会议上的终极的显示报告，而 Virtual Reality 一词是 80 年代初美国 VPL 公司的创建人之一Jaron Lanier 提出来的。 VR 系统在若干领域的成功应用，导致了它在 90 年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。
17、 第 7 页 共 45 页总的来说，实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是 VR 技术的 3 个主要方面。实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术：（1）基本模型构建技术。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的 3D 虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天
18、、雨、雾）等等。（2）空间跟踪技术。主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在 3D 虚拟环境中的位置和方向。（3）声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。（4）视觉跟踪与视点感应技术。使用从视频摄像机到 X-Y 平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有用户能
19、否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表第 8 页 共 45 页情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。然而，不能把虚拟现实和模拟仿真
20、混淆，两者是有一定区别的。概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规
21、律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。 更不要把虚拟现实技术与现有仿真混淆，不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。因此，针对训练仿真技术的特点，建立虚拟系统，不但设备相对简单、投资少，而且可以真实地模拟空间效应，进而可作训练器，所以它是今后研究中值得推广和应用的技术。从整体水平看，国内在 VR 研究方面刚刚起步，与国外相比，存在很大差距 3。为此，我们应充分跟踪美国航宇局和
22、欧洲宇航局在载人航天仿真研究中的 VR 动态，在可行的基础上建立一套虚拟现实仿真系统。另外，在设计视景软件时，应与国际仿真软件的发展趋势接轨。VR 系统毕竟是一种虚拟化的事物,不同于真实世界。因此,如何平衡被试的心理负荷,避免操作失误以及焦虑、紧张等状态，让其将 VR 技术真正作为一项实用的研究工具，提高工作效率，摆脱不必要的心理负担，这也是仿真虚拟现实技术应用中必不可少的一门课题。建立仿真用虚拟现实系统，主要的硬件如图像生成计算机和外部显示器等，由于技术发展速度很快，估计用不了几年时间它们的性能就难以满足研究要求了。为此我们应重点研究人-虚拟世界之间高速交互作用等问题。第 9 页 共 45
23、页从某种意义上讲，我国才是 VR 的发源地，早在战国时期， 墨子.鲁问篇中就记载着“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下” ，其原材料是极薄的木片或竹片。后来人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝” 。模拟飞行动物发明的有声风筝，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。后来该技术传到西方，利用风筝的原理才发明了飞机 8。但我国对 VR 技术的正式研究起步却很晚，大概在 20 世纪 90 年代初，发展到现在已初步取得了成果，和一些发达国家相比，我国 VR 技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展 VR 技术的研究，例如，九五规划
24、、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。我们国内的一些院校和科研单位，陆续开展了 VR 技术的研究，而且可喜的是，已经实现或正在研制的虚拟现实系统也有不少。像北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境；浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG 国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法；另外，西安交
25、通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、上海交通大学等单位也进行了不同领域、不同方面的 VR 技术研究工作，并取得了一批研究成果。北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室在国家 863 计划支持下，作为集成单位，与国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台，英文缩写为 DVENET。DVENET 由一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据（如三维逼真地形）组成。基于 DVENET，一个分布式虚拟战场环境被成功开发出来。目前，
26、应用DVENET，可以实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练。参演人员（即用户）可以通过不同的交互方式控制真实的或虚第 10 页 共 45 页拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行异地协同与对抗战术演练。总体上说，DVENET 的技术水平已接近美国的 STOW9。美国是 VR 技术的发源地。美国 VR 研究技术的水平基本上就代表国际 VR 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中以下几个方面：美国宇航局（NASA）的 Ames 实验室完善了 HMD，他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASA的 A
27、mes 现在正致力于一个叫“虚拟行星探索” （VPE）的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者” （Virtual Explorer）利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在 NASA 己经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统，空间站 VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的 VR 教育系统。麻省理工学院（MIT）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT 原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是 VR 技术的基础，1985 年 MIT 成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫 BOLIO 的测试环境，用于进行不同
28、图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性，包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动的地形以及仿真流体的相互影响等特性。但该系统有一些缺陷，例如：当船行进时不能显示出水的不同波浪曲线；不能用于任何精确的工程用途等。在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模 VR 知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为 SPINAR（Space Interface Device for Artificial Reality）的系统。
