三维交互式生化分析及基因工程虚拟实验室的构建

摘要

随着国家级虚拟实验中心建设政策的支持，虚拟现实技术飞速发展，越来越广泛地被应用于高情景三维交互式虚拟仿真教学系统的构建与研发中，融入到人们的日常生活之中。生化分析及基因工程实验涵盖了生命科学基础学科实验及研究方法等，如何利用生命活性物质进行分析以及生物化学技术进行分析是探索生命奥秘的发展趋势。但是在现实实验室中，一些传统的生化分析及基因工程实验存在耗时、操作步骤繁琐、实验结果重复性差、实验安全风险较大、仪器价格昂贵等诸多影响因素，使得一些实验的开展较为困难，由于一些仪器高昂的维护与保养费，学生动手操作仪器的机会不多。而生化分析及基因工程虚拟实验室的建设，不仅可以有效缩短实验时间、提高实验结果的重复性、让每个想要学习实验的人都可以亲自动手操作，并可以循环反复操作，真正意义上做到随时可学、随处可学、人人可学。虚拟实验与真实实验两者为互补关系，二者缺一不可，相辅相成。生物化学及基因工程虚拟实验室的构建可以有效解决传统实验中的不足之处，不同以往以课件、网络课程等教学形式，利用虚拟实验进行教学是一种新兴的教育模式，因此，构建生化分析及基因工程虚拟实验室是十分必要的。
　　本文利用Virtools、3ds Max、Flash、PhotoShop、PHP语言、VSL语言等多种软件以及技术的融合，构建了一个集多种功能于一体的网络共享虚拟实验室。通过使用Virtools软件中自带的BB模块以及VSL编程语言实现虚拟实验的漫游、交互操作、工作站的模拟等过程，支撑整个虚拟实验室的设计与构建。利用3ds Max三维建模软件建立虚拟实验室环境以及虚拟实验仪器、人物等模型，并通过多种语言的结合，最终设计了较为完整的生化分析及基因工程虚拟实验软件。高情景三维交互式生化分析及基因工程虚拟仿真实验室以网络平台为依托，在多媒体计算机上建立可供用户模拟的虚拟实验环境以及交互操作，利用虚拟仿真技术及硬件设备呈现出高沉浸感三维立体视觉效果，达到人机一体化。同时提供用户网络化管理，实验平台开放共享等功能，集预约、选课、预习、考核评价、虚拟实验操作等多种功能于一体。通过网络共享平台，用户不再受时间、空间限制，不仅可以及时获得实验数据，也可以随时查看考核结果并进行数据分析，开拓了生化分析及基因工程教学模式的全新领域，为人才的培养、仪器的学习、实验教育教学模式奠定了基础。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 虚拟现实技术

1．1．1 虚拟现实技术的定义及特征

1．1．2 虚拟现实技术的发展历程

1．1．3 虚拟现实技术交互设备的发展现状

1．2 虚拟实验室概述及发展

1．2．1 虚拟实验室的定义

1．2．2 虚拟实验室的组成

1．2．3 虚拟实验室的分类

1．3 虚拟实验室的发展

1．3．1 国外虚拟实验室的发展现状

1．3．2 国内虚拟实验室的发展现状

1．3．3 生物虚拟实验室的发展现状

1．4 小结

2 生化分析及基因工程虚拟实验室开发的总体思路

2．1 生化分析及基因工程虚拟实验室的研究背景

2．1．1 生化分析及基因工程实验概述

2．1．2 生化分析及基因工程实验应用与发展

2．1．3 建立生化分析及基因工程虚拟实验室的因素

2．2 生化分析及基因工程虚拟实验室的开发技术

2．2．1 3D建模技术介绍

2．2．2 虚拟现实交互系统简述

2．3 生化分析及基因工程虚拟实验室的框架设计

2．4 生化分析及基因工程虚拟实验室的模型构建

2．4．1 虚拟实验室场景的模型构建

2．4．2 虚拟仪器的模型构建

2．4．3 虚拟无菌工厂模型的构建

2．5 生化分析及基因工程虚拟实验室工作站的构建

2．6 生化分析及基因工程虚拟实验室的主要功能设计

2．6．1 虚拟实验室的主要功能设计

2．6．2 虚拟实验室辅助功能设计

2．7 小结

3 基因工程虚拟实验室理论模型的构建及结果模拟

3．1 理论模型的建立

3．2 实验结果模拟

3．3 考核评价体系

3．4 小结

4 生化分析及基因工程虚拟实验室关键技术的实现

4．1 显微镜下细胞观察的实现

4．2 数码显微镜在线工作站功能的实现

4．2．1 工作站中视场明亮变化的实现

4．2．2 工作站中参数选择及按键响应的实现

4．2．3 工作站中对焦功能的实现

4．2．4 数据保存与上传功能的实现

4．2．5 工作站中输入数据功能的实现

4．3 物体拾取功能的实现

4．4 动态载入样品瓶功能的实现

4．5 无菌工厂中主要功能的实现

4．5．1 漫游功能的实现

4．5．2 更换鞋子以及二次更衣的实现

4．5．3 小地图功能的实现

4．6 小结

5 生化分析及基因工程虚拟实验室的测试与评价

5．1 软件的测试

5．2 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