表面分析系列仪器虚拟实验室的研究与构建

摘要

随着科技的进步和计算机技术的不断发展，虚拟现实的时代已经来临。由于虚拟现实独特的沉浸性、想象性和交互性特点使得在各个领域特别在教育领域有广阔的发展前景。作为基于虚拟现实技术开发出的虚拟实验室更是成为推动教育模式改进的有效工具，受到了国内外的广泛关注。对于一些成本高昂、数量少、开放性和共享性低的大型仪器来说，虚拟实验室在其实验教学与培训等方面的应用显得尤为重要。
　　本研究通过对虚拟现实技术、虚拟实验室以及表面分析虚拟实验室的应用现状进行讨论，并对交互软件进行比对，得出一条符合目前需求的，以扫描电镜、原子力显微镜以及X射线光电子能谱为代表的表面分析虚拟实验室的开发路线。利用3Ds Max软件对所用仪器、样品、用品、场景进行三维精细建模，Flash和Photoshop对虚拟工作站进行绘制和编辑，Virtools软件结合VSL编程语言和BB模块搭建完成三维物体和二维工作站交互操作的全部内容，对多种能提高仿真度、交互体验和专业性的关键技术进行了重点研究，然后将构建完成的虚拟实验室搭建在网络平台上进行管理和维护。开发出的表面分析虚拟实验室采用高仿真度的三维场景、融合二维帧技术的虚拟工作站、具有新型的三维碰撞检测与拾取算法、独特的非线性交互操作以及实验结果和操作过程记录网络化管理功能。其中扫描电镜虚拟实验室实现了多样品的构建并可根据需要进行增加，结合网络数据库进行样品选择和动态导入，在虚拟工作站中设计了条件自主选择、视野连续可调、视野场景实时保存等特色功能，实现微观图像精细处理的新突破。由于原子力显微镜特殊的探针结构，在虚拟实验室的构建中增加了对探针的更换、调节步骤，使实验内容更加完整，更符合教学方案。另外从细节入手对虚拟实验室进行改进和完善，如物体说明、工作站菜单选择优化等，学生在操作时不仅更加流畅与便捷，对于开发人员来说思路更加清晰、工作量也相对减少。在X射线光电子能谱仪中，针对全元素扫描谱图和多元素选择等关键技术进行了具体研究，成功构建了可以从元素周期表中选择元素，并且具备全谱和兴趣元素多谱出图的虚拟实验室。表面分析系列仪器虚拟实验室的成功构建，弥补了以往扫描电镜虚拟实验室和原子力显微镜虚拟实验室的在图像处理、样品个数等方面的不足，更是开创了多元素谱图的XPS在虚拟实验室领域的先河。本系列虚拟实验室仿真度高、网络化运行、功能完善、交互体验良好，对各类院校的实验教学及人员培训具有促进作用，另外其构建模式和特色功能的研究也将为其他开发人员提供了良好的借鉴作用。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 虚拟现实技术

1.2 虚拟实验室

1.3 表面分析虚拟实验室研究现状

1.4 表面分析系列仪器虚拟实验室的现状讨论

1.5 小结

2 表面分析系列仪器虚拟实验室开发的研究意义及路线

2.1 表面分析系列仪器虚拟实验室的研究背景

2.2 表面分析系列仪器虚拟实验室的开发路线

2.3 表面分析系列仪器虚拟实验室的开发技术

2.4 小结

3 SEM虚拟实验室的构建

3.1 SEM的总体设计

3.2 三维模型的构建

3.3 扫描电镜虚拟实验室的关键技术的实现过程

3.4 小结

4 AFM虚拟实验室的构建

4.1 AFM总体设计

4.2 模型构建

4.3 功能的设计与实现

4.4 小结

5 XPS虚拟实验室的构建

5.1 XPS总体设计

5.2 模型的构建

5.3 功能设计

5.4 小结

6 表面分析系列仪器虚拟实验室的测试与评价

6.1 软件的测试

6.2 软件的评价

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢