三维仿真论文十篇

三维仿真论文篇1

论文关键词：三维虚拟仿真技术，物流，教学

 

当前，仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具教育学论文，它广泛用于工程领域和非工程领域。高职院校的物流实训中心大多数是基于软件模拟的物流实训室，这类实训室是以物流软件模拟来搭建物流模拟平台，如仓储管理软件、运输管理软件、ERP、MRP、国际货代软件、TPL软件或基于上述几个软件集成起来的供应链软件等；然而对于基于设备的物流实训室来说，由于资金等方面的限制，比较先进的设备还尚欠缺教育学论文，这就造成了学生对立体库、高速分拣机、巷道式堆垛机、AGV、码垛机器人等先进的物流设备缺乏足够的感性认识论文格式模板。三维虚拟仿真技术等够对仓库、配送中心、企业生产线等进行简单的建模，能够加深学生对各种物流设备的认识，帮助学生理解工业、企业、生产线的布置与产出平衡、物料需求计划、企业资源计划等相关知识，更好地找出生产瓶颈，加深对现代化立体仓库、配送中心的了解。因此三维虚拟仿真技术在教学中的应用教育学论文，对于学生更好地学习物流专业理论知识、培养相应的职业技能是大有裨益的。

一、三维虚拟仿真技术概述

三维虚拟仿真（3D Virtual Simulation）就是利用三维建模技术，构建现实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等论文格式模板。该软件提供了原始数据拟合、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真的实验、对结果进行优化、生产3D动画影像文件等功能。

利用三维虚拟仿真技术教学具有以下优点：

1、教学内容视觉化

2、学习中的交互性好

3、沉浸感真实感强

二、三维虚拟仿真技术在物流教学中的应用

基于青海交通职业技术学院物流实训中心3D实训室的应用系统及操作流程。

1．开机步骤

开机顺序依次为：

2 AP转换器（数量两台）：

按下电源按钮教育学论文，

2 工作站（数量两台）

2 投影机（数量四台）

进入控制工作站，进入中控程序，点击投影机控制，选择开

等投影机启动完毕后再进入下一步

2 边缘融合机（数量两台）：

按下电源按钮

关机顺序依次为：

立体图像工作站——边缘融合机——AP转换器——投影机——控制工作站

2．基本操作设置

立体图像工作站设置

（1）多显示器设置

鼠标在桌面上右键

进入NVIDIA控制面板

点击设置多个显示器

设置作为一个大水平桌面（水平平移模式）

显示的结果是，显卡双头输出两个通道的桌面。

（2）分辨率设置

单屏分辨率1024×768教育学论文，重叠像素为192

整体分辨率为1856×768（含边缘重叠区192个像素）

重叠像素设置图如下：

立体设置为管理3D设置里面，基本设置，选用立体启用

3 .基本演示操作

（1）立体电影

检查左右眼是否正确？

2 将图像移动分别移动到第一个通道和第二个通道进行检查论文格式模板。

如果第一个通道和第二个通道都不正常，点击一下软件里面L/R

2 如果图像只在第一个通道出现左右眼反的现象？

在第一台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼

2 如果图像只在第二个通道出现左右眼反的现象？

在第二台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼

（绿色按钮按两次表示切换左右眼）

（2）NVSG演示软件

同样观看立体是否正常，可以通过软件切换左右眼

（3）VEGA演示软件

同样观看立体是否正常教育学论文，可以通过软件切换左右眼

4系统连接图如下

5投影机图像不正确的调试方法

（1）首先检查画面比例是否正确

再点击高级：

水平位置和垂直位置，如图所示。

6融合机出现故障处理方法

出现基本问题首先重新启动融合机来解决

如重新无法解决可以采取如下步骤：

（1）找到是那台融合机出现的问题，并接入键盘鼠标

（2）ALT+F4退出融合服务软件

（3）点击桌面上的blend文件夹

（4）复制setting.cfg文件到其他地方

（5）将备份的该文件copy到blend这个文件夹下面

（6）双击STEREO_CAP程序

（7）按ESC，再点击开始扑捉、全屏幕、下一次开机启动，保存设置、开始

（8）重新启动

7注意事项

（1）投影机开启后遥控器上的auto、aspect两个按键不能按教育学论文，正常使用情况下不需要遥控器；

（2）投影机机械结构不能轻易触碰

（3）屏幕位置不能挪动，屏幕表面不能触碰，灰尘可用干净的柔软布沾水擦；

（4）投影机关机后不能立即断电，同时投影机电源需接入UPS稳压电源，UPS后备电池时间不小于10分钟；

（5）不能随意拔插设备连接线缆；

（6）立体工作站显卡、立体、分辨率等设置不能改变

（7）控制工作站IP：192.168.1.10不能改变。

开机先后顺序要严格按照技术要求顺利

三、结束语

三维虚拟仿真技术软件在高职的教学中能发挥出积极的作用，一方面能提高学生的学习兴趣，学生在学习的过程中能够对仓储、运输、配送、生产加工等有一个感性的认识，同时也提高了学生分析问题、解决问题的能力，实践证明三维虚拟仿真技术软件的应用对于高职物流专业的教学具有积极的意义。

参考文献：

[1]吕明哲，物流系统仿真，东北财经大学出版社，2008.10。

[2]贺国先，现代物流系统仿真，中国铁道出版社，2008.12.1。

[3]青海交通职业技术学院物流实训中心3D实训室操作手册

三维仿真论文篇2

关键词：计算机；计算机组装与维护；仿真教学；仿真实验

一、引言

《计算机组装与维护》是职业学校计算机类专业的一门重要专业课，旨在培养有一定理论基础，能对计算机进行日常维护的应用型人才。目前，《计算机组装与维护》的实验设备存在更新周期短、设备损耗快、实验时间过长的情况，使得该课程的实验难以开展，有部分章节的教学内容甚至不进行实验，最终影响教学质量，以至学生未能充分掌握计算机组装与维护技术。

随着虚拟仿真技术、多媒体技术等计算机技术的飞速发展，通过计算机软件开发的虚拟仿真教学系统为课程的实践改革提供了可能。通过虚拟仿真的场景，可以对学习者的元认知进行引导，为最近发展区提供模型。学生能身临其境地观看各种实验硬件，体验操作系统的安装与维护，获得比传统实验更深刻的学习体验，有效提高教学效果。

二、仿真教学对《计算机组装与维护》教学的意义

《计算机组装与维护》课程中的硬件组装、BIOS 设备、硬盘分区、操作系统安装、系统备份与还原等教学内容，均适合利用虚拟仿真技术进行教学。学生沉浸在虚拟仿真的场景中，动手操作相关实验，在与仿真实验设备的交互过程中，领会教师的设计思想，从而达到教学目的，有效改善了传统教学过程中学生以获得间接知识经验为主的教学弊端，促进学生对知识的理解。

（一）缩短课程时间，提高教学效果。

引入仿真教学之前，在“ghost镜像的制作”的教学中，镜像的制作过程需要20分钟的等待时间，教学过程出现“真空层”，令教学效果大打折扣。仿真教学系统可以将教学资源便捷地呈现在计算机桌面，省略了累赘的实体展示、作业过程的等待，各教学环节衔接紧密。学生在秩序良好的仿真环境下学习和实验，争取到更多的实验时间，通过多次重复的仿真实验，也可以充分积累操作经验，形成标准的作业习惯。

（二）寓教于乐，提高学生学习兴趣。

中职生由于年龄、心理、知识结构特点等原因，大多数学生均排斥概念、原理等陈述性知识，对实际动手操作的实践实验有着浓厚的兴趣。仿真教学环境提供可交互、系列化的教学方案，将枯燥的理论知识变得生动有趣，在一对一的仿真实验场景中，带“智能提示”的实验任务将仿真实验变成了探索知识、形成技能的游戏，使学生对仿真实验充满热情。

（三）降低设备损耗，减少实验成本。

《计算机组装与维护》普遍存在的问题是学生多、实验硬件少。由于学生的基数大，每个学生接触实验硬件的机会少，对硬件的性能不尽了解，在真实实验过程中比较盲目，导致硬件无谓损耗严重，使得实验任务无法完成，很多实验都被教师放弃。仿真教学系统能在极少的成本和最快的时间更变仿真对象，使学生在仿真的环境下能利用社会主流的硬件设备进行学习、实验，既能达到真实作业的效果，又能便捷地进行反复的仿真实验，同时也避免了因误操作引起的设备损坏。

三、仿真教学系统的应用

目前，我国职业学校《计算机组装与维护》教学大多延续着以“理论—实践”为主的传统教学方法。例如，在计算机硬件组装的教学中，教师通过展示图片示范硬件的拆装过程，然后组织学生现场分组实操，许多学生在未完全吃透理论知识的情况下便进行实操，容易出现误操作等情况，影响教学的有效性。为了更好地衔接“理论”和“实践”两大教学模块，我们通过分析学生的特征，依据认知学习规律，借鉴“三段式”教学模式的精华，并在此基础上进一步优化，创造出了“新三段式”教学模式。

（一）“新三段式”仿真教学模式。

“三段式”虚拟仿真教学模式就是按照学生的学习认知规律，划分理论教学、仿真实验和实验实训三个阶段。在虚拟仿真技术的辅助下将传统的“理论—实操”转变为“理论—仿真实验—实践”的新型学习方式，仿真实验是理论与实践之间一座新的桥梁。在实际应用中，“三段式”的仿真实验环节还未检查学生的实验效果便单向指向真实实验，有些学生在未完全掌握操作技巧的情况下便进入了真实实验环节，导致学生在真实实验中出现误操作。

为提高仿真实验的效用，保障真实实验的教学效果。我们将原单向的“三段式”教学模式改变为带回路的“新三段式”教学模式，即在教师主导教学下，学生进行理论学习，学生在仿真实验模块进行探究式自主学习、实验，在进入真实实验前，仿真系统会自动对学生的仿真实验进行一次评价。具体教学流程如图所示。

（1）理论教学：教师根据教学目标的要求，分析教学内容，在课堂上讲解知识要点，明确教学目标和实验任务。

（2）知识巩固：学生通过仿真教学系统对理论教学的知识进行再认，强化理论教学的效果。

（3）仿真实验：在教师的引导下，采用“以学生为中心”的教学方法，让学生反复地进行仿真实验，使学生从初步了解实验操作步骤成长到充分掌握操作技巧。

（4）系统评价：仿真教学系统根据学生的操作情况，对学生的仿真实验效能进行评价（取决于某几个关键步骤），没出现一次误操作为合格。学生取得合格的评价后，可以向教师申请到实践实验环节，不合格则可返回知识巩固环节。

（5）实践实验：学生在教师的指导下，在真实环境下验证仿真实验的实验结果。

（6）综合评价：教师根据学生的学习情况、仿真实验情况和实验的情况，综合评价学生在该教学项目任务中的成绩。

（二）“新三段式”教学模式的特点。

学生自主学习与教师主导相结合的“新三段式”教学模式，以仿真实验为核心，从理论知识的教学开始，在教学形式、实验手段等多个方面均体现出与传统教学不同的特点。

三维仿真论文篇3

关键词：电路维修教学；Mulitisim 10软件；故障仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）25-5924-02

应用电子技术专业实践教学中，电路维修是难度较大的实践教学项目，如何开展维修教学一直是实践性教学需要解决的难题。笔者通过对Multisim10仿真软件的学习与研究，利用Multisim 10软件中的故障设置功能，简单方便地设置、模拟电子电路故障，学生通过虚拟仿真方式维修电路，进而进入实际维修过程，能够快速掌握电路维修知识与技能。

1 掌握电子电路维修技术的重要性

维修是指设备技术状态劣化或发生故障后，为恢复其功能而进行的技术活动，是理论知识与实践技能高度结合的工作，通过检测、代换、试误等技术手段，分析判断故障产生的原因并替换损坏的元件，从而解决问题的过程。 通过电子电路维修过程，学生能够学习掌握相关电路的理论知识与实践技能：

1） 掌握各种电子元器件的测量与检测技术，熟悉常用电子测量仪器的使用。

2） 加深对模拟电子电路、数字电路理论的理解。

3） 掌握电路分析能力、维修方法，提高维修的技能水平。

4） 培养学生自主学习能力，锻炼克服困难的品质，为未来的发展夯实基础。

2 电子电路维修实践的困难

2.1 电路故障复杂多样

电路故障产生原因多种多样，一种元器件的损坏会出现不同的故障现象，同一故障现象也可能由不同元件引起。探究未知的问题对于职业院校的学生来讲是个不小的挑战。

2.2 在实物电路中模拟电路故障比较困难。

要学习维修技术，必须在电路中设置的故障，引导学生运用所学习的知识和技能，使用仪器，通过仪器测量检测，判断故障产生的原因。教师要为众多学生的实训电路设置故障，工作强度大，教学中设置的故障应明确、安全、隐蔽，对于教师能力要求也比较高，在实践教学中较难实现。

2.3 教学成本高效率低

为了培养学生的维修能力，教师必须为每个学生准备相应的电路产品，而且需要设置多种各种不同的故障。由于学生没有任何维修经验，必然的会犯不少错误，维修过程中会造成电路板、元器件损坏报废，影响以后维修实践教学开展。

3 应用multisim 10电子仿真软件破解维修教学难题

Multisim 10是美国国家仪器有限公司推出电子仿真软件，具有强大的SPICE仿真和原理图捕获、电路分析、仿真仪器测试等功能。通过应用该仿真软件模拟维修过程，学生学习电路维修的方法、步骤，培养理论分析能力、仪表的应用能力。在经过软件仿真训练后，再用实物电路维修训练，能够较好的解决维修教学中的难题。

下面通过串联稳压电源电路展示软件仿真维修的过程。

3.1 绘制电路原理图

通仿真软件绘制串联稳压电源电路如图，在电路中安装虚拟万用表用于电路工作室读数。串联稳压电路由整流、滤波、调整、取样等单元电路组成。

3.2 电路仿真

按下电路仿真按钮

通过测量的数据，学生可以了解到实际电路正常情况下的电压及其变化规律。

3.3 故障设置

软件可以设定元件的四种状态，三种故障模式，“Open”表示元件相关电极之间开路，“Short”表示元件相关电极之间短路，“Leakage”表示元件相关电极之间漏电（有电阻），“None”表示元件正常无故障。故障设置步骤：双击需要设置故障的元件，本电路选择Q3，打开故障设置界面。在工具栏中选择“Fault”，元件出现四种状态选项。

3.3.1 设置短路性故障

选择“Short”同时钩选B、E电极，表示三极管Q3的B、E极两极短路，设置完毕退出故障设置状态。按下仿真按钮，出现故障现象，电位器为50%时电路输出为14.06V，而且输出电压在电位器RP变化时不变化。附表中记录了四只虚拟万用表的电压值。

数据分析：通过表2的数据分析，输出电压基本不随RP变化而变化，一直为14V，基准电压基本不变化，比较表1中电路正常工作时的电压数据，发现Q3的B、E极电压VBE=0，不正常，正常应该为0.6V左右，说明三极管Q3的B、E极短路。电路故障是由于Q3的B、E极短路引起的，Q3不工作，使得Q3对调整管Q1的基极没有分流作用，Q1饱和导通，输入端电压通过Q1的C、E极直接加到输出端，使得输出端电压升高而且一直不变化。将Q3的B、E极设置正常后电路恢复正常。

3.3.2 设置开路性故障

选择“Open”同时选择B、E电极，表示三极管Q3的B、E极两极开路，设置完毕退出故障设置状态。按下仿真按钮，出现故障现象，电位器50%时电路输出为14.09V，而且输出电压不随电位器RP变化而变化。附表中记录四只虚拟万用表的电压值。

数据分析：通过表2的数据分析，输出电压基本不随RP变化而变化，一直为14V，基准电压基本不变化，比较表1电路正常工作时的电压数据，取样管Q3的B极电压从低到高变化，基准电压基本不变化， Q3的B、E极电压VBE不能保持放大状态的0.6V电压，而且VBE之间的电压值大于0.7V，不正常，表明三极管Q3的B、E两极之间开路。Q3不工作，使得Q3对调整管Q1的基极没有分流作用，Q1饱和导通，输入端电压通过Q1的C、E极直接加到输出端，使得输出端电压升高而且一直不变化。将Q3的B、E极设置正常后电路恢复正常。

4 结论

我们看到同一元件的不同类型的故障，虽然故障现象一致，但是却有着不同的工作机理，特别是关键点电压有诸多不同。通过这两例简单故障的仿真维修过程，学生能够更好地了解电路工作原理，提高维修能力。

5 结束语

Multisim10 软件功能强大，除了电路设计，还有故障仿真功能。在维修实践教学中通过故障模拟仿真，结合虚拟仪表测量的数据，运用所学电子电路的理论知识，比较直观地分析判断故障产生原因，通过掌握故障电路电压变化的规律，能够解决实际维修问题。当然，在维修实践教学中不能一味依赖仿真教学，轻视实操训练。实践证明，仿真与实操训练课时比例为7：3时，实践成本下降、教学效果明显。虚拟仿真维修教学作为应用电子技术专业电路维修教学手段值得在职业院校推广。

参考文献：

[1] 董佳辉.Multisim 9在电子电路故障诊断中的应用[J].机电设备，2009（4）.

[2] 钱月花.使用Multisim 进行电子电路故障诊断[J].沙洲职业工学院学报，2009（2）.

三维仿真论文篇4

关键词：电脑模拟仿真技术；电子维修教学；运用

中图分类号：G71 文献标识码：A

文章编号：1009-0118（2012）08-0125-02

随着电脑技术的飞跃，人们进入了数字化网络时代，相应的电脑电子技术的应用率也大大提高，特别体现在教学实践过程中，由于电脑模拟仿真技术的应用，填补了传统教学的抽象化，不但一定程度上提高了教学层次，而且节约了教学材料的成本。像利用电脑模拟仿真技术做成相应的电路模型，然后利用仪器器材去进行实验研究，不仅节约了实验器材，而且培养了学生的兴趣。

一、电脑模拟仿真技术的定义

仿真，Simulation，就是利用项目模型使得在某个具体层次上的不确定性因素转化成对目标的影响。仿真又被叫做蒙特卡罗方法（Monte Carlo），是一种通过使用随机数做实验来求解随机问题的技术方法。所以，蒙特卡罗方法，又名随机抽样或者统计实验方法，它属于计算数学的分支之一，是本世纪四十年代中期为了适应当时原子能发展而出现的。蒙特卡罗方法的基本思想是：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“实验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。

蒙特卡罗方法起源于1876年，从1946年到1952年，数字电脑发展于科研机构，从而冗长的计算成为可能，而这样的计算就是蒙特卡罗方法所需求的。

电脑模拟仿真技术是一门综合性技术，它的基础是数学理论、相似原理、信息技术、系统技术等专业技术，电脑以及各类物理效应设备则是工具，利用的则是系统模型对实际的或者设想的系统，从而进行实验研究。它是多个高新技术领域知识的集大成者，包含了电脑、网络、图形图像、面向对象等技术以及多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等。

二、电脑模拟仿真技术的特点

（一）更加直观，简化学习

因为使用电脑模拟仿真技术进行电子维修教学时，可以制作出和实际状况一致的仪器与图标，所以，方便了学生们进一步的学习。

（二）分析手段多样化

电脑模拟仿真技术制作的模型，拥有相对完整的元件库，同时，电脑模拟仿真技术的混合模拟功能以及数字信号模拟功能，对电路仿真图形中的电波及各工作状态下的数据不仅具有储存作用，而且兼备打印作用。电脑模拟仿真技术具备静态、动态以及失真等各种状态的分析，同时对于电路中出现的短路和其他故障能及时做出判断分析。

（三）教学结合优点多

首先，电脑模拟仿真技术提供的实验方法相对简单易操作，实践于电子维修教学不但成本低，而且系统的自动检修和维护使得系统的长期使用得到了保障。所以，学生们在实际进行实验的时候，不必担心由于自身的操作错误从而造成不良后果。其次，假使实验中遇到不懂的问题，还可以寻求在线帮助，保证了实验的独立完成性。然后，在实验的反复操作过程中，不存在实验器材以及相应原料的浪费。最后，电脑模拟仿真技术在进行一些难度系数较大的实验的时候，可以有很强的真实感。

三、电脑模拟仿真技术应用于电子维修教学的意义

电脑模拟仿真技术运用到实际实验以后，实验中，学生们通过更改一部分的电路参数值，以至于改变主要的电路输入以及输出的性质，清晰地展现电路的变化趋势，从而帮助对电子维修理论相关知识有更大程度的感性上的认识，达到对知识的深层次的理解。电脑模拟仿真技术绘制的图形，结合实际测试数据，能够降低由于不确定因素导致的误差，同时可以观测得出瞬间发生的不容易被观测到的参数。和传统型的实物实验相比较，不难发现：电脑模拟仿真技术一定程度上，不但可以填补传统型实物实验不可以随意变更电路参数的缺陷，而且对于不更换实验元件的大前提下，同等的实验时间内，运用电脑模拟仿真技术进行电子维修实验相应课程教学，学生们在实验的过程中，能够利用变换电路参数，然后观测出性质的曲线型变化，并且观测出相对精准的数据。

电子维修实验教学的真正意义在于：通过学生们的自己动手实践验证理论知识，并且加深理论知识印象，填补理论上的空洞，从而形成自己的电子维修理论基础。将电脑模拟仿真技术和电子维修教学相结合，很好地解决了传统型教学由于时间相对短，学生们无法真正意义上理解电子产品电路的构架和相关原理的问题，更重要的是，利用电脑模拟仿真技术进行电子维修教学最大程度的开发了学生们的潜力，与此同时，激发了学生们的兴趣。

因为学生们对于电子维修理论知识的掌握程度以及熟练状况因人而异，而且学生们的认知能力也存在着一定的差异，直接导致了电子维修教学需要结合各学生实际，因材施教。而电脑模拟仿真技术引进电子维修教学，使得电子维修教学课程内容逐步趋于标准规范、差异化。

四、电脑模拟仿真技术在电子维修教学中的应用

三维仿真论文篇5

关键词： 二维电子地图； 三维虚拟场景； 动态响应； 实时显示； 虚拟海洋战场

中图分类号： TN911?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0038?04

0 概 述

现代战争是复杂条件下的一体化联合作战，是高技术装备体系之间的对抗，战场态势瞬息万变，各种信息数据极其丰富。作战模拟是现代条件下研究战争、进行军事训练、论证武器装备效能、作战方案评估等问题的有效手段[1]。随着战争研究不断地发展，各种新战争形态的出现，以往那种关注局部问题的作战模拟已经不能适应现代战争在体系对体系方面的新需求[2]。在虚拟战场模拟显示技术中，传统的二维桌面显示模式可以在一定程度上观察整个战场态势，但面对综合环境中巨大的信息量也暴露出了多方面的局限性，不能直观显示空间立体信息，不利于指挥人员进行空间范围的部署和战术决断。传统的三维场景显示能够将复杂抽象的事物以直观、用户熟悉的方式显示出来，同时实现用户与三维场景的交互操作，提供身临其境的临场感，但通常只能对观察人员视野范围内较小的局部战场进行描绘。观察人员对视野外的战场信息则一般无法直观获取，显然在全局态势显示方面存在局限性[3]。目前，二维地图显示与三维虚拟场景显示之间相互响应的思想，在城市规划、交通系统中已有不少应用，因此，在实时战场仿真领域，从人员处理信息、解决问题的角度，将二维地图与三维虚拟场景有机结合，能够更好地增强战场感知能力，提升作战仿真研究的效果。

1 虚拟战场的信息表现

虚拟战场中的态势表现形式包括面向观察操作人员把握战场总体情况的二维态势，如各种地图、航线、轨迹、状态信息；面向观察操作人员的三维态势，如地形、风浪、天气、光照、各种平台毁伤效果、各传感器的电磁作用范围等。这些态势的相互融合，涉及电子地图、三维建模显示、立体音效等，开发工作量大，技术复杂[4]。

1.1 二维态势显示

作为虚拟战场显示的一个重要组成部分，二维态势模块主要实现了操作人员与仿真应用之间的接口，它提供给操作人员动态变化的态势信息，帮助用户实时建立战场的全局印象，把握实体的位置、属性和状态等信息。二维态势显示主要提供地图服务，战场实体要素服务，基于此实现地图浏览、平面空间分析、实体查询标注、轨迹绘制、分层管理等功能。目前的工具型GIS系统都提供了功能强大的接口，可以根据应用目的，选择使用通用软件开发工具实现所需的功能，如图层控制、改变视口、地图信息查询、缩放、平移、测量等，同时可以通过态势标绘，将战场演练过程中发生的情况用约定的符号标记在二维地图上，全面、准确、及时的反映虚拟战场攻防对抗的态势，包括双方的、运动实体的军标和轨迹、仿真过程中的关键事件等。二维态势表现在实体信息查询、空间分析等方面已经非常成熟，但在战场具体环境的表现上缺乏空间直观性。

1.2 三维态势表现

1.2.1 三维实体的建模与渲染

1.2.2 三维战场视觉环境仿真

1.2.3 实时战场听觉信息仿真

在战场环境中，声音是不可或缺的重要组成部分。听觉信息仿真主要是通过对战场中各实体的音效、方位、音量及多普勒效应的模拟来保证虚拟战场信息的完整性，增强态势仿真的真实感，降低对视觉信息的依赖，引导操作人员进行更细微的分析判断[7]。

三维声音建模的重点在于虚拟环境中的声音变换。三维虚拟声音不仅要在三维虚拟空间中把实际声音信号定位到虚拟声源所处的特定位置，还要实时跟踪虚拟声源相对于听者的位置变化而变化。为正确描绘出声音效果，需要对声音传播路径的延迟及强度的增强与衰减进行模拟。比如说，随着飞机距离观察者的远、近，或者速度的快慢，感觉到引擎声音的增强与衰弱；又如随着机载导弹的发射听到尾迹声逐渐变弱等。声音控制采用触发机制，虚拟战场中包括水声、爆炸声、机器引擎的声音等，可以通过特殊效果触发、固定时间触发、碰撞触发或随机触发等，具有很好的灵活性。同时，声音效果要与实时变化的视觉相一致，才能产生视觉和听觉的叠加与同步效应，增强真实感。

除了实体在交互过程中产生的声音事件外，由于虚拟战场环境中观察范围很大，在系统中还需要充分考虑全局因素，适当加入一些声音背景和提示音，如在比较小的音量范围内产生一定数量的背景声，根据想定中的控制标志实时播放指挥人员下达的命令声等，可以更好的烘托战场环境，使用户能够清晰地理解仿真所表达的内容，增强对虚拟战场的体验感。

2 二维三维态势信息的融合交互

2.1 集成交互

在本系统中，二维态势与三维场景一体化主要体现在以下几个方面：

（1）二维态势与三维态势在位置、状态等各方面的显示一致。二维态势与三维场景一体化集成交互的基本要求就是在任一给定时刻，它们显示的场景内容是相同的，不同的只是提供给用户的显示形式，一个以二维图标线条为主，一个以三维模型效果为主。

（2）二维、三维态势驱动数据同步。态势显示系统中的公用驱动数据包括仿真时间、目标位置、状态、作战指令等，如表1所示。二维战场态势显示节点负责实时显示更新军标位置与方向，并对作战区域、威胁范围等进行标注；三维态势节点负责根据驱动数据实时更新三维实体模型位置、姿态，渲染战场环境，接收控制指令，改变观察视角。二维、三维态势集成交互时，驱动数据都从战场仿真导演节点获得，确保二维、三维态势信息驱动数据的一致性。

表1 二、三维态势仿真驱动数据

（3）二维、三维态势的操作控制同步。二维、三维态势操控同步也就是要求无论用户在哪一种态势显示方式下进行实体查询、标绘等操作时，另一种态势显示方式会实时响应，动态显示该区域的场景或目标，保证态势显示的统一。

2.2 场景视点规划

视点是图形坐标系统中的一个瞬间空间位置，仿真中的视点方式就是从空间某一个具体的位置，按照一定的规律运动、以合适的角度观看某个局域场景，它控制着视锥体内的视觉表现[9]。空间战场中实体数量多、事件形式复杂，存在大量的需要显示的信息，将这些信息同时显示，不仅会超出指挥人员对信息的分析和利用能力，而且即使是同一仿真系统、同一想定，用户每次进行仿真时所关注的对象和内容也可能不同，单一的窗口和视点规划难以将战场细节很好地表达出来。

在实际应用中必须根据需求显示相应的信息，通过预先规划路径自动漫游、重要事件触发、人机输入设备切换控制等方式组合规划视点。操作人员对虚拟战场实体进行跟随观察时，可以利用三维场景实时接收二维态势中用户点击查询的目标编号，综合利用键盘灵活控制视点与被观测实体间的距离和角度等状态，实时观察该目标，同时通过对二维态势的观察对整个战场形势进行全面分析，克服单独在三维空间环境中漫游产生的迷失感，使操作控制人员能够实时、全面掌握战场态势，缩短决策、评估时间。

3 数据平滑及回放

由于虚拟战场各仿真平台推进的步长不同，态势显示中各数据接收的周期也不同。当数据接收周期大于40 ms时，数据间隔较大，若不加处理，三维态势显示画面会产生跳跃，严重影响仿真效果。实际应用中，可以采用对仿真数据进行插值或预估递推的方法来解决三维图像的平滑显示问题，即保存仿真实体最新的两周期数据，当接收到某仿真实体当前仿真数据时，开始更新上一帧数据。在接收到的两个数据点间，根据仿真数据推进周期T和帧刷新周期?t确定插值数[TΔt，]保证每次图像刷新时，实体的位置均匀变化。但这样会造成三维显示总是滞后仿真系统一个仿真周期T。当T较大造成三维显示滞后较多时，也可采用预估递推的方法，通过接收到的少量数据，根据图像的刷新率需要，计算推测未知点的数据，当预估实体数据与收到的即时数据存在较大偏差时，就直接使用收到的即时数据同步推进显示，保证图像渲染平滑。

同时，记录仿真对象的状态和它们之间的交互信息，仿真推演结束后回放评估，在战场仿真试验过程中也是不可缺少的功能。采用C++文件输入输出流的方法将实体的运动数据保存为数据文件，比用VCR方式记录的视频数据要高效，并且可节省大量的系统资源和磁盘空间，回放过程也可进行人工操控，并按照不同需求进行数据插值或跳点读取，实现不同的回放速度，实现仿真过程的重演。

4 结 语

为综合表现虚拟战场态势，将二维地图与三维虚拟场景有机结合，使二维数字地图操作与三维场景展示在数据、显示、操控等方面实现同步一致，消除了三维态势对整个战场态势认识的不足和漫游时产生的方向迷失感，又弥补了二维电子地图认知战场环境所带来的缺陷。应用于某虚拟海洋战场系统[10]，实现了战略层面上战场态势的宏观展示和战术层面上参战实体细节的微观表达，取得了较好的效果。

参考文献

[1] 张野鹏.作战模拟基础[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 顾浩，王祥祖，程健庆.海上区域作战模拟分析系统技术[J].计算机仿真，2005，22（10）：13?18.

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[8] 刘明皓，康凤举.空间战场一体化视景仿真系统设计与实现[J].火力与指挥控制，2011，36（7）：149?155.

三维仿真论文篇6

关键词：仿真技术;汽车维修;教学应用

以模拟仿真作为主要形式的仿真技术，通过人机交互的方式，能够将汽车总成部件的构成、汽车检测试验和相关部件的装配调整、部件拆装和分解等融合在一起，并通过计算机技术实现虚拟再现，将该技术应用在教学的过程中，在实际学习的过程当中，学生就能够更好的利用这一技术措施实现模拟学习，通过模拟才做更好的掌握各项汽车专业技能，并通过操作提升自己的实践水平。

一、仿真技术在汽车维修教学中应用的必要性

在汽车维修的过程当中，维修的速度主要取决于拆卸和装配所消耗的时间，而在这个过程中要想更好地完成维修的工作，就需要熟练的掌握各项相关技能。

从目前来看，汽车维修主要是按照实训的模式展开教学工作，这种方式需要有大量的设备器材应用于教学过程中，投资较大，且教学实习的场地也要大，教学训练时间长。但是学生的实际操作机会很少，加大了成才周期。如何能够在短时间内让学生学有所成成为老师考虑的主要问题。

随着技术的发展，在汽车维修教学过程中借助技术优势，应用仿真技术，能够有效的缩短学生的学习周期，并最大限度的节约了场地费用和器材的费用，既减少了教师的工作量，又能够提升教学效率，增强教学质量。

二、仿真技术在汽车维修教学中的具体应用

仿真技术能够将汽车三维虚拟总成构建实时展示，将这一技术应用在教学中，学生就能够借助于动态展示过程和相应的三维虚拟模型，更好的了解汽车当中的发动机、变速器等构件的特点，并完成缩放、翻转以及平移等操作，更为深入的了解各部件的具体情况，同时能够对整车和各总成部件进行仿真模拟，掌握分解以及装配的技术要点。仿真技术的应用大大提升了汽车维修教学的质量，本文就对其具体的教学应用进行分析。

第一，从仿真技术实现步骤的角度进行分析。从整体上来看，仿真技术的实现步骤是由以下几个环节构成，即三维模拟造型、虚拟场景的建设、数据库的建立以及应用程序的编写。

在三维模拟造型的过程当中，需要先对汽车进行全车三维模拟造型，这一工作程序复杂，涉及到的内容较多，需要引起高度的重视。在进行三维模拟造型当中，可以利用3D MAX、MAYA以及PROE等专业性的三维造型软件进行设计，同时还需要对发动机、电气系统等维修项目进行真实模拟，并且对配件和相关零部件等进行真实的模拟，确保模拟和工程的实际情况相一致，模拟完成之后需要将春三维模型的格式输出。

在虚拟场景建设的过程中，可以在造型完成之后，借助VIR TOOLS虚拟引擎，并利用3D部件构建起三维场景，这样能够更好的实现模拟交互，同时还需要设置步骤关卡，在设置的过程当中需要保证良好的逻辑性，并保证工作的细致化。通过制作虚拟场景，就能够更好的展示每一个3D部件的特点，提升二者之间的交互活力，这样在和使用者相互交互的过程当中就能够出现各种不同的数据资料，并且可以根据具体的反映和实际的反馈需求出示不同的数据资料。

在编写管理和考核程序的过程当中，需要引起高度重视，这是整个项目控制的中心环节。这一过程涉及到3D文件的管理和虚拟场景的管理，同时也会涉及到数据库的调用和考核过程的实施情况，只有确保这一环节工作的科学性，才能够保证汽车维修项目能够成为一个完整的系统体系。

第二，从仿真技术的结构角度进行分析。从整体上来看，汽车维修模拟仿真系统可以分为三个大模块，也就是数据库资源模块、虚拟控制管理软件模块以及硬件输入和输出模块，每一个模块都有自己相应的控制要素，各个模块之间相互配合，使仿真技术能够更好的发挥其作用，在汽车维修教学当中能够尽其所能。通过输出软件中显示的标注图形、虚拟图像、技术文档以及数据资料等信息，能够更好的指导汽车维修的教学工作。

在应用仿真技术的过程中，各个模块发挥各自的作用，在计算机上提供实时且三维的虚拟环境，并且能够通过生动的视觉和听觉效果，让学生身临其境，通过虚拟的方式对汽车进行模拟分解、装配、调整等。

三、结束语

汽车维修模拟仿真系统当中的核心技术是计算机虚拟技术，将虚拟技术应用到汽车维修教学过程当中，能够提升教学工作的信息化水平，同时也实现了汽车维修教学模式的创新化发展，通过较小的投入获得较大的经济效益和社会效益。仿真技术在汽车维修教学中应用，能够有效的解决教学过程当中器材少且安装作业破坏性大的缺点，解决教学过程中的经费问题。希望通过本文的论述，对仿真技术在汽车维修教学当中的应用起到帮助作用，更好的提升教学的质量。

参考文献：

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[2] 王一刚 张君维.仿真技术在汽车检测与维修教学中的应用初探[J].科学咨询：科技・管理，2011（4）：70.

[3] 黄永亮.仿真技术在汽车维修教学中的应用探讨[J].电子制作，2013（9）：234.

三维仿真论文篇7

关键词：电磁场；波导；有限元；HFSS

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）35-0043-02

1 引言

电磁场的教学向来是高校电子类专业教学改革的重点和难点。在电磁场理论中，波导的特性和模式分布是重要的教学内容，学生们普遍认为学习难度较大。特别是很多高校不具备实验条件，学习波导理论就显得非常抽象。这严重影响了教学质量和学生的学习积极性。为了解决这些矛盾，笔者使用有限元分析软件HFSS进行形象化教学，取得了较好的教学成果。

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是原美国Ansoft公司开发并推出的三维电磁仿真软件，2008年7月被ANSYS公司收购，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件[1]。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器，并拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场[2]。HFSS软件采用的是有限元法（Finite Element Method，FEM），计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

2 基本教学问题描述

2.1 基本波导理论

2.1.1 矩形波导简介

通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气介质的规则金属波导称为矩形波导，它在电磁兼容测试[3]和微波技术[4]中最常用的传输系统之一。

由于矩形波导不仅具有结构简单、机械强度大的优点，而且由于它是封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；因为它无内导体，所以导体损耗低，而功率容量大。在目前大中功率的微波系统中常采用矩形波导作为传输线和构成微波元器件。利用麦克斯韦方程和矢量恒等式，可得到波导中电场和磁场的波动方程如下所示：

方程式中E和H不仅有横向分量，还有纵向（z方向）分量，而且E和H不仅是z的函数（e-rz），还是x和y的函数。Kc为矩形波导TM波的截止波数，显然它与波导尺寸、传输波型有关，其表达式如下：

m是电、磁场量沿x轴[0，a]出现的半周期（半个纯驻波）的数目，n是电、磁场量沿y轴[0，b]出现的半周期的数目。对于TE波，m和n中任意一个可以为0，但是不可以同时为0；而对于TM波中任一个都不可以为0，否则全为0。在波导内壁处电力线垂直于边壁，且波导壁的内表面上只能存在磁场的切向分量，法向分量为零，电力线与磁力线相互正交[5]。

2.1.2 矩形波导的传输特性

（1）截止波数、截止波长、截止频率。

如前所述，矩形波导TEmn和TMmn模的截止波数均为：

对应的截至波长和截至频率为：

在导行波中截止波长λc最长的导行模称为该导波系统的主模，波导能够进行主模的单模传输。

（2）波导波长和相移常数。

矩形波导TEmn和TMmn模的波导波长和相移常数表达式相同，式中？姿是工作波长：

（3）相速和群速。

矩形波导TEmn和TMmn模的相速和群速表达式相同：

（4）波形阻抗。

矩形波导TEmn和TMmn模的波形阻抗表达式分别为：

2.2 HFSS数值求解

在HFSS中建立如下图1所示矩形波导，其在x、y和z轴尺寸分别为4in、0.8in和0.5in。结构图如图2所示。

按照已知参数，带入（6）式可计算出此波导模型的截止频率fc约为7.3GHz。下面利用HFSS仿真计算此矩形波导的截止频率，仿真结果如图2所示。可以看出，矩形波导的S21参数在7.35GHz，与理论计算误差不到1%，说明HFSS在仿真矩形波导的教学中具有很高的可靠性。

在日常教学中电磁波是怎么样在矩形波导中传输的，理论知识不易理解，这里我们可以结合HFSS软件来仿真电磁波在矩形波导中的传输，尤其是在HFSS中我们还可以看到动态的电磁波传输过程[6]，并且HFSS中的仿真数据还可以和Matlab兼容，互相可以导入。

由矩形波导的截至频率fc定义可知：当入射波的频率小于矩形波导的截止频率时，电磁波是不能够通过矩形波导来传输的；当入射波的频率大于矩形波导的截止频率时，电磁波是完全能够通过矩形波导传输的。

下面我们就通过HFSS仿真演示入射波频率分别小于和大于矩形波导截至频率时，电磁波在矩形波导中的传输过程。在HFSS中，上述所建模型截至频率为fc=7.35GHz，这里我们分别设定入射波频率为7GHz和9GHz，仿真结果如图3和图4所示。

由图3和图4可知，当入射波的频率为7GHz（7.35GHz）时，电磁波是完全能够以其特有的传输方式不断向前传输到波导的另一端。

3 结论

本文利用HFSS的有限元求解法，以矩形波导为例，对矩形波导三维矢量静电场问题进行了求解，并使用三维图形进行可视化，仿真矩形波导的参数。通过本文的工作，可以更加直观地理解电磁波在矩形波导中的传输过程以及波导的各参数，相对于传统解析学习方法而言，计算量大大减少且更直观形象。本文对矩形波导三维矢量静电场利用HFSS仿真求解的计算方法可以推广应用在天线仿真设计、大学电磁教学和低频电磁干扰分析等领域。

参考文献：

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[5]常宏宇.典型电磁现象的可视化实现[J].数学的实践与认识，2007，37（13）：52-56.

三维仿真论文篇8

关键词:虚拟仿真;高职教育;建筑工程;实训教学

我国正处于社会信息化深入发展阶段，传统建筑业也在进行自我革新，朝着工业化、信息化以及智能化发展，衍生出工业装配式技术、BIM信息模型技术等。高职教育也在不断探索新技术新方法，2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》(教高［2006］16号)中就实训基地建设方面提出了要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。2017年，国务院印发《国家教育事业发展“十三五”规划》中明确指出我国教育进入高质量新阶段，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。高职建筑工程技术专业需适应时代的变迁与行业的发展。对此，本文将结合南京城市职业学院建设中的虚拟仿真实训体系探讨这项技术在建筑工程专业中的应用。

一、虚拟仿真技术在建筑工程专业实训体系中的应用

(一)高职建筑工程技术专业实训的困境简单来说，建筑工程技术专业培养的是基于施工员岗位的“懂建筑、精施工、会管理”的高素质技术技能人才，实训体系在整个人才培养方案中具有非常重要的地位。但由于建筑行业的特殊性，校内外实训基地的建设都普遍存在困难。校内实训基地受限于场地和经费，难以重现建筑过程中各项技术，即使一些条件较好、投入较多的学校，建设的一些实训项目也是以展示观摩为主，动手实践部分较少;采购的设备数量有限，难以满足全部学生的操作需求;一些操作难以反复，不利于学生探究性学习。在校外实习基地方面，由于建筑项目周期长并且具有一次性特征，工程进度难以和课程学习相匹配。此外，考虑施工现场的安全隐患和企业自身的经济效益，企业难以多次接待学生短期的参观学习。基于以上困境，不少高职院校建筑工程专业更像是简配版本科土木工程的“学科型”教学体系，工学结合不紧密，学生难以将学到的理论知识运用到实际工作岗位中去。

(二)虚拟现实技术的分类基于以上因素考虑，有必要将虚拟仿真技术融入专业的实训体系建设。虚拟仿真技术主要有以下三种类型:1．桌面虚拟仿真系统利用平面显示器呈现立体的虚拟环境，通常将施工二维平面图纸转换为三维模型，学生可通过鼠标等设备与虚拟环境进行交互，可以在环境中进行观察，将抽象的平面概念具象化，也可模拟某项施工技术过程，将书本枯燥生涩的理论知识转换为更容易接受的立体影像。这项技术成本较低，目前也使用得较为广泛。2．全沉浸式虚拟现实系统使用头盔、机械手柄、身体动作追踪等仪器设备将使用者完全沉浸在虚拟的三维环境中，使用者可以精确的与虚拟环境进行交互，视觉、听觉、触觉与实际环境完全隔离，完全置身于虚拟环境中，在虚拟环境中进行操作、体验。这项技术成本较高，很多高职院校虽有投资，但数量有限。3．分布式虚拟系统通过互联网构建一个多用户的虚拟环境平台，采用统一的结构、标准、协议和数据库将不同时间空间的虚拟终端整合，多名用户之间可以自由交互协同工作。这项技术目前在国外使用较多。

(三)构建三阶段虚实结合的实训教学体系建筑工程技术专业学生应具备识读工程施工图纸、查阅相关图集、测量放线的基础技能，参与工程施工、编制施工组织计划及专项施工方案、工程预决算的核心能力以及BIM技术相关的拓展能力。南京城市职业学院建筑工程技术专业根据人才培养目标，以施工员、资料员典型的工作任务、职业标准为依据，构建三阶段虚实结合的实训体系。校内构建虚实结合的实训体系:实训项目较为容易实现的，一般以实体操作为主，例如钢筋加工、绑扎钢筋、全站仪测量等;实训项目周期长，不易反复操作的，以虚拟仿真技术为主，如建筑工程项目施工———专业岗位仿真训练平台。同时，还配有建筑工程项目管理、招投标沙盘实训项目，大型施工现场布置实体模型。虚拟仿真技术填补了核心课程实训的空白，完善了校内实训体系。校外构建三阶段的实习体系。第一阶段认岗。该阶段主要在基础技能的第一学年，学生通过工程制图，建筑结构等课程的学习后，进入一线施工现场，与已学知识进行匹配，对专业和岗位进行感性认知活动。第二阶段跟岗。学生在第二学年学习了核心课程后，在校外实习基地进行为期两周的跟岗实习，在工程施工现场对已学习的核心技能进行验证和反思。第三阶段顶岗。学生在完成学校的所有学习、获得职业资格证书后，真正进入一线，成为一名工作者，用专业技术解决实际问题，完成学生到专业从业人员的过渡。三阶段的实习可以将校内不同阶段虚实结合的专项实训项目整合起来，体会各工序之间的联系，将不同课程融会贯通，提升学生对知识的掌握和技能的运用。

二、虚拟仿真技术在教学中的应用

(一)现有教学方法与学生不匹配随着高考招生制度的不断改革，高职生源不断多样化，学生素质参差不齐，理论基础薄弱，学习主动性不高。传统的课堂教学，即便配合了多媒体资源、信息化教学平台的使用，也很难集中学生的学习注意力。一方面，这样的教学方法本质上还是以教师的灌输为主，学生是被动的接受知识，知识还是被填到大脑中去，一旦填鸭的过程中出现了不理解、听不懂的环节，后面的学习全部崩塌。另一方面，高职学生的学习生涯很少出现学习的高光时刻，学生对自己的学习能力持否定态度，从内心排斥学习，畏难情绪严重，自信心不足。因此，不少学生在社团活动时候大放异彩，在上课学习时，大脑就停止思考。

(二)虚拟仿真技术下的情境化教学根据建构主义学习理论，学生是学习的中心，是知识信息的加工主体。由建构理论衍生出的情境化教学、探究性学习、问题导向等教学方法能够不断挑战学习者已有的知识架构和经验，从而在交互的过程中形成新的知识。学生在活动中主动学习，而教师是建构过程的引路人。虚拟仿真技术下的三维立体虚拟环境，具有沉浸性和交互性特征，学生置身其中，有很强的临场感，促使学生主动获取知识信息。同时，三维具象化的事物降低了学习的难度，增加了学生学习的自信心。以建筑施工组织中的施工现场布置为例，传统的教学中，教师会引用工程案例将场布中涉及的规范进行罗列。由于施工现场涉及多种对象，罗列的规范很多，注意事项琐碎，学生的上课效果较差，难以完成课程目标。在引入了桌面虚拟仿真技术的三维场布软件后，场布理论课程就转变为场布实训项目。项目源自真实施工案例，在教师的指引下，学生依据施工工程所处城市位置、周围道路环境，考虑风向和天气因素，借助软件中已有的各种施工现场的模型(如在建建筑、围挡、道路、临时设施、工程车辆、大型机械等)，对施工现场进行搭建和布置。搭建施工现场的过程就是学习施工现场规范的过程，同时，在搭建的过程中，学生对规范的理解运用各不相同。虚拟环境允许学生按个人理解对学习对象进行操作，观察不同操作下不同的结果，来验证自己对知识信息的接收加工是否正确，这是一个主动学习和修正过程。虚拟仿真技术下的情境教学，大大提高了学生学习的参与度与主动性，提升了学习效果。

(三)虚拟仿真竞赛由于专业的特殊性，高职建筑专业竞赛总体主要集中在建筑工程识图、CAD软件类等，如省级和部级的技能大赛就有此类赛项。此外，还有一些工程测量和建筑模型类的比赛。而针对专业核心技能的施工技术、施工组织设计以及工程项目管理类较为少见。虚拟仿真技术的出现，降低了这类竞赛的举办难度，只需电脑和网络便可开展。如某BIM施工项目管理应用技能大赛，包含施工组织设计、三维建模及建筑工程项目策划等。以赛促教的同时也为专业营造出浓厚的学习竞争氛围，走出去多比赛也拓宽了学生的眼界，增强了学生的自信心。

三、虚拟仿真技术的困境和发展

(一)虚拟仿真实训室投入成本过高虚拟仿真实训室虽然能够支持建筑工程技术专业不少实训项目，但是建设成本很高。以一款全景沉浸式虚拟仿真系统为例，虽然该设备可以模拟仿真全站仪测量各种不同地形，但建设投入达两百万。同时，随着建筑行业新技术、新工艺的不断发展，虚拟仿真实训项目也面临软硬件的升级改造，后期的运行维护也需要学校持续的投入。

(二)虚拟仿真对空间想象能力的影响虚拟仿真技术利用信息化手段将抽象的符号具象化，建筑工程专业同样要求学生具有将二维图纸转换为三维立体建筑物实体的能力。由于高职学生空间想象能力较差，所以虚拟仿真技术有助于学生的学习，降低学习如建筑构造等课程的难度。但是如果过分依赖虚拟仿真，学生的空间想象能力反而得不到锻炼和提高。这就要求教师在教学时合理使用虚拟仿真这个工具，教学时需要安排学生进行空间转换的思考过程。

(三)虚拟仿真对注意力的影响虚拟技术打造的虚拟环境通过视觉、听觉、体感向学生传递图形、文字、声音等信息。打造沉浸式体验学习的同时也传递了大量丰富的信息，学生会对情境中某些信息产生更强的临场感，投入更多的注意力，而对其他信息的注意力减少，无法实现学习的目的。例如，安全生产课程通过虚拟现实(VR)技术让学生体验了高空坠落、脚手架坍塌等情境，模拟情境很真实，但学生体验到的是坠楼的刺激，反而忽视了安全的意识、课程的目的。所以，在虚拟仿真的学习过程中，教师要加强引导，同时合理设计虚拟仿真学习的脚本和内容。

(四)多用户虚拟仿真环境“ActiveWorld”平台是国外广泛使用的一款多用户虚拟环境。多名不同地点学习者可以在同一个虚拟环境中自由交互、协同工作。目前，国内使用的虚拟仿真项目多为单人、单项。学习者只能与计算机虚拟的环境交互，实训的内容也是较为单一的观察性学习或是操作性学习。虚拟仿真技术应朝着多用户平台发展，虚拟的环境更综合、更完整，学习者彼此之间以虚拟身份共同探索、观察、讨论和分析，开展更富有效果的合作式学习，特别适合远程教学。同时，参与学习的各方可以共同建设虚拟环境，做到共建共享，节约资源，降低成本。

三维仿真论文篇9

关键词：可视化仿真 GIS 地下洞室群 施工导截流 大坝 施工总布置

一、研究背景

水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。

国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术（CYCLONE），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。

在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：

1．可视化技术与系统仿真技术结合的途径

建立基于GIS的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。

2．可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题

根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。

3．可视化仿真软件的通用化问题

水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。

二、基于GIS的三维动态可视化仿真技术

1．可视化仿真涵义

可视化仿真（Visual Simulation VS）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。

2．全过程动态仿真理论与方法

全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。

全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。

3．面向对象的图形辅助仿真建模技术

仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。

面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。

在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。

面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。

4．基于GIS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法

（1）数字地形模型建立

地表数字地形模型（Digital Terrain ModelDTM）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表DTM采用TIN模型来实现。建立工程地表DTM由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN模型。

（2）动态实体参数化数字建模

按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GIS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。

实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。

（3）地形动态填挖

地形填挖表现为DTM模型的修改，实质上是对地形TIN模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的TIN模型，与地形TIN两者生成相交边界，再从地形TIN上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体TIN模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的TIN合并构成一个经填挖后的地形DTM。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。

5．基于GIS的三维动态演示方法

基于GIS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻t的面貌Vi（t），则t时刻的工程整体面貌可表示为V（t）＝Σvi（t），n为总的图元数。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。

6．基于GIS的交互式可视化仿真系统结构

基于GIS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GIS的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用GIS的动态信息可视化表达。由于GIS特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。

图2表示的是一个基于GIS的系统交互式可视化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系统仿真中结合的具体环节，以及用户控制仿真进程的实现手段。 三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究

1．复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究

地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。

基于上述问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS，其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。

2．水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。

为此，提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法，并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统CDMIS。此系统充分利用地理信息系统（GIS强大的空间数据分析与处理能力，建立三维施工导截流场地布置模型，以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能，从而实现设计过程中信息的可视化管理，同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统（CDMIS）结构图见图4。

3．混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究

混凝土坝施工，考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响，需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大，浇筑块数以千、万计，浇筑块之间的施工约束条件十分复杂，这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难，使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。

随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。

同时，利用基于GIS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。

4．水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。

对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（CLMIS）的总体结构见图5。

四、结束语

可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于GIS的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于GIS的三维动态演示方法及基于GIS的交互式可视化仿真系统结构等，实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。

三维仿真论文篇10

【关键词】计算机虚拟仿真技术 虚拟现实 动画制作

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。由于计算机技术的发展，仿真技术逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR，是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境――虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互。

通过研究大学文理科学生通识教育的课程设置，能为我们提供许多宝贵的借鉴，大学教育需要逐步实现科学精神与人文精神的融合。本文论述以虚拟仿真技术的应用，探讨仿真技术在交互性视景三维动画制作中的作者体现，以完善学生知识与智能结构而构建课程内容，根据学生的志趣和特长研究授课方式，并在课程考核方面，体现学生的团队协作精神，分小组完成作业，小组成员进行不同工作的分工协作，共同完成虚拟仿真作品。

1 虚拟仿真技术

通识教育实际上是素质教育最有效的实现方式。在通识教育中，贯彻“博学与精专相统一的个性化素质教育”，在课程设置中充分体现这一原则。另一方面，该课程对选修的学生不设任何限制，无论是什么专业，无论有无相关的知识基础，只要对虚拟现实技术感兴趣都可以选修。

1.1 学习仿真技术的基础要求

（1）学习计算机图形学与虚拟现实的基本理论与技术，了解计算机图形图像的生成、显示、处理、变换、动画、影视等的基本方法和技能。

（2）学习虚拟现实的基础知识，虚拟现实系统的构成原理，互动性视景三维动画制作工具软件，掌握虚拟现实系统和虚拟现实环境的设计和实现的基本方法和技能。

（3）采用实例进行讲解，使学生能在较短的时间内对虚拟现实应用有所了解，并学会制作视景动画作品。

（4）培养学生具有理论分析和解决实际问题的能力，具有面向高科技的研究能力和基本的面向工业的设计生产能力。

1.2 虚拟仿真技术的掌握基本

在课程内容设置上，考虑了学生的接受能力，并能充分学习和了解虚拟现实技术的魅力，调动学生的学习兴趣，提高学生的动手能力。课程内容如表1所示

（1）计算机图形学。介绍计算机用户接口等方面的概况，了解图形用户界面和互动输入方法，掌握三维浏览的浏览线程，浏览坐标系，投影，实体浏览，广义投影变换，剪切，硬件实现等基本知识。

（2）虚拟现实技术概论。学习人机交互，虚拟现实的类型与应用，国内外研究现状等方面的概况。

（3）实现虚拟现实系统的三维交互设备。

学习三维跟踪传感交互设备，立体显示设备，手数字化设备，声音系统，硬件系统集成等理论与技术。

（4）实现虚拟现实系统的相关技术与软件。学习实事显示处理，三维虚拟声音显示，触摸和力量反馈，虚拟环境中的自然交互，三维建模等技术和软件工具。

（5）虚拟现实的建模软件。了解Creator 的基础和几何模型的创建理论；掌握二维图形建立和三维模型造型技巧；掌握材质与贴图，灯光与环境的方法；掌握三维动画制作等功能，方法与技巧。

（6）虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language VRML） 。介绍语言概述，编辑器和浏览器，虚拟世界设计，综合编程实例，Creator与 VRML等。

（7）虚拟现实开发工具EON Reality。学习开发平台，浏览器，世界编辑器和材质库。了解虚拟世界中的对象，虚拟世界建造及www中的应用三维虚拟世界等。

（8）交互式虚拟现实设计实例。通过实例学习交互性视景三维动画制作技巧，主动了解当代科技的发展趋势，从而提高学生的创新能力和实践能力，善于探索未知领域，具有组织管理能力，具有合作精神。

2 虚拟仿真技术实践

VRML是一项和多媒通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，它的主要特片有三维性、交互性、动态性和实时性。本文以VRML虚拟现实建模语言授课为例，为充分发挥同学们的创造性，在课堂授课中以实例为导向讲解节点的使用方法。

VRML节点集包括基本几何节点、复杂群节点、VRML场景效果节点、动画节点及动态感知节点等，本例为一乒乓球台，并实现双方打乒乓球的交互过程，使用以下几个相关节点：

Shape节点，定义乒乓球台、乒乓球和文字。

PositionInterpolator 内插器节点，定义乒乓球的运动规律，所有的内插器节点都需要与和时间传感器 TimeSensor相配合使用，把给定的时间规一化。TouchSensor触摸传感器则可用来让程序接收鼠标点击与触摸传感器同在一个局部坐标系的物体时点击动作，并将点击的时间等内容通过路由语句ROUTE传给其他节点或程序，进而进行相应的操作，本例点击乒乓球，乒乓球开始设定的运动，如图1所示。根据本实例的节点使用方法，同学发挥自已的创造力，设计相类似的球场运动，如图2所示学生设计的篮球球场。

3 三维动画作品展示

应用虚拟现实建模软件Multigen Creator 创建建筑模型，学生题材的选取、素材的采集、模型比例设置、建模、贴图都凝聚的每组成员的力量，在整个项目的进展过程中，同学们体验到了美学的熏陶，计算机软件的魅力，团队合作的乐趣。如图3所示，是学生们在学习虚拟仿真技术之后，应用于三维动画制作的三维建筑模型的作品展示。

4 结束语

通识教育选修课对拓宽学生知识面、培养能力、提高素质起着十分重要的作用。培养完整的人、通达有识见之人，从而增强学生学习主动性全面提高素质。通过视景三维动画的制作，学生们有了全新的体验，开拓通达的知识取径，陶冶美感和情操，拥有多元文化的思维，培养沟通与领导统御能力。

参考文献

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作者简介

卢桂萍（1976-），女，硕士研究生，副教授。研究方向：机械电子、虚拟现实与网络化制造。

作者单位