模拟仿真技术在装备教学中的应用

张帆

摘要：目前新装备种类繁多、层出不穷，虚拟仿真技术作为一种新型的辅助教学手段，能够使学员在操作使用前对装备动作原理和结构部件有深入的了解，以便在实际使用时得心应手、减少损耗。该文以装备课为例，谈谈模拟仿真技术在教学中的应用。

关键词：装备；模拟仿真；三维模型

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）33-0109-02

当前新装备大量配发，而多种因素造成了新装备配发后使用者无法在最快的时间内掌握使用维护保养方法。而计算机模拟真实的三维物体的技术已逐步完善，这成为了解决装备训练问题的有效途径。

1 采用模拟仿真系统的意义

模拟仿真系统是指在软件系统下实现模拟环境、模拟过程和模拟效应，具有低成本、全立体空间显示、可重复使用等优点。

利用模拟仿真系统，主要可以解决以下三个问题：

1）不敢使用的问题。很多装备配发后，相关技术人员仍比较缺乏，使用者对该装备性能仍未摸透，在工作需要时不敢轻易使用新装备。

2）不善于教的问题。由于对装备的内部构造掌握不够准确，造成对装备基本构造、动作原理情况认识模糊。

3）易损坏的问题。在教学、训练、使用过程中必然会对装备造成一定程度的损坏，而相关维修人才、设备、费用的缺乏导致使用者对新装备存在“过度保护”的情况。

充分应用计算机仿真技术，可以便于我们科学施训，有效地节约成本，维护装备的性能。在动用新装备之前，先进行学习和模拟训练，掌握了基本的知识，再进行现实使用训练，减少装备不必要的损耗。

2 系统设计的一般原则

模拟仿真系统是面向教学、训练的辅助系统，是集三维图形学，计算机科学，虚拟仿真技术为一体着重于实际运用的软件系统，在设计制作的过程中应遵循以下原则：

2.1 实用性和先进性

作为教学训练软件系统，其实用性是评判此类系统好坏的基础指标。而先进性则是系统设计水平的体现。系统始终要以使用者的需求为导向，在符合实际的前提下，完成功能的实现。在实现功能时，使用的技术算法必须先进。

系统软件的设计水平高低与算法优劣，更重要的是看其是否适用于当前软硬件环境。一般使用者的电脑多为普通计算机，多余的功能或复杂的算法都会影响系统的使用感受，并且使得系统后期维护变得复杂和不便。

2.2 真实性和可靠性

此类模拟仿真系统开发的目的之一就是能代替真实装备进行教学演练，优化教学流程环境。所以三维模型与现实中零部件大小形状需一致，三维场景中零部件位置与真实装备中的位置需一致，并且物理仿真出的效果与现实环境需相似性。只有越接近真实的装备，系统的仿真意义才越能够体现。只有严格按照实际物体尺寸建模，认真还原部件位置与动作动画，最后的系统才能达到模拟、仿真、训练的目的。

2.3 实时性和易操作性

一款三维虚拟仿真训练系统，运行快速流畅、操作方便易懂，能够使用户使用起来不会感觉困扰或者难以上手，才能使它真正地被使用者所接受。

实时性主要是指系统能够及时地反馈用户的操作信息，并能将相应的场景内容渲染到屏幕中。作为仿真的核心之一，三维动画必须要求过场流畅，帧速稳定，运行快速流畅体现在软件系统启动快速，界面动画不拖沓，三维模型动画不掉帧，人机交互响应不延迟。

易于操作则是在人机交互设计时充分考虑用户的使用操作习惯，使界面友好易于理解管理，操作简单并减少误操作的可能性。易操作性主要体现在系统的人机交互设计上：人与计算机间以一定的交互方式完成对话，进行信息交换。人机交互设计的好坏决定了系统是否“友善”，是否方便操作。

2.4 灵活性和易修改性

系统的灵活性体现在只要满足基本的要求，无需复杂的安装就可以在一般的PC上运行。

易修改的原则是由于要顾及到模型及其动画的真实性，考虑作为一款教学训练软件，未来可能存在仿真模型动作的变化，需要系统有一定的可扩展性。利用脚本等其他手段做到无需修改源程序即可改变内容，以满足方便修改的功能。同时内部代码需要有良好的可扩展性，方便之后的升级和二次开发。因此可以在系统中加入脚本文件，使模型文件和动画文件能够动态地被读取，无需修改系统源代码就可以修改替换模型动画文件，降低工作量。

3 常用技术路线

3.1 基于QT的界面架构技术路线

QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它包括一套跨平台的类库，一套整合的开发工具和一个跨平台的集成开发环境，是一个用于创建优美强大的用户界面和原生应用的框架。[1]比起Windows平台上的MFC，ATL等框架相比，QT的开发更简单，更快速但做出来的界面却更漂亮。

作为一个跨平台的应用程序框架，QT支持的平台很广。它支持MS/Windows 95、98、NT4.0、ME、2000、XP、2008、Vista、Win7、Win8，以及Unix/X11-Linux、SunSolaris、HP-UX、CompaqTru64 UNIX、IBMAIX、SGI IRIX等很多平台。现在在Android和IOS设备上，利用QT开发同样也是一个很好的选择。[1]

3.2 基于OpenGL的三维模型展示技术路线

OpenGL即开放式图形库。它定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图像程序接口，适用于从普通PC到大型图形工作站的各种计算机。【2】

OpenGL独立于窗口操作系统和硬件环境的图形开发环境，将用户从具体的硬件考虑中解放出来，无需理解这些系统的结构和指令系统，只要根据规定的格式编写应用程序就可以在硬件平台上执行。

OpenGL的图形操作函数图形质量好、性能高，是开放的、独立的、跨平台的标准，版本兼容性强，代码简单易用，支持多种系统，非常方便开发人员选择平台。

3.3 基于场景树的三维模型管理技术路线

随着现代3D图形学的技术发展，三维空间中的图像画面越来越精致，真实性越来越强，但随之带来的三维场景中的物体数量也越来越多，物体大小也越来越细。因此，三维场景物体的管理效率，一定程度上决定了整套系统三维呈现的效率。

一个场景管理机制需要能够组织场景物体、添加删除物体、获得场景中的物体并访问其属性，并且能够体现物体间的父子从属关系。而树状结构具有详细的物体父子关系，树中每个节点代表一个对象，通过在节点中添加指针，能有效的表明节点的位置，方便引用节点周围的物体，有利于场景管理。

4 结束语

模拟仿真技术是一种新颖的应对装备课教学训练的信息化辅助手段，一个好的模拟仿真系统可以有效地节约训练成本，增强学生的学习兴趣，提高学习效率。

参考文献：

[1] 李春虎.基于Qt的跨平台软件设计及应用[D].成都：电子科技大学，2011.

[2] Hil1 F S，胡事民.计算机图形学（OpenGL版）[M]. 3版.北京：清华大学出版社，2010.