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计算机仿真技术介绍

一、视景仿真及其相关技术的概念1前言作为信息技术核心的计算机技术

自其诞生之日起经历了50多年的发展，以广泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术，因其有效性、经

济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上

发展起来的一种仿真应用技术。据最新统计资料表明，计算机仿真技术是当前

应用最广泛的实用技术之一，虚拟现实(VR,Virtual Reality)是计算机世界最

热门的一个词汇。视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新

技术的综合运用。2计算机图形学人认识自然首先是靠眼睛观察事物的外表形象，人脑擅长形象思维，而计算机擅长逻辑思维。例子：孩子认识妈妈和学会

1+1=2。让计算机观察、认识表达物体是比较困难的。计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科，它的发展、成长、普及滞后

于计算机发展很多年。但目前随着硬件(光栅扫描式显示器)和图形软件(如cad、3dmax等)的发展，使得计算机图形学进入了发展的广阔天地。计算机图形学的

任务：是用计算机从无到有生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制成纸张和胶片上的图形。它所研究的主要对象是：景物的几何建模方法，数字模型的绘制技术，图形输入和控制的人机交互界面，以及计算机动画。3计算机图形学的应用计算机图形学的应用可以说无处不在，计算机动画和科

学计算可视化成为计算机图形学最为成功的两大应用领域。(1)科学计算可视化计算机的飞速发展，使得科学家与工程师们可以处理滚滚而来的信息洪流，每

天从地面、海上、空间传来大量数据，远远超过人脑分析解释这些数据的能力，由于缺乏对大量数据的有效分析手段，大约95%的信息被浪费掉，严重阻碍了

科学研究的进展，科学家们惊呼"我们能够做到的仅仅是收集部分数据。"，这样，一门全新的技术"可视化"(visualization)应运而生。可视化的本质是"用

图形与图象表征数据"。直观地讲，是研究：如何把科学数据，无论是通过计算还是从测量获得的数值，或是从卫星传回来的图象，或是医学CT(计算机层面X 射线照相)和MRI(核磁共振成像)转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计

算方法。简而言之，科学计算可视化是把计算机图形学与图象处理技术应用于

计算科学的学科。它研究两方面的内容：(a)如何把科学数据-数值与图像，转

变成可视的图形(图象)与可理解的信息的工具。(b)研究把可视化工具应用于科学和工程的各个学科。

天气数据可视化(2)计算机动画在计算机引入动画制作的初期，动画技术只是用于自动控制动画制作的机械设备，如摄像机和动画控制台。随着计算机图

形图象处理技术的迅速发展，计算机在动画制作中的应用范围越来越广，目前

应用分两类：计算机辅助动画(即二维动画)和计算机生成动画(即三维动画)。

三维动画其三维数据在计算机内部生成，其运动轨迹也是在计算机内部以三维

数据确定。动画技术作为一种表达第四维信息的技术，不仅可以用来表达时间

的变化，也可以用于表示其它参数的变化。计算机图形学中的三维图形知识应

用在可视化技术中，使得人们能够利用计算机在三维图形世界中直接对具有形

体的信息进行操作，并和它们直接交流，可视化技术赋予人们对物体进行仿真

并且实时交互的能力。把人和机器以一种直观自然的方式加以统一，可以在三

维图形世界里以前所未有的手段获取信息并发挥自己思维得创造性。如设计三

维机械零件模型。三维图形应用于动画技术，生成三维动画，可以使得设计师

随心所欲发挥自己得想象力。如设计高难度的影视片断和广告，电影《泰坦尼

克号》、《侏罗纪公园》、《终结者II》等精彩得电影镜头就是计算机动画和

实景无缝结合的产物。

侏罗纪公园4、仿真的发展根据国际标准化组织(ISO)标准中得《数据处理

词汇》部分的名次解释，"模拟"(Simulation)与"仿真"(Emulation)两词含义分别为："模拟"即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来

表示它们的过程。"仿真"即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统，以至于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。目前"模拟"和"仿真"两者所包含的内容都

归于"仿真"的范畴，用"Simulation"来代表。仿真又称蒙特卡罗方法，它是一

种通过用随机数做实验来求解随机问题的技术。蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在本世纪四十

年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。蒙特卡罗方法的基本

思想是：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期

望值时，它们可以通过某种"试验"的方法，得到这种事件出现的频率，或者这

个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。蒙特卡罗方法通过抓住事物运

动的几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟实

验。它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验

的结果，作为问题的近似解。可以把蒙特卡罗解题归结为三个主要步骤：构造

或描述概率过程；实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。蒙特卡罗方法

起源于1876年，但是直到75年后才被命名，原因是直到数字计算机出现之前，这种方法在许多重要问题上都不能加以利用，从1946年到1952年，数字计算

机在一些科研机构得到发展，使得冗长的计算成为可能，这种计算正是蒙特卡

罗方法所要求的。5、系统仿真仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义，综合国内外仿真学界对系统仿真的定义，可做如下定义：系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它

专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借

助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出

决策的一门综合性的和试验性的学科。要进行仿真试验，系统和系统模型是两

个主要因素，同时由于复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处

理装置，计算机就责无旁贷地充当了这一角色，所以，系统仿真实质上应包括

三个基本要素：系统、系统模型和计算机，基本活动则包括：模型建立、仿真

模型建立和仿真实验。如图：

物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型

上进行试验研究。直观形象，逼真度高，但代价高，周期长。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。半物理仿真：即物理数学

仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型，一部分以实物方式引入

仿真回路。针对存在建立数学模型困难的子系统的情况，必须使用此类仿真，

如航空航天、武器系统等研究领域。数字仿真(计算机仿真)：首先建立系统的

数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系

统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。6计算机仿真由分类表可见，计算机仿真已成为系统仿

真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技

术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机

的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算

机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发

周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。从上面分析可以得出计算机仿

真的定义：计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及

其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利

用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了

计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、

信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真的用途非常广泛

已经渗透到社会的各个领域。如在核领域，未来的核试验不用核弹而是用计算

机仿真模拟来进行。1996年9月10日联合国通过了《全面禁止核试验条约》，但是条约只是说明核试验在实爆方面的结束，俄罗斯军事专家说："许多西方发达国家，即使不进行核试验，也能运用高速大规模计算机，在三维空间对核爆

炸全过程进行全方位模拟。"这是目前的现实，据外界估计，到目前为止，能进行计算机模拟仿真核试验的国家和地区有：美国、俄国、英国、法国、中国、

日本及台湾地区。

高威慑力地面核爆炸仿真7仿真可视化从20世纪90年代以来，随着复杂

系统仿真应用需求的不断提高和应用领域的不断扩展，计算机仿真已经从纯数

字仿真，发展到人在回路中的虚拟环境仿真技术的新阶段。现在的仿真系统已

经是综合的仿真系统，并且网络化。仿真可视化是仿真与可视化技术的结合，

就是把仿真中的数字信息变成直观的、以图形图象表示的、随时间和空间变化

的仿真过程呈现在研究人员面前，使研究人员能够知道系统中变量之间、变量

与参数之间、变量与外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特性。

并且提供了观察数据交互作用的手段，可以实时地跟踪并有效地驾驭数据模拟

与实验过程。仿真可视化的内涵有两层：仿真结果可视化与仿真计算过程可视化。8、仿真动画仿真动画是仿真技术和动画技术相结合，利用动画把仿真过程描述的更直观更形象。是最为直接地表现模型行为的图形技术方法。动画技术

应用于仿真有两种方式：--非实时仿真动画：即后处理动画输出，先运行仿真

程序，并存储仿真数据，结束后作为动画的驱动数据，不具备动画与仿真的交

互能力(分离的)，广泛应用于仿真不需要交互和处理的领域，如建筑设计、城

市规划、影视制作等。这时可以把模型做得更逼真一些。--实时仿真动画：即

与仿真同步的实时动画，成为实时仿真动画。主要侧重仿真过程和结果的实时

表现和交互，而把仿真动画的逼真性放在次要位置。广泛应用于要求仿真实时

处理和交互的领域，如航空航天、测绘、建筑、化学分子建模、军事训练等领域。

2005年7月4日深度撞击的仿真动画9视景仿真视景仿真是仿真动画的高

级阶段，也是虚拟现实技术的最重要的表现形式，它是使用户产生身临其境感

觉的交互式仿真环境，实现了用户与该环境直接进行自然交互。视景仿真采用

计算机图形图像技术，根据的仿真的目的，构造仿真对象的三维模型或再现真

实的环境，达到非常逼真的仿真效果。视景仿真是计算机技术、图形处理与图

像生成技术、立体影像和音响技术、信息合成技术、显示技术等高新技术的综

合运用。成为仿真系统软件的一个主要组成部分，是虚拟现实技术、分布式交

互仿真技术主要的内容之一。一个视景仿真系统由三部分组成：视景数据库、

图像生成器和显示系统。视景数据库包括几何定义数据、仿真环境需要的色彩

和纹理；图像生成器绘制的内容是仿真器从视点定义的，这些数据存储在视景

数据库中；显示系统可以是投影仪、CRT(阴极射线管)显示器或者头盔显示器。应用于城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚拟现实房产推销、作战训练和武器研制等领域。目前视景仿真在军事领域应用，各国处于竞争状态。美军是世界上运用计算机技术进行模拟训练最早的军队。美军认为，运用

计算机进行模拟训练，是一种可以最大限度贴近实战的训练方式。据美军统计，从未参加过实战的飞行员，在首次执行任务时生存的概率只有60%，经过计算

机模拟对抗训练后，生存的概率可以提高到90%。1995年北约部队对波黑塞军

进行大规模空中打击前，美国就利用计算机技术将高分辨率卫星图像与波黑战

场数字地图结合生成逼真的战场模拟环境，让飞行员在这个模拟环境中实时演练，大大提高了空袭的成功率。早在20世纪80年代初，美军就开始将计算机

模拟技术引入训练领域。进入90年代后，为了全面推广计算机模拟训练，美军成立了专门负责研制、开发、管理模拟训练系统(器材)以及支持美军模拟训练

的执行部门---美军国家模拟中心，从而推动了计算机模拟训练的广泛开展，引发了美军训练观念、训练理论、训练手段、训练方式以及训练内容等一系列深

刻变革。美军于20世纪80年代提出了"分布式模拟"的模拟化训练新概念，其

实质就是将分散于不同地点、相互独立的模拟系统或模拟器用计算机网络联接

起来，组成高度一体化的模拟网络系统。在这个模拟网络系统中，所有网内受

训单位或个人既可单独进行模拟训练，又可与其他单位或个人配合进行一体化

的协同模拟训练。2002年7月美军举行的"千年挑战2002"演习中，美军就启用了这两套网络模拟系统，分散在全美26个指挥中心和训练基地的各军兵种指挥人员，在同一战争背景、同一战场态势、同一作战想定下同时同步进行了组织

指挥大规模联合作战的模拟演练。2003年1月18日，在伊拉克战争前，日本

陆上自卫队北部方面队和驻日美国陆军在日本北海道东千岁驻地开始举行日美

陆军联合指挥演习。这是日美陆军使用电脑进行的一次模拟演习，日本自卫队

约4500人和美国陆军约1500人参加演习。演习持续到2月1日。这次演习是

在假想日本北海道周边发生事态的情况下举行的，综合演习应用卫星地图和电

脑进行仿真模拟作战，目的是检查日美两军在实施联合作战时指挥系统和情报

传送等效果，从而提高作战指挥能力。从1981年以来，日美两国每年交互举行两次这种演习。

道尔导弹野战防空训练器,模拟打击某国四代战机10虚拟现实(VR)VR是20世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术，又称"灵境""幻境"。它

是一种全新的人机交互系统，集成了先进的计算机技术、传感与测量技术、仿

真技术、微电子技术于一体，利用计算机生成虚拟环境，它能对介入者产生各

种感官刺激，如视觉、听觉、触觉、嗅觉等，给人以身临其境的感觉，并且人

还可以以自然的方式与环境进行交互，强调了人在虚拟环境的主导作用。VR的

定义：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)，通过各种传感设备使用户"沉浸"到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然

交互的技术。模拟环境――是计算机生成的具有表面色彩的立体图形，它可以

是现实世界的真实体现也可以是纯粹构想的世界。传感设备――包括立体头盔、数据手套、数据衣、等装置和设置于现实环境中的传感装置。自然交互――指

用日常使用方式对环境内物体进行操作。VR的基本特征：沉浸感(Immersion)：不和传统计算机接口技术，使用者使用自然的方式交互，完全沉浸于计算机所

营造的虚拟环境中。交互性(Interaction)：与传统三维动画特征的区别，是使用者不在是被动地接受信息或者是旁观，而是使用交互输入设备操纵虚拟物体，改变虚拟世界。构想(Imagination)：使用者利用VR得到感性和理性的认识，

从而深化概念和萌发新意。11虚拟现实与计算机仿真、视景仿真的关系VR虽

是多学科的综合体，但它是以仿真技术为核心的，所以也可以把它看作一种类

型的仿真系统，在仿真中VR可以看作三维仿真模型的高级界面。仿真的目的是决策问题，决策分为宏观决策和微观决策，目前的VR系统的应用属于微观决策一类，虽然有些VR系统规模很大，但涉及的却都是局部决策。(1)视景仿真是

计算机仿真的重要分支，它着重于达到非常逼真的三维仿真效果；(2)视景仿真是VR的重要表现形式，使用了很多的VR技术，VR在某种意义上是视景仿真的

延伸，是三维视景的高级阶段；(3)视景仿真目前更侧重于视觉和听觉的身临其

境，VR向全方位的身临其境发展，有触觉、嗅觉等其它感官。VR是更先进的计算机接口技术。根据应用范围看计算机仿真、视景仿真与VR的关系如图：

在仿真与VR之间的关系需要进一步研究，尽管同行之间看法不完全一致，这是各学科综合交叉的结果，但经过深入科学研究之后就会逐步统一起来，目

前首要的任务是把先进技术利用到实际中去。二、三维视景实时成像理论三维

视景实时成像技术又称真实感图像实时生成技术是视景仿真和VR的基础，它不仅决定了仿真系统对人的视觉感受，而且决定了客观世界中的对象本质及其联

系在计算机上的体现。1三维视景的生成原理(1)视景生成过程一个视景仿真系

统由三部分组成：视景数据库、图像生成器和显示系统。视景的显示是由计算

机提供的。视景数据库由2部分组成，一是直接或间接存储的图像数据，二是

以向量或参数方式存储的图形数据。由于视景是随时间变化的三维世界的再现，因此，除了三维投影和立体视觉等与光学有关的问题外，还有三维物体运动的

实时计算问题。

(2)视景的内部表示--图形学表示：图形的最基本表示单位点、线，图形的最常用单位是多边形，其它概念还有曲线、曲面。如点：用直角坐标系

P(x,y,z)直线：用2个顶点坐标P1P2表示N边形：用有序的N个顶点坐标

P1P2…PNP1表示--图像表示：二维图像表示(二维数据矩阵，即位图表达)；三

维图像表示：包括三维曲线表示(如三维B样条表示)，三维曲面表示(如Coons

孔斯曲面、Bezier曲面、B样条有理曲面等)--视景的高层内部表示：如如何表示三维物体(结构信息和物体间相互联系)等。方法有物体的结构与物体的多视

特征表示法。结构法中包括边界法、广义锥法和结构立体几何法等(3)视景三维建模技术虚拟环境的建模是整个视景仿真系统建立的基础，主要包括三维视觉

建模和三维听觉建模。几何建模：描述对象内部固有几何性质，如形状、轮廓、表面属性、基元间的连接性等。对象的形状能通过图形库(如GL、XGL等)从头

创建，但一般要利用一定的建模工具。最简单的方法就是使用传统的CAD软件，如AutoCAD或3DS交互地建立对象模型，得到高质量的三维可视化数据库的最

好方法，是通过专门的视景仿真建模工具，如MultiGen、Vega等。对象的外表真实感取决于它的表面反射和纹理。以前提高一个对象的真实感的主要方法是

增加物体的多边形细节，但在实时仿真时增加多边形会使图形处理速度变慢。

现在常采用纹理.映射增加真实感。物体表面细节一般分为两种，一是颜色纹理(如花瓶上的图案)二是表面的几何纹理(如桔子的皱折表皮)。为了模拟物体表

面精致的不规则的颜色纹理采用纹理技术可将任意的平面图形或图像覆盖到物

体表面上，在计算机图形学中纹理被定义为一光亮度函数，有一维、二维或高维，常用的是二维，它可由一数学模型定义或由一幅平面图像来表示。图像可

由实拍照片来提供。纹理中最小的元素叫纹理元素(Texel)，每个纹理元素由RGB、亮度、和透明度Alpha组成。颜色纹理只考虑了在光滑表面上描绘事先定义好的花纹图案，但不能表现出微观的几何形状凹凸不平的粗糙感，1978年Blinn提出了一种无需修改表面几何模型，就能模拟表面凹凸不平效果的有效

方法――几何(凹凸)纹理映射技术。通过对景物表面各采样点的位置做微小扰

动来改变表面的微观几何形状，从而引起法向量的扰动。运动建模：仅仅建立

静态三维几何体是不够的，虚拟环境中物体的特性涉及到位置改变、碰撞、缩放、表面变形等。物体位置包括物体的移动、旋转和缩放。对每个对象赋予一

个坐标系统，即对象坐标系统，随物体移动而改变。在视景仿真系统中经常要

检测对象A和B是否碰撞，要计算其相对位置。物理建模：虚拟对象的物理建

模包括质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度等物理性质，这些与

几何建模和行为规则结合起来。形成更真实的虚拟物理模型。对象行为建模：

除了对象运动和物理特性对用户行为直接反应的数学建模外，还可以建立与用

户输入无关的对象行为模型。这些对象如动物、植物、飞机等。行为分为确定

性的和非确定性的。确定性的是指它的状态是时间的一元函数，即可以确定它

在仿真过程中的完整状态，非确定性指其行为不可预见，如人、动物等。模型

分割：通过几何、物理建模一般得到的是一个复杂的模型，大量的多边形，使

得绘制速度大大减慢。任何应用都可能面对建模复杂度的问题，在建立模型中

可采用几个办法，如单元分割，变化细节，内存管理等。(4)生成真实感三维图形的基本理论使用计算机完成真实感对象的图形必须完成四个基本任务：a)用

数学方法建立所需的三维场景几何描述。B)将三维几何描述转换为二维视图(透视变化)c)确定场景里的所有可见面。(隐藏面消除算法)。D)计算可见面的颜色。因为通过表面颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置，为了能计算

屏幕象素上相应景物可见点的颜色，需要建立一个能计算物体表面在空间给定

方向上光亮度的光照模型。因此，体绘制、曲面、光照、光线跟踪和辐射度是

重点。体绘制，是用来将物体的几何或物理特性在二维平面上表示出来的方法。构造物体三维表面形状的算法称为三维空间图形显示算法。曲面表示，分为一

般曲面表示，如双三次孔斯(Coons)曲面，双三次B样条插值曲面，等。复杂曲面表示，由一条脊线和两条限制组合曲线建立可展曲面，由一条脊线和若干限

制参数建立拟合曲面，还有三次类型过渡曲面，最小二乘拟合曲面等。光线跟

踪技术，计算机图形学使用高光合阴影描述物体的立体特性，使用的计算模型有：1)只考虑由光源引起的漫反射分量和境面反射分量的局部光照模型，如不

考虑境面反射的局部光照模型、phong光照模型、Cook-Torrance光照模型等。2)采用光线跟踪的整体光照模型。是生成高度真实感图形的主要方法之一，基

本原理是从视点向物体引出一条射线，则物体表面的光亮度由离视点最近的标

量值决定。辐射度方法，是光线跟踪技术之后的又一令人振奋的图形生成技术

之一。它利用热辐射工程中的能量传递理论，从整体上将环境中各表面上的光

能分布较精确地计算出来，从而表现包括面光源在内的复杂环境的整体光照明

效果，能模拟诸如色彩渗透、软影、间接光照明等用以前传统技术所不能模拟

的特殊效果。和光线跟踪结合可实现光能在景物表面间由漫射到漫射，镜面到

漫射，漫射到镜面和镜面到镜面四种主要的能量传播过程，使照明模型更加完善。从这里可以看出，计算机技术问题的解决是应该复合自然科学多方面知识的。(5)动画生成技术计算机动画是当今计算机图形学及CAD技术中最尖端的应用，已经形成独立的研究领域。根据计算机动画绘制和显示的原理，以及动画

的交互程度，可以将计算机动画分为非交互动画和交互动画，交互动画又分为

非实时计算交互动画和实时计算交互动画。视景仿真环境中的动画生成一般是

指实时计算交互动画。虚拟环境中动画生成根据其所依据的理论和所采用的技

术分为：关键帧动画、变形物体动画、人体动画、过程动画和基于物理模型的

动画等。关键帧动画：关键帧插值问题归结为参数插值问题变形物体动画：如

电影《终结者II》机械杀手T-1000，由液体变成金属人人体动画：目前有许多问题没解决，是计算机动画中最富挑战的课题之一，脸部表情的研究难度最大。过程动画：即用一个过程去控制物体的动画。过程动画经常涉及物体的变形，

与前面的柔性物体的动画不同。柔性物体动画，物体的变形是任意的，可由动

画师任意控制。在过程动画，物体变形基于一定的数学模型和物理规律。过程

动画应用最为成功的是不规则物体的动画。如火、烟、云等气体现象。利用粒

子系统有独特的优点，在电影《Star Trek II》模拟星系爆炸有成功的应用。

基于物理模型的动画：20世纪80年代发展起来，能逼真的模拟自然物理现象，是基于物理学定律，(如牛顿动力学)，考虑物体的真实属性如质量、弹性、摩

擦力等。但因为计算量大模拟缓慢。2实时视景生成(1)三维图形应用程序接口OpenGL当前有许多实时三维视景系统软件可以完成视景仿真场景的生成，他们

的底层均基于三维图形应用程序接口OpenGL。OpenGL实际上是一种图形与硬件

的接口，由SGI公司设计，是为编程人员所设计的图形生成工具软件库，如同

其他应用程序接口API一样，是一个简单、容易使用的图形制作工具。目前也

有其他的图形应用程序接口API，但OpenGl已经发展成为所有计算机硬件平台

制造商实际采用的工业标准，同时也为软件开发者广泛使用。由于计算机工业

界在所有的计算机平台上使用了同一套库函数调用命令，因此，OpenGL的开发

成本是最低的。尤其是OpenGL三维图形加速卡和微机工作站的推出，人们可以在微机上实现CAD设计、仿真模拟、三维游戏等，从而更有机会、更方便地使

用OpenGL及其应用软件来建立自己的三维图形。OpenGL是一个硬件图形发生

器的软件接口，是一个与硬件无关的图形接口，它提供与硬件密切相关的设备

操作函数，但也不提供复杂形体的图形操作函数，必须用点、线、面等基本的

图形单位开始建立三维模型。它包括100多个图形操作函数，开发者可以利用

其构造景物模型，进行三维图形交互软件的开发。(2)高层三维视景开发环境有如：IRIS Performer(SGI公司)，MultiGen-Paradigm Vega(MultiGen-

Paradigm公司)，CG2 Vtree(CG2公司)等(3)实时视景生成和显示技术三维视景生成和显示的实时性是产生现实感觉的首要条件。三维视景仿真中实时性主要

体现在：1)运动体位置、姿态的实时计算和动态绘制；2)画面更新在20~30帧；

3)实时交互动作；声音与图像的同步等。图形生成速度是仿真可视化的重要瓶颈，速度取决于：图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理

能力；图形生成所采用的各种加速技术；应用因素及虚拟场景的复杂程度、所

需要的真实感速度。虽然高速发展的CPU和专用图形处理器使当今的图形工作

站得到很大提高，但当前图形生成速度相对于仿真可视化环境的规模来说仍然

存在相当大的差距。如何从软件着手，减少图形画面的复杂度，成为仿真可视

化图形生成的主要目标。下面从软件角度就一些实时图形生成和显示技术做一

些介绍：1)可见性判定和消隐技术由于视线的方向性、视角的局限性以及物体

相互遮挡，人眼所看到的往往只是场景中的一部分。有些目标不在视野范围之内，有些在但可能部分超出屏幕，这就要进行可见性判定和裁减。同时，由于

视点的不同，在空间，我们只能看到三维物体的某些面(向前面)，而有些面是

看不到的(背离面)，将那些完全或部分被遮挡的面称为隐藏面，消隐技术就是

要消除相对空间给定观察位置的背离面和隐藏面。2)细节层次模型当物体离得

越来越远时，人们不能再辨清该物体上的许多细节结构，因此，绘制一个远处

的物体时，用该物体细节描述非常复杂的模型是完全没有必要的，浪费图形处

理资源和时间。因此同一物体采用不同细节层次模型描述具有很多优点，并已

经广泛应用。生成不同细节层次的方法：基于曲线、曲面拟合的物体模型可以

自动生成该物体的不同层次的细节描述。基于多边形网格模型的多细节层次模

型自动生成也有了广泛的研究。主要有一下几类：①自适应递归划分是曲面、

曲线常用的方法。将该方法合曲面拟合技术相结合，用不断逼近的曲面片逼近

所要简化的物体模型。②基于网格重建划分的多边形建模简化方法。③基于顶

点删除的多边形消减方法是自动生成物体简化模型一种有效方法。决定顶点是

否删除，可删则采用递归循环分割法对删除顶点所遗留的空洞进行三角划分。

细节层次模型的选择方法：根据人的视觉特征，主要依据以下标准：(前两种是常用方法)如何做到不同细节层次模型的光滑过渡仍有待于进一步解决。--根据物体与视点的距离--根据物体在投影面所占空间的大小，即在屏幕上所占象素

的大小--根据物体与视线方向的夹角--根据人与物体是否存在相对运动3)实例

技术当三维复杂场景中具有多个几何形状相同但位置不同的物体时，可采用实

例技术，例如场景中许多树，之间差别仅限于位置、大小、方向不同，如果把

每棵树放入内存，将造成极大的资源浪费。，可以采用内存实例的方法，相同

的树木只在内存中存放一份实例，将一个树进行平移、旋转、缩放之后得到所

有相同结构的树木。4)纹理映射技术环境模型中的图形仅有体和面的几何结构，是不能产生仿真环境的真实感觉的，还需要对其表面进行处理即加表面反射和

纹理。以前，提高真实感的主要办法是增加物体的多边形，然而增加多边形的

实时仿真会使图形速度变得缓慢，目前的图形硬件都具有实时纹理的处理能力，允许二维图像位图上的象素加到三维实体模型的对应点上，以增强图像的真实感。使用纹理映射有以下好处：?--增加了细节水平及景物的真实感?--由于透

视变化，纹理提供了良好的三维线素?--纹理大大减少了环境模型的多边形数目提高图形显示的刷新频率5)单元分割技术将仿真环境模型分割成较小的环境模

型单元称为模型单元分割，分割后，只有在当前模型中的环境模型对象被渲染，可极大减少模型复杂程度。如对对大地形模型和建筑模型分割。对于某些规整

的模型，分割容易自动实现。而对于那些完成后一般不再轻易变化的建筑模型，分割能在预先计算阶段离线完成。

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计算机仿真技术的应用与发展趋势1

计算机仿真技术的应用与发展趋势摘要在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。本文将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。本文最后说明了虚拟现实和拟实制造的概念，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。绪论计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－

数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 1. 制造技术的发展历程制造业（包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类）是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%~55% 。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占 60% 左右。所以有的专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，各国政府都非常重视对制造业的研究。为了改进以 T （开发周期）、 Q （产品质量）、 C （开发成本）、 S （售后服务）、 E （环境污染程度）为主要衡量指标的产品及产品开发过程，美国在 80 年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术（ AMT ： Advanced Manufacturing

计算机仿真技术的应用

一、为什么要进行仿真 ?什么叫系统？ ◆系统：相互关联又相互作用着的对象的有机组合，该有机组合能够完成某项任务或实现某个预定的目标。通常研究的系统有工程系统和非工程系统。 ◆工程系统（电气、机电、化工） ◆非工程系统（经济、交通、管理）建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，以便分析和综合自然、社会和工程系统中的种种复杂问题。 ?对系统进行研究、分析与设计的方法；（1）直接在系统上进行实验在要设计的系统上进行实验（2）在模型上进行实验对要设计的系统进行处理，根据其中内含的各种自然规律（包括欧姆定律、比例环节和惯性环节等）得到相关的控制规律，即系统的数学模型来进行研究。对要设计的系统进行一定比例的缩放得到缩小或放大的物理模型。（古时的建筑）选择在模型上进行实验的原因 ◆系统尚未设计出来 ◆某些实验会对系统造成伤害 ◆难以保证实验条件的一致性；如果存在人的因素，则更难保证条件的一致性。 ◆费用高 ◆无法复原二、仿真的定义 ?仿真的定义在不同的领域或范畴中有不同的描述，可以概括为：“仿真是指用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。” ?仿真遵循的原则：原理抽象相似原理。相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。几何相似：根据相似原理把原来的实际系统放大可缩小。如把12000吨水压机可用1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮船也要用缩小的模型来研究。性能相似：构成模型的元素和原系统的不同，但其性能相似。如：可用一个电气系统来模拟热传导系统。在这个电气系统中电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代表温差，电流代表热流。三、仿真的目的或作用 ?优化设计 ◆预测系统的性能和参数 ?经济性 ◆采用物理模型或实物实验，花费巨大。 ◆采用数学模型即计算机数学仿真可大幅度的降低成本并可重复使用。 ?安全性 ◆载人飞行器和核电站的危险性不允许。 ?预测性 ◆对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报） ?复原性

计算机仿真技术的发展概述及认识

学院专业届别课程班级姓名学号联系方式指导老师2012年5月

计算机仿真技术的发展概述及认识

计算机仿真技术的发展概述及认识摘要：随着经济的发展和社会的进步，计算机技术高速发展，使人类社会进入了信息时代，计算机作为后期新秀渗入到人们生活中的每一个领域，给人们的生活带来了前所未有的变化。作为新兴的技术，计算机技术在人类研究的各个领域起到了只管至关重要的作用，帮助人类解决了许多技术难题。在科研领域，计算机技术与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术，作为人们科学研究的一种新型方法，被人们应用到各个领域，用来解决人们用纯数学方法或者现实实验无法解决的问题，对科研领域技术成果的形成有着积极地促进作用。本文在计算机仿真技术的理论思想基础上，分析了计算机仿真技术产生的基本原因，也就是人们用计算机模拟解决问题的优点所在，讨论了模拟、仿真、实验、计算机仿真之间的联系和区别，介绍了计算机仿真技术的发展历程，并查阅相关资料介绍了计算机仿真技术在不同领域的应用，分析并预测了计算机仿真的未来发展趋势。经过查阅大量数据资料并加以分析对比，这对于初步认识计算机仿真技术具有重要意义。关键词：计算机仿真；模拟；仿真技术；发展一、引言计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。二、基本概念模拟：（Simulation）应用模型和计算机开展地理过程数值和非数值分析。不是去求系统方程的解析解，而是从系统某初始状态出发，去计算短暂时间之后接着发生的状态，再以此为初始状态不断的重复，就能展示系统的行为模式。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。仿真：（Emulation）利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目

第一章系统仿真的基本概念与方法

第一章控制系统及仿真概述控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。第一节控制系统仿真的基本概念 1．系统：系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。 “系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。 2．模型：模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。模型分为物理模型和数学模型两种。数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。 3．系统仿真：系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。我们这里讲的是后一种仿真。数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。

校园网络的设计与仿真V5.0

题目（中文）（英文）

摘要随着internet技术的快速进步，根据国家科教兴国的策略，众多的学校合并，联网，共享资源；使它们互连起来成为一个整体满足教学、科研、办公自动化和信息化建设的需求。结合实际及当前成熟的网络技术，我们规划设计了一个具有高可靠性和开放性的校园网络。本设计可以方便的将学校的各个办公室、计算机机房和网络设备连接起来、把各教学楼有机的连接起来，使校园内所有的计算机互相之间能进行访问，达到资源共享、适应新形式下基于INTERNET的远程教育需要。在这次设计中，我们使用了思科路由器交换机模拟器Packet Tracer 仿真模拟了中学校园网的规划设计并做设计方案。在设计中运用了NAT，DHCP，RIP，ACL，GRE-VPN，STP端口安全等网络技术，满足了学校对校园网的各种需求。关键词：远程教育、办公自动化、地址转换NAT、DHCP

Abstract With the rapid advancement of internet technology, according to the national strategy of rejuvenating the country, many of the school consolidation, networking, sharing of resources; make them interconnected as a whole to meet the needs of teaching, research, office automation and information construction. Combined with practical and current mature network technology, we plan to design a high reliability and openness of the campus network. This design can easily be each school's office, computer room and network devices connected together, the various school buildings organically linked, so that all the computers on campus can be accessed from each other, sharing resources, adapt to the new form based on INTERNET distance education needs. In this design, we used Cisco routers and switches simulator Packet Tracer simulation of the high school campus network planning and design and make design. Use of NAT, DHCP, RIP, ACL, GRE-VPN, STP port security and other networking technologies in the design to meet the various needs of the school campus network. Keywords: distance education, office automation, address translation NAT, DHCP

计科0807章浪-计算机仿真技术

计算机仿真技术 1.引言作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了50多年的发展，以广泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。据最新统计资料表明，计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一，虚拟现实(VR, Virtual Reality)是计算机世界最热门的一个词汇。视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。 2.计算机仿真概述计算机仿真又称计算机模拟或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真方法的产生是与电子计算机技术的发明和应用紧密相联的。上世纪70年代以来，随着数字计算机运算速度的大大提高以及相应的仿真软件的不断完善，数字计算机仿真得到很快发展，其应用范围也由各种工程领域扩展到非工程领域。进人上世纪90年代，计算机仿真技术又朝向智能化

仿真(仿真技术与人工智能相结合)、分布式并行处理仿真、仿真支持系统等方向发展。目前，无论在科学研究还是技术开发和工业设计中，计算机仿真技术者唤示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可缺少的一种手段，其成效十分显著。然而，无论是什么样的仿真，都是以系统数学建模为基础，在一定假设条件下进行的信息处理过程，进而在仿真基础上进行实验研究。 3.仿真的发展进人20世纪90年代，计算机技术的各个方面都取得了异乎寻常的进展。微处理器性能的增长使得利用微型计算机和工作站进行复杂系统的仿真分析成为可能，当然像中长期天气预报这样模型复杂、数据繁多、实时性要求高的问题的计算仍离不开巨型机。在软件设计中广泛采用了面向对象的思想和方法，再加上计算机图形技术的进步，仿真过程中的人机交互越来越方便直观。根据国际标准化组织(ISO)标准中得《数据处理词汇》部分的名次解释，“模拟”（Simulation）与“仿真”（Emulation）两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统，以至于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得

计算机模拟仿真技术在航空航天中的应用

计算机模拟仿真技术在航空航天中的应用在本文开篇，我先粗略介绍一下计算机仿真模拟技术。计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。（选自百度百科计算机仿真摘要）仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。（选自百度百科）计算机仿真模拟的原理是依靠计算机的迭代运算，所以这是一门依靠计算机技术所衍生的一门有着实际意义的学科，它与我们的生活息息相关。计算机仿真模拟技术在科学技术、军事、国民经济、汽车、电子行业、体育、交通运输、金融、管理、航空航天方面都有广泛的应用。它的研究范围小到原子，大到宇宙，可以说在现实生活中应用极为广泛。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。随着专门用于仿真的计算机——仿真机的出现，计算机仿真技术日趋成熟，现在已经趋于完善。随计算机技术的飞速发展，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。本文将主要从航空航天方面对计算机仿真模拟进行探讨。航空技术是从上世纪60年代前苏联发射第一颗人造卫星开始，人类开始了对太空的探索。

仿真技术简介

何为仿真？ 1定义仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的一门多学科综合性技术。它是它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。

2发展历程仿真是一种特别有效的研究手段。20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中期，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。70年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的训练仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估；工业领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练；农业领域中的农业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护；在交通领域中的驾驶模拟训练和交通管理中的应用；医学领域中的临床诊断及医用图像识别等。 3主要仿真技术 1>仿真建模

浅谈计算机网络仿真技术

浅谈计算机网络仿真技术冯永利何忠龙罗宪芬（公安海警高等专科学校电子技术系，浙江宁波315801）摘要：本文介绍了网络仿真技术的产生背景、概念、特点、主要应用、发展趋势以及OPNET网络仿真软件。关键词：网络；仿真技术；OPNET；仿真软件；网络建模 The Simulation Technique of Computer Network FENG YongLi, HE ZhongLong and LUO XianFen (Public Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China) Abstract：The paper mainly introduces the background, concept, characteristic, practical application and development trend of computer network’s simulation technique, together with OPNET network simulation software. Key words：computer network, simulation technique, OPNET, simulation software, network modeling 1 网络仿真技术的产生背景在信息技术和网络技术迅猛发展的今天，网络结构和规模日趋复杂庞大，多种类型的网络日益走向融合，业务种类增多，网络负载日益繁重，新的网络技术更是层出不穷。研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做出前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源，使网络达到最高效能。因此，如何对网络进行规划或优化设计是个非常富有挑战性的课题。无论是构建新网络，还是升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估，从而降低网络建设的投资风险，使设计的网络具有很高的性能。目前，计算机网络的规划和设计一般采用的是经验、试验和计算等传统的网络设计方法。这在网络规模小、拓扑结构简单、网络流量不大的情况下得到了广泛的应用。而随着网络的不断扩充，必然对网络设计的客观性和设计结果的可靠性提出很高的要求。网络仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的，它以独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。

浅谈计算机仿真在机械上的应用

浅谈计算机仿真在机械上的应用李思宏（重庆交通大学，重庆402247）摘要：如今计算机仿真技术在机械上有着广泛的应用，计算机仿真已然成为热门。本文用综述的形式简要介绍了计算机仿真的概念、机械生产现状及计算机仿真在机械各个领域的应用，并给出了一个计算机仿真的实例——有限元建模的过程。希望读者能够对计算机仿真有能够有一定的了解，理解这种分析手段在当今机械生产中有着广泛应用的原因。关键词：计算机仿真机械综述 Application of Computer Simulation in the Machinery Li Si-hong (Chongqing Jiaotong university,Chongqing 402247) Abstract: Nowadays, the computer simulation technology in the machinery has been widely used, the computer simulation has become a hot. This paper summarizes the form briefly introduced the production status and the mechanical concept of computer, computer simulation of mechanical simulation in various fields, and gives a process computer simulation examples -- finite element modeling. I hope the reader will on computer simulation has to have a certain degree of understanding, the understanding of this kind of analysis techniques are widely applied in modern machinery production. Keywords:computer simulation machinery overview 0 序言随着科技的发展，当今机械工程较传统机械有了较大的改变，其中显而易见的就是计算机仿真技术在各个方面上都得到了广泛的应用。作者从计算机仿真的概述和当今机械生产的现状入手，介绍了计算机仿真在机械的各个领域的作用，并给出了一个计算机仿真的实例。 1 计算机仿真计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的

计算机仿真技术在各行业的应用

计算机仿真技术在各行业的应用计算机仿真技术的应用范围涵盖社会的诸多方面，并为不同行业的发展均起到了不同程度的推动作用，为不同行业的发展注入了新的动力。其应用领域主要包括以下几个方面： 1计算机仿真在教育领域的应用计算机模拟实验又称计算机仿真实验或计算机虚拟实验，是近几年在计算机多媒体教学中开辟的新领域。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书和根据需要在瞬间建立的模拟实验室。近几年来，学校越来越重视学生的时间操作能力，计算机模拟实验则成为学生学习与考核的重要手段。计算机模拟实验的产生打破了教师与学生、理论与实践的限制，他尤为突出教学过程中的实验设计思想和实验思路，更突出学生学习的主动性。学生利用计算机模拟实验，可以提升学生对学习兴趣，对教学内容、试验方法、教学设备的结构和原理进行深入理解，进而锻炼时间操作技能。 2计算机仿真技术在交通运输领域的应用交通是由人、车、路和环境构成的一个复杂人机系统，事故的诱发因素是多方面因素的综合。交通安全的评价，应该充分考虑人、车、路和环境诸方面因素的作用和影响。本交通安全仿真是基于虚拟现实技术的方法。该评价体系是通过建立虚拟环境，并在这个虚拟环境中设计各种事故诱发因素，并对某区域和某路段的交通安全水平进行全过程(设计后，施工中，运营后)的跟踪和评价。计算机仿真是交通安全仿真系统的中心组成部分。该仿真系统与一般意义的数据仿真有着很大的不同。对某区域的交通安全评估上，交通安全仿真系统不仅仅使用绝对数法和事故率法来评估，它还蒋该区域人们的交通一世与行为因素也整合其中。在模拟的交通路段中，可以选择任意交通工具，设计任意的路段环境，以旁观者的视角来进行交通事故实验与分析，进而对交通路段做出相对准确的安全评估，为交通事故评估提供了一种可靠的方法。 3 计算机仿真技术在制造领域的应用计算机仿真技术介入汽车制造业，可以有效缓解许多难度高，投资成本大的相关问题。例如计算机仿真的多缸柴油机发动机，其仿真数据与发动机实际数据高度重合，应用与多功能发动机的模拟。在汽车流场方面，计算机仿真技术可以成功的模拟出气流分离的状态，构建了空气动力学的汽车模型。在汽车碰撞方面，计算机仿真技术可依据实际的汽车碰撞事故状况与人员损伤之间的数据，构建汽车碰撞的。本文来源于：元计算官网

《计算机仿真技术》试题(含完整答案)

、数值计算，编程完成以下各题(共20分，每小题5 分) 1、脉冲宽度为d，周期为T的矩形脉冲的傅里叶级数如下式描述: d［i.^= sin(^d/T)cos(^：n.) T n」n rd /T 当n =150，d..「T =1；4，- 1/2 ：：：.：：： 1/2，绘制出函数f(.)的图形。解： syms n t; f=((si n(n *pi/4))/( n*pi/4))*cos(2*pi* n*t); s=symsum(f, n,1,150); y=(1+2*s)/4; x=-0.5:0.01:0.5; Y=subs(y,'t',x); plot(x,Y) 2 0 05x2 5 ■ 5 2、画出函数f (x)二(sin 5x) e .- 5x cos1.5x 1.5x 5.5 x 在区间［3, 5］的图形，求出该函数在区间［3, 5］中的最小值点X min和函数的最小值f min . 解：程序如下 x=3:0.05:5; y=(si n(5*x).A2).*exp(0.05*x.A2)-5*(x.A5).*cos(1.5*x)+1.5*abs(x+5.5)+x.A2.5; mix_where=fi nd(y==mi n(y)); xmin=x(mix_where); hold on; plot(x,y); plot(xmi n,min (y),'go','li newidth',5); str=strcat('(' ,nu m2str(xmi n),',' ,nu m2str(mi n(y)),')'); text(xmi n,min (y),str);

Ylabel('f(x)') 经过运行后得到的图像截图如下：运行后的最小值点X min =4.6 , f m in = -8337.8625 3、画出函数f (x) = cos2x「e^'x — 2.5 X在口，3]区间的图形, 解该非线并用编程求性方程 f (x) = 0的一个根，设初始点为X o = 2 . 解： x=1:0.02:3; x0=2; y=@(x)(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x); fplot(y,[1,3]); Xlabel('x') Ylabel('f(x)') X仁fzero('(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x)',x0) 运行后求得该方程的一个根为z=0.3256 。 4、已知非线性方程组如下，编程求方程组的解，设初始点为[1 0.5 -1].

计算机仿真概述

引言仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育系统也得到了广泛的应用。在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支、提高质量尤其具有突出的功效。现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。一、系统、模型与仿真在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。系统：一般来说，所谓“系统”就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的“三要素”――实体、属性、活动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。举个例子说，我们可以把一个理发馆定义为一个系统。该系统的“实体”包括服务员和顾客，顾客到达模式和服务质量分别是顾客和服务员两个实体的“属性”，而整个服务过程就是“活动”。模型：所谓“模型”就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的信息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似，只不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学方程。如带电粒子在电场中运动的数学模型，我们关心的是粒子的速度、位移随时间的变化。于是我们将系统的特征如电场强度，时间，粒子

现代仿真技术的应用及其发展

东华理工大学信息工程学院课程论文课程：计算机仿真技术基础题目：仿真技术的应用与发展学生姓名：学号：班级：10204102 专业：计算机科学与技术指导教师：谢小林二零一三年六月四日

摘要作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了60多年的发展，已广泛应用于国民经济和社会生活中。并与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术这一新的研究方法。计算机仿真作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。本文系统全面地介绍了计算机仿真技术，阐述了计算机仿真技术的概念、原理、优点，简要介绍了计算机仿真技术的发展历程，文章最后重点探讨了现代仿真技术的研究热点，即计算机仿真技术在社会各个领域中的应用：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。关键词：计算机仿真、发展、应用、模拟

目录摘要 (2) 第一章前言 (4) 第二章计算机仿真技术概述 (4) 2.1计算机仿真技术简介 (4) 2.2计算机仿真技术原理 (5) 2.2.1模型的建立 (6) 2.2.2模型的转换 (6) 2.2.3模型的仿真实验 (6) 第三章计算机仿真技术发展 (6) 3.1发展趋势 (7) 3.2 现代仿真技术 (8) 3.3计算机仿真技术发展方向 (10) 3.3.1．网络化仿真 (10) 3.3.2．虚拟制造技术 (10) 第四章计算机仿真技术的应用 (11) 4.1.交通领域 (11) 4.2.制造领域 (11) 4.3.教育领域 (12) 结语 (13) 参考文献 (14)

计算机仿真技术试卷B

题号一二三四总分得分一、填空（共15分，每空1分）１．机械系统的分类是、。２．仿真系统模型的应用分别是、、。３．空间状态模型主要包括、。４．机械工程领域常见的数字仿真算法是；、。５．功率键合图主要组成部分是、、、、。二、根据系统模型编写C 程序求曲柄滑块机构的位移、速度、加速度（共15分）弹簧质量系统如下图，相关参数为k1=1.2，k2=1.5，k3=1.6。三、建立空间状态方程（共20分，每题10分） 1、分析质量弹簧系统，列出该系统的微分方程然后根据微分方程写出其状态方程 2、将传递函数转化为空间状态方程写出计算步骤 G(s)=6s +8 2s 3+6s 2+16s +10得分阅卷人得分阅卷人得分阅卷人

2 四、画出下列系统的功率键合图并写出绘图步骤（共30分，每题10分）１．绘出右图的键合图并写出步骤２. 绘出右图小车系统键合图并写出绘图步骤 3. 一个生长在罐中的细菌的简单模型。假定细菌的出生率和当前细菌的总数成正比，死亡率和当前的总数的平方成正比，试建立仿真模型，画出键合图。五、列出系统的状态方程和simulink 模型（共20分）列出右图蹦极系统的状态方程并写出其状态方程。桥梁距地面的距离是h2=50m ，人距桥梁的距离是h1=30m 。系统参数为 k=20，a1=a2=1，m=70，g=10 系统数学模型是得分阅卷人得分阅卷人

2009～2010学年第二学期《计算机仿真技术》期终试卷（B卷） …………………………………装…………订………线………………………………… 专业级班姓名学号得分…………………………………密…………封…………线……………………………… 第 3 页共 3 页

计算机仿真技术

The computer simulation technology Abstract: With the development of information processing technology and network technology, simulation technology has not only limited to the performance test product or system integration after production, but also can be applied to the whole process of product models developed, including demonstration program, tactical and technical indicators feasibility studies, design analysis, manufacturing, testing, maintenance, training and so on various stages. System simulation technology is also knowned as system simulation technology, computer simulation of so-called electronic communications system, it is used of computer systems for real electronic communications or digital models of physical model tests. To analyze and study the performance of such a model experiment and working conditions of a real system. When tested in the actual study of electronic communication systems is difficult or impossible to achieve, simulation technology has become an inevitable choice。 Keyword：message，network，simulation，communication，research 计算机仿真技术摘要：随着信息处理技术和网络技术的发展，仿真技术的应用已不仅仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，更可应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。系统仿真技术也称为系统模拟技术,所谓电子通信系统的计算机仿真,就是利用计算机对实际电子通信系统物理模型或数字模型进行试验,通过这样模型实验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究.当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时,仿真技术就成为必然选择。关键字：信息，网络，仿真，通信，研究 1、什么是计算机仿真技术：仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验,其可以再现系统的状态﹑动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理﹑性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。 [1]它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点, 已经成为对许多复杂系统( 工程的、非工程的) 进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础, 以计算机和各种物理设施为设备工具, 利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。在计算机问世以前，基于物理模型的实验一般称为“模拟”，它一般附属于其他相关学科。自从计算机特别是数字计算机出现以后，其高速计算能力和巨大的存储能力使得复杂的数值计算成为可能，计算机仿真技术得到了蓬勃的发展，从而使计算机仿真成为一门重要的学科。随着仿真应用的日益扩展，计算机仿真的外延也在延伸。如现代的各种仿真训练器：飞行器，船舶、轮机仿真训练器等，尽管在景观、声响、操纵和监控系统等方面大量地采用物理仿真，但其核心部分仍然是对系统及其各组成元件的实时计算机数学仿真。广义地．这些仿真也纳入了计算机仿真的范围。 2、现代仿真技术现代仿真技术的重要进展主要体现在: 2.1系统建模方面: 传统上,多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等;在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等[2]。除此之外,近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法;基于模型库的结构化建模方法:面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。