可视化仿真系统设计

田鸿源 杜巍 李青巍 赵亚冰

摘要：本文提出了利用可视化仿真技术的灵活、易操作、编程量少等特点以及其提供的让使用者设定即可做出多种互动的智能、实时性特性，设计出一种大数组数据、纳秒级传输性、强互动性的可视化仿真系统。并通过实例验证了该系统的可用性、可行性。

关键词：行为模组 实时性 可视化仿真

0 引言

长期以来我国对实体系统的试验，尤其是针对高复杂性系统的试验测试，仍以实体环境试验测试为主。但其本身存在着试验周期长、成本高、样本量少、错误定位周期长等特点，已经不完全满足当前信息化试验鉴定技术要求。在当前对于实体系统试验研究多以数据处理为主，缺乏以动态实时仿真的方式来对被测系统进行分析和处理的手段。本文建立了可视化仿真系统。该系统能够对高复杂性系统进行动态仿真。

1 系统介绍

1.1 系统总体需求 高复杂性系统具有传输周期短、速度快、异常数据敏感等特点，因此对其进行可视化仿真需要建立较为仔细具体的步骤，才能充分的显示出该系统在信息传输各关键时间节点上的变化。具体步骤为：

①将所需的模型导入到系统中，并对各模型的属性、位置、方向等参数依据需要进行设定；②在系统中实现信息传输函数并进行参数传输；③建立输入接口便于输入所需的初始参数；④依据函数的内部运算所得的数据建立传输曲线；⑤设定传输方向，使其能够沿着曲线正确运行；⑥建立信息传递机制；⑦建立摄像机实现对各场景的各角度观察；⑧建立分图实现对仿真场景各角度观察的同时性；建立一个全面的、多角度的可视化仿真系统能够进行较为直观的科学分析，并通过实时的控制目标群的行为而得出不同的目标运动情况。

1.2 系统功能需求 为了能够了解到系统功能的基本需求，需要对系统总体需求进行功能上的划分：

系统函数的实现功能

为了能够比较真实的且具有实时性的对高复杂系统进行可视化仿真，需要在系统内部实现系统函数，并通过实时的传递函数的输出以实现系统本身的实时性。

①数据运行功能。为了真正实现系统的真实运行，需要在可视化仿真系统中建立一个以实际数据为基础的运行曲线，并针对该曲线，设定运行方向。最终实现较真实的数据运行；②输入接口建立功能。在实际的系统运行过程中，需要针对传输数据对接口进行协议设定，使其到达所需的终端，能够安全有效的进行信息互通；③信息传递机制设定。当运行数据准备完毕后，系统即将运行。因此在初始时系统末端应有应答效果。并有一定时间内延迟；当系统运行到系统空闲期时，各终端就会依据各自优先级进行数据广播。因此在系统中需对优先级进行设置，并应设定一定的时间范围；④摄像机管理。为了在系统中能够以各个角度对模拟场景进行观察，以得出全面的、综合的、多样性的结论。需要建立多角度的摄像机以实现此效果；⑤分图管理。为了能够在同一个屏幕处同时观察到仿真场景的各个角度，以达到分屏的效果。需要建立分图管理功能以实现此效果。

综上所述对系统的功能划分有助于对系统主要作用的了解，并以此为基础分批、分块的进行设计，最终完全实现系统功能。

2 实例分析

以火箭弹外弹道为例进行系统实现阐述。

2.1 工作流程图（如图1） 在火箭弹外弹道可视化仿真系统中，根据系统需求的要求将系统工作流程分为三个阶段即：初始化阶段、场景创建阶段、实现阶段。

初始化阶段

在此阶段将已制作完毕的模型通过可视化系统的输入端口导入到该系统中，每一个模型所具有的参数为默认情况下的参数值，通过系统中的脚本语言实现了火箭弹外弹道方程组。

场景创建阶段

对导入的模型，依据需求将其分类并设置适当的参数。依据外弹道方程组的输出值设置外弹道曲线。

实现阶段

当火箭弹外弹道曲线、火箭弹、火箭炮车、坦克等模型参数设定完毕后，依据输入的弹道参数值并利用系统内部的弹道驱动机制使得火箭弹飞行，并在飞行过程中不断与坦克群组中的每一辆坦克进行距离计算，并判断此距离是否满足要求，以决定该辆坦克是否显示被击中的状态。

2.2 系统功能模块设计

2.2.1 火箭弹外弹道方程组的实现功能设计。对于该系统来说火箭弹外弹道方程组的实现是实现一切功能的前提，对于该方程组的实现应利用系统中脚本语言对其进行编写，并建立参数输出端口将所计算出来的弹道参数值输出，用于下一步的计算。

2.2.2 火箭弹沿外弹道曲线飞行功能设计。依据阵列中所存储的弹道数据，将数据中的x、y值提取出来作为火箭弹外弹道曲线的每一个点的坐标值，并将弹道曲线的参考坐标系设定为火箭弹本身。这样就能够实时动态的形成火箭弹外弹道曲线。为了能够使得用户在屏幕前清晰地看到火箭弹外弹道曲线的形态。可以对曲线进行实时着色来实现此效果。另外为了使得火箭弹沿外弹道曲线飞行过程中其飞行方向的正确性，还需要实时的校正其飞行姿态。

2.2.3 火箭炮调炮功能设计。在实际作战中火箭炮应将定向管调到指定的角度，以防在射击过程中由于角度偏低而造成火箭弹对炮车的攻击，在调炮时应使用信息传递机制即当火箭弹外弹道方程组已经设定完毕后，选定外弹道方程组脚本，来计算调炮角度值。并提取这个值将角度值输送到火箭炮车处。随后应向炮车发送一个请求调炮的信息。当火箭炮接受这个信息后通过位移驱动机制使炮车依据所得的角度值进行相应的调炮。

2.2.4 火箭弹尾焰效果功能设计。当火箭弹将要发射时，位于其尾部发动机处的推进剂就会被点燃，此时在火箭弹尾部就会有尾焰的效果。为了使可视化仿真达到逼真的效果应该通过建立时间计算机制以及信息机制来对尾焰特效进行设计即选定所设定尾焰的大小、方向、数量以及颜色等参数。为了与火箭弹发射时间相同步，将利用时间计算机制对尾焰的特效过程进行限制以使其达到最佳效果。同时时间计算的起始时刻和结束时刻应制定比较准确。起始时刻最好设定为火箭炮调炮完毕之时，而结束时刻应设定为火箭弹外弹道主动段结束之时。最终使得火箭弹尾焰的设计与实际相符。其交互设计如图2所示：

2.2.5 火箭弹爆炸效果功能设计。当火箭弹在外弹道曲线飞行到结束点时即弹道落点时，就会有爆炸效果。为了能够使得可视化仿真较为逼真。就需要对火箭弹爆炸效果进行设置。先选定爆炸效果模型，设定其大小、方向、数量以及颜色。再选定火箭弹，提取出火箭弹当前的飞行高度值，并将其值输入到系统的高度比较脚本中与0值进行比较。若火箭弹当时的高度值大于0则火箭弹在外弹道落点处不发生爆炸效果，若火箭弹当时的高度值小于或等于0时火箭弹在外弹道落点处发生爆炸，最终依据以上过程可以比较真实的实现火箭弹在外弹道落点处的爆炸效果。其交互设计如图3所示：

2.2.6 坦克群组功能设计。在实际战争环境下，火箭炮群对敌打击不可能只是打击单个目标，而且从增加样本量来说也应该建立大量的目标群，以坦克为例就应该建立一个坦克群，并通过单辆坦克的位置值对坦克群中的各个坦克进行适当的设置。使其在做进行转弯等特殊动作时有足够的空间。其群组交互设计与火箭炮群组相同。同时可以通过键盘来建立信息传递机制，实时的控制坦克群的移动速度。首先预先设定好每个按键所代表的信息。并针对每个信息来设定坦克群的不同的速度值。当选择不同的按键时坦克群的速度为不同。当坦克群在运行时如果火箭弹与该群组中任何一辆坦克之间的距离小于输入值时，就会使得该辆坦克停止运行并显示被击中冒烟的情形。实现机理为建立信息传递机制。

2.2.7 摄像机功能设计。通过建立各方向摄像机能够对仿真场景进行全方位的了解，为了实现此功能在系统中通过信息传递机制来实现即首先建立相应的按键控制，对每一个按键均设定其相对应的信息，并将此信息传递给对应的摄像机。当该摄像机接收到此信息时就进行相应的位移以及转动，来实现摄像机在系统中的漫游。然后再对各摄像机进行位置参数的设定，并固化其所观察的对象以实现对仿真场景的各个角度的观察。其交互设计如图4所示：

2.2.8 分图功能设计。在系统中虽然建立了漫游摄像机和各角度摄像机，但是均不能在一个屏幕上显示出来，只能通过按键每一次设定一个摄像机为主要摄像机。这样就造成了对仿真场景观察的不便。为了解决这个问题就要建立分屏机制即建立分图形式。在系统中通过信息传递机制利用每个摄像机所摄入的图像，将其作为贴图的形式在同一个屏幕上进行显示。以此来实现分图的功能。其交互设计如图5所示：

3 结束语

本文对可视化仿真系统从总体需求、功能需求的角度进行了详细的描述，并应用实例来实现火箭弹外弹道可视化仿真系统，在实现系统的过程中，对功能模块设计以及相互的联系进行了详细的阐述。达到了对该系统进行全方位、以实际数据为基础的可视化仿真。

参考文献：

[1]李彪，王滨，戴树岭.可视化仿真中数据处理技术研究[J].计算机仿真，2010（04）.

[2]邱荷，刘荣忠，郭锐，张俊.末敏弹的可视化仿真研究[J].计算机仿真，2013（01）.

[3]张瑾，郭亚明，华翔.水下射弹超空泡可视化研究[J].西安工业大学学报，2012（01）.