计算机仿真技术及其应用_张锋

本栏目责任编辑：李桂瑾人工智能及识别技术

１引言

随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机仿真技术和虚拟现实仿真在各行各业得到了广泛应用，使用计算机进行仿真的研究和应用也是如火如荼。计算机仿真［１］（ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）又称计算机模拟［２］（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｎａｌｏｇｙ），它是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，是系统仿真［３］的一个重要分支。系统仿真就是建立系统的模型，并在模型上进行实验的过程。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。因此，通俗的说，计算机仿真就是指在实体尚不存在、或者不易在实体上进行实验的情况下，对考察对象进行建模，然后通过计算机编程考察对象在系统参数以及内外环境条件改变的情况，达到全面了解和掌握考察对象特性的目的。

本文主要在介绍计算机仿真技术的基础上，谈谈计算机仿真技术的应用。

２计算机仿真技术

计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。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。

２．１计算机仿真的发展

计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和专业建模技术的发展而发展的。从历史上看，计算机仿真大致经历了四个发展阶段：

（１）模型试验。最原始的仿真思想，其模型试验是基于物理模型进行的，缺乏柔性和精度。

（２）数字化仿真。采用计算机进行分析计算，但是计算结果表达局限于记录文件和图表上，缺乏直观形象。

（３）图像化仿真。大量采用丰富的图形图像技术来表达仿真结果，如三维图形。

（４）虚拟现实技术。不光采用三维图形技术表达计算结果，而

且采用特殊装置，如戴上三维数据头盔，触摸仪器等，使人有身临其境的效果。

２．２计算机仿真的步骤及技术核心一般计算机仿真的步骤为：

（１）建立数据模型。建立数据模型主要是通过演绎法、

归纳法、综合集成法等分析方法，建立一个特定对象的有限边界的数学模型。要建立好数学模型，通常要考虑到特定对象仿真研究的预定目标和边界、先验知识（包括已被验证的定理、定律、理论和模型）、观测数据、特定领域专家的经验等因素。

（２）数学模型的实现，也称的数据模型的程序化。数学模型的实现包括两个方面的内容，即设计仿真算法及编制仿真程序。传统的模型程序化活动是一个十分繁琐和复杂的工作。由于大量算法的研究成果及软件技术的进步，目前对于某些特定领域，已能提供面向对象、可交互操作、具有自动编程能力和算法库的商品化产品，如：ＣＳＳＬ、ＣＳＭＰ、ＡＣＳＬ、ＳＬＭＣＲＩＰＴ、ＧＰＳＳ、ＳＩＭＵＬＡ、ＳＬＡＭ、ＧＡＳＰ、ＤＹＮＡＭＯ等。

（３）仿真实验。仿真实验（包括分析）是系统仿真另一个十分重要的活动，它主要是按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果。

目前，计算机仿真计算的关键技术主要包括：

（１）面向对象的仿真［４］（ｏｂｊｅｃｔ－ＯｒｉｅｎｔｅｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＯＯＳ）。

其主要是将整个系统的功能设计和实现归属为对对象的操作及对象信息的彼此综合利用来实现，对象间信息的传送引起了系统的活动。

（２）分布交互仿真（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＤＩＳ）。主要是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连，构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。

（３）智能仿真（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＩＳ）。主要是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造各处基本知识的开发途径。是人工智能（如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等）与仿真技术（如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等）的集成化。（下转第２３８页）

收稿日期：２００７－０９－１０

作者简介：张峰（１９６８－），男，甘肃省庆阳市人，上海铁道学院，工程师，研究方向：计算机应用。

计算机仿真技术及其应用

张锋

（烟台市芝罘区经济信息中心，山东烟台２６４０００）

摘要：近年来，随着控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展，系统科学研究的深入，计算机仿真技术已经发展成为一门新的学

科。信息处理技术的突飞猛进，更使得仿真技术得到了迅速发展。

计算机仿真技术是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。本文主要在介绍计算机仿真技术的发展、计算机仿真的仿真步骤以及仿真的核心技术的基础上谈谈计算机仿真技术的应用。

关键词：计算机仿真技术；仿真步骤；仿真应用中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００７）１９－４０２３３－０１

ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ

（ＹａｎｔａｉＺｈｉｆｕＥｃｏｎｏｍｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｙａｎｔａｉ２６４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎ－ｄｅｐｔｈｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎｅｗｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔａｌｓｏｍａｋｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍ＇ｓｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｒｅｖｅａｌｅｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｅｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｉｃａ－ｔｉｏｎｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｅｐｓ；ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

２３３

人工智能及识别技术

本栏目责任编辑：李桂瑾

电脑知识与技术

（上接第２３３页）

（４）人机和谐仿真。主要包括可视化仿真、

多媒体仿真、虚拟现实仿真。

３计算机仿真技术应用

计算机仿真技术首先在军事领域得到应用的，目前，它在军

事和民用领域得到了广泛的应用，以下我们主要讨论其应用的几个主要方面：

（１）军事领域。主要运用在虚拟战场、

战场的战术使用训练、战场评估、武器对抗效能评估等。目前这方面的仿真软件有国内神州普惠的ＤＷＫ［５］。

（２）航空航天领域。主要仿真对火箭发射、

卫星释放、太空行走、嫦娥登月等计算机仿真试验。

（３）教学领域。如通过计算机网络试验仿真和教学试验仿真可以让学生通过观看网络运作动画、分析网络性能结果和设计简单网络实体，更容易、深入地理解网络协议和算法的复杂行为，收到更好的教学效果。

（４）工业制造行业的仿真。如机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。主要包括：汽车制造是机械行业、齿轮设计方面、磨削方面、故障诊断、在疲劳寿命判断、于刀具设计、微钻头设计、渗碳层浓度分布、含间隙机构、空调制冷系统的研制和包装机械的开发等。

（５）气象预测领域。这是一个典型的无法进行物理模型试验

的领域，计算机仿真技术成为气候变化、

气候预测的唯一手段。（６）社会系统仿真。采用计算机仿真技术来分析预测人口的增加对自然界产生的影响等。

（７）医学领域的仿真。将计算机仿真技术应用于手术、

整形外科等，通过仿真进行精确设计手术方案、模拟手术操作，使得手术更趋于精确和微创。

（８）经济管理领域。如对国家经济系统、

地方财政收支、银行经营、股市等进行计算机动态仿真，来搞好对宏观经济的分析和预测。

（９）城市建设领域。如城市交通仿真、

城市交通规划仿真、城市交通控制模拟仿真、交通流运行模拟仿真等。

除了上面所提到的，计算机仿真还在很多其他领域得到了广泛的应用。

４结束语

计算机仿真技术是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。计算机仿真新技术发展的突飞猛进和计算机仿真技术所表现的优越性及潜在效益是巨大的。尤其近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就。因此，计算机仿真技术在军事和民用领域等众多方面都得到广泛的应用。

参考文献：

［１］ＬａｗＡＭ，ＫｅｌｔｏｎｗＤ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．ＭｃＧｒａｗＨｉｕ，Ｉｎｃ，１９９１．

［２］ＤｒａｇｏＭａｔｋｏ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＳｙｓｔｅｍ［Ｍ］．ＰｒｅｎｔｉｃｅＨａｌｌ．１９９２．

［３］王正中．系统仿真技术［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８６．

［４］黄柯棣，等．系统仿真技术［Ｍ］．长沙．国防科技大学出版社，１９９８

［５］ＤＷＫ简介．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐｐｓｏｆｔ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｃｎ／ｈｔｍｌ／ＤＷＫ／ＤＷＫ．ａｓｐ．２００７－１０－１０．

行ＳＰＩＨＴ解码，然后根据小波变换图像将各个子带内感兴趣区的小波系数进行比特平面下移，最后进行小波反变换的得到解码图像。

２．４感兴趣区优先编码策略

感兴趣优先编码策略是在对整幅图像进行编码时，优先对感兴趣区进行编码，感兴趣区和非感兴趣区的码流混杂在一起，无法完全区分。在解码端，解码器首先对感兴趣区的码流进行解码。在极低码率时，感兴趣区也可以比非感兴趣区呈现更好的质量，便于用户浏览。

首先对整幅图像进行小波变换，然后对感兴趣区的形状图像进行Ｌａｚｙ变换得到各个小波子带内感兴趣区的位置。根据Ｌａｚｙ变换图像将各个子带内感兴趣区的小波系数进行比特平面上移，最后用原有的ＳＰＩＨＴ算法对整幅小波图像进行编码。解码过程：先进行ＳＰＩＨＴ解码，然后根据Ｌａｚｙ变换图像将各个子带内感兴趣区的小波系数进行比特平面下移，最后进行小波反变换的得到解码图像。

３实验结果比较

选取一个系列的头部切片ＣＴ，共２００张，图像大小为５１２５１２ｐｉｘｅｌｓ，２４位ＲＧＢ图像，ｂｍｐ格式。对ＣＴ图像进行本文算法编码后的重建图像与原图无可视差别，在ＲＯＩ编码时逐渐降低目标码率，提高压缩比，ＰＳＮＲ值缓慢下降。ＲＯＩ编码时，感兴趣的组织区域可在码流前面优先编码和传输，这样即使在码流被截断时也最大限度地保证图像的重建质量。图２是ＣＴ原图与矩形ＲＯＩ区域编码后的图像对比，左图用矩形框指定了ＲＯＩ区域，右图为ＲＯＩ编码后的图像，编码后图像ＰＳＮＲ＝５１ｄＢ，码流比特率为

１．６ｂｐｐ。

４结束语

基于感兴趣区的图像近无损压缩，尤其是无损感兴趣区压缩算法，能够保证重要信息无损恢复。这一优点在医学图像领域具有很大的潜力。本文提出了一种基于整型小波变换的无损感兴趣区压缩编码算法。该算法的实验结果表明，该算法的压缩效果很好，保证了感兴趣区域的重建质量。除此之外，还可以采取其他方式来实现ＲＯＩ的压缩编码，如可以基于不同的预测模式来对感兴趣区和不感兴趣区进行编码。

图２ＣＴ原图与ＲＯＩ编码后图像对比

参考文献：

［１］ＳｔｒｏｅｍＪ，ＣｏｓｍａｎＰＣ．Ｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｗｉｔｈｌｏｓｓ－ｌｅｓｓｒｅｇｉｏｎｓｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ．ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９７，５９：１５５－１７７．

［２］ＣａｌｄｅｒｂａｎｋＲＣ，ＤａｕｂｅｃｈｉｅｓＩ，ＳｗｅｌｄｅｎｓＷｅｔａｌ．Ｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｔｈａｔｍａｐｉｎｔｅｇｅｒｓｔｏｉｎｔｅｇｅｒｓ，ａｐｐｌ．＆ｃｏｍｐ．Ｈａｒｍ．Ａｎａｌ，１９９８，５（３）：３３２－３６９．

［３］Ａ．Ｓａｉｄ，Ｗ．Ｐｅａｒｌｍａｎ．ＡＮｅｗＦａｓｔａｎｄＥｆｆｉｃｉｅｎｔＩｍａｇｅＣｏｄ－ｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＳｅｔＰａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇｉｎＨｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌＴｒｅｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＣｉｒｃｕｉｔｓ＆ＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＶｉｄｅｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，６（３）：２４３－

２５０．

２３８