手术虚拟仿真系统

手术虚拟仿真系统（精选十篇）

手术虚拟仿真系统 篇1

1 仿真手术刀的研制

仿真手术刀的研制主要考虑了其在使用方式上与实际手术刀必须保持一致,训练的目的才能真正地实现。首先,常用的抓持手术刀方式,(1)琴弓式:琴弓式是最常用的一种执刀方式,动作范围广而灵活,用力涉及整个上肢,主要在腕部。用于较长的皮肤切口和腹直肌前鞘的切开等。(2)执笔式:用力轻柔,操作灵活准确,便于控制刀的动度,其动作和力量主要在手指。用于短小切口及精细手术,如解剖血管、神经及切开腹膜等。(3)握持式:全手握持刀柄,拇指与食指紧捏刀柄刻痕处,此法控刀比较稳定,操作的主要活动力点是肩关节。用于切割范围广、组织坚厚、用力较大的切开,如截肢、肌腱切开、较长的皮肤切口等。(4)反挑式:是执反挑式、笔式的一种转换形式,刀刃向上挑开,以免损伤深部组织,操作时先刺入,动点在手指。用于切开脓肿、血管、气管、胆总管或输尿管等空腔脏器,切断钳夹的组织或扩大皮肤切口等。(5)指压式:用力重,食指压住刀柄前端,后半端藏于手中,此法控刀稍不灵活。主要适用于难于切开的皮肤。本研究通过实际调查工作发现,医生大多采用琴弓式或握持式的抓持刀柄姿势,见图1。

1.1 手术刀受力分析

琴弓式持手术刀,操作者的手指关节将感觉到来自手术刀反馈的切割力,接着手指将这一信息传递给操作者的大脑;同时人的眼睛感知到的手术刀位置和姿态情况也传入大脑。大脑将这两方面信息处理和融合,进一步控制医生的手臂和手腕协调动作。整个过程相关的因素主要包括:手臂的力角度、手的姿势、切割对象的生理特征、组织产生的阻力等[2]。见图2。

1.2 手术刀构造

仿真手术刀研制成功与否关键在于尽可能地使其符合实际操作习惯,一手持刀柄,另一手用持针钳(持针器)夹住刀片,嵌入刀柄前端的凹处,再用持针钳(持针器)把刀片夹好即可使用。仿真手术刀没有一个固定的支点,因此它只能提供给手指一个反馈力。手臂上力的感知是通过视觉来收集反馈信息的,这样就可以弥补不足。实验表明,仿真手术刀确实能够提供给操作者一个身临其境的力反馈的真实触觉。

2 力反馈设备

2.1 力反馈设备选择

将手术刀的受力点与牵引钢丝相连,由步进电机-丝杠传动的驱动方式来拖动牵引钢丝。因为步进电机在额定载荷范围内启动和制动均平稳,控制十分简单方便,丝杠传动还可以进一步降低了机械的振动,保证了运动的直线精度值。当操作者手向上抬起产生拉力时,拉力就能及时地传递到食指,这样就给操作者带来了明显的力反馈感受[3,4,5]。

2.2 力反馈控制模型

力反馈装置采用两种力反馈控制策略。

2.2.1 基于位置的开环控制策略

基于位置的开环控制策略依据的是刀尖抬起的高度与示指感受到的切割力成正比这一特点。它的优点是模型直观、控制简单,但控制精度难于保证。

2.2.2 基于反馈力的闭环控制策略

由于模型相对复杂,而且需要添加拉力传感器,直接利用反馈力作为控制量,控制精度较高。因为手术操作是十分精细的,医生的力觉反馈尤为重要,稍有不慎就会酿成大祸。因此,既要使虚拟外科手术系统更加真实地模拟,又要求仿真手术刀连接的力反馈装置精度高。经过比较,本研究选择了基于反馈力的闭环控制策略对力反馈进行控制[5]。见图3。实验结果显示,通过4个步骤很真实地实现了切割反馈力变化情况。见图4。

3 虚拟手术系统环境的仿真

本研究构建了一个虚拟手术室,在虚拟手术台上设置了手术对象和手术场景中所有因素。系统将所有的图像信息投影到一个平放的屏幕上。受训者可以按照事先设定好的模型进行手术操作,通过仿真手术刀的操作,轻松实现在模型上的切割和练习。利用这些信息可直接调Open GL函数产生三角形面片,进而生成虚拟人体组织[3,4,6]。当“手术刀”在操作屏幕上滑动时,就留下了相应操作轨迹,并出现了划开的切口,同时又有相应的人体生理特征的显示配合生成,保证医生的手术逼真感,系统具备医学手术课程要求的内容,对于操作者会逐条进行操作提示和考核[7]。系统全部由VC编写,稳定快捷,对于各种操作系统平台均有很好地支持[8]。

4 结论

仿真手术刀的应用,大大降低了医生培训中存在的风险,节约了大量的医疗成本,提高了医生业务技术和操作水平,可以有效地缓解当前人体尸体教学标本日趋减少的问题,为医院今后开展各种新技术、新业务的预演讨论、可行性认证提供了新的途径[7,8]。相信通过研究者不懈努力,将逐步实现虚拟现实技术在医院临床医疗中开展相关测试和手术教学试验,将其应用于手术培训、手术预演、临床诊断、远程干预、医学辅助教学等各个环节,不远的将来,仿真手术刀会越来越完善,并且更多的手术器械会被模拟出来,为医生的培训教学工作和手术器械的研制提供大力支持和帮助。

志谢

本研究得到了华中科技大学生命科学院生物医学工程系丁明跃教授的指导和帮助。

参考文献

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[4]罗伟,田夫,李珊珊,等.虚拟现实技术在医学中的应用[J].中华医院管理杂志,2005,21(12):837-838.

[5]聂滨,曾照芳.基于虚拟现实技术的医学实验室的构建研究[J].西北医学教育,2006,14(1):11-13.

[6]Andries van D,Henry F,Sascha B,et al.Immersive Electronic Booksfor Teaching Surgical Procedures.Pre-I CAT CREST Symposium onTelecommunication,Teleimmersion,and Telexistence[D].Tokyo:The University of Tokyo,2002.

[7]陈新庚,马长生,孙文涛.基于Vega的导弹防御仿真系统研究[J].计算机仿真,2011,28(1):59-62.

虚拟汽修仿真教学系统 篇2

中国已成为全球汽车的第一大市场，快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂，拉动了各个产业的发展，随着我国汽车保有量的不断攀升，另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。

不仅是现有的4S店，社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现，而汽车维修维护人才却极为缺乏，近年来汽车工业和汽车技术不断发展，新能源汽车也不断普及，对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力：职业院校，如何解决社会汽修人才的问题，成为了最大的教学要求。

汽车作为一个高度机电一体化的产品，内部结构非常复杂，需要全面了解汽车的结构和运行原理，才可能对维修维护有深刻的认识和技能，利用先进的IT技术，使用虚拟汽车教学培训系统，对培养汽修人才有着巨大的促进作用。

凤凰创壹虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理，以及虚拟拆卸与安装（每一步互动操作都有相应的语音解说或提示）。并提供3D互动 故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识、汽车文化、汽车的美容与装饰、汽车电子电工技术应用、汽车结构与拆装、汽车使用日常维护、汽车的修理、汽车 性能检测、汽车故障诊断九大模块：（1）汽车机械常识包含量缸表的使用、曲轴的测量、汽缸的测量；（2）汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训；（3）汽车的美容与装饰章节包含的主要课程（汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等）；（4）汽车电子电工技 术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接；（5）汽车结构与拆装包含整车拆装，发动机拆装，发电 机拆装，发电机拆装（含工具），自动变速器原理，变速器内部展示与拆装，汽车整车展示与拆装，汽车底盘展示与拆装等（所有拆装均包括：自动拆卸，自动安 装，手动拆卸，手动安装。其中自动拆卸，自动安装是为了让学员学习整个拆装过程，手动拆卸，手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度）；（6）汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。（7）汽车的修理包 含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向 器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容；（8）汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机 性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测；（9）汽车故障诊断包含机械故障，电控故障，电器故障。机械故障主要检查器件磨损间 隙，裂纹，变形，老化等故障（包括冷却系统，润滑系统，启动系统，点火系统等故障）；电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测，查看各个功能 传感器的故障（防盗系统，燃油系统，排气系统，点火系统，空气供给系统等故障）；电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统，灯光照明系统，仪 表系统，启动系统，充电系统，玻璃升降系统，电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表，例如：汽车故障检测仪，示波表，千分尺，内径千分尺等三维互动模型。

虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用 篇3

关键词：虚拟DCS；电厂仿真系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0038-02

1 DCS系统概述

大型集散控制系统（DCS）在现代电厂控制技术中占有重要的地位，它集计算机技术、网络通讯技术、数据采集、过程控制技术于一体，把整个电厂的控制过程、操作报警及数据显示等通过计算机或盘台集中表现出来，犹如人的大脑，控制着整个电厂生产流程。

1.1 DCS系统的仿真方式

因此，控制系统的仿真是电厂仿真系统中一个非常重要的部分，其仿真方法和仿真精度直接影响整个电厂仿真系统的质量、成本和实施效果。在常规的电厂仿真系统中，DCS的仿真主要内容有数据采集和发送、操作员人机界面、逻辑与控制过程、数据记录与输出等。主要有三种仿真方式：

①Simulation方式：用软件模拟DCS功能的实现方式。

②Stimulation方式：用原厂DCS硬件激励式模拟的实现方式。

③Emulation方式：用原厂DCS软件结合仿真其硬件环境的实现方式。

1.2 虚拟DCS系统的主要功能

虚拟DCS由原电厂控制系统厂商提供，是一种Emulation方式的仿真控制系统，它构建于虚拟控制器技术之上，采用原有控制硬件中的软件及其环境实现仿真，可以与原DCS逻辑组态保持高度一致，虽然价格仍然较高，但是远低于传统Stimulation方法，对于电厂控制算法研究分析和改进能起到相同作用。

虚拟DCS式电厂仿真系统就是采用虚拟DCS方法开发的，它为电厂仿真系统的发展开拓了一个全新的领域，它的主要功能有：

①具备完善的与仿真机的接口，能够模拟机组控制系统的运行状态和功能。

②具备良好的控制系统虚拟组态、运行、修改等功能，采用图形化、模块化、交互方式的组态环境，可进行运行培训、热工培训、DCS逻辑和运行规程检测、优化运行分析等。

③虚拟DCS具有开放式的通讯接口，能时刻跟上电厂DCS的变化，可以直接利用真实DCS工程师站的控制逻辑组态文件以及相关数据库技术实现仿真控制系统逻辑和画面升级。

以下就是OVATION控制系统虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用。

2 虚拟DCS仿真系统组成

2.1 仿真系统的软件组成

系统软件由虚拟DCS软件和仿真服务软件构成。虚拟DCS软件由OVATION虚拟控制器软件、OVATION Database Server、OVATION 工程师站软件、操作员人机界面软件和接口通讯程序组成，仿真服务软件由仿真支撑平台软件和电厂过程（炉、机、电等）仿真模型组成。

系统软件结构如图1所示。

各个操作员人机界面接受操作员操作指令，发送到OVA-

TION Database Server，OVATION虚拟控制器软件从OVATION Database Server中取出数据，模拟真实DPU的算法策略经行运算，运算完成后再将结果送回到OVATION Database Server中，再经接口通讯程序发送到仿真服务软件，由仿真服务软件进行运算，运算出的数据再通过相同路径，反向传输到OVATION D-

atabase Server上，最后再将结果反馈到操作员人机界面上。

通过工程师站软件可以访问OVATION Database Server，修改其中的数据库点名和配置信息。

由于虚拟DCS系统与仿真服务软件分别处于两个不同的运行环境，需要解决两个系统之间的同步问题，如时间控制、复位、保存等，这里采用由仿真服务软件控制虚拟DCS系统的方式实现。

2.2 仿真系统的硬件组成

系统硬件由虚拟DCS硬件和仿真服务器构成。虚拟DCS硬件主要包括虚拟控制器服务器、虚拟DCS的工程师站、操作员站和网络交换机。系统硬件结构如图2所示。

OVATION虚拟控制器服务器主要用来为虚拟控制器软件提供运行环境，协调内部各个虚拟控制器软件的运算。

如果系统中有多个虚拟控制器服务器，其中一个须配置Master Host软件，它负责监视系统内所有控制器服务器的运行，并发送指令控制各个服务器状态。

仿真服务器用于运行仿真服务软件，包括支撑平台和仿真模型，并通过通讯程序，调用SimAPI函数发送仿真系统指令到Master Host，实现对虚拟DCS的控制。

虚拟DCS的工程师站主要运行OVATION Database Server和工程师站软件，实现数据库的存储和管理、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能。

操作员站主要模拟人机交互界面。

网络设备主要用来进行数据的传输与交换。

3 虚拟DCS应用于仿真系统的实现

3.1 仿真模型的开发

在仿真支撑软件支持下，程序设计采取”自顶向下”的结构化程序设计，建立全物理过程数学模型，机组启停、正常运行以及故障等全部直接包括在该模型中。

根据仿真范围，火电机组的仿真模型包括锅炉模型、汽机模型、电气模型，仿真方法与传统的Simulation方法一致，而控制模型的功能由虚拟DCS支撑平台实现。

3.2 虚拟DCS的开发

虚拟DCS开发是整个项目的关键，整套虚拟DCS由OVATION控制系统改造而成。根据电厂仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS实现了与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时工况的快存、回退和重演等功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。

整个虚拟DCS包括多个虚拟控制器，涵盖输入输出、数值运算等常见类型，能够完成整个DCS系统SAMA图的组态仿真。另外，还提供DCS系统的人机界面绘制修改工具，可对虚拟DCS的人机界面进行重新组态，扩充图形控件。

项目执行期间，先收集项目电厂的控制逻辑和画面源文件，再导入虚拟控制器服务器，操作站从服务器下载匹配的控制器和画面源文件，这样就得到与项目电厂一样的逻辑和画面了。

3.3 虚拟DCS与仿真模型的联调

虚拟DCS数据库为实际控制系统的组态数据库，与实际DCS点对应，其构成、组态由控制公司的设计人员完成。仿真模型数据库按照收集现场的实际设备及工艺流程资料，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计开发完成。

在虚拟DCS和仿真模型都开发完成后，就可以将两者连接起来进行联调。根据模型工程师和虚拟DCS工程师分别提供输入输出接口清单，把模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。另外，编写接口通讯程序，调试运行使两者的数据库能够进行实时数据通讯交换。

3.4 虚拟DCS与仿真结合的难点问题及解决方法

在虚拟DCS与仿真结合过程中接口通讯程序的编写是整个项目的难点问题，因为虚拟DCS数据库平台与仿真支撑平台分属两个公司，数据库结构、通讯模式都有很大差别。本项目中两个平台的通讯采用OPC通讯方式解决。

控制公司提供了OPC Server接口，仿真工程师开发一个O-

PC Client，通过这种OPC Server/OPC Client结构实现虚拟DCS系统与仿真平台之间的数据交换。

OPC规范中提供了两套接口方案，即定制接口方案和自动化接口方案。其中定制接口效率高，通过该接口能够发挥OPC服务器的最佳性能，一般采用定制接口方案。

在VC环境下，使用定制接口方案开发OPC客户应用程序实现的步骤如下：

①编写OPC头文件→②初始化COM支持库→③连接OPC服务器→④创建OPC组→⑤添加数据项→⑥数据交换→⑦释放接口指针。

4 结 语

仿真系统的设备模型的开发方式与常规Simulation方法仿真机相同，因此仿真范围和精度没有改变，培训效果没有削弱。热控人员还可以利用虚拟DCS工程师站进行数据库组态、逻辑组态调整、画面修改等培训，大大增强了培训效果。同时，虚拟DCS式的电厂仿真系统保留了Simulation方法对于设备模型仿真的范围和精度，兼顾了Stimulation方法对于控制系统高精度仿真的效果，又相对节省了硬件投资，缩短了开发周期，是一种理想和多应用功能的电厂仿真系统建设方式。

参考文献：

[1] 游景玉.仿真控制论文集[M].珠海：珠海出版社，1999.

[2] 游景玉.亚仿技术开发及应用[M].珠海：珠海出版社，2000.

[3] 潘爱民.COM原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

手术虚拟仿真系统 篇4

临床上,耳鼻喉头颈外科医师需要对颞骨解剖有扎实的基础知识,由于外耳道骨部、中耳、内耳均位于颞骨之中,而颞骨深寓软组织之中,无法直接观察病变范围及其周围结构的关系,因此基于虚拟现实技术的耳显微外科仿真系统对于培养年轻医师的手术操作技能,以及患者实际手术前的预测与术中的辅助都具有广阔的应用价值。本课题中有别于已有的一些外科手术虚拟系统,开发一种并行多图形卡工作站的分布式耳显微外科虚拟现实系统,不仅可以在逼真的虚拟环境下体验和学习手术中各种实际情况与处理操作,还可以通过网络通信进行计算机远程教学与手术会诊,具有真实的临床手术实用价值。

1 分布式耳显微外科虚拟现实系统组成

分布式虚拟现实技术是指分布计算机网络的不同节点用户在共享的虚拟环境中进行相互交互,使得网络中的计算机用户可以比较便捷的参与访问与仿真,是虚拟现实技术发展的方向,在各学科领域正得到重视与开发应用。

分布式耳显微外科虚拟现实系统主要由高性能工作站、立体视觉终端、其他从属设备(传感手套、力反馈操纵柄)以及专业软件等组成。其体系结构通过局域网连接多个用户,用户计算机之间使用TCP/IP协议实现虚拟环境信息的共享与仿真交互,同时局域网中的多用户通过网络路由器由互联网连接进行远程仿真交互,系统结构如图1所示。采用这种架构,允许多个不同的用户通过LAN连接同时在一个虚拟世界中交互,并且通过路由器与Internet连接允许远程用户的访问与参与交互。

虚拟手术系统工作站为了满足复杂图像场景的处理与实时反馈的数据运算,采用了2颗Inter Core2EXtrem QX9775处理器,同时应用了2块专业级图形处理加速卡,每块图形卡包含了双DVI接口以及512MB显存,以OpenGL标准实现多通道协同立体绘制图像和低延迟的视觉反馈,使视觉仿真画面栩栩如生且即时流畅。位置跟踪器使用三维超声波头部跟踪器,它是由发射器、接收器和控制箱三部分组成。发射器含有3个超声波扬声器,安装在一个稳固的三脚架上;接收器的3个小型麦克风安装于三维立体眼镜上用来探测超声波信号;发射器与接收器之间沿视线方向无阻碍地进行通信,经串行端口接入主机工作站,能同时连接最多4个头部跟踪器或3D鼠标进行6自由度位置探测。虚拟手术操作时能否产生比较真实的触觉响应对于虚拟现实系统非常重要,系统使用USB端口连接的力反馈装置有六个自由度位置感应,末端为一柄状,用来提供虚拟对象与操作者之间的实时接触反馈。数据手套是另一类触觉接口可以产生复杂的振动触觉和用于测量用户的手势。

2 耳显微外科虚拟模型的建立

建立虚拟模型包括整个耳解剖部位的三维立体结构建模、操作过程中的行为建模与虚拟操作对象的碰撞形变等物理特征的建模。模型分为不同的组成部分相互独立又同时具有相互组合,这样既能使有限的硬件系统资源绘制出复杂的虚拟场景,同时最大限度地提高整个系统的响应速度。

2.1 耳部三维立体结构建模

三维耳部的立体建模直接通过MRI与CT的颞骨部扫描的原始灰白影像结合颞骨冷冻组织断层解剖拍摄的高清晰彩色图片,先确定准备重构的解剖区域,经人工分割出骨质、神经、血管和其它软组织结构,经过体绘制重构可视化模型。由于采用整体与解剖局部分开进行三维重构的方式,颞骨部可视化模型可以清楚的显示邻近组织之间的空间关系,真实还原了解剖部位的三维结构。

三维重建过程中首先是颞骨解剖部位的图像分割,准确和快速的图像分割技术是虚拟建模的基础。临床上的CT和MR诊断仪出厂时一般自带有三维重构的图像分析软件,但对一些组织器官的分割重建还不够精确,特别是颞骨部位的显微结构。在实际建模中,先采用CT和MR自带的重构软件自动快速识别出颞骨解剖部位的大体位置和结构,再结合人工辨识微小结构与组织进行手工标明,然后采用阈值分割法绘制出细微解剖结构。

2.2 操作过程中的行为建模

三维立体结构的建模是相对静态的形状和外观,而更复杂的行为建模是为了模仿虚拟手术环境中操作时的动态行为过程。由于是手术操作,对虚拟手术器械的操作模拟非常重要,使用带有传感设备的数据手套模拟出操作手术器械的移动、旋转等相应动作。

行为建模过程中利用虚拟现实开发工具,建立不同动作行为的数据库,数据库中的每部分动作可以是单独的进行,也可以作为一个整体一起运动,这样可以模拟出整个手的运动,也可以实现手的局部某个关节的变动,从而提高了真实体验感。

2.3 碰撞形变等物理特征的建模

碰撞形变建模主要用来描述虚拟手术系统的交互式过程,也是使系统具有触觉反馈的关键一步。碰撞形变有近似和精确的方法检测,由于虚拟手术过程主要是器械和组织之间的接触,碰撞点和方向都有一定任意性,系统在检测三维空间中两部分有无碰撞时,先采用轴向包围盒(axis-aligned bounding box,AABB)方法。这种方法是沿着虚拟世界坐标系坐标轴方向的盒子包围着三维空间的对象,形成一个个固定大小的包围盒。当两个对象接近时,它们的包围盒会相交即发生了碰撞。检测出对象碰撞后需要执行精确碰撞检测,以了解碰撞的位点以及碰撞的强度,从而产生碰撞响应。

碰撞响应是根据虚拟对象的自身特性进行模拟的,非刚性的组织器官碰撞到手术器械会发生表面形变,需要通过计算碰撞表面的位点改变重新绘制图形。系统建模过程采用表面拓扑结构变形方法,首先经过精确碰撞检测出最靠近碰撞位置的顶点,然后根据碰撞强度的大小沿着手术器械运动的轨迹绘出数个新的顶点替代原来的碰撞顶点,新的顶点逐渐分开形成新的表面,模拟出组织被切割变形的过程。

3 手术仿真系统的应用

系统在应用上能够模拟手术常规操作动作,灵活调整难度以适合不同手术医生的要求,我们在设计虚拟手术系统时,不仅清晰重构了正常颞骨解剖以及耳显微结构,而且建立了常见的各种病理组织模型与真实的手术病例。以任务为导向,指导使用者在虚拟现实环境中进行手术程序的正确处理,同时将操作过程将记录下来,根据各项参数与专家标准库的数据对照进行评分,能够较客观地反映了训练者的操作水平。

系统能逼真地演绎耳显微外科手术的环境和操作的过程,对手术训练和教学有很高的应用价值,年轻的医生通过在模拟系统中反复练习可以掌握手术部位解剖结构、熟练使用各种手术器械、获得基本手术技能。

4 未来工作

由于虚拟手术系统广阔的应用前景,虚拟现实技术在医学领域得到了更多的重视。下一步除了进一步提高其仿真度、完善功能,将会更多的考虑应用于临床实际的设计,如对真实病例手术进行之前就进行术前模拟,并制定个体化的最佳手术策略。

我们还考虑将此系统融入到数字化手术室,与众多的先进数字化技术一起为医生与患者带来更多安全和便捷。通过网络技术实现应用程序的远程共享,在虚拟现实的网络环境中,外科手术医生不仅可以在逼真的虚拟环境下体验和学习手术中各种实际情况与处理操作,还可以通过网络通信进行远程会诊手术指导治疗,实现异地的专家像在同一手术台上一样共同完成一台复杂而精彩的手术。

参考文献

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[3]赵媛媛,叶德荣,陈艳红.基于Web的内耳解剖结构的三维可视化[J].医疗设备信息,2007,22(11):9-10.

手术虚拟仿真系统 篇5

为了及时准确监视飞机运行的设备状态,设计开发了将高速数据采集卡、高频任意信号发生器与工控计算机等集成的虚拟仪器系统.该系统使用虚拟仪器技术,将更多的工作交付给软件,减少操作人员的`劳动强度.

作 者：敬良胜 作者单位：四川纵横仪器有限公司,四川,成都,610041刊 名：西南交通大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：37(z1)分类号：V241关键词：虚拟技术 仿真 数据采集 飞机

手术虚拟仿真系统 篇6

关键词：混装生产线，Flexsim， Vega， Creator

【分类号】TP391.9；U468.2

1 引言

混合型装配线要在同一条线上装配不同品种的产品，必然就会存在投产顺序优化的问题，不同种产品的装配生产顺序直接影响着企业的整体生产效率。采用建模仿真的方法对装配排序进行仿真分析，不仅能省去试运行的时间和成本为投产顺序做理论基础，也能对已运行生产线进行分析和调整（比如紧急插单，机器故障等），最大限度的提高生产效率。

2 系统建立

2.1 基于Flexsim和虚拟现实的汽车混装生产线系统

对于汽车生产这样的特殊企业，面对时刻需要插单和紧急排序的问题，汽车装配要在生产中实现在“需要的时候，按需要的量，生产所需要的产品”。混流装配线规划设计是一项复杂的系统工程，具有不可预测性和随机性。

一般汽车混合装配线由工作站、物流对象、作业元素和操作人员所组成。汽车混装生产线简化可分为两个区：

（1）配送区。物料区将所需要加工装配的车体送入生产入货传送带上，确定装配线的投产顺序即在此体现出来。送上传送带的车体可以是连续单一的一个车体，也可以是很多不同车体的组合，这也是混装生产线的多样性体现。设计一个装配线系统必须有一个完整的规划，一般的步骤大致上是：1）确定生产节拍；2）计算最小工序数；3）准备综合工序优先顺序图； 4）装配线平衡； 5）确定不同产品投产的排序调度策略；6）工位设计； 7）确定车间整体物流布置及上层计划管理。

（2）装配线。装配线主要是由一条传送带牵引，各个工位分布在传送带旁边进行产品的安装，配送区送过来的产品，达到装配线的工位，各个工位根据自己工位的装配任务，在确定的时间之内，正确的将产品零件安装完毕。对于像汽车混合装配生产线，除了有运送车体的传送带之外，各工位还有如类似起重机一样的小型挂钩。当需要长时间静止安装某一零件的时候，此工位会将车体吊起静止，而传送带依然保持开始的速度传送。这样既保证生产的流畅进行，也能省去为传送带设置速度带来的麻烦。

2.2 系统开发

图2所示即为生产线仿真系统框架。由图2可以看到本系统是通过数据库调用Flexsim和Vega进行系统建模与仿真，操作界面里执行其中任一需要的程序或者同时执行，将结果显示在显示界面上，对结果进行分析和处理以达到优化的目的。

3 仿真应用举例

以某汽车发动机总成装配线为例。某汽车生产厂的某一条车体安装流水线为例，该车体装配生产线根据市场需要安装A、B、C、D四种车体，需求量分别为：A 型300台， B型200台， C型400台， D型300台。四种型号的需求比例为：3：2：4：3。

对于批量制造的产品在生产运作中，若对不同产品的单位数量进行排序生产， 称为一个循环流程。例如可以定义一个生产循环为生产：3台A车型， 2台B车型， 4台C车型， 3台D车型。在仿真建模时，只考虑生产线上的某关键装配工位，表1为该工位上各车型所要求的零部件清单。总装配生产线上该工位的装配时间为100s， 供应该工位的三个零部件的机加工子生产线（或者由仓库向生产线上运输）的节拍分别为：零部件S1的供应节拍为20s；S2为18s；S3为44s。

运行本系统，按照操作界面操作，显示区内会显示所需要的数据，可以在显示区内切换显示，如下图所示，从而使系统实现仿真与虚拟现实漫游。

通过方案比较发现，方案1和方案2的产量都是232台，超过方案3、4的228台和230台。由于时间都是27000S，所以方案1、2的工位效率較高，在实际生产中应采用方案1或者方案2。

4 结束语

利用Flexsim和虚拟现实的建模仿真系统对汽车混装生产线进行仿真和模拟，既为合理优化配置资源，保证生产线平衡，发现及消除瓶颈工序提了供理论依据，又实现了生产线的3D虚拟漫游。

参考文献

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安全人机工效虚拟仿真实验系统设计 篇7

每次发生安全事故总会伴随着人员伤亡和财产损失[1],而事故具有因果性、随机性、潜伏性和可预防性等基本特性。因此,可通过对其因果性进行研究实现预防事故的目的。由于安全生产事故试验具有不可重现性等特点,如爆炸、火灾、跌落等,目前多采用事故发生后通过事故树分析[2,3]、统计分析[4,5,6,7]、模型计算等理论方法进行推测与分析,无法通过试验方法对其进行研究和验证。因此,严重限制了安全生产基础理论及其应用技术的发展。随着虚拟仿真技术的成熟,将虚拟仿真技术应用于安全生产事故研究等[8,9]领域成为必然的趋势。

1 虚拟仿真实验系统构成

安全人机工效虚拟仿真实验系统主要由虚拟仿真开发平台、虚拟仿真展示平台、虚拟仿真交互平台、实验数据分析平台四部分构成,系统架构如图1所示。

1.1 虚拟仿真开发平台

虚拟仿真开发平台可采用Vizard、Virtools、CATIA、CAD、Inventor等软件建立安全人机工效虚拟仿真实验系统所需的虚拟仿真场景,也可通过Jack软件自带的建模工具建立虚拟仿真场景。

1.2 虚拟仿真展示平台

虚拟仿真展示平台主要通过立体投影仪或视频头盔将虚拟仿真场景展示给受试者,达到使受试者如临其境的目的。

1.3 虚拟仿真交互平台

虚拟仿真交互平台是实现受试者和虚拟场景交互的重要接口,通过多点位置跟踪系统定位受试者(包括头、躯干、四肢、手等)在现实环境和虚拟场景中的对应位置,并通过数据手套实现受试者抓取虚拟场景中物体的功能。

1.4 实验数据分析平台

实验数据分析平台是安全人机工效虚拟仿真实验系统获取实验数据的关键部分,通过将虚拟场景嵌入Jack软件中,并将自定义大小的人体放入到虚拟场景中,通过虚拟仿真交互平台实现受试者和虚拟人的仿真交互,借助Jack软件的可视性分析、可达性分析、工作姿势分析、疲劳恢复分析、受力分析等功能进行人因实验;并可借助表面肌电、脑电等外设设备对相关生理指标进行测试,获得所需的实验数据,为安全生产事故等的研究提供基础试验数据。

2 虚拟仿真实验系统关键集成技术

安全人机工效虚拟仿真实验系统最主要的功能是对虚拟仿真系统中的安全人机工效领域的相关问题进行研究和分析,因此,借助Jack人因分析软件和表面肌电、脑电等外设设备成为必然的选择。

可导出CAD模型、基于VRML、IGES、立体(STL)和inventor(iv)和.JT文件格式的3D图形数据的虚拟仿真开发平台均可满足Jack人因分析软件的要求;虚拟仿真展示平台用于呈现虚拟仿真场景,采用立体投影仪(含投影仪)或视频头盔的方式均可实现,但立体投影仪、视频头盔以及服务器显示器的灵活切换需进行系统集成和设计;而虚拟仿真交互系统集成难度最大,既需要考虑使用环境、设备成本,又需考虑Jack人因分析软件的兼容性等问题,成为安全人机工效虚拟仿真实验系统集成的难点和重点。

2.1 虚拟仿真交互平台动作捕捉器的选择

动作捕捉器是虚拟仿真交互平台最重要的设备,目前主要包括:机械式、声学式、光学式、物理惯性式、电磁式等几种类型的动作捕捉器。

(1)机械式动作捕捉器通过机械装置来跟踪和测量运动轨迹,成本低,精度较高,可实时测量,且可同时容许多个角色。但使用非常不方便,机械结构对动作阻碍和限制很大。

(2)声学式动作捕捉器通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差,系统计算并确定接收器的位置和方向。成本较低,但对运动的捕捉有较大延迟和滞后,实时性较差,精度不高,声源和接收器间不能有大的遮挡物体,受噪声和多次反射等干扰较大;气压、湿度、温度对结果有影响,需进行补偿。

(3)光学式动作捕捉器通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。动作捕捉器重量轻、耐用、不受电磁波干扰,但易受光和障碍物的影响;价格昂贵,后处理工作量较大,装置定标较为烦琐,不同部位的特定光点有可能发生混淆、遮挡,产生错误结果。

(4)物理惯性式动作捕捉器是在人身上的关键点绑定惯性陀螺仪,分析陀螺仪的位移变差来判定人的动作幅度和距离。不受环境的磁场和光线的限制,无线传感距离最高可达300m,但不适宜过度剧烈的打斗动作,存在累积偏差。

(5)电磁式动作捕捉器利用磁场的强度进行位置和方位跟踪,价格较低、精度适中、采样率高、安装容易、工作范围大,允许多个磁跟踪器跟踪整个身体运动,增加了跟踪运动的范围。但易受金属干扰、环境要求严苛;试验范围比光学式要小,特别是电缆对实验者的活动限制比较大,不适宜比较剧烈的运动。

安全人机工效虚拟仿真实验系统主要是利用Jack软件的人因分析功能对实验者的人因问题进行分析。机械式动作捕捉器对实验者的动作限制太大,声学式动作捕捉器延迟较重,光学式动作捕捉器价格太高且后处理工作量较大。物理惯性动作捕捉器可以很好的满足安全人机工效虚拟仿真试验的需求,但系统建立时市面上没有与Jack软件兼容的相关仪器设备。而电磁式动作捕捉器价格相对低廉,且可通过设置试验环境尽量避免电磁干扰,实验者在实验室内有一定的作业空间,但活动范围不大,恰好能满足电磁式动作捕捉器的使用要求。因此,最终选择美国Ascension公司的MotnionStar电磁式动作捕捉器和5DT的数据手套为安全人机工效虚拟仿真实现系统的交互设备。

2.2 动作捕捉器和数据手套的集成

利用Jack软件Modules(模块)→Motion Capture(动作捕捉)菜单下的Ascension Devices(Ascension设备)选项中的Motionstar选项设定MotnionStar电磁式动作捕捉器的数量、比例以及与数字人体的对应关系,实现受试者和数字人体的仿真交互,包括躯干、头、四肢和手等。

利用Jack软件Modules(模块)→Motion Capture(动作捕捉)菜单下的5DT Glove(5DT 数据手套)选项设定数据手套的左右手、比例以及与数字人体左右手和手指的对应关系,实现受试者左右手、手指与数字人体的仿真交互。

2.3 虚拟仿真展示平台的集成

安全人机工效虚拟仿真实验系统虚拟仿真展示平台包括立体投影仪、视频头盔和服务器显示器三处展示系统。虚拟仿真开发平台一般需采用服务器的显示器(2个)呈现虚拟场景;一维第一人称和第三人称显示采用立体投影仪呈现虚拟场景;三维第一人称显示采用视频头盔呈现虚拟场景;而且试验过程中,受试者利用视频头盔进行虚拟作业,立体投影仪以第三人称呈现受试者的作业情况,服务器显示器用于呈现虚拟场景调试相关内容。因此,服务器显示器、视频头盔、立体投影仪需频繁切换,试验时三者若能同时显示效果最佳。

安全人机工效虚拟仿真实验系统采用双投影仪的偏正光原理呈现立体虚拟场景,服务器显示器、视频头盔、立体投影仪显示均需2路视频输入,为确保系统满足将来至少2名受试者相互交互的试验需求,安全人机工效虚拟仿真实验系统采用8进8出的视频矩阵解决上述问题,实现虚拟仿真展示平台的系统集成。虚拟仿真展示平台系统架构如图2所示。

2.4 安全人机工效虚拟仿真实现系统的应用初探

安全人机工效虚拟仿真实验系统可利用CAD等开发平台开发虚拟场景,并将虚拟场景导入Jack软件中,植入数字人体模型,通过电磁式动作捕捉器和数据手套实现虚拟仿真交互功能,利用视频矩阵技术通过视频头盔和三维投影系统等多种方式呈现虚拟场景,并利用Jack软件的人因分析等功能对实验结果进行分析。目前该系统在中国安全生产科学研究院已建成并投入使用,如:以中国人(95%的置信区间)建立数字人体,植入建立的虚拟场景中,通过动作捕捉器和数据手套进行仿真交互,利用Jack软件内置的OWAS姿势分析方法对受试者的作业姿势进行分析分析和评估,试验场景及其OWAS姿势分析结果示例如图3所示。

3 展望

安全人机工效虚拟仿真实验系统的建立解决了很多安全生产事故无法重现并进行实验的技术难题,为安全生产领域的科研工作奠定了坚实的基础,具有很好的应用价值。日后应结合具体的科研任务,建立特定的虚拟场景,完成相应的实验任务。

摘要：虚拟仿真技术可有效解决安全生产领域基础理论和应用技术研究过程不能进行试验验证的技术难题。首先阐述了安全人机工效虚拟仿真实现系统的构成以及各部分功能,确定了以Jack软件的可视性分析、可达性分析、工作姿势分析、疲劳恢复分析、受力分析等人因分析功能为核心,建立集开发平台、展示平台、交互平台和数据分析平台为一体的安全人机工效虚拟仿真实验系统。分析了系统集成的关键技术,对比了不同类型动作捕捉器的基本原理和优缺点,结合安全人机工效实验需求,确定了采用电磁式动作捕捉器的系统集成方案,以及动作捕捉器、数据手套和虚拟仿真展示平台的集成方法,并对本实验系统的应用前景进行了展望。

关键词：人机工效,虚拟仿真,仿真交互,安全人机工效,系统集成

参考文献

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手术虚拟仿真系统 篇8

基于虚拟实现技术的配电线路巡检仿真培训系统具有很多优势, 比如它拥有较大的信息容量、能够进行多项演示、可以模拟出很多实际动作、模拟实际工作环境等, 这些优势都是过去的培训方法不能比拟的。利用虚拟实现技术所创造出的培训环境能够极高的还原电力作业现场, 被培训对象可以在不存在任何危险的状态下完成不同业务的培训工作, 从而在很大程度上避免电力事故的产生, 这样就能够极大的降低培训时间, 节约培训成本。

1 三维建模

三维建模可以说是整个虚拟仿真培训系统的基本要素, 三维建模通常有几何建模以及物理建模这两种形式。换句话说, 虚拟仿真培训系统中需要几何模型必须与实际相符合, 同时也必须要具有与实际物体相同的运动特征, 构建出的模型必须要真实, 这样才能够更好的达到培训的目的。在三维建模的过程中必须要充分利用各种先进技术, 将实际物体的具体尺寸、纹理细节等作为最原始的数据, 使用Multi Gen Creator[1]这种建模软件来构建数据库。在这一过程进行中, 必须要结合虚拟仿真培训系统的实际要求以及对实际物体的等级需求来进行, 如此才能够更好的构建模型, 从而增强培训系统的真实性[2]。

2 碰撞检测

本文主要结合仿真培训系统的具体需求以及工作人员在进行实际的业务操作过程中的特征, 通过对引擎源码进行修改, 利用AABB轴向算法来对模拟工作场景与其他物理存在的碰撞进行检测, 这种方法的编程过程中相对简单, 而且容易实现。

3 交互行为控制

配电线路巡检虚拟仿真培训系统的组建, 不仅仅需要依靠真实的三维场景, 同时必须要具备一个相对简易的人机操作界面, 这样一来才能够让培训的效果得到更好的提升。在本文所论述的这一系统之中, 进行人机操作界面的设计时充分考虑到了人机的交互, 在人机界面清晰的让用户了解能够使用三维模型进行哪些操作。如对物体进行平移或者旋转、拉伸物理、浏览三维场景、电力元件的工作原理展示、故障的模拟抢修等。如此一来, 即便是使用该系统的用户不具备非常高的计算机知识也能够非常轻易的使用该系统来进行电路巡检工作流程的模拟操作, 从而让培训的效果更好。

4 仿真培训系统

4.1 系统介绍

模拟仿真培训系统主要采用计算机技术、网络技术、虚拟现实技术等现代化技术, 给电力人员的业务培训提供了一个非常简易并且高效的网络平台。在虚拟仿真培训系统中, 它运用3D动画、图形以及声音等不同的多媒体对电力操作流程进行了逼真的演示。系统中也有非常之多的案例让电力工作人员进行参考实践, 能够极大的满足电力企业技术人员的培训需求。

4.2 系统功能

4.2.1 现场漫游功能, 现场漫游功能能够从不同的方面对电力

作业现场进行了解, 主要有变电站和电力线路的结构、电力设备的运行状况、电力线路的接线情况等。

4.2.2 规范电力人员的工具操作流程, 对于电力技术工作人员

而言, 必须要对各种安全工具有充分的了解和认识, 能够完全掌握它们的具体操作方法, 这对于电力作业时确保相关人员安全具有非常重要的意义。虚拟仿真培训系统结合电力生产的实际特点, 根据相关的规范要求, 利用各种图形动画演示, 为电力操作人员展示出了各种安全工具的使用、存放方法以及注意问题。

4.2.3 实际操作培训功能, 该系统能够对配电线路巡检人员进

行线路设备、运行规程、操作规范等方面的培训。能够在很大程度上还原实际操作现场环境, 让培训对象能够获得一种亲临其境的感受, 从而更加牢固的掌握配电线路作业基本技能。

4.2.4 维护检修培训功能, 虚拟仿真培训系统能够利用其培训

平台, 极大的增加配电线路检修工作人员的技术水平, 同时也可以让新的技术人员对电力专业设备有一个详细的认识。利用这一系统能够在很多方面处理好过去电力培训中一些不可视、不可进入的危险场所的培训难题。

4.2.5 案例模拟功能, 通过对一些典型案例的实际模拟来进行

培训。模拟的案例通常是随机的故障, 或者是在电力系统运行过程中由于人为失误而导致的故障等。被培训的对象通过这一系统进行案例模拟练习, 能够在较短的时间内对配电线路经常产生的一些鼓掌事故以及其基本处理方法有充分的了解和掌握, 让被培训人员在实际工作中遇到这些问题时的应变能力和处理能力得到很大的提升。

4.2.6 培训者和被培训者的互动交流功能。培训者对该系统模

拟的培训过程中进行实时的监控和管理, 培训者可以利用不同的方法来对培训流程进行更改或者删除。培训者能够使用随机触发模式、定时触发模式或者其他模式, 对培训场景进行及时的切换和改变。培训者对被培训者的实际操作流程进行及时的记录, 以便于培训结束后展开考评。

4.2.7 被培训者和被培训者之间的互动交流功能, 在虚拟仿真

培训系统内部, 不同的受训者可以扮演成不同的角色来组建班组。例如某一被培训对象的角色是工作票签发者。另一学员的角色是工作票的负责人员、其他几名学员的角色是工作组成员, 几名被培训者被要求在同一个工作环境下共同来完成某一工作任务, 从而让多个学员获得了培训经验, 更增加了学员之间的互动。

4.2.8 考核评价功能, 该系统能够在受训对象经过培训之后科

学的对学员的培训情况进行分析考核, 受训者也可以利用系统提供的功能开展自我评价。

5 结束语

基于虚拟现实技术的仿真培训系统其灵活性非常强, 能够在很大程度上满足电力作业人员的培训需求。该系统可以实时检测培训对象的受训过程, 在模拟培训的过程中第一时间作出信息的反馈。虚拟仿真培训系统能够让培训对象在任何地点进行培训, 打破了过去培训时对空间时间的限制。虚拟仿真培训系统的利用能够极大的提升电力人员业务培训效果, 从而在很大程度上提升电力作业质量。

摘要：本文介绍了基于虚拟现实技术开发的配电线路巡检仿真培训系统中的三维建模、碰撞检测和交互行为控制等关键技术, 并详细叙述了系统的架构和各模块的功能。系统的开发应用为电力作业人员的培训带来方便, 有效提高了电力安全作业水平。

关键词：配电线路,虚拟现实,仿真培训,碰撞检测

参考文献

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虚拟仿真居室游览系统的设计与实现 篇9

关键词：虚拟技术,仿真,游览系统,三维数字,MAYA,建模

随着计算机硬件技术和计算机三维图形软件开发的成熟，利用数字化手段实现对现实场景仿真的虚拟技术在近年来成为计算机应用领域的热点，在工业生产、工程制造、建筑设计等行业得到广泛的运用，具有广阔的前景。

虚拟仿真居室游览系统是在数字和信息的背景下，把虚拟现实技术应用到房地产楼盘营销服务中。三维数字虚拟仿真居室游览系统可以提前让开发商的理念构思仿真成真实可见的建筑和环境，使设计的准确性和质量得到很大提高，因而在房地产项目的规划、设计、报批报建、营销、物业管理等方面都可发挥巨大的作用。

1 虚拟仿真居室游览系统

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(virtual reality)又称灵境技术，是20世纪90年代以来为科学界和工程界所关注的技术，能为各类工程的大规模数据可视化提供新的描述方法。这种技术的特点就在于计算机能通过图形构成三度空间，或者把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感受。具体来看，虚拟技术是多媒体技术发展的更高境界，它具有Intensive(高密度性)、Interactive(交互性)、Immersion(融入性)、Illustrative(清晰性)、Intuitive(直观性)的特性，这些可视的特征正是它能运用于居室设计的重要优点，也是吸引设计师的主要原因。

1.2 仿真居室游览系统的设计软件

在三维数字仿真居室游览系统设计中，主要是运用虚拟技术及成熟的建模设计软件，当前市场中较为大量使用的系统软件有Maya、3D StudioMax和Premiere等，本系统设计开发用到的主要软件有：

Maya：集成了Alias/Wavefront最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。

UNITY：由丹麦Unity公司开发的游戏开发工具，具体的特性包含整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器，脚本，网络，物理，版本控制等特性。

PHOTOSHOP：绘制或处理三维帖图，如果能够制作出精良的模型，而无法为模型应用逼真的帖图，是无法得到较好的三维效果，因此，PHOTOSHOP的运用将会变得至关重要。

1.3 仿真居室游览系统的实现功能

自动导航功能：通过系统设计者已经设定好的路线，使浏览者浏览时能够大概了解地形地貌，场景的大小，以及整个场景的构造画面。

人物和汽车的控制功能：在对仿真居室场景的游览中，我们借助虚拟人物作为导游带领浏览者尽情的浏览场景的每一个角落，而且也可以让虚拟场景看起来更人性化。

小地图应用功能：和很多3D游戏一样，仿真居室系统加入了小地图功能，主要是为了更好的定位游览者的位置，为浏览者带来了很多的方便。

音频控制功能：虚拟仿真可看成3D游戏的简化版，3D游戏中所包含的功能在虚拟仿真中绝大部分都将被体现出来，声音就是其中之一。

2 三维虚拟仿真居室游览系统的实现过程

2.1 创建仿真居室场景三维模型

运用Maya软件建立室内空间形体的三维模型是三维居室场景创建的第一步，其后在模型上添加材质。

在建模时要注意以下一些原则：第一，要严格按照室内空间的真实尺度进行建模;第二，不要过于追求模型的精细，尽量减少不必要的模型面数;第三，模型制作少用布尔运算等复杂运算，最优化的利用命令。

2.2 设置仿真居室场景灯光效果

创建完三维居室模型后，把模型导入到UNITY中进行编辑，添加适当的光环境和模拟摄像机，完善室内环境场景的建立。

2.3 设置仿真居室场景对象贴图烘焙

贴图烘焙主要是对构建好的别墅进行室内室外的贴图，使其最终的效果看起来比较逼真和美观大方，给人一种别致的感觉。

2.4 设置仿真居室场景的材质效果

材质主要是指定材质到物体在材质创建完成之后，将材质指定给场景中的物体才能对物体产生影响，并通过修改材质属性改变物体的渲染状态。

2.5 制作仿真居室场景动画效果

在完成室内环境的模型创建后，就可以进行虚拟设置，形成数字化动画效果，动画主要是在Maya中设计，用户就是动画主设计师，负责在特定的时刻创建关键帧。

3 结论与展望

借助于虚拟现实技术和成熟的建模工具设计虚拟仿真建筑场景游览系统，能够帮助政府部门、开发商(投资者)、购房者等非工程技术人士克服抽象的工程图纸的不直观，可以从任意角度、任意方向和任意位置来体验感受形象直观的建筑设计效果，能更好地建立用户(开发商和购房者)与设计师之间的相互理解和沟通交流。虚拟仿真居室游览系统不仅改变了人们的生活环境,也给今后的房地产业带来了崭新的技术和广阔的应用前景。

参考文献

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虚拟光学加密系统的仿真与性能分析 篇10

基于光学原理与技术的信息安全作为一种非数学的密码理论与技术近几年来显示出了极大的潜力, 特别是基于虚拟光学系统的加密系统的实现, 使其已成为当前研究的热点之一[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。光学信息处理技术具有高速度、光波长短、信息容量大的特点;同时又具有振幅、相位、波长、偏振等多种属性, 是多维的信息载体, 从而也为光学加密系统的密钥空间提供了更为宽广的选择, 使其具有更高的安全性。近来物联网技术的发展, 进一步推动了基于RFID和光学标签的应用, 如无源二维码, 可以将信息编码到二维码中, 再对其进行加密。一个二维码可容纳多达1 850个大写字母或2 710个数字或1 108个字节, 或500多个汉字, 条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码, 即使在二维条码因穿孔、污损等损毁面积达50%情况下, 照样可以恢复信息, 获取正确的信息。二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读, 在商品标签, 票据等方面已经得到了广泛的应用。

基于光学成像系统的虚拟光学加密机制是利用光学成像原理, 采用计算机程序化方法实现光学加密过程, 以光学过程中的传播规律和结构的几何参数作为密钥, 实现高密级的数据加密和信息隐藏。虚拟光学加密系方法的优点一是由于数字方法的灵活性, 可以自由地选取空间位置、波长和随机相位板分布等系统参量, 从而大幅度地提高了隐藏系统的不可感知性和安全性;二是避开了光学器件的使用, 减少了系统复杂性, 具有紧致、低成本等优点;三是数字方法可以方便地扩展到多种形式, 如音频、视频信息等的隐藏领域中去。

从密码学观点来看, 目前国内外对光学加密方法的研究还局限于对称密钥系统, 即在加密解密过程中采用同样的光学参数进行运算。这种密码系统由于密钥的分发、更新、删除、传输等管理问题需要进一步研究解决, 使其实际应用受到了影响, 文献[10-12]对光学加密系统及其应用进行研究。与此同时, 对加密系统的安全性研究还没有完整的理论结果, 需要进一步研究。在典型的光学加密系统中, 作为密钥的参数主要有衍射距离、光波波长、随机模板、透镜焦距等, 这些参数对系统加密的安全性有着不同程度的影响, 明确这些参数对安全的影响性, 以及影响关系是本文的研究出发点, 这些关系的明确可以使我们能更好地理解基于光学成像原理的加密系统原理, 设计更为安全的加密方法, 并为从理论上证明系统的安全性提供理论基础和依据。

本文将首先介绍基于光学成像原理的加密机制、基本概念和计算方法, 然后设计了计算机仿真实现的相关算法, 包括信息平面和随机平面的离散菲涅耳变换、信息平面的加密和解密算法等, 最后通过对二维码光学标签仿真实验, 验证了方法的正确性和有效性, 分析了衍射距离、光波波长、随机模板、透镜焦距等加密密钥对安全性的影响, 探索密钥参数与安全性之间的关系, 并讨论了可进一步研究的工作。

1 基于光学成像的加密系统与实现

1995年, Refregier等提出了基于4f系统的双随机相位编码方法[1], 这种方法具有较好的安全性和鲁棒性。从此光学加密技术进入较为活跃的研究期, 人们先后提出了基于菲涅耳变换、基于分数傅里叶变换、基于联合变换相关器的双随机相位编码系统以及基于数字相移全息的随机相位编码系统等大量新的或改进的加密系统[12], 下面我们给出基于光学成像原理的加密系统研究虚拟加密系统的实现算法。

1.1 虚拟光学加密系统

设物平面、透镜前表面、后表面以及像平面的复振幅分布分别表示为U0 (x0, y0) , UL1 (ζ, η) , UL2 (ζ, η) 和Ui (xi, yi) , 其中物平面对应于加密系统中的要加密的明文, 像平面对应于加密系统的密文。设数据发送方生成的光学加密参数为Θ, 如对典型的基于4f系统的双随机相位编码方法, 参数Θ包含两个相位函数N (x, y) 和B (α, β) , 以及一个透镜的焦距f;对基于菲涅耳变换的双随机相位编码, 参数Θ包含两个相位随机函数R1 (x, y) 和R2 (x, y) , 以及两个菲涅耳衍射d1和d2等。光学加密系统可以根据这些加密参数设计具体的数据加密, 特别是图像的加密, 因为在这种情况下, 光学加密系统可以并行运行加密、解密过程, 密钥空间是多维的, 在性能上比传统的加密系统更为优越。图1显示了一个二维基于虚拟成像的多维数据加密系统 (VOE, Virtual Optical Encryption) 的理论模型结构示意图[2]。

该系统是一个加入了随机模板 (用于模拟随机光场) 的单透镜光学成像系统。图中, d0是物平面 (信息平面) 到成像透镜前表面的距离, di是透镜后表面到像平面的距离。假定信息平面和随机模板由相同选定波长的相干光照明, 且此成像系统中所涉及的衍射都满足菲涅耳近似条件。根据傅里叶光学, 虚拟光波从物平面到透镜前表面的传播过程和虚拟光波从透镜后表面到像平面的传播过程都可以利用菲涅耳衍射变换来描述。

在虚拟光学加密系统的计算机仿真实现过程中, 要首先对所有连续变量函数进行离散。设在x0和y0方向的采样数为N, 间隔分别为Δx0和Δy0, 在ζ和η方向的采样数也为N, 间隔分别为Δζ和Δη。则离散的N个取样点为

根据Shannon采样定理, 可以得到:

因此, 可以得到菲涅耳变换的离散表达形式, 称为离散菲涅耳变换, 简记为DFD (Discrete Fresnel Diffraction) , 其中信息平面U0 (k, l) 的DFD如式 (5) 所示, 即

其中:λ为光波波长, k, l, m, n=0, 1, …, N-1。另外, 透镜的复振幅透过率函数也要进行采样, 得到其离散形式, 即有:

其中:f为透镜焦距, K为波数, 且有K=2π/λ。

在加密过程中, 可以用DFD计算信息平面 (用U0表示) 和随机模板 (用UM表示) 到透镜前表面的衍射, 衍射距离分别为d0和d, 其中d=d1+d2。它们在透镜前表面的菲涅耳衍射图案将发生干涉, 得到干涉图, 干涉图又经透镜的复振幅透过率函数的转换到达透镜的后表面。将成像透镜后表面的复振幅分布 (用UL2表示) 作为密文, 加密过程可以简单的用式 (7) 描述:

解密过程为上述加密过程的逆运算过程, 即:

式中:

从解密过程可以看出, 要想完全解密出原信息, 除了随机模板外, 还需要知道四个参数, 即衍射距离d0和d、透镜焦距f, 以及光波波长λ。这些密钥参数对加密后的密文的影响, 特别是对恶意攻击的影响将在后面讨论。结合上面给出的计算公式, 图2为系统实现的框图, 具体的算法将在下节讨论。

1.2 虚拟光学加密系统的实现算法

针对上述的光学加密系统, 可以采取计算机仿真的手段进行图像的加密, 通过计算机程序实现基于光线成像原理的虚拟光学加密系统, 下面给出实现过程中的具体算法。

算法1:信息平面的DFD算法

输入:信息平面U0 (k, l) , 光波波长λ, 衍射距离d0, 整数N;

输出:信息平面的离散菲涅耳变换UL1 (m, n) ;

1) 信息平面的离散:根据整数N, 利用式 (1)  (4) 对U0 (k, l) 进行离散化;

2) 菲涅耳变换:利用式 (5) 对离散的信息平面进行菲涅耳变换, 得到UL1 (m, n) ;

3) 输出信息平面的离散菲涅耳变换UL1 (m, n) ;

算法2:随机模板的DFD算法

输入:随机模板UM (k, l) , 光波波长λ, 衍射距离d0, 整数N;

输出:随机模板的离散菲涅耳变换ULM (m, n) ;

1) 随机模板离散:根据整数N, 利用式 (1)  (4) 对UM (k, l) 进行离散化;

2) 菲涅耳变换:利用式 (5) 对离散的随机模板进行菲涅耳变换, 得到ULM (m, n) ;

3) 输出随机模板的离散菲涅耳变换ULM (m, n) 。

算法1和算法2主要是计算信息平面和随机模板的离散菲涅耳变换, 在这个过程中都要对它们进行离散取样处理。很显然作为密钥空间的一个维度, 随机模板的选取和离散方法直接影响到信息加密的安全性, 所以, 如何选择有效的随机模板是基于光学成像系统加密方法的关键问题之一。下面的算法3和算法4给出对信息平面加密和解密的过程。

算法3:基于虚拟光学系统的加密算法

输入:信息平面U0 (k, l) , 随机模板UM (k, l) , 光波波长λ, 衍射距离d0和d, 透镜焦距f, 整数N;

输出:信息平面的加密密文UL2 (m, n) ;

1) 计算信息平面的DFD:根据输入的信息平面 (明文) U0 (k, l) , 执行算法1, 得到其离散菲涅耳变换UL1 (m, n) ;

2) 计算随机模板的DFD:根据输入的随机模板UM (k, l) , 执行算法2, 得到其离散菲涅耳变换ULM (m, n) ;

3) 根据式 (6) , 计算复振幅透过率函数的离散值t (m, n;f) ;

4) 根据式 (7) , 计算密文UL2 (m, n) ;

5) 输出信息平面的加密密文UL2 (m, n) ;

算法4:基于虚拟光学系统的解密算法

输入:加密密文UL2 (m, n) , 随机模板UM (k, l) , 波长λ, 衍射距离d0和d, 透镜焦距f, 整数N;

输出:信息平面U0 (m, n) ;

1) 计算随机模板的DFD:根据输入的随机模板UM (k, l) , 执行算法2, 得到其离散菲涅耳变换ULM (mn) ;

2) 根据式 (6) , 计算复振幅透过率函数的离散值t (m, n;f) ;

3) 根据式 (9) , 计算中间变量U* (m, n) ;

4) 根据式 (8) , 计算中间变量U* (m, n) 的逆离散菲涅耳变换IDFD[U* (m, n) ;λ, d0], 得到信息平面U0 (k, l) ;

5) 输出信息平面的解密明文U0 (k, l) 。

2 仿真实验及结果分析

为了分析基于虚拟光学加密系统的性能, 基于上节描述的算法, 利用Matlab软件和开发的系统对二维码标识图进行了仿真实验。

图3是基于虚拟成像的密码系统对于二维码的加密和解密的仿真实验结果, 所用的图像信息为132×132的二维码。图3 (a) 是原始二维码, 该二维码经系统加密后的结果如图3 (b) 所示。图3 (c) 给出了随机模板的选取, 它是利用Matlab中rand () 函数生成的 (132×132) 二维伪随机阵列。图3 (d) 显示了在解密过程中, 如果没有加密时所用的随机模板密钥, 解密得到的图像还是可以看到原始图像的大概轮廓, 尤其对于二维码而言, 这样就会得出隐藏其中的信息。只有当所有的密钥参数全部正确, 又知道随机模板密钥, 才可以得到清晰的解密结果 (如图3 (e) 所示) 。

通过仿真可以看出, 在多维的密钥参数中, 除随机模板, 其它参数信息 (包括信息平面和随机模板到透镜前表面的衍射距离d0和d, 透镜焦距f, 光波波长λ) 对加密信息的安全性都有直接的影响, 通过这些参数对安全的影响分析, 可以寻求有效的参数选择方法。图4显示了衍射距离d0对信息加密的影响, 当d0与其实际值只有0.000 001 cm偏差时, 解密的结果已接近于明文。

图5显示了随机模板对信息加密安全性的影响。图5 (a) 图5 (d) 中使用的随机模板是满足0到1范围内平均分布的伪随机序列, 而图5 (e) 图5 (h) 使用的随机模板是只有0和1组成的二维伪随机阵列。

图6给出了随机模板到透镜前表面的衍射距离d在偏差不同精度时得到的解密结果, 图中可以看出, 当d存在0.01 cm偏差, 解密的二维码已具有原图的轮廊, 而偏差为0.001 cm时, 解密结果更差, 说明密钥d同解密结果不是一个线性关系, 非线性关系的存在对进一步研究虚拟光学加密系统的安全有重要意义。

图7显示了透镜焦距f对原图像的解密影响, 仿真结果表明, 在f值偏差较大的情况下, 同样可以得到大致清晰的解密图像, 因此, 透镜焦距f的值对解密过程影响不大, 在参数的设计过程中要充分利用其他参数的作用。

图8为光波波长λ对加密信息还原的影响, 仿真结果表明, 即使在偏差0.000 01 cm的情况下, 解密后的结果与原图相差较大, 因此, 光波波长λ的机密性对加密系统的安全性具有较重要的影响, 也是参数设计中需要进一步研究的关键之一。

3 结论

基于光学理论与方法的密码技术近年来引起了人们的高度重视, 与传统基于数学的计算机密码学相比, 光学密码技术具有多维、大信息量、多自由度、固有的并行数据处理能力等特点, 特别是在光学二维码等方面的应用, 为光学加密技术提出了新的挑战, 如光学加密参数的选择、传输、更新等问题, 以及基于虚拟光学加密系统的实现等。

本文针对基于光学成像系统的加密机制, 给出了虚拟加密系统的具体算法, 通过实现仿真系统对二维码的加密过程进行了分析, 仿真结果表明, 光学参数对系统的安全性影响程度不同, 透镜焦距f对信息的加密解密结果影响最小, 其对加密系统的安全性影响不大。光波波长λ对系统的安全性影响最大, 在偏差0.000 01 cm的情况下, 解密后的结果与原图相差仍较大, 也表明该参数对机密性的要求最高, 其他参数对安全性的影响程度处于上述两个参数中间。另一方面, 仿真显示参数对加密的影响具有非线性关系, 而这样关系的进一步确定对参数的设计、系统安全的证明将是很有意义的工作。由于目前的光学加密系统多以对称加密形式实现, 因此, 用来进行加密的光学参数就必须以一个极其安全的传输渠道发送给对方, 以保证加密信息的安全, 一个安全可靠有效的密钥管理系统将是系统能实际应用的关键之一。另外寻求该方法在实际中的应用, 特别是在物联网中的应用也是需要进一步讨论的问题。

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