专利名称：一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种时域仿真系统的视觉演示系统，更特别地说，是指一种用于解决多种速率仿真与实时演示的通信的一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统。
背景技术：
视觉演示系统的数据更新速率一般是固定不变的，而不同的仿真系统具有不同的数据更新速率，这就造成了在同一演示系统中无法对不同仿真系统进行演示。
仿真系统的视觉演示系统必须满足科学计算和数据实时可视化的要求，提供直观的交互可视化环境。目前三维演示系统全都使用windows等非实时操作系统来实现。由于网络不确定性所导致的传输延迟和数据丢失，以及非实时操作系统的时钟不确定性，仿真系统与演示系统之间的时间不同步，仿真速率的不确定性，演示画面更新速率不确定等原因，限制了实时视觉演示系统在各种仿真系统上的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，该视觉演示系统将多种速率仿真系统的发送数据更新频率与视觉实时化所要求的数据更新频率相互独立。针对网络传输的不确定性问题，使用缓冲机制将演示系统输出信息相对于仿真的计算进行滞后处理，这样可以利用内插值的方法消除网络不确定性所引起的传输延迟和数据丢失。针对多种速率仿真系统和演示系统的时钟不同步问题，提出一个时间跟踪机制来修正演示系统的时钟，用接收到的仿真时钟作为输入，演示系统时钟作为输出，对演示系统的采样时间进行预估，保证了时钟的一致性和画面的连续性。
本发明是一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，包括仿真系统，以及对仿真系统输出的仿真数据包D1进行速率转换的异步速率转换器，以及实时显示演示数据包D2的演示系统。所述异步速率转换器包括接收单元、异步速率转换单元、自适应速率估计单元和发送单元，异步速率转换器安装在一组公知的计算机内，即B组计算机；所述演示系统为一组公知的计算机，即A组计算机；所述接收单元将所述仿真系统输出的仿真数据包D1按照先入先出原则进行存储，并将其输出给所述异步速率转换单元和所述自适应速率估计单元；
所述异步速率转换单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1，和接收所述自适应速率估计单元输出的显示更新速率f1与仿真更新速率f2的比值R，并根据所述比值R对所述仿真数据包D1采用内插值方法进行异步转换处理获得演示数据包D2，并输出给所述发送单元；所述发送单元将接收的演示数据包D2按照一发一收信息格式输出给所述演示系统用于显示，和将接收的演示数据包D2输出给据所述自适应速率估计单元；所述自适应速率估计单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1的时钟信息C1，和接收所述发送单元发送的演示数据包D2的时钟信息C2，并对接收的两个时钟信息采用PID方法获得比值R，并将比值R输出给所述异步速率转换单元。
本发明视觉演示系统的优点在于(1)通过异步速率转换器将多种速率仿真系统与演示系统进行连接，解决了目前演示系统不能够对多种速率仿真系统进行实时科学数据实时可视化；(2)结合异步速率转换和自适应速率跟踪两种方法，实现自适应异步转换；(3)在接收单元采用先入先出存储方法，和在异步速率转换单元采用内插值方法，保证了演示的连续性；(4)在单位时间内，接收单元对接收的数据信息丢失小于30％的情况下不会影响演示的连续性；(5)本发明演示系统可以完成数据更新速率不稳定的仿真系统的连续视觉演示。
图1是本发明视觉演示系统的结构框图。
图2是本发明异步速率转换器的结构框图。
图3是仿真的实时演示。
图4是异步速率转换流程图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，由异步速率转换器和演示系统组成，异步速率转换器对仿真系统输出的仿真数据包D1进行速率转换，演示系统用于实现实时显示演示数据包D2中的相关信息(参见图1所示)；所述演示系统采用一组或者一个公知的计算机构成，即A组计算机；所述异步速率转换器包括接收单元、异步速率转换单元、自适应速率估计单元和发送单元(参见图2所示)，异步速率转换器安装在一组或者一个公知的计算机内，即B组计算机。
所述接收单元将所述仿真系统输出的仿真数据包D1按照先入先出原则进行存储，并将其输出给所述异步速率转换单元和所述自适应速率估计单元；所述异步速率转换单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1，和接收所述自适应速率估计单元输出的显示更新速率f1与仿真更新速率f2的比值R(timescale)，并根据所述比值R对所述仿真数据包D1采用内插值方法进行异步转换处理获得演示数据包D2，并输出给所述发送单元；所述发送单元将接收的演示数据包D2按照一发一收信息格式输出给所述演示系统用于显示，和将接收的演示数据包D2输出给据所述自适应速率估计单元；所述自适应速率估计单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1的时钟信息C1，和接收所述发送单元发送的演示数据包D2的时钟信息C2，并对接收的两个时钟信息采用PID方法获得比值R，并将比值R输出给所述异步速率转换单元。
所述演示单元，用于实现不同速率仿真系统的发送数据更新频率，以及视觉实时化所要求的数据更新频率的发送数据的实时可视化显示；所述异步速率转换器，用于实现将多种速率的仿真数据转换成满足视觉实时化所要求的数据更新频率。
在本发明中，计算机A可以是具有UDP协议通讯能力的(一)嵌入式计算机、(二)个人计算机、(三)巨形计算机。计算机B的最低配置具有UDP协议通讯能力，带有图形加速功能的显示适配器CPU PIII 1GHz，DRAM 128MB，HD2G。
实施例1用于实现实时仿真系统的实时演示实验条件实时仿真系统的数据更新速率为1000次/秒，演示单元数据更新速率为60次/秒。
计算机A为实时PC，计算机B为非实时PC，请参见图3所示。
所述接收单元将所述仿真系统输出的仿真数据包D1按照先入先出原则进行存储，并将存储后的仿真数据包D1发送给所述异步速率转换单元和所述自适应速率估计单元；在此系统接收单元中，待接收单元存储的仿真数据超过接收单元的预设存储量时，此时所述异步速率转换单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1，和接收所述自适应速率估计单元输出的显示更新速率f1诉与仿真更新速率f2的比值Rtimescale，并将所述比值timescale采用内插值方法对所述仿真数据包D1进行异步转换处理，并将处理后的演示数据包D2输出给所述发送单元；所述发送单元将接收的演示数据包D2按照一发一收信息格式输出给所述演示单元用于显示，和将接收的演示数据包D2输出给据所述自适应速率估计单元；所述自适应速率估计单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1的时钟信息C1，和接收所述发送单元发送的演示数据包D2的时钟信息C2，并对接收的两个时钟信息采用PID方法跟踪对接收的显示更新速率与仿真更新速率的比值Rtimescale。
在本发明中，不同速率的数据的转换传输流程请参见图4所示一、将多种速率仿真系统的发送数据更新频率与视觉实时化所要求的数据更新频率相互独立，即演示系统的绘制图像时所需要的数据并不同步于多种速率仿真系统所传输过来的数据(A)在视觉演示系统的接收单元中创建一个先入先出队列fifo，接收单元每接收一个仿真系统输出的仿真数据包，就将它存入先入先出队列fifo中。当接收单元内存储的仿真数据包数量达到n＝s×0.3(n表示队列长度，s表示仿真更新速率，0.3表示滞后的设定时间)个以后，视为启动本发明的演示单元的开启信号。
(B)当演示系统启动以后，演示单元在需要数据时，直接从fifo中读取，而不是从仿真系统获取。
二、将演示系统输出图像相对于实时仿真的计算进行带后处理(A)设计一个缓冲指标n，在演示系统初始化阶段，开始接收仿真系统发送的数据包并存入fifo中，当fifo中的数据包数量达到n个以后，演示系统视为演示开始的信号，即开始从fifo中提取数据用于绘制每帧图像。
(B)Fifo中的数据并不直接在图像绘制过程中使用，而是使用一个内插值算法(如三次样条插值)，插值得到绘制当前时刻图像所需的数据。三次样条曲线需要四个初始数据，使用第二个先入先出队列splinebuffer来存储插值所需的原始数据。
(C)在演示系统初始化阶段，先从fifo中释放四个数据包作为第一次初值赋给splinebuffer。
(D)当演示系统开始工作后，记录演示计算机绘制每一帧图像所需时间deltaTime，当累计时间超过仿真系统发送一个数据包的时间长度以后，更新splinebuffer中的四个数据，扔掉第一个数据，其余三个依次向前移一位，最后一个由fifo中释放的第五个数据包代替。
(E)当fifo中没有数据时，演示系统视为演结束的信号。
(F)以此类推，即随着fifo中数据的更新，splinebuffer中的数据也随之更新。不管是传输延迟还是数据包丢失，splinebuffer中的数据总可以保证插值的需求，从而保证绘制每一帧画面的连续性。
三、使用一种仿真时间跟踪机制(A)使用一个变量timescale存储估计的仿真系统时钟与演示系统时钟的比例关系。
(B)演示系统接收到第一个仿真数据时视为仿真开始并且演示进入初始化阶段的信号。
(C)在演示系统初始化阶段，演示系统记录所有接收到的仿真系统发送数据的时间，预估的一个平均读数时间steptime，利用仿真时间戳来计算仿真时间与演示系统时钟之间的比例从演示系统读取到第一个数据包开始，就累加接收各个仿真数据包的时间间隔UdeltaTime到变量timebuffer，累加接收各个仿真数据包的时间戳间隔SdeltaTime到变量Stimebuffer，当读取到n个数据包，也就是fifo中存储了n个数据的时候，视为演示系统开始演示的信号，同时将演示系统的时钟设为0。此时timebuffer只累加到传输前n-1间隔，最后一个间隔由前n-1个平均值steptime来代替，即steptime＝timebuffer/(n-1)，则timescale＝Stimebuffer/timebuffer，timescale就是仿真系统与演示系统之间的时间速率预估值；(D)演示系统开始演示以后，使用timescale乘以演示系统的时间作为输入从内插值器中取出数据绘制每一帧图像，同时timebuffer减去绘制一帧图像所需的时间DdeltaTime，Stimebuffer减去绘制一帧图像所需的时间timescale*DdeltaTime。而演示系统每收到一个数据包，tirnebuffer就增加新数据包与上一个数据包之间的时间间隔UdeltaTime，并Stimebuffer就增加新数据包与上一个数据包之间的时间间隔SdeltaTime且每收到一个数据就按照timescale＝Stimebuffer÷timebuffer。
本发明的自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，主要实现了从仿真系统输出的数据包经异步速率转换器的处理后，可以在同一演示系统中显示出来，完成了数据更新速率不稳定的仿真系统的连续视觉演示。
权利要求
1.一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，包括仿真系统，其特征在于还包括对仿真系统输出的仿真数据包D1进行速率转换的异步速率转换器，以及实时显示演示数据包D2的演示系统，所述异步速率转换器包括接收单元、异步速率转换单元、自适应速率估计单元和发送单元，异步速率转换器安装在一组公知的计算机内，即B组计算机；所述演示系统为一组公知的计算机，即A组计算机；所述接收单元将所述仿真系统输出的仿真数据包D1按照先入先出原则进行存储，并将其输出给所述异步速率转换单元和所述自适应速率估计单元；所述异步速率转换单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1，和接收所述自适应速率估计单元输出的显示更新速率f1与仿真更新速率f2的比值R，并根据所述比值R对所述仿真数据包D1采用内插值方法进行异步转换处理获得演示数据包D2，并输出给所述发送单元；所述发送单元将接收的演示数据包D2按照一发一收信息格式输出给所述演示系统用于显示，和将接收的演示数据包D2输出给据所述自适应速率估计单元；所述自适应速率估计单元接收所述接收单元发送的仿真数据包D1的时钟信息C1，和接收所述发送单元发送的演示数据包D2的时钟信息C2，并对接收的两个时钟信息采用PID方法获得比值R，并将比值R输出给所述异步速率转换单元。
2.根据权利要求1所述的自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，其特征在于所述仿真系统的仿真更新速率f2满足1～10000次/秒。
3.根据权利要求1所述的自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，其特征在于所述演示单元的显示更新速率f1满足1～200次/秒。
4.根据权利要求1所述的自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，其特征在于所述比值R的范围为1∶20～200∶1。
全文摘要
本发明公开了一种自适应多速率仿真的实时视觉演示系统，由异步速率转换器和演示系统组成，所述异步速率转换器包括接收单元、异步速率转换单元、自适应速率估计单元和发送单元。本发明系统将多种速率仿真系统的发送数据更新频率与视觉实时化所要求的数据更新频率相互独立。针对网络传输的不确定性问题，使用缓冲机制将演示系统输出信息相对于仿真的计算进行滞后处理，这样可以利用内插值的方法消除网络不确定性所引起的传输延迟和数据丢失。针对多种速率仿真系统和演示系统的时钟不同步问题，提出一个时间跟踪机制来修正演示系统的时钟，用接收到的仿真时钟作为输入，演示系统时钟作为输出，对演示系统的采样时间进行预估，保证了时钟的一致性和画面的连续性。
文档编号H04L25/03GK1976340SQ20061014433
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者陈培, 韩潮, 邓郡, 戴阳, 刘洋, 张琳琳 申请人:北京航空航天大学