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计算机三维仿真技术范文1
【关键词】：城市规划；计算机仿真技术；静态渲染图；动画
【 abstract 】 : with the rapid development of science and technology, modern society gradually into the information age, computer technology in all areas of application in our country is becoming more and more widely. In recent years, computer technology and simulation technology, combining to form a kind of activity analysis system, reveals the law of motion of the system dynamic process and the computer simulation technology and its application in urban planning has increasingly become the hot topic of concern.
【 key words 】 : urban planning; The computer simulation technology; Static rendering; The animation
中图分类号： TU984 文献标识码：A 文章编号：
仿真技术最早应用于高能武器、航海模拟以及航天器等军事方面。然而伴随国民经济的不断发展，这门技术迅速被推广应用到各个领域。尤其是在城市规划中，可以利用计算机仿真技术，创建城市真实数字化模型的三维可视环境，令设计者有种处身虚拟环境的错觉，因此，可以更好地将周边环境与规划设计二者相互协调配合。
一、计算机仿真技术简介与原理
1、计算机仿真技术是一门通过专用软件来整合声音、动画以及图像的综合性信息技术。其实现过程是，首先将三维的现实物体或环境通过计算机仿真模拟成多维的表现形式，然后将此表现形式通过数字媒介传播给媒体浏览者。因此当媒体浏览者在观赏时就会产生一种身临其境的“虚拟”错觉【1】。
2、计算机仿真技术的实现包括建立模型、模型转换以及模型仿真实验三部分。建立模型是指建立一个容易被计算机处理并能反应所研究对象实质的数学模型。根据时间关系可以将系统的数学模型分为连续时间动态模型、离散时间动态模型、混合时间动态模型以及静态模型等。
所谓的模型转换是指利用适当的算法以及计算机语言将数学模型抽象出来的数学表达式转换成计算机能够处理的形式，而这种形式所表现的就是“仿真模型”的内容。
所谓的模型仿真实验是指按照预先设计的实验方案来运行被载入计算机中的仿真模型，从而得到一系列的仿真实验结果【2】。
二、城市规划中对计算机仿真技术的应用
计算机仿真技术在城市规划中的应用主要包括在静态渲染图、固定路线的动画、交互式动态的景观仿真、复杂的虚拟现实技术等。
1、静态渲染图在城市规划中的应用。静态渲染图的操作步骤是，首先，要给建筑物体建立一个三维几何模型；其次，对模型表面的材料质感加以设定，同时还要选定场景中合适的照明和采光等；最后，通过计算机在一个合适观察角度将三维几何模型渲染成单幅的静态图像，并将此静态图像显示在计算机显示器上或者直接打印出来。在静态渲染图形成的过程中，可以将所渲染的图形与现场拍摄的相片加以合成，或者在图形中添加一些不一定存在的花、草、树、人等图像，以便使得建筑和背景之间的关系表现的更加充分逼真。同时，对建筑物体建立三维几何模型时，还可以通过采取计算机辅助设计或辅助制图来配合工作，从而减少设计者的工作量。此外，由于静态渲染图的视点被加以固定，所以为了减少创建模型的工作量，设计者可以尽量省略或简化那些被遮挡而不可视的物体【3】。
2、固定路径的动画在城市规划中的应用。由于静态渲染图的视点被固定，所以在实际应用中只适合于表示一个或者几个建筑物体。而对于复杂多量的建筑物群，静态渲染图往往只能靠俯视来表达全景。依靠这种方法，显然不能将复杂的室内景观或者大范围的城市景观充分展现在人们面前。由此，人们选择将多幅静态渲染图同时串联在一起，使之在计算机荧屏上连续播放，就形成了一种计算机的动画模式。这种情境下，不仅可以让观察者在场景中有运动的感觉，还能让场景中的物体如车辆、水等也能够运动。与静态渲染图相比，在制作动画时，需要适当添加选择合适的视点以及设置合适的观察路径等。其原理是，首先通过计算机将关键的帧计算出来；然后以此关键帧作为基础，运用算法令中间的画面自动填补空缺，从而产生出动画数据；最后，根据得到的动画数据来播放动画画面。由于固定路径的动画涉及到结构比较复杂、数量比较大的建筑物群，因此建立三维几何模型的工作量同样也极其庞大，所以对于一些遮挡而不可见的物体同样也可忽略不计【4】。
3、交互式动态的仿真在城市规划中的应用。对于某些结构和空间过于复杂的建筑或城市景观，动画和观察路径已经不能够加以完整表达。这时，人们可以应用交互式实时动态的景观仿真技术来完成目标。交互是指观察者能够任意灵活调整并控制所观察的视点、方向以及位置等。而实时动态是指计算机能够依照观察者任意选择的视角以及位置而立即生出渲染图。采用交互式动态仿真技术，其中观察者的自由度要远远大于动画，因此，需要向计算机中输入大量的物体，在无形中就加大了建立集合模型的工作量，并使得计算机的计算量以及图形数据处理量呈几何倍增。所以，动态交互式仿真技术一方面对计算机硬件性能的要求非常高，另一方面还需要大量的几何形体输入。
目前简化三维几何模型、降低计算量和建模工作量来实现交互式动态仿真效果的方式主要有纵向拉伸和基于图像的环视仿真两种【5】。
纵向拉升，又被称为二维半或者准三维模型，它是将复杂的地形进行纵向拉升或者把建筑的平面图转化成立体体块并保证其垂直方向不变。通过这种三维的简化模型，只需采用建筑物的平面图及其相应高度或者复杂地面若干关键点的三维坐标，就可以让计算机软件依据已知数据自发生成立体简化几何模型，并且可以保证其仿真效果与全三维模型相同。
基于图像的环视仿真是指，基于某一固定点，对其周围的景观环绕360°加以摄影，并将这些不连续的图像用计算机整合在一起，形成一个闭合的360°全景，最后通过荧屏显示出来。设计时，可以先将所要设计的建筑或物体制成一个静态渲染图，然后将其嵌入所摄的图像之内，便可实现场景与规划和设计的建筑或物体相互融合。
4、复杂的虚拟现实仿真在城市规划中的应用。在实现交互式动态仿真时，人依靠鼠标或者操纵杆来完成观察角度、位置以及方向的调整。这里还有许多种控制观察的方法来提高观察者与景观两者间的交互性，如可以让观察者戴上过滤眼镜观察水平方向两相邻视点的图像，还可以让观察者戴上传感头盔来感应改变观察视觉角度而产生的渲染图，或者可以让观察者戴上传感手套来向计算机传达设计指令，亦或者可以让观察者穿上传感鞋来实现人在场景中步行的模拟等等。
三、城市规划中对计算机仿真技术应用的意义
1、在城市规划中应用计算机仿真技术，能够使方案设计及审批效率得到提高。通过在城市规划中应用计算机仿真技术，可以让设计者在审查过程中通过模拟穿行和观察计划方案，随时将视点停留在重点地段，对该方案以及周围环境间的关系进行多方向探讨审查，从而保证设计的合理性。同时，利用计算机仿真技术生成三维几何模型，符合方案规划审批的要求，大大提高了审批的效率。
2、在城市规划中应用计算机仿真技术，可以从多角度对城市建设发展的问题加以分析。利用仿真技术，可以结合城市发展建设的现状，对城市的不同地区以及不同发展阶段加以合理的规划和设计，并形成跟踪模型，从而避免由于规划失误而造成的城市建设的缺憾【6】。
3、在城市规划中应用计算机仿真技术，可以有效实现城市规划信息的准确定位和管理公开。利用计算机仿真技术实现城市规划的三维几何模型，可以有效对城市空间信息加以分析，并对城市管理工作加以准确定位。同时，还能将这种规划的三维几何模型到网上，实现城市规划政务工作的公开展示。
结束语：通过在城市规划中应用静态渲染图、固定路径的动画、交互式动态的仿真以及复杂的虚拟现实仿真等计算机仿真技术，创建城市真实数字化模型的三维可视环境，令设计者身临其境，从而很大一定程度提高了设计审批的效率，同时还可以从多角度对城市建设发展方向加以分析，并能实现城市规划的政务公开，从而起到宣传展示规划方案的效果。
参考文献
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计算机三维仿真技术范文2
计算机仿真技术是指利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统的重要工具。水利工程是一项施工周期长，施工复杂的系统工程。它包含了工程主体施工、临时挡泄水工程施工以及水位变化和潮汐的影响等,水利工程的施工质量受自然原因和人为原因的双重影响，所以为保障工程的质量，在施工过程中必须对各种因素的不确定性和周密性予以严格的控制。传统的多采用设计蓝图对施工进行把握，然而二维图形不够直观,对施工的全过程很难从整体上加以把握。随着科学技术的不断发展完善，计算机仿真技术开始在水利工程施工领域加以运用。主要分析了计算机仿真技术在水利施工中的应用，希望对计算机仿真技术的应用有所帮助。
2计算机仿真技术的优点及实现过程
2.1计算机仿真技术的优点
第一，节省时间。计算机仿真技术以其智能化的手段可以对多种施工方案进行快速的比较，可以准确快速的选择出最优施工方案。通过施工方案的选择，可以就施工的不同阶段所做的准备工作加以分析研究，针对一些潜在的问题，可以提前采取措施加以规避。第二，成本低。计算机模拟是一种虚拟的模拟技术，不需要通过真实的原型试验只需要通过相关模拟软件的开发与应用便可以对就相关的数据得出结论，而且可以反复的进行试验，对不同的方案加以论证。与原型试验投入成本相比，计算机仿真技术软件开发与使用的费用要低得多。第三，可靠性高。与人工排块不同，计算机仿真技术的应用以系统模型的正确以及软件编制的正确性为前提,计算机施工仿真模拟通过软件进行模拟，减少了人工排块过程中因人为因素所造成的失误。第四，实用性强。计算机仿真技术的应用面比较广，一般情况模型只要是采用数学加以描述的，其系统的行为就可以通过运用计算机来模拟，并可以准确的把握系统未来的发展趋势,估计剩余使用寿命等,随着科技的不断发展，计算机仿真技术将被运用到更多的领域。
2.2计算机仿真技术的实现
计算机仿真技术是在数学理论的基础之上发展起来的一门试验科学。作为一项实用技术，并不能对客观具体事物进行直接处理，计算机模拟技术的应用需要以数学模型的建立才能作为能反映研究对象本质的关键技术。计算机仿真技术的实现是确定研究对象后，针对研究对象建立数学模型，并通过计算机对数学模型的仿真计算最终得到仿真结果的。第一步，建立模型。在进行仿真前要根据研究对象和研究目的的不同，抽象出一个确定的系统,并就系统的边界和约束条件加以限定，采用力学、数学和其它相关知识将抽象出来的系统用数学表达式描述出来，形成“数学建模”。系统的数学模型，在研究目的不同的情况下可以划分为：静态模型、动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型。模型准确与否影响着仿真结果是否能反映实际。第二步，输入模型。模型的输入即是对上一步所建立的数学表达式结合软件不同特点输入为计算机能够处理的形式,这种形式所表现的内容,即是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。当然实现这一过程,也可以自行开发一个新的软件。第三步，模型的仿真计算。所谓模型的仿真计算是指在计算机中载入上一步获得的仿真模型，在事先设计的实验方案内进行仿真计算。第四步，评估仿真结果。对一个系统的状况从整体上加以把握是仿真的目的所在。系统运行信息是仿真的结果，仿真的研究目的在于对所获取的信息进行分析进行评估和认识，并将仿真结果运用到施工实践当中。
3计算机仿真技术在水利施工中的应用实例
3.1工程概况
某大型水电站混凝土拱坝坝高178m,混凝土浇筑量可达485万m3,混凝土浇筑施工工艺复杂、施工难度高。如何有效、高质量、快速地组织大坝混凝土施工,合理安排浇筑顺序,对于整个工程的进度和质量都有至关重要的影响。为了直观反映该工程进度,借助于三维建模技术,对该工程施工过程进行仿真研究。
3.2三维建模
根据设计结果,提取混凝土拱坝的相关数据,首先用Auto-CAD工具建立三维网格模型,尽量真实地体现图形实体对象与仿真变量间的对应关系。利用系统实体CAD图形建模,目的是为了定义系统实体的形状、结构及其他相关信息。仿真的目的是观察大坝的浇筑施工状态随时间的动态变化,以便于及时掌握系统模型的基本特性,找出仿真系统的最佳设计参数,据此对真实大坝的设计结果进行改善或优化。可通过对数据库中工程各浇筑块数据的统计、计算,在已建的三维模型中描绘出各控制阶段的筑坝进度面貌,直观地再现大坝的概貌。
3.3施工过程模拟
模拟工作的主要思路就是安排各台缆机所负责的浇筑块的日程计划。在坝型,尺寸及分缝一定的情况下,在某个给定的机械配置方案条件下,可根据各种限制及约束条件,找到某种适宜的分块浇筑顺序和最紧凑的工期。因此,在模拟中采取在给定的浇筑方案和机械配置情况下,按照满足施工中各种约束限制条件的要求安排坝块的浇筑顺序,算出各坝块浇筑施工进程,从而计算出所需的大坝工期。如果改变浇筑方案,可进行类似的模拟和计算,从而得到各种不同浇筑方案的结果。然后通过综合比较,选出较优的方案。本文对4台缆机和三台缆机方案进行比较,实施仿真中考虑了以下约束条件:每一注块能否浇筑的时间约束、相邻注块的允许高差、相邻注块的拆模限制、缆机工作范围的限制、相邻缆机工作干扰限制、气温条件对浇筑的影响、突发事件对浇筑的影响限值和其他可能的约束限制等约束条件。如对于分坝段而且分仓浇筑的重力坝,在其下游仓快达到坝顶时,可能存在并峰问题,这时可能同一坝段的两个仓位在到达并峰高程后,要相互等待。或者对于混凝土拱坝,有的跨坝段孔洞需要安装钢衬,同样存在需要相互等待到达同一高程的问题等等。
计算机三维仿真技术范文3
关键词：计算机仿真技术；建筑工程；应用研究
1计算机仿真技术应用于建筑施工中的意义
计算机模拟技术在总体的工程规划等各个方面给其他的单位以及专业建筑设计人员提供了正确的技术引导。这种考虑涉及了建筑内部结构的复杂性与多变性，因此在建筑设计研究时不得不在建筑施工工艺设计方面谨慎进行考虑，从而可能涉及到信息化是建筑设计的一个全部内容，在此类设计方面，关于优化设计方案、现场信息化施工等较为少见，这就间接体现了目前我国的建筑过程工程建设在应用信息化设计技术上普遍存在的不足。仿真技术的出现大大程度地弥补了这一技术的不足，仿真技术因其具备交互性、高度模拟性等诸多优点，通过它自身建立的可视化设计模型和数字几何三维模型，不但能同时满足设计师、业主、施工方等单位的施工设计需要，对多种建筑施工设计方案展开了模拟、验证、对比和设计优化，并最终可以找到一种最优的可视化施工模型设计方法，实现低廉的施工成本、短时间的工期、高质量的技术经济效益施工目的。不仅如此，由于计算机仿真技术可以重复进行多次高仿真实验，还有利于减少工期，提高工程的质量。可见，仿真技术给建筑工程的发展带来了一定的时代机遇和挑战具有历史意义，虚拟现实仿真技术在其施工设计过程中的广泛应用无疑直接决定着其施工设计方案的品质优劣与否，它的应用一方面对我国建筑工程的设计与施工产生影响，另一方面也直接决定着建筑工程的品质与设计方案。
2计算机仿真技术在现代建筑工程设计中的重要应用
2.1仿真施工技术的应用研究
从一定层面上讲，建筑施工过程就是将设计者的建筑设计图纸现实化的过程，将虚拟的图纸进行实际建造的过程具有十分重大的意义。然而，由于建筑工程其本身的复杂性，所使用的设计方案和设计技术非常繁多，这也导致了在实际建设工程中，图纸需要根据情况的不同发生变化。图纸在经过初始设计后，必须经过多次的矫正和纠错，实际的建造与设计具有相当大的差距。并且，在传统的建筑工程设计中，为了保证建筑工程的安全稳定，保障建筑施工的顺利进展，通常会凭借大量的经验积累，来应对建筑项目施工时的一些问题，但是正因为没有进过理论验证的经验很可能造成严重的安全事故。目前，建筑结构趋向复杂，传统的施工设计技术已经无法适应全新的设计结构，计算机仿真技术能够有效发现建筑设计的漏洞和缺点，改善施工技术的盲点，降低人的主观观念对设计方案的干扰，更大程度上保证了建筑设计方案的安全性和稳定性，进一步提升建筑工程的质量，减少施工成本、耗材。
2.2仿真系统的应用研究
计算机仿真系统是建筑工程设计应用仿真模拟技术的重要基础，利用计算机仿真系统，能够直接模拟出建筑项目的施工过程以及施工周围环境的真实情况，且具有非常真实可靠的效果。利用计算机仿真系统，建筑设计人员可以将设计图纸的内容以及建筑现场的周围景象进行直接的计算机建模，呈现出三维的立体影像，同时能够将影响建筑项目的诸多因素，如：交通网络，建筑场景进行详细的模拟，使得设计人员能够实时了解建筑施工的进度和各类条件，以便于更加合理地对设计方案做出规划和修改。计算机仿真系统能够将场景做出高度模拟的效果，使得每一个虚拟物体与对应的实体拥有相似的视觉真实效果，更有利于设计者的发挥。
3计算机仿真技术在建筑结构的施工过程中的应用
目前，随着社会发展加速，城市建筑结构趋向于复杂化、高层化，部分结构复杂的建筑的设计需要从部分到整体，不仅难度很大，在施工阶段中出现的突发性变化也很多，因此，对于施工设计的各类细节需要格外地注意。复杂建筑结构在不同的施工工序中，所面临的负载情况、受力特性、结构形态均有差异。在一项复杂结构设计施工完成之后，整体将会保持暂时的平衡状态，但是，一旦开始下一步结构施工，原始的平衡状态又会被打破，必须进行相应的施工工序才能在每一阶段保证整体结构的平衡稳定。正因为复杂结构施工需要注重的因素有很多，一旦施工操作稍有不慎，便会埋下很严重的安全隐患，极易发生安全事故。计算机仿真技术能够模拟施工操作阶段，对施工过程进行全方位的监控，能够及时发现漏洞和错误，对施工过程进行全面的追踪，更加容易控制施工阶段的各种不确定因素。
4计算机仿真技术在建筑施工设计过程中的应用
计算机仿真技术促进了工程三维动画的成功出现，打破了设计师在传统建筑施工过程中只能直接依靠施工经验数据分析确定施工过程的操作模式，为一个现代化的设计师在建筑施工过程中提供了一个便捷有效的数据分析和解决手段。通过仿真技术三维动画对建筑施工过程的细节进行了分析，专家、施工的专业技术人员以及施工的业主就可以尽可能对建筑施工的全过程甚至重要的是每一个关键细节都尽可能进行清除和了解。此外，工程中会容易遇到的重难点以及施工的关键环节，都可以通过虚拟的仿真技术以虚拟三维动画的表现形式清晰地展现了出来，而且还使设计师可以根据施工业主的实际所需要求进行合适的设计和调整，并及时的修改其原有的建筑施工设计方案。
5计算机仿真技术在施工安全方面的应用研究
保证建筑工程在项目施工与投入使用两阶段的安全稳定，是目前建筑行业做最为关注的重点，被认为是必须加强的重要主题之一。在传统的建筑工程设计模式下，很难对建筑项目出现的安全隐患做出预测，计算机仿真技术的广泛应用，为施工操作人员与方案设计者同时提供了控制建筑工程质量水平的有力技术，使得建筑工程安全管理水平大幅度提高。
5.1进行施工安全控制的方案优化
在对建筑工程的施工安全控制分析中，如果能够采用先进的虚拟数据仿真技术对其进行数据分析，可以及时发现很多一些传统模式下安全控制无法及时发现的问题和隐患，同时也可以能够对不同类型的建筑施工安全控制解决方案的数据进行一个相应的数据模拟分析演练，并对数据进行了比较，最终可以确定得出—个最佳的安全控制方案，实现施工安全控制解决方案同相关的施工成本控制、资金成本预算、损耗成本控制等各个方面的效益最大化。
5.2如何实现安全演练与事故预防的最优化
建筑工程的消防通道以及防灾防害设施，关系着群众的生命财产安全，但是一直无法得到很好的效果检验，利用计算机仿真技术，我们能够模拟建筑工程在面对这些极端灾害时所表现出来漏洞，从而加以改正。实现安全演练的优化方法，有几点方面需要注意。首先，安全消防工程师必须深入了解建筑工程内部的结构特点，利用自身丰富的工作经验，对容易发生安全事故的环节进行细心检查，并同时利用计算机仿真技术建立三维动态模型，为安全事故的发生做好预防工作；其次，利用计算机仿真技术实现人员在紧急现场逃生演练的应急模拟，从而规划好逃生路线，并解决其中显现出来的安全问题。
计算机三维仿真技术范文4
（北京理工大学软件学院，北京100081）
摘要：在信息时代，网络交流无论在深度还是在广度上都颠覆了传统意义上的交流，成为人们生活的重要组成部分，它不但满足了人们的内在需要，扩大了人们的社交范围，而且改变了人们的生活方式。计算机仿真技术作为一门专门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，为促进网络社会的交流提供了较好的技术基础。本文通过对计算机仿真技术和网络虚拟交流平台的研究，对仿真技术在促进网络交流方面的技术突破点进行了详细的介绍。
关键词 ：仿真技术；网络交流；虚拟；关键突破
DOI：10.16083/j.cnki.-1296/G4.2015.02.066
中图分类号：O245文献标识码：A文章编号：1671—1580（2015）02—0151—02
本文受国家科技支撑计划项目（2012BAH38F01-05）资助。
收稿日期：2014—09—12
作者简介：张福泉（1975— ），男，福建福州人。北京理工大学软件学院在读博士，闽江学院计算机科学系，副教授，研究方向：流媒体智能存取技术，智能化数字表演与仿真技术。
一、虚拟网络交流的重要平台及其发展趋势
随着网络技术的发展，人们的交流方式发生了巨大的变化，低效率的传统交流方式逐渐被网络交流方式所取代。网络交流以网络作为信息的载体，将互联网作为交流分享的平台，极大地提升了交流的即时性和效率。
当前，网络交流平台主要包括即时通信交流平台、信息互动平台、网络商品交易平台和在线交流平台。无论人们在哪一个平台进行网络交流，对交流过程的快速、真实、便利的追求都永无止境，这极大地推动了仿真技术等计算机网络技术的进一步发展，也为仿真技术的发展指明了方向。首先，虽然网络交流平台的种类越来越多，网络交流的方式越来越繁杂，但是，单一的网络交流平台无法满足人们的需要，未来网络交流平台不仅能实现“现实人”与“虚拟人”的交流，还将实现“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”之间的交流。其次，网络交流平台毕竟都是虚拟环境下的交流，无法满足人们相互之间真实的精神情感交流的需要。随着计算机网络技术的发展，网络交流的可视化、智慧化以及无障碍交流必将成为新的发展趋势，追求虚拟现实世界成为计算机仿真技术的发展方向。
二、可视化仿真技术在虚拟网络交流中的技术突破
可视化仿真技术指的是将仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现的技术手段。可视化仿真技术是仿真领域的重要研究分支，包括了可视化算法、实时绘制、图像生成、多通道及多视点显示、人机交互、分布式与并行计算、软件工程学、效果评估等理论技术以及各行业相关的建模技术，等等。
（一）可视化仿真软件的智能化、自动化。随着网络交流的不断深化和发展，实体动态、智能视点选取成为可视化软件的发展潮流。1.实体动态生成。在仿真开始前先在想定仿真节点编制好态势变化的想定文件，在仿真过程中通过节点的仿真软件对想定文件进行动态解析，从而实现对不同仿真节点的动态匹配。实体动态生成技术的优点在于将网络交流的不同需求进行分散化建模，简化了仿真建模的复杂性。2.视点智能选取。Vega是可视化视点选取使用较为广泛的工具，带有静止、运动模式等多种视点方式，但是，Vega等工具的固定观看模式无法充分体现复杂系统仿真过程中各个实体、事件、环境、场景、系统的实时运动变化情况，要实现对虚拟环境的实时、动态的视点管理，就需要全局漫游、俯视以及智能眼视点等模式。
（二）可视化仿真建模的三维实体柔性技术。智能视点实现了对具有固定实体的动态实时仿真，对于没有固定形状，并且随着时间和过程不断变化的实体，例如云、风、烟雾弹等柔性体，则需要采用柔性仿真技术，通过对物体的运动特性、机理以及作用建立起这些柔性体特殊的动力学和运动学模型，进行可视化绘制，实现对柔性体的三维仿真。
（三）可视化仿真实时性和逼真度的技术实现。实时和逼真是虚拟网络交流追求的两个重点，在技术进步的基础上实现两者的最大突破成为可视化仿真技术不断进步的动力。在硬件方面，通过提升计算机运行芯片的计算性能和处理模式来实现快速绘制；在软件方面，借助网络技术以及网格技术的并行计算、分布式计算，可以逐步优化软件结构和代码，减少计算量，从而提升绘制速度。
（四）非视觉物理量的可视化技术。在现实社会中不仅存在看得见、摸得到的实体，还存在不可见的非视觉物理量
（例如磁场、温度场、水声场、电场等）
。要实现虚拟社会交流的真实性，非视觉物理量的可视化技术也是非常重要的突破。非视觉物理量可视化仿真的关键技术是三维数据场仿真，一般通过两个途径来实现：1.对三维数据生成的等值面进行绘制，这是基于面的可视化，主要方法有切片技术、几何变形曲面法以及网格划分法等。2.将三维数据投影到计算机，再通过体绘制技术进行绘制，这是基于投影的可视化。
三、虚拟现实技术在促进虚拟网络交流中的关键突破
虚拟现实（VR）技术通过虚拟的“现实人”体验来表达、获取信息，集合了多种计算机技术，例如人工智能、控制论、数据库、计算机图形学、实时计算技术、人机接口技术、电子传感技术、机器人、多媒体以及遥现技术，等等，是一种最有效模拟“现实人”在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。通过VR技术，创造出一个“现实人”可以与虚拟世界进行对话、虚拟世界对“现实人”的行为作出反应的人机交互环境，同时，表现出虚拟世界的自律、临场感，使得“现实人”具有身临其境的感觉，这也正是人们在进行虚拟网络社会交流时所极力追求的体验。
（一）VR的视觉表现技术。真实感以及图形图像实时绘制是实现VR视觉感知的重要手段之一，也是构造虚拟环境的核心，更高、更强的真实感和实时性不但保证了VR系统的沉浸感和交互性，而且也是VR视觉表现技术所追逐的重要目标。图形图像绘制是VR视觉表现的基础，一般可以分为：1.图形绘制技术，主要研究真实感光照计算、自然景物绘制以及纹理映射等；2.场景绘制技术，包括全光函数、光场计算、同心拼图、全景拼图等研究内容；3.图像与图像相结合的绘制技术，包括几何一致性以及光照一致性等方面的内容。
（二）VR的听觉表现技术。听觉是人类感知世界的重要信息来源，虚拟社会中的每一个发声体都是“现实人”感知虚拟社会信息的一个重要来源。事实上，我们在网络上感知的声音素材大部分都是数字化音频，由于不具有空间信息，无法体现虚拟社会听觉空间的真实感和立体感，而通过描述人的听觉系统对不同方位声音的不同频谱特性（头部相关传输函数：HRTF），例如双耳时间差、声级差等，可以建立起虚拟听觉空间（VAS），其中的声音定位技术是实现三维逼真音效的关键技术。
（三）VR的力/触觉表现技术。VR通过力/触觉设备对力/触觉信息（主要包括碰撞检测和碰撞响应）进行高效处理，在客户操作力/触觉设备时，碰撞检测算法对“现实人”与虚拟对象的碰撞情况进行检测，并在发生碰撞后运行碰撞响应策略。
（四）VR的嗅/味觉表现技术。在现实社会，人的嗅觉是由化学刺激产生的，而且气味间细微的差别都会引发不同人的不同反应，显然，要对虚拟社会的嗅/味觉进行高仿真，现在还存在一定的困难，这也将成为未来VR技术研究的重要方向，现阶段有许多科学家进行了有益的探索。例如：Amoore J.E就曾想用基本的七种气味来进行合成，但真实度不高。
虽然仿真技术为促进虚拟网络交流进行了各种关键技术的突破，实现了虚拟社会的可视化和可交流，但离现实社会中人与人的真实交往还存在一定的差距，而且虚拟社会中“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”的相互交流还存在一定的障碍，需要进行进一步的仿真技术研究才能更好地实现。
［
参考文献］
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计算机三维仿真技术范文5
[关键词]游戏引擎；机械动力仿真；虚拟现实技术
中图分类号：TP391.9；TD672 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0225-02
一、引言
三维游戏由于引擎技术在建模技术、物理引擎技术、复杂环境的高质量实时渲染技术、动画技术、人工智能技术、对象的行为控制技术等各方面不断的完善和强大，已经极大地引起了人们的关注和重视。游戏引擎不再仅用于游戏娱乐产业的开发，更多的渗透到了教育软件开发、虚拟现实应用、动画影视（特技）制作、军事训练、实时模拟等人类生活的各个领域。极大地改变了人们的生活方式和思维方式。
游戏引擎技术尤其物理引擎技术不断的研究发展，让我们意识到仿真虚拟机械动力的可能性。利用游戏引擎虚拟机械运动，将为开发教育游戏中的虚拟物理实验、网上数字科技馆、娱乐型游戏中的机械道具和多样化游戏任务等具有重要的应用价值和研究意义。
传统的机械动力仿真技术和虚拟现实技术虽然在一定程度上也能虚拟机械的运动，但是由于那些技术不可避免的弊端对机械动力仿真技术应用在其他领域形成了瓶颈。传统的机械工业仿真技术缺乏交互性，设计复杂，表现单调。随着多媒体技术、计算机动画技术、虚拟现实技术、网络技术等技术的渗入，以VRML（Virtual Reality Modeling Language虚拟现实造型语言）或Cult3D为代表的技术给机械仿真领域带来了交互性，但是由于传统的虚拟现实技术固有的特性，如运动行为的硬编码、交互性差、画面不流畅、系统实现复杂等，使得基于游戏引擎技术虚拟机械动力的技术具有很大的优势和更大的发展前景。
本论文研究的技术充分利用了游戏平台的优势，它不仅具有传统虚拟现实系统所有的优点，而且具有3D游戏般的交互性和逼真的动力学模拟。从开发角度而言，游戏引擎的实时渲染能力、快速的计算能力、组件化、可重用性以及面向对象的编程方式等，都使得应用游戏引擎成为一种非常便捷和有效的仿真技术手段。本文描述了利用游戏引擎模拟简单的机械动力实例的核心技术。
二、机械动力仿真技术研究背景
概念设计是机械设计过程中的最初阶段，主要目的是获得产品的本质形状。[3]机械仿真技术的发展为机械工业概念设计注入了新的活力。计算机运算处理能力的提高为机械系统的仿真提供了更好的基础。
我国机械系统传统的计算机辅助工具多数是AutoCAD， Pro/E， Solid Works， Solid Edge， 3D MAX等2D和3D软件，此类建模软件含有大量的图形文件，容量较大，不利于网上传输和远程控制。同时这种方式建立的三维模型是静态的，动画是设计者事先设计好的一副副二维动画，用户只是被动的接受，而不能按照自己的意愿进行实时交互式仿真。
虚拟现实技术作为一种更为人性化的交互技术，近几年来逐渐渗透到各个应用领域。虚拟现实技术的沉浸特征、交互特征和构想特征，刚好弥补了上述传统方法的不足。因此，运用虚拟现实的方法实现机械设计系统成为必然。传统的机械仿真都是代码编写控制的运动效果，没有实现通过物体间力的作用而让物体产生运动，所以不免比较生硬，不能具有可复用性和柔性。
综上可知，机械工业虚拟仿真技术由于其复杂性、综合性决定了开发的困难，因此势必需要一些工具来辅助开发，游戏引擎由于其本身的特点，成为开发机械工业虚拟系统的有力工具。
三、游戏引擎技术
1.三维游戏引擎
一般而言，三维游戏引擎包括：引擎内核、三维图形引擎、物理引擎、人工智能系统、3D模型和图像库、网络引擎、输入系统。三维游戏引擎中各子系统关系可由（图1）表示。
2.游戏引擎技术的优势
（1）利用游戏引擎可以简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本。
（2）游戏引擎中强大的物理引擎为该机械动力仿真系统提供了保障，这也是不同于其他虚拟现实技术的闪光点。
（3）该游戏引擎能快速嵌入到网页中运行，因此，极大的活跃了网页式三维虚拟现实技术，因为传统的三维网页虚拟技术在WEB中运行效果不是很好，运行缓慢，效果单调，交互性差，游戏引擎技术的支持在一定程度上可弥补这些不足。
（4）游戏引擎的最大特点是可以实时渲染，这样使得开发者可以及时浏览和调整系统。Unity3D游戏引擎甚至可以支持在程序运行时改动场景中物体的属性。这样的实时性改变，使得开发者能迅速获得最佳的设置效果值。
（5）基于游戏引擎技术开发的机械动力仿真系统，具有游戏般的交互能力，活跃了机械展示的表达方式。
（6）在游戏引擎平台上的二次编程代码被称为“脚本”，大多数脚本语言都是面向对象的编程特点，具有封装、多态、可复用性等特性。简单易学，使虚拟系统设计者易于开发应用。
四、主要结论
3D游戏引擎技术最大的特点就是它把一个程序中可以重复利用的部分，以精巧的模块组织起来，将其规格化、最佳化，以利于程序重用技术。利用引擎不仅可以开发出“景物真实、动作真实、感觉真实”的三维系统，更重要的是利用它我们可以节省大量的人员和资金，简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本，并且游戏引擎普遍具有的FPS（First Person Shooting第一人称射击游戏）特性，这一特点可以巧妙的应用于交互设计中。游戏引擎的实时渲染、动态编译和可视化编辑功能有效解决了传统的虚拟现实技术中存在的渲染耗费时间和硬件成本的问题。
3D游戏引擎最吸引人的是它的强大的PhysX物理引擎和真实的图形渲染引擎。强大的功能会提升研究的成功性。从开发方面考虑，该引擎的脚本语言近似c#或javascript，使得开发轻车熟路，而且脚本是动态编译的，运行速度和汇编接近，不会因为脚本的问题而影响系统的执行效率。从方面考虑，该引擎支持跨平台，而且用该引擎开发的作品可以通过网页直接运行，是3D虚拟现实作品轻松实现网页漫游的良好解决方案。
参考文献
[1] 杨红娟，周以齐，石柏成，陈成军.机械系统虚拟现实建模方法的研究.中国图像图形学会.642～646.
[2] 刘强，刘春全.机械动力仿真软件在抽油机运动学上的应用.装备制造技术，2008年，第12期.49～51.
[3] 石其乐.简易型虚拟现实技术的实现.宁夏工程技术，2003 年8 月，第2 卷第3期：227～245
计算机三维仿真技术范文6
[关键词] 虚拟制造 仿真 应用
一、引言
随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈，制造企业为了在竞争中求得生存与发展，就应该以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务满足不同顾客的需求。随着信息技术的迅速发展和企业市场竞争的需求，美国20世纪80年代后期提出了虚拟制造技术，并在20世纪90年代得到极大重视并得到迅速发展。
二、虚拟制造技术定义
虚拟制造 (Virtual Manufacturing简称VM）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策和控制能力。它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术发展到了全方位预报的新阶段 。
三、虚拟制造方法具有以下特点：
1.全新的研发模式：虚拟制造技术中，设计者采用三维方式，建立全关联的的数字模型。当需要绘图数据时，可以方便地从三维模型中抽取，实现三维数字无图纸设计，同时还要求进行产品总体的模型设计，而不仅限于设计单个部件或零件，设计者需要了解零件如何制造、装配，并应用于设计过程，各专业人员不再分开独立地工作，而是按照项目进行组织并同时开展工作，能够很好地解决设计过程中的同步问题。
2.降低研发成本、缩短研发周期、提高产品质量：通过计算机技术建立产品的数字化模型，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，减少了物理样机的数量，缩短了研发周期、提高了产品质量。
3.实现动态联盟的重要手段：通过网络实现并行设计和制造，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。
四、虚拟制造的关键技术
虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等，其中后三项是虚拟制造的核心技术。
1.建模技术：虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。生产模型可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产过程。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。工艺模型是将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。
2.仿真技术。仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到一系列的统计性能。目前广泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三维软件能较方便的构建三维模型，虚拟样机是基于三维模型的产物，能完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程。
3.虚拟现实技术。虚拟现实技术VRT（Virtual Reality Technology）是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。由图形系统及各种接口设备组成。在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，提高产品开发的质量和缩短开发周期。
4.虚拟制造的分类。按照与生产各个阶段的关系,虚拟制造可分成三类:(1)以设计为中心的VM，这类 VM 是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计，以便作出正确决策。(2)以生产为中心的VM，这类 VM 是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。(3)以控制为中心的VM，这类 VM 是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。
5.虚拟制造技术在制造业中的应用。虚拟制造技术首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计，就是采用虚拟制造技术的典型范例，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，实时采集和处理数据并及时解决设计问题，使得最终制造出来的波音777飞机与设计方案误差小于0.001英寸，保证一次试制成功。
目前虚拟制造技术应用得比较成熟的有：产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程的仿真与优化、产品的广告与漫游等。
五、结语
采用虚拟制造技术，在三维可视化虚拟环境中，能充分发挥设计人员的想象力和创造力，使设计人员的经验和科学的计算分析完美地相结合，推进了产品设计的创新与发展，提高了机械产品的创新开发能力。随着制造技术和网络技术的发展，虚拟制造技术方面的研究将会进入一个更加崭新的阶段。
参考文献：
[1]严隽琪等:虚拟制造的理论.技术基础与实践.上海交通大学出版社,2003：1～24
[2]王志新:虚拟技术及其应用.上海理工大学学报第20卷,第1期：49～55
