[发明专利]一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟实验仿真系统，尤其是涉及一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统。

背景技术

Open Scene Graph(简称OSG)场景图形系统是一个开源的场景图形管理开发库，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化功能。一般用于战斗机仿真、游戏、虚拟现实以及科学可视化等高性能图形应用领域。

以Visual Studio作为电工电子虚拟实验的开发环境，Visual Studio是微软公司推出的开发环境，可以用来创建Windows平台下的Windows应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和Office插件。

传统的实验教学需要提供给学生动手操作的硬件环境和软件环境，这需要占用大量的教学资源，尤其在实验内容复杂、危险，实验条件成本较高的实验教学中这种困难尤为突出。而虚拟实验在解决以上问题的基础上对培养学生的学习自主性和积极性等也起到了重要的作用。

虚拟实验近年来已经成为实验教学改革中的一个重点。国内虚拟实验使用在电工电子实验教学中还是比较少的，除了常用的几款仿真软件，如Multisim，Matlab/Simulink之外，还有基于Modelica开发的虚拟实验环境。这两种虚拟实验方式均是基于2D视景，元件符号和2D模型混合搭建的方式，无法提供逼真的实验环境和3D视景，无论是从操作度以及可视性上都有一定的欠缺，对学生融入实验环境进行实验都有一定的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可快速高效地完成虚拟实验开发、具有良好可扩展性和可移植性的基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，包括

虚拟实验环境构建装置，用于构建不同实验所对应的虚拟实验环境；

虚拟实验环境调取装置，用于根据实验操作要求调取相应的虚拟实验环境；

参数设定装置，用于在虚拟实验环境中根据实验的相关内容对相应参数进行设定；

实验仿真装置，用于接收设定的实验参数，根据实验求解的数学模型对实验结果进行数学求解，并把结果返回给前台做结果显示。

所述的虚拟实验环境构建装置包括

三维虚拟场景模块，用于虚拟实验提供虚拟实验平台；

程序框架模块，用于提供实验数学模型计算、命令控制及结果显示的程序。

所述的三维虚拟场景模块包括模型管理单元、视景操作单元、场景渲染单元和用于完成简单动作和粒子运动的动画单元。

所述的模型管理单元中的模型包括电工电子元件的几何模型、实验场景的几何模型、实验现象的物理模型和操作指示的几何模型。

所述的视景操作单元的操作包括视角的角度变化、旋转、放大缩小、模型的拖曳及碰撞检测。

所述的程序框架模块包括实验数学模型求解单元、负责各种命令操作的命令操作单元、提示帮助单元、以及用于显示实验现象和实验结果的结果显示单元。

所述的结果显示单元的窗口界面包括基本对话框和波形显示对话框。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)采用高性能开源软件OSG作为虚拟实验环境的图形引擎，其提供大量用以快速开发高性能图形应用程序的库，可以快速高效的完成虚拟实验的开发；

2)OSG支持多种场景裁剪技术、细节层次节点、渲染状态排序、定点数组、显示列表、OpenGL着色语言等技术，可以实现场景动态调度、多线程渲染等机制，并且提供了文字显示、粒子系统、阴影系统、等特效模拟，使虚拟实验环境支持更加丰富的三维图像显示效果，使各种元件设备的几何模型更加逼真，各种物理现象的仿真更加丰富生动，同时支持更强的后续扩展开发的特性；

3)OSG支持多种基本操作类型库，使虚拟实验环境的三维漫游及元件操作更加便捷和人性化，有助于改善学生参与实验时的操作体验，增强学生的学习积极性。

4)OSG作为一个开源的图形引擎，其还具有良好的可扩展性和可移植性，同时不存在成本问题及知识产权问题；

5)Visual Studio中的MFC是非常成熟的视窗软件开发类型库，采用MFC作为软件的框架设计环境，使软件界面更加友好，菜单及工具按钮操作更加简单方便，符合大多数人的操作习惯；