系统仿真与虚拟现实的结合机制87

计算机测控与仿真技术研究所2019/8/11系统仿真与虚拟现实的结合机制第三讲计算机测控与仿真技术研究所2019/8/12〖课前思考〗1．系统仿真与虚拟现实有什么联系?2．了解都有些什么VR和仿真用的软件?〖学习目标〗1．了解系统仿真的基本概念与知识要点。2．了解有关VR与仿真常用的一些开发软件。〖学习指南〗1．注意系统仿真与虚拟现实的联系与区别。2．可视化仿真技术的知识要点。3．各种仿真与VR软件的基本使用。计算机测控与仿真技术研究所2019/8/133.1系统仿真的基础知识一、系统仿真的基本概念现代系统仿真是以系统理论、形式化理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以计算机为工具，对具有不确定性因素的现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法。计算机测控与仿真技术研究所2019/8/141、系统仿真的特性1）系统仿真是一种实验技术，它为一些复杂的系统创造了一种计算机实验环境；2）系统仿真实验需要在一定的语言支持下建立经过抽象和简化的仿真模型；3）系统仿真的输出结果是在仿真实验运行过程中不断对系统行为和系统状态进行观察和统计而得到的；4）系统仿真研究的对象往往包含多种随机因素的综合作用，每次仿真运行只是对系统行为的一次随机抽样。3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/151）认识客观世界规律性的新型手段，它可以将研制过程、运行过程和实施过程放在实验室中进行，具有良好的可控制、无破坏性、可复现性和经济性等特点；2）用它可以探索高技术领域和复杂系统深层次的运动机理和规律性，给出人们直观逻辑推理不能预见的系统动态特征，具有科学的先验性；2、系统仿真的优点3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/163）系统仿真可根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和行为来构造仿真模型，在很少假设或不作假设的前提下建立包括系统主要因素和具体细节的模型框架，并通过仿真实验运行，得到复杂的解。4）系统仿真建模具有面向过程的特点，仿真模型与所研究系统的运行过程在形式上和逻辑上存在对应性，避免了建立抽象数学模型的困难，显著简化了建模过程，具有直观性。三、系统仿真的优点3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/175）随着系统仿真理论和计算机技术的发展，系统仿真已跻身于高新技术领域，使系统仿真与人工智能技术、并行处理技术、分布式仿真、优化理论、三维图像处理技术以及多媒体技术等融为一体，并逐步步入虚拟现实仿真、互联网上仿真以及群决策仿真研讨等领域。鉴于系统仿真的这些优点，它已在工业生产、交通运输、能源供应、医疗卫生、航空航天、军事作战、制造过程以及社会服务等领域得到广泛的应用。三、系统仿真的优点3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/18系统模型是对实际系统的一种抽象、本质的描述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/191、模型要求1）模型必须是现实系统的一种抽象，它是在一定假设条件下对系统的简化。2）模型中必须包含系统中的主要因素，模型不可能与实际系统完全对应，只应当包含那些决定系统本质属性的重要因素。3）为了进行定量分析，模型中必须反映出各主要因素之间的逻辑关系和数学关系，使模型对系统具有代表性。二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1101、系统仿真的分类1）根据计算机分类①模拟计算机仿真②数字计算机仿真③模拟数字混合仿真模拟计算机混合接口A/D、D/A控制逻辑数字计算机二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1112）根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类①实时仿真——仿真时钟与实际时钟是完全一致的。②欠实时仿真——仿真时钟比实际时钟慢。③超实时仿真——仿真时钟比实际时钟快。3）根据仿真系统的结构和实现手段不同分类①数学仿真②物理仿真1、系统仿真的分类二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/112③半实物仿真又称硬件在回路中仿真。动力学系统三轴转台、目标仿真器、水/动/静压仿真器执行机构伺服回路控制/制导/导航计算机探测器传感器仿真计算机仿真环境图：半实物仿真系统1、系统仿真的分类二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/113④人在回路中的仿真。⑤软件在回路中的仿真。动力学模型人视景系统仪表显示音响模拟多自由度运动系统操纵负载模拟系统仿真计算机仿真环境图：人在回路中的仿真系统1、系统仿真的分类二、系统仿真的建模和类别3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/114三、系统仿真的作用1）优化系统设计；2）对系统或系统的某一部分进行性能评价；3）节省经费；4）重现系统故障，以便判断故障产生的原因；5）可以避免试验的危险性；6）进行系统抗干扰性能的分析研究；7）训练系统操作人员；8）系统仿真能为管理决策和技术决策提供依据。3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1151）阐述问题和目标设定；2）仿真建模；3）数据采集；4）仿真模型的确认；5）仿真程序的编制和验证；6）仿真模型的运行；7）仿真输出结果的统计分析。四、系统仿真的基本步骤3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/116问题描述确定仿真目标仿真建模数据采集模型确认？仿真程序的编制（生成）程序验证？仿真实验设计仿真试运行仿真再确认正式仿真运行仿真输出统计分析仿真报告是是是否否否3.1系统仿真的基础知识四、系统仿真的基本步骤计算机测控与仿真技术研究所2019/8/117五、现代仿真的基本框架现代仿真技术的发展使仿真技术扩展到系统建模、仿真建模和仿真试验等三项活动中，使传统意义上的仿真概念产生了变革。1984年Oren提出了现代仿真的基本概念框架：“建模——试验——分析”。仿真的这一基本概念框架总结了仿真研究的三个基本要素：1）对仿真问题的描述；2）行为产生器；3）模型行为的处理。3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/118模型行为及其处理仿真问题的描述特定的模型：参数模型参数值试验：实验框架仿真运行控制行为产生模型行为（仿真数据）轨迹产生结构行为行为处理：分析、显示六、仿真研究的基本要素3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1191、对仿真问题的描述任何一个仿真问题都由模型与试验两部分组成。任何一个数学模型，不论采用什么样的建模方法，又都由两部分组成：一个参数模型及一组参数值。试验也分为两部分：试验框架和仿真运行控制。2、行为产生器行为产生器是一套对模型进行试验的软件，由它可以产生一组系统状态变量随时间变化的资料（称为模型行为）。3、模型行为及其处理有三种模型行为：点行为、轨迹行为、结构行为。行为处理包括对行为进行分析以及将行为显示出来。六、仿真研究的基本要素3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/120仿真算法是将系统数学模型转换成适合于计算机运行的模型（即计算机仿真模型）的一类算法。1、集中参数系统数字仿真算法集中参数系统的数学模型通常由一阶常微分方程组表示。常用算法有：数值积分法、离散相似法、置换法、根匹配法、增广矩阵法等。2、分布参数系统数字仿真算法分布参数系统是用偏微分方程描述的。常用方法：有限差分法、有限元法。3、离散事件系统数字仿真算法离散事件系统的仿真模型通常采用流图或网络图描述。常用方法：面向事件的建模方法、面向活动的建模方法、面向进程的建模方法。七、仿真研究的基本要素3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/121仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。它的功能可概括为：1）模型描述的规范及处理；2）仿真试验的执行与控制；3）资料与结果的分析、显示及文档化；4）对模型、试验程序、资料、图形或知识的存储、检索与管理。根据实际情况，仿真软件分为：仿真程序、仿真语言、仿真环境三个不同的层次八、仿真软件3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1221、虚拟现实建立三维实体和虚拟现实场景，提供给用户一个浏览的空间，但在这样的环境中用户往往不能控制对象的运动。对象的运动轨迹和方式一般是在环境创建时预先设计好的。2、仿真为了在虚拟现实环境中能够得到身临其境的感觉，仿真系统中的对象应该是可控的，可以按照研究者的需要动态地产生或消除三维实体，而三维实体的运动也应该按照仿真的需要进行。3、结合虚拟现实给研究者一个仿真的空间，使仿真的结果更加真实可信，而仿真可实时地控制对象的运行，干预虚拟环境中系统的运行。九、系统仿真与虚拟现实技术的比较3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1231、智能仿真系统如：知识库仿真系统、仿真建模自动化、仿真程序自动生成和智能化仿真决策系统。2、面向对象的仿真系统比较突出的是由德国开发的SIPLE++面向对象仿真系统软件。3、分布式并行仿真适用于局域网内不同节点上的分布式仿真和异地远程网络上的仿真。在军事作战仿真中已得到应用。4、Internet网上仿真如美国海军研究院的Simkit可以在网上浏览器的支持下进行分布式仿真。5、可视化交互式仿真系统（VIS）6、虚拟现实（VR）仿真十、仿真的研究热点3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/124十一、应用实例1、美游戏机商为军方研制驾驶模拟器美国陆军同游戏机生产商ZombieStudios公司签署了一份总额为10万美元的合同，将由后者为军方研制一种新型的驾驶模拟器。美国军方发言人介绍称，军方订购这种新型训练设备的目的是为了尽可能模拟出一种贴近现实的环境，以帮助军车驾驶员准确识别可能隐藏在行进路线上的爆炸装置，并在发生爆炸或遭到攻击时做出迅速而且准确的反应。训练过程中，士兵们将会坐在一部货真价实的“悍马”越野吉普车中。在车体的周围将会设置6或者8部屏幕，可提供360°的视界。此外，模拟器还可产生非常逼真的响声，让参训士兵有种身临其境的感觉。车上的士兵们将会携带安装了激光器的自动步枪进行模拟射击。3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/125十一、应用实例二2、德国的危机预防信息系统对巨大灾难的管理（包括自然和人为的灾难）要获得高效、取得成功，决策者必须要及时获取相关信息。2001年夏天德国内政部门决定建立“危机预防信息系统”（GermanEmergencyPlanningInformationSystem/简称deNIS）。在此基础上开发的deNISII的目标则是为市民和灾难反应建立起一个网络，作为联邦和地方政府决策制订者的信息沟通支持，更好地为自然灾害和技术事故等突发事件的援救提供信息服务。deNIS的主要任务即是支持灾难管理者的工作，相应的deNISII系统只对一些授权的使用群体开放：主要是联邦政府的内务部门和灾难控制部门的运作中心。系统用以评估灾难的现状情势和面临的问题，分析应该采取什么样的方法来保护公众的人生安全，必须向州、联邦政府或者外国申请哪些援助物资。3.1系统仿真的基础知识计算机测控与仿真技术研究所2019/8/1263.2可视化仿真及相关应用软件3.2.1可视化仿真技术简介1、可视化技术一种用图形或图像来表征数据的计算方法，即利用计算机图形图像技术将一维数据转化为可观察的二维或三维几何表示，从而达到增强人们对抽象信息认知的目的。2、分类：科学计算可视化和空间信息可视化可视化仿真应用系统的组成①仿真应用程序：可视化仿真的驱动核心；②图像生成器：可视化仿真的硬件平台；③可视化数据库：可视化仿真的数据基