專利名稱：一種基于osg的電工電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬實驗仿真系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
Open Scene Graph(簡稱OSG)場景圖形系統(tǒng)是ー個開源的場景圖形管理開發(fā)庫，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化功能。一般用于戰(zhàn)斗機仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實以及科學(xué)可視化等高性能圖形應(yīng)用領(lǐng)域。以Visual Studio作為電エ電子虛擬實驗的開發(fā)環(huán)境，Visual Studio是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境，可以用來創(chuàng)建Windows平臺下的Windows應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序,也可以用來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、智能設(shè)備應(yīng)用程序和Office插件。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)需要提供給學(xué)生動手操作的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，這需要占用大量的教學(xué)資源，尤其在實驗內(nèi)容復(fù)雜、危險，實驗條件成本較高的實驗教學(xué)中這種困難尤為突出。而虛擬實驗在解決以上問題的基礎(chǔ)上對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jīng)成為實驗教學(xué)改革中的ー個重點。國內(nèi)虛擬實驗使用在電エ電子實驗教學(xué)中還是比較少的，除了常用的幾款仿真軟件，如Multisim, Matlab/Simulink之外，還有基于Modelica開發(fā)的虛擬實驗環(huán)境。這兩種虛擬實驗方式均是基于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(huán)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(xué)生融入實驗環(huán)境進(jìn)行實驗都有一定的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供ー種可快速高效地完成虛擬實驗開發(fā)、具有良好可擴展性和可移植性的基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置，用于構(gòu)建不同實驗所對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；虛擬實驗環(huán)境調(diào)取裝置，用于根據(jù)實驗操作要求調(diào)取相應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；參數(shù)設(shè)定裝置，用于在虛擬實驗環(huán)境中根據(jù)實驗的相關(guān)內(nèi)容對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;實驗仿真裝置，用于接收設(shè)定的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，并把結(jié)果返回給前臺做結(jié)果顯示。所述的虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置包括三維虛擬場景模塊，用于虛擬實驗提供虛擬實驗平臺；程序框架模塊，用于提供實驗數(shù)學(xué)模型計算、命令控制及結(jié)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、場景渲染單元和用于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(xiàn)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(zhuǎn)、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(shù)學(xué)模型求解単元、負(fù)責(zé)各種命令操作的命令操作単元、提示幫助單元、以及用于顯示實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的結(jié)果顯示単元。
所述的結(jié)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢I)采用高性能開源軟件OSG作為虛擬實驗環(huán)境的圖形引擎，其提供大量用以快速開發(fā)高性能圖形應(yīng)用程序的庫，可以快速高效的完成虛擬實驗的開發(fā)；2)0SG支持多種場景裁剪技術(shù)、細(xì)節(jié)層次節(jié)點、渲染狀態(tài)排序、定點數(shù)組、顯示列表、OpenGL著色語言等技術(shù)，可以實現(xiàn)場景動態(tài)調(diào)度、多線程渲染等機制，并且提供了文字顯示、粒子系統(tǒng)、陰影系統(tǒng)、等特效模擬，使虛擬實驗環(huán)境支持更加豐富的三維圖像顯示效果，使各種元件設(shè)備的幾何模型更加逼真，各種物理現(xiàn)象的仿真更加豐富生動，同時支持更強的后續(xù)擴展開發(fā)的特性；3)OSG支持多種基本操作類型庫，使虛擬實驗環(huán)境的三維漫游及元件操作更加便捷和人性化，有助于改善學(xué)生參與實驗時的操作體驗，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)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知識產(chǎn)權(quán)問題；5) Visual Studio中的MFC是非常成熟的視窗軟件開發(fā)類型庫，采用MFC作為軟件的框架設(shè)計環(huán)境，使軟件界面更加友好，菜單及工具按鈕操作更加簡單方便，符合大多數(shù)人的操作習(xí)慣；6)基于OSG的電エ電子虛擬實驗環(huán)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(xiàn)象、富有針對性的數(shù)據(jù)顯示和記錄功能等豐富了實驗教學(xué)的手段，尤其在部分實驗操作復(fù)雜，具有一定危險性，成本高的實驗中，這種虛擬實驗教學(xué)方式體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。


圖I為本發(fā)明的功能框圖；圖2為電弧發(fā)生虛擬實驗的場景樹示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例如圖I所示，一種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，包括虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置，用于構(gòu)建不同實驗所對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；虛擬實驗環(huán)境調(diào)取裝置，用于根據(jù)實驗操作要求調(diào)取相應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；
參數(shù)設(shè)定裝置，用于在虛擬實驗環(huán)境中根據(jù)實驗的相關(guān)內(nèi)容對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;實驗仿真裝置，用于接收設(shè)定的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，并把結(jié)果返回給前臺做結(jié)果顯示。所述的虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置包括三維虛擬場景模塊，用于虛擬實驗提供虛擬實驗平臺；程序框架模塊，用于提供實驗數(shù)學(xué)模型計算、命令控制及結(jié)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、場景渲染單元和用于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(xiàn)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(zhuǎn)、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(shù)學(xué)模型求解単元、負(fù)責(zé)各種命令操作的命令操作単元、提示幫助単元、以及用于顯示實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的結(jié)果顯示単元。所述的結(jié)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(fā)明的工作流程如下I)在分析電エ電子實驗原理及內(nèi)容的基礎(chǔ)上，從中抽象出不同實驗所對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)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配合三維建模軟件完成，其包含對實驗相關(guān)的物理環(huán)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(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算的求解模塊、負(fù)責(zé)各種命令操作的指令模塊、幫助模塊、基于各種窗ロ界面的結(jié)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(huán)境，最后可以將多個實驗的虛擬環(huán)境整合成為整個電エ電子虛擬實驗平臺；2)通過調(diào)取相應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境，實驗操作者根據(jù)實驗操作要求對虛擬實驗環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的實驗操作，包括對相關(guān)元件的移動、擺放，接線，對相應(yīng)器材的使用調(diào)節(jié)，來完成整個實驗的操作部分，并通過虛擬實驗環(huán)境中操作模塊下的檢測功能對實驗操作部分進(jìn)行檢測評判；3)根據(jù)實驗的相關(guān)內(nèi)容，實驗操作者在虛擬實驗環(huán)境中對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括元件參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，即可對實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果進(jìn)行仿真；4)虛擬實驗環(huán)境的后臺求解程序接收相關(guān)實驗參數(shù)，根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，把結(jié)果返回給前臺相關(guān)窗ロ進(jìn)行結(jié)果顯示，部分實驗的計算結(jié)果可以通過虛擬實驗環(huán)境的動畫模塊生成實驗物理現(xiàn)象渲染到虛擬實驗環(huán)境的三維環(huán)境中，達(dá)到數(shù)據(jù)結(jié)果與實驗現(xiàn)象的可視化展示。步驟I)所述的實驗的虛擬實驗環(huán)境包括(I)實驗環(huán)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(xiàn)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(fā)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(guān)電子元件的數(shù)學(xué)模型、實驗的整體求解數(shù)學(xué)模型，并將這些數(shù)學(xué)模型的求解方法抽象出對應(yīng)的C++語言代碼進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)；(3)視景操作模塊分為三維漫游部分和模型操作部分，其中三維漫游部分包括視角的任意角度變化、旋轉(zhuǎn)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(shè)置及調(diào)節(jié)實驗參數(shù)、控制實驗開始結(jié)束暫停等相關(guān)進(jìn)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(jié)果顯示的前臺顯示部分，通過點擊菜單欄的相關(guān)菜單項及工具欄的相關(guān)工具按鈕，調(diào)取相關(guān)指令，實現(xiàn)指令操作，并將接收到的實驗求解數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實驗結(jié)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(yīng)的數(shù)學(xué)模型相對應(yīng)，其包含的參數(shù)包括模型的ID、名稱、調(diào)用幾何模型文件的邏輯路徑、初始值、數(shù)學(xué)表達(dá)式、初始位置坐標(biāo)、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缺省值，所述的可否被更改表明在實驗結(jié)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(shù)學(xué)模型中的值。所述的實驗環(huán)境的3D虛擬場景，為樹狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)相應(yīng)的邏輯關(guān)系將電エ電子元件的幾何模型與數(shù)學(xué)模型、實驗場景的幾何模型與數(shù)學(xué)模型、實驗現(xiàn)象的動畫模型、操作模塊分別對應(yīng)到從根節(jié)點、枝節(jié)點到葉子節(jié)點的各個節(jié)點上，如圖2所示就是虛擬實驗實例虛擬電弧發(fā)生實驗的樹狀場景結(jié)構(gòu)。步驟3)所述的實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果的仿真過程是實驗操作者在完成實驗操作后虛擬實驗環(huán)境對實驗操作進(jìn)行檢測，檢測無誤后將實驗操作者設(shè)定的環(huán)境參數(shù)及元件參數(shù)傳入后臺求解程序，后臺求解程序根據(jù)元件的數(shù)學(xué)模型求解得到相關(guān)參數(shù)，再根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型以及所有數(shù)據(jù)求解得到實驗結(jié)果，并根據(jù)此結(jié)果得出相應(yīng)的實驗現(xiàn)象表示參數(shù)，作為實驗現(xiàn)象展示的指示標(biāo)志。步驟4)所述的實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果的可視化顯示是虛擬實驗環(huán)境的三維實驗環(huán)境以及窗ロ界面中的結(jié)果顯示對話框，接收權(quán)利要求5所述的實驗結(jié)果以及實驗現(xiàn)象標(biāo)志參數(shù)，根據(jù)實驗內(nèi)容要求，實驗結(jié)果可以以連續(xù)波形以及數(shù)據(jù)結(jié)果的形式顯示在窗ロ界面的結(jié)果顯示對話框中；實驗現(xiàn)象是三維實驗環(huán)境根據(jù)實驗現(xiàn)象標(biāo)志參數(shù)對三維環(huán)境進(jìn)行重新渲染，通過OSG粒子系統(tǒng)及動畫系統(tǒng)展現(xiàn)的。以虛擬電弧發(fā)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(fā)生實驗，虛擬實驗平臺將生成虛擬電弧發(fā)生實驗的實驗環(huán)境；步驟2:在菜單欄中點擊操作菜單，調(diào)出電弧發(fā)生裝置的控制面板進(jìn)行相應(yīng)的指 令操作；步驟3 :通過操作面板中的“復(fù)位”、“產(chǎn)生電弧”、“斷開電弧”等指令操作按鈕，控制虛擬電弧發(fā)生實驗場景中的發(fā)生裝置產(chǎn)生電弧，同時可在實驗場景中觀察到電弧產(chǎn)生的動畫效果。步驟4 :通過“啟動”和“暫?！卑粹o，可控制操作面板左側(cè)的波形顯示窗ロ，顯示或暫停電弧發(fā)生裝置中電弧發(fā)生電極兩端實時的電流和電壓波形。步驟5 :通過調(diào)節(jié)右下的氣隙距離滑塊來控制電弧發(fā)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(guān)系。通過以上步驟即可完成對虛擬電弧發(fā)生實驗的操作以及可視化仿真。
權(quán)利要求
1.一種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括 虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置，用于構(gòu)建不同實驗所對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境； 虛擬實驗環(huán)境調(diào)取裝置，用于根據(jù)實驗操作要求調(diào)取相應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境； 參數(shù)設(shè)定裝置，用于在虛擬實驗環(huán)境中根據(jù)實驗的相關(guān)內(nèi)容對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定； 實驗仿真裝置，用于接收設(shè)定的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，并把結(jié)果返回給前臺做結(jié)果顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述的虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置包括 三維虛擬場景模塊，用于虛擬實驗提供虛擬實驗平臺； 程序框架模塊，用于提供實驗數(shù)學(xué)模型計算、命令控制及結(jié)果顯示的程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，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、場景渲染單元和用于完成簡單動作和粒子運動的動畫單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，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(xiàn)象的物理模型和操作指示的幾何模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述的視景操作単元的操作包括視角的角度變化、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、模型的拖曳及碰撞檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述的程序框架模塊包括實驗數(shù)學(xué)模型求解単元、負(fù)責(zé)各種命令操作的命令操作単元、提示幫助單元、以及用于顯示實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的結(jié)果顯示単元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種基于OSG的電エ電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述的結(jié)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(fā)明涉及一種基于OSG的電工電子虛擬實驗仿真系統(tǒng)，包括虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建裝置，用于構(gòu)建不同實驗所對應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；虛擬實驗環(huán)境調(diào)取裝置，用于根據(jù)實驗操作要求調(diào)取相應(yīng)的虛擬實驗環(huán)境；參數(shù)設(shè)定裝置，用于在虛擬實驗環(huán)境中根據(jù)實驗的相關(guān)內(nèi)容對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；實驗仿真裝置，用于接收設(shè)定的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗求解的數(shù)學(xué)模型對實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，并把結(jié)果返回給前臺做結(jié)果顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有可快速高效地完成虛擬實驗開發(fā)、具有良好可擴展性和可移植性等優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者仇佳捷, 寧慶, 張峰, 王子駿 申請人:上海交通大學(xué)