可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計

田鴻源 杜巍 李青巍 趙亞冰

摘要：本文提出了利用可視化仿真技術(shù)的靈活、易操作、編程量少等特點(diǎn)以及其提供的讓使用者設(shè)定即可做出多種互動的智能、實(shí)時性特性，設(shè)計出一種大數(shù)組數(shù)據(jù)、納秒級傳輸性、強(qiáng)互動性的可視化仿真系統(tǒng)。并通過實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可用性、可行性。

關(guān)鍵詞：行為模組 實(shí)時性 可視化仿真

0 引言

長期以來我國對實(shí)體系統(tǒng)的試驗(yàn)，尤其是針對高復(fù)雜性系統(tǒng)的試驗(yàn)測試，仍以實(shí)體環(huán)境試驗(yàn)測試為主。但其本身存在著試驗(yàn)周期長、成本高、樣本量少、錯誤定位周期長等特點(diǎn)，已經(jīng)不完全滿足當(dāng)前信息化試驗(yàn)鑒定技術(shù)要求。在當(dāng)前對于實(shí)體系統(tǒng)試驗(yàn)研究多以數(shù)據(jù)處理為主，缺乏以動態(tài)實(shí)時仿真的方式來對被測系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理的手段。本文建立了可視化仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Ω邚?fù)雜性系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)總體需求 高復(fù)雜性系統(tǒng)具有傳輸周期短、速度快、異常數(shù)據(jù)敏感等特點(diǎn)，因此對其進(jìn)行可視化仿真需要建立較為仔細(xì)具體的步驟，才能充分的顯示出該系統(tǒng)在信息傳輸各關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)上的變化。具體步驟為：

①將所需的模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并對各模型的屬性、位置、方向等參數(shù)依據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定；②在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息傳輸函數(shù)并進(jìn)行參數(shù)傳輸；③建立輸入接口便于輸入所需的初始參數(shù)；④依據(jù)函數(shù)的內(nèi)部運(yùn)算所得的數(shù)據(jù)建立傳輸曲線；⑤設(shè)定傳輸方向，使其能夠沿著曲線正確運(yùn)行；⑥建立信息傳遞機(jī)制；⑦建立攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對各場景的各角度觀察；⑧建立分圖實(shí)現(xiàn)對仿真場景各角度觀察的同時性；建立一個全面的、多角度的可視化仿真系統(tǒng)能夠進(jìn)行較為直觀的科學(xué)分析，并通過實(shí)時的控制目標(biāo)群的行為而得出不同的目標(biāo)運(yùn)動情況。

1.2 系統(tǒng)功能需求 為了能夠了解到系統(tǒng)功能的基本需求，需要對系統(tǒng)總體需求進(jìn)行功能上的劃分：

系統(tǒng)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)功能

為了能夠比較真實(shí)的且具有實(shí)時性的對高復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可視化仿真，需要在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，并通過實(shí)時的傳遞函數(shù)的輸出以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本身的實(shí)時性。

①數(shù)據(jù)運(yùn)行功能。為了真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行，需要在可視化仿真系統(tǒng)中建立一個以實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的運(yùn)行曲線，并針對該曲線，設(shè)定運(yùn)行方向。最終實(shí)現(xiàn)較真實(shí)的數(shù)據(jù)運(yùn)行；②輸入接口建立功能。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要針對傳輸數(shù)據(jù)對接口進(jìn)行協(xié)議設(shè)定，使其到達(dá)所需的終端，能夠安全有效的進(jìn)行信息互通；③信息傳遞機(jī)制設(shè)定。當(dāng)運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，系統(tǒng)即將運(yùn)行。因此在初始時系統(tǒng)末端應(yīng)有應(yīng)答效果。并有一定時間內(nèi)延遲；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到系統(tǒng)空閑期時，各終端就會依據(jù)各自優(yōu)先級進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播。因此在系統(tǒng)中需對優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置，并應(yīng)設(shè)定一定的時間范圍；④攝像機(jī)管理。為了在系統(tǒng)中能夠以各個角度對模擬場景進(jìn)行觀察，以得出全面的、綜合的、多樣性的結(jié)論。需要建立多角度的攝像機(jī)以實(shí)現(xiàn)此效果；⑤分圖管理。為了能夠在同一個屏幕處同時觀察到仿真場景的各個角度，以達(dá)到分屏的效果。需要建立分圖管理功能以實(shí)現(xiàn)此效果。

綜上所述對系統(tǒng)的功能劃分有助于對系統(tǒng)主要作用的了解，并以此為基礎(chǔ)分批、分塊的進(jìn)行設(shè)計，最終完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2 實(shí)例分析

以火箭彈外彈道為例進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)闡述。

2.1 工作流程圖（如圖1） 在火箭彈外彈道可視化仿真系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)需求的要求將系統(tǒng)工作流程分為三個階段即：初始化階段、場景創(chuàng)建階段、實(shí)現(xiàn)階段。

初始化階段

在此階段將已制作完畢的模型通過可視化系統(tǒng)的輸入端口導(dǎo)入到該系統(tǒng)中，每一個模型所具有的參數(shù)為默認(rèn)情況下的參數(shù)值，通過系統(tǒng)中的腳本語言實(shí)現(xiàn)了火箭彈外彈道方程組。

場景創(chuàng)建階段

對導(dǎo)入的模型，依據(jù)需求將其分類并設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)。依據(jù)外彈道方程組的輸出值設(shè)置外彈道曲線。

實(shí)現(xiàn)階段

當(dāng)火箭彈外彈道曲線、火箭彈、火箭炮車、坦克等模型參數(shù)設(shè)定完畢后，依據(jù)輸入的彈道參數(shù)值并利用系統(tǒng)內(nèi)部的彈道驅(qū)動機(jī)制使得火箭彈飛行，并在飛行過程中不斷與坦克群組中的每一輛坦克進(jìn)行距離計算，并判斷此距離是否滿足要求，以決定該輛坦克是否顯示被擊中的狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.2.1 火箭彈外彈道方程組的實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計。對于該系統(tǒng)來說火箭彈外彈道方程組的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)一切功能的前提，對于該方程組的實(shí)現(xiàn)應(yīng)利用系統(tǒng)中腳本語言對其進(jìn)行編寫，并建立參數(shù)輸出端口將所計算出來的彈道參數(shù)值輸出，用于下一步的計算。

2.2.2 火箭彈沿外彈道曲線飛行功能設(shè)計。依據(jù)陣列中所存儲的彈道數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中的x、y值提取出來作為火箭彈外彈道曲線的每一個點(diǎn)的坐標(biāo)值，并將彈道曲線的參考坐標(biāo)系設(shè)定為火箭彈本身。這樣就能夠?qū)崟r動態(tài)的形成火箭彈外彈道曲線。為了能夠使得用戶在屏幕前清晰地看到火箭彈外彈道曲線的形態(tài)?？梢詫η€進(jìn)行實(shí)時著色來實(shí)現(xiàn)此效果。另外為了使得火箭彈沿外彈道曲線飛行過程中其飛行方向的正確性，還需要實(shí)時的校正其飛行姿態(tài)。

2.2.3 火箭炮調(diào)炮功能設(shè)計。在實(shí)際作戰(zhàn)中火箭炮應(yīng)將定向管調(diào)到指定的角度，以防在射擊過程中由于角度偏低而造成火箭彈對炮車的攻擊，在調(diào)炮時應(yīng)使用信息傳遞機(jī)制即當(dāng)火箭彈外彈道方程組已經(jīng)設(shè)定完畢后，選定外彈道方程組腳本，來計算調(diào)炮角度值。并提取這個值將角度值輸送到火箭炮車處。隨后應(yīng)向炮車發(fā)送一個請求調(diào)炮的信息。當(dāng)火箭炮接受這個信息后通過位移驅(qū)動機(jī)制使炮車依據(jù)所得的角度值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)炮。

2.2.4 火箭彈尾焰效果功能設(shè)計。當(dāng)火箭彈將要發(fā)射時，位于其尾部發(fā)動機(jī)處的推進(jìn)劑就會被點(diǎn)燃，此時在火箭彈尾部就會有尾焰的效果。為了使可視化仿真達(dá)到逼真的效果應(yīng)該通過建立時間計算機(jī)制以及信息機(jī)制來對尾焰特效進(jìn)行設(shè)計即選定所設(shè)定尾焰的大小、方向、數(shù)量以及顏色等參數(shù)。為了與火箭彈發(fā)射時間相同步，將利用時間計算機(jī)制對尾焰的特效過程進(jìn)行限制以使其達(dá)到最佳效果。同時時間計算的起始時刻和結(jié)束時刻應(yīng)制定比較準(zhǔn)確。起始時刻最好設(shè)定為火箭炮調(diào)炮完畢之時，而結(jié)束時刻應(yīng)設(shè)定為火箭彈外彈道主動段結(jié)束之時。最終使得火箭彈尾焰的設(shè)計與實(shí)際相符。其交互設(shè)計如圖2所示：

2.2.5 火箭彈爆炸效果功能設(shè)計。當(dāng)火箭彈在外彈道曲線飛行到結(jié)束點(diǎn)時即彈道落點(diǎn)時，就會有爆炸效果。為了能夠使得可視化仿真較為逼真。就需要對火箭彈爆炸效果進(jìn)行設(shè)置。先選定爆炸效果模型，設(shè)定其大小、方向、數(shù)量以及顏色。再選定火箭彈，提取出火箭彈當(dāng)前的飛行高度值，并將其值輸入到系統(tǒng)的高度比較腳本中與0值進(jìn)行比較。若火箭彈當(dāng)時的高度值大于0則火箭彈在外彈道落點(diǎn)處不發(fā)生爆炸效果，若火箭彈當(dāng)時的高度值小于或等于0時火箭彈在外彈道落點(diǎn)處發(fā)生爆炸，最終依據(jù)以上過程可以比較真實(shí)的實(shí)現(xiàn)火箭彈在外彈道落點(diǎn)處的爆炸效果。其交互設(shè)計如圖3所示：

2.2.6 坦克群組功能設(shè)計。在實(shí)際戰(zhàn)爭環(huán)境下，火箭炮群對敵打擊不可能只是打擊單個目標(biāo)，而且從增加樣本量來說也應(yīng)該建立大量的目標(biāo)群，以坦克為例就應(yīng)該建立一個坦克群，并通過單輛坦克的位置值對坦克群中的各個坦克進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。使其在做進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等特殊動作時有足夠的空間。其群組交互設(shè)計與火箭炮群組相同。同時可以通過鍵盤來建立信息傳遞機(jī)制，實(shí)時的控制坦克群的移動速度。首先預(yù)先設(shè)定好每個按鍵所代表的信息。并針對每個信息來設(shè)定坦克群的不同的速度值。當(dāng)選擇不同的按鍵時坦克群的速度為不同。當(dāng)坦克群在運(yùn)行時如果火箭彈與該群組中任何一輛坦克之間的距離小于輸入值時，就會使得該輛坦克停止運(yùn)行并顯示被擊中冒煙的情形。實(shí)現(xiàn)機(jī)理為建立信息傳遞機(jī)制。

2.2.7 攝像機(jī)功能設(shè)計。通過建立各方向攝像機(jī)能夠?qū)Ψ抡鎴鼍斑M(jìn)行全方位的了解，為了實(shí)現(xiàn)此功能在系統(tǒng)中通過信息傳遞機(jī)制來實(shí)現(xiàn)即首先建立相應(yīng)的按鍵控制，對每一個按鍵均設(shè)定其相對應(yīng)的信息，并將此信息傳遞給對應(yīng)的攝像機(jī)。當(dāng)該攝像機(jī)接收到此信息時就進(jìn)行相應(yīng)的位移以及轉(zhuǎn)動，來實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)在系統(tǒng)中的漫游。然后再對各攝像機(jī)進(jìn)行位置參數(shù)的設(shè)定，并固化其所觀察的對象以實(shí)現(xiàn)對仿真場景的各個角度的觀察。其交互設(shè)計如圖4所示：

2.2.8 分圖功能設(shè)計。在系統(tǒng)中雖然建立了漫游攝像機(jī)和各角度攝像機(jī)，但是均不能在一個屏幕上顯示出來，只能通過按鍵每一次設(shè)定一個攝像機(jī)為主要攝像機(jī)。這樣就造成了對仿真場景觀察的不便。為了解決這個問題就要建立分屏機(jī)制即建立分圖形式。在系統(tǒng)中通過信息傳遞機(jī)制利用每個攝像機(jī)所攝入的圖像，將其作為貼圖的形式在同一個屏幕上進(jìn)行顯示。以此來實(shí)現(xiàn)分圖的功能。其交互設(shè)計如圖5所示：

3 結(jié)束語

本文對可視化仿真系統(tǒng)從總體需求、功能需求的角度進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并應(yīng)用實(shí)例來實(shí)現(xiàn)火箭彈外彈道可視化仿真系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程中，對功能模塊設(shè)計以及相互的聯(lián)系進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。達(dá)到了對該系統(tǒng)進(jìn)行全方位、以實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的可視化仿真。

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