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虚拟仿真系统的图像建模技术研究

时间:2011-04-24  作者:秩名

论文导读:虚拟仿真系统的模型结构一般包括数学模型(Mathematical Model)与图像模型(Image Model)两部分。数学模型定义图像模型的特性。但不同的虚拟仿真系统具有大致相同的图像建模方法。
关键词:仿真,建模,图像模型
 

1 引言

虚拟仿真系统的模型结构一般包括数学模型(Mathematical Model)与图像模型(Image Model)两部分,其中,数学模型定义图像模型的特性,建立原理的数学关系,计算数值结果并反映到图像模型中。论文大全。即数学模型是隐藏在图像模型后面的“规则”,这些规则是对真实系统本质的抽象;图像模型采用三维渲染图片或实物照片模拟真实的物理外形及操作,并显示由数学模型计算得到的结果,完成与用户的交互,即提供人机交互的“界面”。不同的虚拟仿真系统具有不同的数学模型,但不同的虚拟仿真系统具有大致相同的图像建模方法,因此讨论图像建模方法具有普遍意义。

2 图像建模技术

图像模型的优劣直接影响虚拟仿真系统的真实感与交互性。论文大全。为了尽量逼真地模拟出场景、仪器和元器件的外形与操作,虚拟仿真系统一般采用三维建模与绘制技术进行图像建模。图像模型包括静态模型和动态模型两部分。

2.1 静态建模

首先确定出虚拟仿真系统中各对象模型的所有三维几何模型,然后使用三维建模和绘制软件制作出符合需要的静态渲染图片,用来模拟场景、仪器和元器件的外观,并设计最接近真实的操作动作,通过图像技术模拟各部分的操作,最后将其组合在一起,完成整个场景、仪器和元器件的图像建模。如虚拟仪器,通常由仪器面板、旋钮、开关、表盘指示等组成,图1所示为虚拟示波器的图像模型。

图1 虚拟示波器的图像模型

2.2 动态建模

在虚拟仿真系统中,经常会出现移动虚拟仪器设备、连接线路、调节仪器设备旋钮等操作,同时仪器设备会有指针偏转、数值或波形显示等变化。这些都需要对其进行动态模拟。一般先要制作出符合需要的三维渲染图片,再采用相应的动态图像编程技术完成动态模拟。在虚拟仿真系统中常用的动态建模技术有以下几种。

2.2.1 画布动态绘制技术

画布(Canvas)是图形绘制和显示的工具。画布上可以使用多种模式绘制各种线条、图案。只要选择合适的事件响应用户操作,并在事件中灵活使用各种绘制模式,完成画布的动态绘制,就能动态模拟用户的操作或仪器的变化。论文大全。

例如在“电路与电子技术虚拟实验系统”中对电路搭接操作的模拟(如图2):用鼠标拖动各种虚拟元器件,在通用实验板上任意搭接电路,将所有接线柱定义为热点,响应鼠标操作事件。在鼠标键按下事件中记录鼠标按下时的坐标,并设置开始连线标志;在鼠标移动事件中,在背景图的画布上使用动态绘制技术不断刷新连线,实现操作部分的动态模拟。

图2在虚拟仿真环境中电路搭接操作

再如仪表指针的模拟(如图3):仪表指针绕着一个旋转点偏转,一定的偏转角度对应一定的表盘读数。仪表指针部件包括旋转点坐标、指针最小角度、最大角度、当前角度、指针长度等属性,根据仪表数值仿真计算结果改变当前角度,并在表盘上动态透明绘制指针,实现自动部分的动态模拟。

图3 某仪器的表盘指针指示情况

2.2.2 帧剪切技术

虚拟仿真系统中大量的动态变化是仪器设备部件发生状态改变,即从一个状态跳变至另一个状态。当模拟这种动态变化时,帧剪切(Frame Clip)技术十分有用。

首先制作出该部件在所有不同状态下的仪器设备的整体图片,采用图像编辑技术将这些仪器设备图片中该部件部分在相同位置、以相同大小剪裁下来,得到不同状态下的图像帧,并按顺序将这些图像帧组成一幅图片序列。程序运行时先拷贝该部件初始状态下的图像帧进行显示,在响应事件时,该部件根据操作类型改变当前状态序数,并将当前状态序数下的图像帧装载显示。

例如对旋钮、按钮、开关等部件的操作即是改变它们的状态。图4是某仪器的一个旋纽在各种状态下的图片,通过在响应鼠标操作的事件中采用帧剪切方法来模拟旋钮旋转操作。

图4 某仪器设备的一个旋纽在各种状态下的图像

2.2.3 掩码透明贴图技术

当虚拟部件移动时,需要动态地将其图片贴在背景图上,由于虚拟部件图片是矩形块而其图形往往不是规则的几何图形,采用透明贴图技术将图片中不属于该部件图形的边缘部分变得透明,仅将其图形贴在背景图上,从而实现虚拟部件与虚拟仿真环境在视觉效果上的无缝拼接和自然融合。

原图(OriginalPicture)与掩码图(MaskedPicture)制作:利用图像处理软件将某部件图片的边缘部分变为黑色(颜色值的二进制码各位均为0)即得到原图,在原图的复本上将图形边缘部分变成白色(颜色值的二进制码各位均为1)、图形部分变为黑色即得到掩码图,如图5为某仪表指针的原图及掩码图。

图5 某仪表指针的原图及掩码图

编程实现方法:在程序代码中,定义部件原图、掩码图、被覆盖背景图的位图对象,在摆放该部件位置处,先将掩码图与背景图(如图6a)进行“与”运算,将背景图上应贴上部件图形部分变为黑色,并保留应被贴上边缘部分的图像(如图6b);再将原图与背景图进行“或”运算,部件图形部分被贴在背景图上,背景图上应被贴上边缘部分的图像仍被保留下来(如图6c),从而完成对某部件的透明贴图。其贴图过程可用如下公式表示:

其中OP、MP、BP分别表示原图、掩码图、背景图。

a) BP b) BP∧MP c)BP∧MP∨OP

图6 某仪表指针透明贴图过程示意图

3 结束语

“军队院校网上虚拟实验室”重点建设项目“电路与电子技术虚拟实验系统”采用上述建模方法与技术,很好地解决了仿真技术与多媒体技术的融合设计问题,使系统具有良好的可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能。项目成果分别获得军队科技进步二等奖和全国、全军、海军多媒体教育软件评比一等奖。目前,该虚拟实验系统已在20多所军内外高校使用,取得了良好的效果,实现了电路与电子技术基础实验教学方法和手段的创新,为探索现代化实验教学的新路子提供了有益的经验。同时该成果将在36所军队院校推广使用,并由高等教育出版社正式出版发行,具有良好的推广前景。本文是对完成该项目的主要建模方法与技术的初步总结,供从事相关研究和开发的同行参考。


参考文献
1 YangYanming, Gao Yang, Wang Qing. Development and application of an intelligentvirtual system on electronic circuit experiments //Computer Science andTechnology in New Century. Beijing: International Academic Publishers, WorldPublishing Corporation, 2001:1031-1032
2 杨彦明, 吴为团, 于宝良. 网上虚拟实验室的研究与实现. 东北师大学报(自然科学版), 2004, 36(12): 50-54
 

 

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