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[摘 要]近年来计算机技术的发展，使得建立人机一体化的、多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能。在真实感、人性化和交互性的强烈需求下，虚拟现实技术注入了机械动力仿真系统。但是主流的虚拟现实技术由于关键技术的局限，逐渐暴露出了许多棘手的问题，如：画面粗糙、速度缓慢、系统结构复杂、交互性和移植性差。因此，研究利用游戏引擎技术仿真机械的运动具有一定的意义。该技术不仅具有那些传统的虚拟现实技术的所有优点，而且将游戏开发方法的特性移植到机械动力仿真系统中，使得机械动力仿真系统的开发更灵活，更有效率。最重要的是，游戏引擎中的物理引擎能体现物体间的力的作用，使得合乎物理规律的运动现象产生，避免了传统的虚拟现实技术和机械仿真技术中通过硬编码模拟机械运动的缺陷。
[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。从发布方面考虑，该引擎支持跨平台发布，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
[4] 杨统国，王广家.浅析虚拟现实技术在数字科技馆中的应用.山东省科技馆.250011
[5] 惠志.3D游戏引擎在虚拟展示中的应用研究.微机发展，2005年第4期.
[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。从发布方面考虑，该引擎支持跨平台发布，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
[4] 杨统国，王广家.浅析虚拟现实技术在数字科技馆中的应用.山东省科技馆.250011
[5] 惠志.3D游戏引擎在虚拟展示中的应用研究.微机发展，2005年第4期.