基于GL Studio的虚拟仪器仪表设计与仿真

孙艳丽，王玲玲，陈佳琪

(1．海军航空工程学院 基础实验部，山东烟台264001;2．海军航空工程学院 控制工程系，山东烟台264001)

1 引 言

近年来本科学员、在职培训及预选士官等教学任务逐年增大，但新参训人员直接操作容易因误操作导致损坏设备，增大维修成本，而且有限设备无法同时供应大量人员使用，使得耗时较长，通过仿真软件开发虚拟仪器仪表是提高效率，解决院校实验教学、装备培训、部队操练的重要途径。

GL Studio是一个面向对象，用于创建实时的二维或三维、照片级交互式的图形界面开发软件。纹理工具可以导入数字照片，完成仪表仿真。GL Studio有内建代码生成器，把图形设计器创建的文件生成可移植的VC代码。可进行人机互动，实时显示仪表之间的动态关联，效果直观逼真［1－2］。GL Studio开发流程主要包括创建纹理、图形界面设计、软件设计、系统实现四大方面［3］。

2 创建纹理

纹理创建的好坏直接关系所创建虚拟仪表真实程度，纹理图片的获取是创建纹理的第一步，获取纹理通常有两种方法:① 用数码相机直接拍摄真实的仪表，将所拍摄的照片经过处理后作为纹理;② 用图形编辑工具创建纹理［4］。目前，采用第一种方法获得纹理比较常用。得到高质量的实物照片后，去除照片中的背景，将所有能动部件(如仪表盘上指针、动态数字、开关、旋钮、按钮等)从主仪表板上逐个移除，并拷贝到新图层中，最后保存纹理图片。本文中根据不同需求电源柜的界面是由数码照片处理而成，示波器的仿真则为了增强立体效果采用3dmax创建纹理。

2.1 基于数码照片的纹理创建

制作的第一步就是要直接使用相机拍摄到其实物照片，并且在拍摄照片时一定要注意保持照相机的垂直，防止因拍摄角度的原因造成照片的倾斜，以至于最后影响到所制作的电源柜的真实度。其中需要一张电源控制柜的整体照片来作为背景。当纹理图片的像素太大时，GL Studio软件使用对象属性窗口进行添加纹理图片时是无法显示的。可是如果降低图片的像素，清晰度将会受到影响，本文中采取将图片进行分割的方法，这样既保证了单张图片像素不会太高，又兼顾了清晰度的问题。

将面板图片上所有能动的部件给抠出来，并将所有状态都拍摄下来，在拍摄完照片后使用Photoshop对电源柜的面板照片进行处理，消除掉因为人为因素所造成的照片倾斜、亮度不均匀等种种会影响到其真实度的问题。将所有抠下的各种小部件纹理图片综合放置于同一张纹理图上，以避免各个部件的纹理图片的比例不同，从而导致在后续的工作中需要频繁地调整其大小。

2.2 基于3ds max的示波器纹理创建

在3ds max软件界面中，画出示波器图片中线的截面，设置其路径，使用放样法制作线的三维模型。使用挤出法在3ds max中制作示波器上凸出的按钮等。对于示波器上的金属接口，设置其材质为金属。对于示波器的屏幕采用先分割平面再挤出的方法来制作，最后设置其纹理使其更接近于真实物体。取得用3ds max制作的示波器的立体模型的图片，用Photoshop调整其大小使其能够被GL Studio软件使用的示波器虚拟仪器背景的纹理图片，如果纹理图片的像素过大的话则在GL Studio中是显示不出来的。再将示波器上所有的按钮以及旋钮用Photoshop逐个将其抠下来，并将其拷贝到新的图层上，获得纹理图片。

3 图形界面设计

首先用 VC6．0 在 GL Studio 3．0 Standalone AppWizard中建立设计器，完成初始化，当 GL Studio初始化完毕后，GL Studio已经生成了大量的代码，包括三个文件，两个源文件和一个头文件。一个源文件是win_main．cpp，在该文件中有int WINAPI WinMain函数，这是程序的入口函数，该函数调用了另一个源文件里的int main(int argc，char*argv［］)函数，这个源文件的名字是根据用户定义的工程的名字来定义［5］。同时 GL Studio又定义了一个指针全局变量，名字也是工程的名字，该指针指向的类是glsDisplayFrame类的派生类，在 int main(int argc，char*argv［］)中在堆上创建glsDisplayFrame类的派生类对象。在该类的构造函数中做了一些初始化工作，然后调用Create();函数，该函数用来产生程序窗口，具体如下:

void testClass::Create(void)

{

theWindow=new OpenGLWindow(0，0，_width，_height，Name()，this);

theWindow－＞end();

theWindow－＞resizable(theWindow);

BackgroundColor(255，255，255，255);

FrameInterval(33333);

theWindow－＞resize(0，0，_width，_height);

theWindow－＞show();

theWindow－＞make_current();

}

之后即可在GL Studio编辑器的设计窗口中利用工具栏中的创建工具和“所见即所得”的设计环境创建一个和电源柜背景图像相似的图形对象［6］。将经过处理的控制柜的背景纹理图片通过对象属性窗口中的Texture窗口添加到当前的图形对象之中，并将其设置为当前纹理。通过设计窗口上工具栏中的模式工具对纹理进行调整，使其正好铺满图形，在主控制窗口中给创建好的图形对象命以恰当的名字，以便于更好地管理、编辑对象。除了设计画布外，GL Studio设计器包含了分层视图，在视图中显示所有设计中对象列表，以树状结构显示，如图1所示。

图1 状态设置图Fig．1 State diagram

根据背景纹理上各个所抠下的部件的形状，再分别创建出与它们各自相近的图形对象，依照对电源柜背景纹理的处理方法分别对其进行处理，最后得到所要设计的图形界面。

在画面中用到不少文本框，要实现文本框的数据、文本的改变，首先要把文本格式化到一个缓存里。设文本框指针名为firsttextgrid，要把数值100显示在文本框里，可以首先创建一个属性成员函数，通过在CODE主窗口点右键添加即可实现，此时会得到一个成员变量，只需要选定SET方法，然后输入:

int index=100;

char buffer［10］;

sprintf(buffer，"%d"，index);

firsttextgrid－＞string(buffer);

因为电源柜是单层画面，只有一个Calculate()函数，只要选择classmenthods在Calculate()函数中调用刚才的SET方法，然后保存，生成代码，编译连接运行，就可以在文本框中看到修改了的数据。

产生窗口以后绘制的画面，由函数CreateObjects()生成［7］。在该函数里，首先在堆上生成对象，该对象代表每个画面中的控件，名字是用户绘制画面时候，在主控制面板中生成的名字。GL Studio根据绘制的对象不同，会生成从不同类中派生的对象，指针的定义已经在头文件中定义好，在CreateObjects()中，生成对象后调用该类成员函数，产生画面。该类成员函数的具体定义已经封装在GL Studio的动态库中，GL Studio会根据用户绘制的画面，把画面的必要信息，如顶点颜色、顶点位置、名字、纹理大小等以参数的方式传过去。GL Studio将根据这些参数，自动生成与用户在画布绘制的一样的图像。这就是GL Studio的所见机所得的工作机制。图片绘制完毕后，进入do-while语句，这个循环将不断调用一个虚函数Calculate()，实现所有画面的刷新，如图2所示。

图2 各功能模块的调用关系Fig．2 Call relationship of each function module

在设计好图形界面之后，依据实际面板的操作需要将各个控制部件创建成合适的装置，工作方式开关创建成旋钮，选中工作方式图形对象，点击工具栏中转化工具的旋钮装置，如图3所示。打开旋钮装置的对象属性窗口，在Knob标签下，选择General标签顶部的Angle Range，即角度范围。设置旋钮旋转角度为0°～70°，即旋钮旋转的起始位置和终点位置，如图4所示。

图3 转化为旋钮装置Fig．3 Device into a knob

图4 设置旋转范围Fig．4 Set the rotation range

之后设置起点和终点间的挡位，在Detents标签下的Number of Detents输入框中填入数字“3”，即共有3个挡位，分别为“0”、“平时”、“忙时”。滑动Detent Positions的滑块使每一挡位对应合适的角度。在主控制窗口的代码窗口中添加新变量。变量类型为float，名字设为_newRoll，初始值设为0．0f。最后在对象属性窗口的Object Code栏的Initialization Code中输入如下代码:

Self－＞DetentVal(1);∥旋钮初始挡位为1

在Event callback Code即事件回调代码中写入以下代码:

bool rval=false;

if(ObjectEventIs(ev，"DetentVal"))

{switch(rollGlsKnob－＞ DetentVal())

{case1:

_newRoll=0．0f;∥0°时为挡位 1

break;

case2:

_newRoll=50．0f;∥50°时为挡位 2

break;

case3:

_newRoll=70．0f;∥70°时为挡位 3

break;

}

Rval=true;

}

Return rval;

剩余的部件创建成按钮装置，在所有创建的GlsPushButton(按钮装置)对象的对象属性窗口的Object Code窗口的Event callback Code即事件回调代码中写入以下代码:

chekonggui_click_value=self－＞State();

return 0;

其中 chekonggui处填写每个对象各自的名字。

在主控制窗口的代码窗口的类变量中点击Add将所有的GlsPushButton对象逐个添加进去，在设定其类型为int，初始值为0。编写行为代码。

4 软件整体设计

为了达到实现虚拟电源柜功能的目的，需要对图形界面中的开关、旋钮、按钮、指示灯、屏幕以及指针等动态的部件进行控制，而这就需要在主控制窗口中的代码窗口类方法的Calculate区域内进行编程来实现各部件的动作，如图5所示。

图5 软件编程图Fig．5 Software program

5 编译、链接和测试

编程完成即可进行电源柜的仿真，测试其是否满足可正常工作，满足设计要求。首先需要生成．h 和．cpp 文件，之后打开．dsp 文件，在 C++环境下对电源柜进行测设。在．dsp文件中对电源柜进行运行，即可生成．exe可执行文件。在．exe可执行文件上按编写的行为程序点击按钮，测试其功能是否正常，如图6所示。

图6 示波器的测试Fig．6 Test of oscilloscope

6 结 论

经过测试发现电源柜和示波器均能按照所编写的行为程序动作，能够实现使用虚拟仪器进行院校装备训练，实现提高效率、节省损耗的效果。

［1］ 于辉，赵经成，付战平．Gl Studio虚拟仪表技术应用与系统开发［M］．北京:国防工业出版社，2010．YU Hui，ZHAO Jingcheng，FU Zhanping．Gl Studio virtual instrument technology application and system development［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2010．

［2］ 张文，朱元昌，樊世友．Gl Studio及其在雷达面板仿真中的应用［J］．测控技术，2012，21(12):50－53．ZHANG Wen，ZHU Yuanchang，FAN Shiyou．GL Studio and its application in the simulation of radar’s panels［J］．Measurement＆ Control Technology，2012，21(12):50－53．

［3］ 崔小鹏，邵英，李万．基于Gl Studio的电力监控系统设计［J］．船海工程，2011，40(2):122－124．CUI Xiaopeng，SHAO Ying，LI Wang．Design of power monitoring system based on GL studio［J］．Ship ＆ Ocean Engineering，2011，40(2):122－124．

［4］ Distributed Simulation Technology Inc．Gl Studio user’s guide，Version 1．04［R］．［s．l．］:Distributed Simulation Technology Inc，2000．

［5］ 孙艳丽，李建海，王玲玲．基于GL的某型电源系统仿真设计［J］．电子测量技术，2014，37(2):1－3．SUN Yanli，LI Jianhai，WANG Lingling．Simulation of a certain type of power system based on GL Studio［J］．Electronic Measurement Technology，2014，37(2):1－3．

［6］ 乔林，费广正．Visual C++高级编程技术——Open GL篇［M］．北京:中国铁道出版社，2000．QIAO Lin，FEI Guangzheng．Visual C++advanced programming technology——Open GL［M］．Beijing:China Railway Publishing House，2000．

［7］ 沙俊名，刘泽乾，庞帅．基于Gl Studio的指挥仪模拟训练系统设计与实现［J］．科学技术与工程，2011，11(12):2819－2823．SHA Junming，LIU Zeqian，PANG Shuai．The design and implementation of a director simulated training system based-on GL Studio［J］．Science Technology and Engineering，2011，11(12):2819－2823．