CN104850700A - 一种协作式可视化仿真平台 - Google Patents

Abstract

一种协作式可视化仿真平台，包括至少四台计算机、至少三块三维显示屏幕、移动信息终端和远程会商终端；第一计算机接收实验数据和监视图像，并提取出驱动数据传输给第二计算机，第二计算机进行空间运动再现虚拟仿真，生成视频图像；第三计算机进行地面试验现场虚拟仿真，生成视频图像；第四计算机进行绘图处理，生成视频图像；第一计算机将实验数据和视频图像发送给移动信息终端和远程会商终端，本发明将仿真平台协作方式由一般性软件方式变为软硬件协作方式，在仿真场景上充分利用真实数据对地景、月景、大气和星空等三维仿真环境进行构造，增强可视化仿真环境的真实性，实现了软、硬件间的协同操作，提高了仿真的效率与真实性。

Description

一种协作式可视化仿真平台

技术领域

本发明涉及一种仿真平台，特别是一种协作式可视化仿真平台，属于三维仿真技术领域。

背景技术

可视化仿真技术利用计算机图像处理与图形学技术，将科学计算数据、工程计算数据以及测量数据等转换为图形或者图像绘制在屏幕上，并对其进行交互处理，它涉及计算机图形学、计算机视觉、图像分析与处理以及人机交互等多个研究领域。可视化仿真平台是可视化仿真技术的一项重要应用，它利用可视化仿真技术可以把空间数据转换成人眼可以识别和理解的图形图像，结合三维模型帮助人们高效的对其特征和规律进行处理和识别。随着航天领域探索的不断深入，可视化仿真平台作为航天试验设计与研究的可靠工具，在航天试验应用中发挥着越来越重要的作用。

目前的可视化仿真平台的协作方式多为一般性软件方式，很少涉及硬件设备，并且在航天领域，对地景，月景，大气，星空等可视化仿真的真实性较低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种协作式可视化仿真平台，将仿真平台协作方式由一般性软件方式变为软硬件协作方式，在仿真场景上充分利用真实数据对地景、月景、大气和星空等三维仿真环境进行构造，增强可视化仿真环境的真实性，实现了软、硬件间的协同操作，提高了仿真的效率与真实性。

本发明所采用的技术解决方案：一种协作式可视化仿真平台，包括至少四台计算机、至少三块三维显示屏幕、移动信息终端和远程会商终端；

所述三维显示屏幕包括第一显示屏幕、第二显示屏幕和第三显示屏幕；

所述四台计算机分别为第一计算机、第二计算机、第三计算机和第四计算机，第一计算机接收地面实物仿真实验数据和监视图像，并从接收到的实验数据中提取出驱动数据，将提取出的驱动数据传输给第二计算机，第二计算机利用接收到的驱动数据进行空间运动再现虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第一显示屏幕；

所述第三计算机接收第一计算机发送的实验数据，并进行地面试验现场虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第二显示屏幕；

所述第四计算机接收第一计算机发送的实验数据和监视图像，并对其进行绘图处理，生成视频图像，发送给第一计算机和第三显示屏幕；

第一计算机将实验数据和从第二计算机、第三计算机和第四计算机接收到的视频图像发送给移动信息终端和远程会商终端。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明利用了多台计算机搭建仿真平台，每台计算机分别实现了不同的仿真功能，将可视化仿真平台协作方式由一般性软件方式变为软硬件协作方式，使平台达到更好的三维可视化效果；

(2)本发明能够使用真实数据对地景、月景、大气和星空等三维仿真环境进行构造，具备时间和空间上的真实性，物理场景模型的真实性、直观性结合高精度、高性能的实时结果输出，弥补了理论分析及数学仿真结果的不足，不但可以验证算法模型、相机模型，而且可以全面分析试验设备在轨的实际工作状态。

附图说明

图1是协作式可视化仿真平台的系统框图；

具体实施方式

本发明提供了一种协作式可视化仿真平台，下面结合附图对本发明作进一步说明。

协作式可视化仿真平台的系统框图如图1所示，从图1可知，本发明提供的一种协作式可视化仿真平台，包括四台计算机、三块三维显示屏幕、移动信息终端和远程会商终端；

三维显示屏幕包括第一显示屏幕、第二显示屏幕和第三显示屏幕；

四台计算机分别为第一计算机、第二计算机、第三计算机和第四计算机，第一计算机接收地面实物仿真实验数据和监视图像，并根据接收到的实验数据提取出驱动数据，将提取出的驱动数据传输给第二计算机，第二计算机利用接收到的驱动数据进行空间运动再现虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第一显示屏幕；所述第二计算机利用接收到的驱动数据进行空间运动再现虚拟仿真，采用真实数据对地景、月景、大气和星空等三维仿真环境进行构造，具有时间和空间上的真实性。

所述第一计算机主要包含调度控制模块，对外部试验数据进行分发控制管理，并对第二计算机、第三计算机和第四计算机的信息集中处理和反馈。调度控制模块分为四个小模块：网络通信模块、数据解包模块、数据打包/分发处理模块和实时图像处理模块，各模块如下所示：

网络通信模块

负责与试验数据处理模块、试验现场虚拟现实模块和空间运动再现虚拟现实模块的网络通信，整体通信协议采用以下协议形式:

时间标志

信源

信宿

指令类型

指令数据

各协议段意义：时间标志为各个计算机发送指令数据的时间；信源为发送数据计算机的代号；信宿为接收数据方计算机的代号；指令类型为通信要求数据类型；指令数据为实际通信数据内容。

数据解包模块

对外部数据进行解包，组织成新的内部结构数据，并提供原始数据保存和管理服务。

数据打包/分发处理模块

解析试验数据处理模块、试验现场虚拟现实模块和空间运动再现虚拟现实模块检索指令，根据检索指令要求，从数据包中查找最新数据内容并根据信源要求构造数据协议中的数据指令，通过调度控制模块将处理后的数据发送于对应信源机器中。

实时图像处理模块

利用网络摄像机捕捉各试验场景中的实时图像数据，将对应的图像数据传输到调度控制模块中。

基本功能如下：摄像头管理和视频捕捉功能；对摄像头进行管理，配置输入数据为对应摄像头图像数据；视频流的帧压缩及解码显示功能；通过使用ffmpeg对输入图像进行压缩，并将解码的数据帧显示于界面中；实时数据流传输控制功能；使用RTSP，RTP及RSP等主流媒体服务协议对图像数据进行流化网络传输处理。

所述第二计算机主要包含空间运动再现虚拟现实模块，含有空间环境虚拟模型、上升器虚拟模型和轨道虚拟模型，其中空间环境虚拟模型包括太阳、月球和6等星空。在试验数据驱动下，仿真空间环境下月球轨道近距离交会对接过程，具有变换视角和缩放功能。空间运动再现虚拟现实模块分为五个小模块：网络通信模块、航天器模块、仿真场景模块、仿真控制模块和屏幕录制模块，各模块如下所示：

网络通信模块

负责与调度控制模块的网络通信，整体通信协议采用以下协议形式:

时间标志

信源

信宿

指令类型

指令数据

各协议段意义：时间标志为各个计算机发送指令数据的时间；信源为发送数据计算机的代号；信宿为接收数据方计算机的代号；指令类型为通信要求数据类型；指令数据为实际通信数据内容。

航天器模块

主要用来设置航天相应参数及航天器部件相关结构，和驱动效果，完成的功能包括以下几个部分：整体三维航天器模型的导入使用；航天器的名称，位置，姿态，大小，模型位置；航天器三维模型关节位置定义调整，具体包括：太阳翼、天线(波束效果)、发动机、敏感器；航天器的效果定制。

仿真场景模块

使用真实数据对地景，月景，大气，星空进行构造，具备时间和空间上的真实性，是仿真可视化进行的主要区域，包括以下几个功能：场景的数据保存和加载；地球高精度数据和卫片数据大场景加载，以及太阳光晕效果和世界大地坐标系统建立；太阳模型：能够显示太阳表面光晕效果，正确显示地球、太阳和航天器各部分的光照效果；月球模型：能够显示月球表面的纹理特征；星空背景模型：显示6等星以上星空背景模型；跟踪对象提供从某对象到某对象，及固定视线上的跟踪；三维仿真场景浏览交互(移动视角，缩放，旋转)。

仿真控制模块

以调度控制模块提供的仿真数据作为基础数据进行空间运动再现过程的可视化仿真，根据用户仿真任务的特点记录和回放相应数据。

其主要功能包括：回放数据加载功能采用二进制文件快速存储，加载。

仿真控制功能

仿真状态控制：加载、开始、暂停、停止和重新开始等状态控制；

仿真速度控制：提供2倍速的加/减速仿真，以及某固定速度的仿真；

仿真位置控制：通过控制位置百分比进行定位。

屏幕录制模块3D录屏

可对空间运动再现3D可视化仿真过程进行录制，在录制过程中满足低容率，且能实现画质的清晰再现，其主要功能为：获取当前屏幕内容，保存为图片文件；将图片进行保存，进入流媒体服务源；各分系统通过访问流媒体服务动态显示视频内容。

第三计算机接收第一计算机发送的实验数据，并进行地面试验现场虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第二显示屏幕；

所述第三计算机主要包含试验现场虚拟现实模块，含有试验现场场地、上升器模拟器和轨道模拟器等虚拟现实模型，在数据驱动下，对试验现场内上升器模拟器和轨道器模拟器各自的运动状态进行控制，并从多视点位置观测运动情况。试验现场虚拟现实模块分为五个小模块：网络通信模块、试验现场建模模块、试验现场三维可视化模块、仿真控制模块和屏幕录制模块，各模块如下所示：

网络通信模块

负责与调度控制模块的网络通信，整体通信协议采用以下协议形式:

时间标志

信源

信宿

指令类型

指令数据

各协议段意义：时间标志为各个计算机发送指令数据的时间；信源为发送数据计算机的代号；信宿为接收数据方计算机的代号；指令类型为通信要求数据类型；指令数据为实际通信数据内容。

试验现场建模模块

采用3D MAX三维动画软件制作高精度的虚拟场景模型，模型制作的流程分为3个阶段：

素材准备阶段

通过收集各种实验室工程图纸、功能模型设计图纸、实地现场测量等方式，为数字化实验室的整体模型和实验室内各类设备设施模型的建模提供必要的准备；

三维建模阶段

根据各种素材在3D MAX工具软件中建立1:1的精确构型，同时对这些模型进行材质、纹理、贴图等视觉效果加工，最终生成.3ds格式的模型文件；

虚拟场景建立阶段

建成后的三维模型导入到数字化试验区三维可视化平台的设备模型库中，用户可对试验区内功能模型进行添加/删除、布局调整等各种操作。

试验现场三维可视化模块

试验现场三维可视化模块负责加载试验现场的各类设备模型，提供丰富的交互功能，可进行虚拟漫游，供用户任意角度查看和测量实验室内的情况。

虚拟漫游

在实验室内部漫游，让用户获得更真实的沉浸感；

视点操作

观察者视点可任意缩放、平移、视点变换和角度旋转，操作结果能够实时显示；

信息展示

三维可视化仿真平台具有综合信息展示能力，支持对指定模型、区域、目标的数据进行查询展示，信息展示支持文字、图片、视频、图标等多种形式。

仿真控制模块

以调度控制模块提供的仿真数据作为基础数据进行试验过程的可视化仿真，根据用户仿真任务的特点记录和回放相应数据。

其主要功能包括：回放数据加载功能；采用二进制文件快速存储，加载。

仿真控制功能

仿真状态控制：加载、开始、暂停、停止和重新开始等状态控制；

仿真速度控制：提供2倍速的加/减速仿真，以及某固定速度的仿真；

仿真位置控制：通过控制位置百分比进行定位。

屏幕录制模块

可对试验的3D可视化仿真过程进行录制，在录制过程中满足低容率，且能实现画质的清晰再现，其主要功能为：获取当前屏幕内容，保存为图片文件；将图片进行保存，进入流媒体服务源；各分系统通过访问流媒体服务动态显示视频内容。

第四计算机接收第一计算机发送的实验数据和监视图像，并对其进行绘图处理，生成视频图像，发送给第一计算机和第三显示屏幕；

所述第四计算机主要包含试验数据处理模块，负责接收第一计算机发送的试验数据和监视图像数据，并对其进行绘图处理，依据输入数据和参数配置，自动调整页面布局和绘图显示比例。试验数据处理模块分为四个小模块：网络通信模块、当前数据记录模块、界面实时绘图模块和监视图像处理模块，各模块如下所示：

网络通信模块

负责与调度控制模块的网络通信，整体通信协议采用以下协议形式:

时间标志

信源

信宿

指令类型

指令数据

各协议段意义：时间标志为各个计算机发送指令数据的时间；信源为发送数据计算机的代号；信宿为接收数据方计算机的代号；指令类型为通信要求数据类型；指令数据为实际通信数据内容。

当前数据记录模块

主要负责记录从调度控制模块中获取的试验数据，并在每次数据更新时对原始数据进行保存。

界面实时绘图模块

试验数据处理模块主要接收调度控制模块发送的数据，数据更新过程中界面实时绘图模块能够及时获取新数据并对绘图界面进行刷新，用户可对曲线的属性进行设置。

为了方便分析、验证仿真过程整体数据的完整性，需要将部分关键数据显示于仿真过程，同时对上述数据提供图表显示。

仿真过程关键数据显示功能和图表显示功能如下所述：显示对应数据名称、数值、单位，并动态更新于界面；可根据用户要求定制一个或多个分类数据显示；数据可以使用图表进行分析显示；图表可定制显示数据曲线颜色、宽度和样式；图表可进行拖动和放大等操作，图表背景可以显示刻度网格。

监视图像处理模块

监视图像处理模块的功能主要包含以下部分：建立与调度控制模块的的网络连接；获取调度控制模块发送的监视图像信息；对监视图像信息进行处理；将处理后的图像信息传递回调度控制模块。

第一计算机将实验数据和从第二计算机、第三计算机和第四计算机接收到的视频图像发送给移动信息终端和远程会商终端，实现远程会商功能。

在进行远程试验会商时图像数据的传递流程过程主要分为以下步骤：

(1)试验数据处理模块、试验现场虚拟现实模块和空间运动再现虚拟现实模块对各自接收的试验数据进行处理，生成图像数据；

(2)基于统一的通信协议，将生成的图像数据传递给调度控制模块，调度控制模块在本地建立图像数据的存储池对接收到的图像数据进行保存与处理；

(3)调度控制模块将处理后的图像数据通过以太网传递到移动信息终端和远程会议终端；

(4)移动信息终端和远程会议终端对接收到的图像数据进行处理，显示试验数据处理模块、试验现场虚拟现实模块和空间运动再现虚拟现实模块当前工作状态的屏幕画面，实现实时远程试验会商功能。

本发明中计算机的处理器为4核CPU；图形卡：不低于NVIDIAQuadro 6000等级的高端图形卡。计算机显示器的显示尺寸：不小于24寸；分辨率：不小于1920×1080。

三维显示屏幕的显示尺寸：不小于70寸；分辨率：不小于3840×2160。

远程会商终端的处理器：i7系列CPU；显示屏幕不小于24寸；

移动信息终端处理器：Intel I7系列CPU；图形卡类型：NVIDIA高端图形卡。

Claims (6)

1.一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：包括至少四台计算机、至少三块三维显示屏幕、移动信息终端和远程会商终端；

所述三维显示屏幕包括第一显示屏幕、第二显示屏幕和第三显示屏幕；

所述四台计算机分别为第一计算机、第二计算机、第三计算机和第四计算机，第一计算机接收地面实物仿真实验数据和监视图像，并从接收到的实验数据中提取出驱动数据，将提取出的驱动数据传输给第二计算机，第二计算机利用接收到的驱动数据进行空间运动再现虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第一显示屏幕；

所述第三计算机接收第一计算机发送的实验数据，并进行地面试验现场虚拟仿真，生成视频图像，发送给第一计算机和第二显示屏幕；

所述第四计算机接收第一计算机发送的实验数据和监视图像，并对其进行绘图处理，生成视频图像，发送给第一计算机和第三显示屏幕；

第一计算机将实验数据和从第二计算机、第三计算机和第四计算机接收到的视频图像发送给移动信息终端和远程会商终端。

2.根据权利要求1中所述的一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：所述第一计算机包括网络通信模块、数据解包模块、数据打包/分发处理模块和实时图像处理模块；

所述网络通信模块实现第一计算机与第二计算机、第三计算机和第四计算机之间的通信；

所述数据解包模块对接收到的地面实物仿真实验数据和监视图像进行解包，组织成新的内部结构数据，并提供原始数据保存和管理服务；

所述数据打包/分发处理模块解析第二计算机、第三计算机和第四计算机的检索指令，根据检索指令要求，从数据包中查找最新数据内容并根据信源要求构造数据协议中的数据指令，并将处理后的数据发送给第二计算机、第三计算机或第四计算机；

所述实时图像处理模块利用网络摄像机捕捉第二计算机、第三计算机和第四计算机中的实时图像数据。

3.根据权利要求1中所述的一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：所述第二计算机包括网络通信模块、航天器模块、仿真场景模块、仿真控制模块和屏幕录制模块；

所述网络通信模块实现第二计算机与第一计算机的网络通信；

所述航天器模块用来设置航天参数、航天器部件相关结构和驱动效果，所述航天器参数包括：航天器的名称、位置、姿态、大小和模型位置；所述航天器部件相关结构包括：太阳翼、天线、发动机和敏感器三维模型的关节位置；所述驱动效果预先进行定义；

所述仿真场景模块使用真实数据对地景，月景，大气，星空进行构造；

所述仿真控制模块以第一计算机提供的试验数据作为基础数据进行空间运动再现过程的可视化仿真，根据用户仿真任务记录和回放相应数据。

4.根据权利要求1中所述的一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：所述第三计算机包括网络通信模块、试验现场建模模块、试验现场三维可视化模块、仿真控制模块和屏幕录制模块；

所述网络通信模块实现第三计算机与第一计算机的网络通信；

所述试验现场建模模块采用3D MAX三维动画软件制作虚拟场景模型；

所述试验现场三维可视化模块用于加载试验现场的各类设备模型，实现观察者视点的任意缩放、平移、视点变换和角度旋转，并对指定模型、区域、目标的数据进行查询展示；

所述仿真控制模块以第一计算机提供的试验数据作为基础数据进行空间运动再现过程的可视化仿真，根据用户仿真任务记录和回放相应数据；

所述幕录制模块对试验的3D可视化仿真过程进行录制，获取当前屏幕内容，保存为图片文件；将图片进行保存，进入流媒体服务源；其他计算机通过访问流媒体服务源动态显示视频内容。

5.根据权利要求1中所述的一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：所述第四计算机包括：网络通信模块、当前数据记录模块、界面实时绘图模块和监视图像处理模块。

所述网络通信模块实现第四计算机与第一计算机的网络通信；

所述当前数据记录模块记录从第一计算机中获取的试验数据，并在每次数据更新时对原始数据进行保存；

所述界面实时绘图模块实时接收第一计算机发送的数据，绘制数据曲线并进行显示。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的一种协作式可视化仿真平台，其特征在于：所述网络通信模块中的整体通信协议采用的帧结构从帧头到帧尾依次为：时间标志、信源、信宿、指令类型和指令数据；

所述时间标志为各个计算机发送指令数据的时间；信源为发送数据计算机的代号；信宿为接收数据方计算机的代号；指令类型为通信要求数据类型；指令数据为实际通信数据内容。