基于3D和Virtools技术的虚拟实验室架构设计

摘要

实验是科学普及、高等教育和远程教育中不可缺少的一环，目前的实验基本上是在实验室中进行的，运作方式存在着投入大、损耗大、效率低、周期长、维护困难、危险性等缺点。在采用计算机技术实现的各种虚拟实验室中，实验者可以像在真实的环境中一样完成预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。 本文先介绍了当前国内外虚拟实验及虚拟实验室开发相关技术，对这些技术做了一些简要比较，接着论述了虚拟现实开发平台VIRTOOLS的概念、模组、特点和应用领域。然后结合课题“基于Web服务的可扩展建模与仿真技术理论基础研究”，提出了一种基于3D和VIRTOOLS技术的虚拟实验室开发方案，其中详细论述了虚拟实验的开发方法、虚拟实验数据分析处理解决途径和虚拟实验室的架构和功能模块的设计。最后应用该技术具体开发了一个中学物理实验仿真系统。实践证明，采用该技术开发的虚拟实验室具有减小开发难度、缩短开发周期、真实性好、交互性强等特点。 本文在进行项目开发过程中，主要作了以下三个方面工作：(1)、提出了一种虚拟实验开发方法-VVE，即用3DMAX构建3D实验场景、制作3D动画，用VIRTOOLS进行数据处理，交互控制；(2)、根据常规实验数据处理方法，提出了两种虚拟实验数据处理方法，一种使用VIRTOOLS模块实现的数据处理，另一种使用JSP外部程序语言实现的数据处理；(3)、提出了一种虚拟实验室架构，并详细阐述了其中的功能模块及实现途径。最后，本文对开发项目作了一个总结，并对今后的工作发展作了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景、来源及意义

1.1.1课题研究的背景

1.1.2课题的来源

1.1.3课题目的及意义

1.2虚拟实验室概述、国内外发展现状及特点

1.2.1虚拟实验室概述及特点

1.2.2虚拟实验室国内外发展现状

1.3研究目标、研究内容及创新点

1.3.1研究目标及内容

1.3.2论文的创新点

1.4论文组织结构

第二章VIRTOOLS及相关虚拟现实技术

2.1虚拟现实概述、特征及关键技术

2.1.1虚拟现实概述

2.1.2虚拟实现的特征

2.1.3虚拟现实关键技术

2.2相关虚拟现实技术

2.2.1 VRML技术

2.2.2 OpenGVS技术

2.2.3 VEGA技术

2.2.4 BH GRAPH技术

2.3 VIRTOOLS

2.3.1 VIRTOOLS概念

2.3.2 VIRTOOLS模组介绍

2.3.3VIRTOOLS的特点及应用

第三章关键算法的设计与实现

3.1基本变换

3.1.1基本变换的原理

3.1.2基本变换的实现

3.2碰撞检测

3.2.1碰撞检测的原理

3.2.2碰撞检测的实现

3.3粒子系统

3.3.1粒子系统的原理

3.3.2粒子系统的实现

3.4声音渲染

3.4.1声音渲染的原理

3.4.2声音渲染的实现

3.5阴影绘制

3.5.1阴影绘制的原理

3.5.2阴影绘制的实现

第四章基于3D和VI RTOOLS技术的虚拟实验室设计

4.1虚拟实验室架构

4.2虚拟实验室模型设计

4.3虚拟实验室模块介绍

4.3.1实验介绍及仪器编辑

4.3.2实验组装、设置及控制

4.3.3实验数据处理

4.4虚拟实验开发方法

4.4.1虚拟实验开发方法概述

4.4.2模型的构建

4.4.3模型的控制

4.4.4虚拟实验的发布

第五章虚拟实验数据分析方法研究

5.1虚拟实验数据分析概述

5.2虚拟实验数据分析功能介绍

5.3 VEDA实验数据分析方法

5.3.1实验报告界面的设计

5.3.2数据库的实现

5.3.3实验数据处理以及图表的绘制

5.4 BBs实验数据分析方法

第六章虚拟实验室实例—中学物理实验仿真系统

6.1中学物理实验仿真系统概述

6.2中学物理实验仿真系统设计

6.3伏安法测电阻虚拟实验总体结构及计算流程

6.3.1伏安法测电阻虚拟实验总体结构

6.3.2伏安法测电阻虚拟实验计算流程

6.4伏安法测电阻虚拟实验主要功能模块

6.4.1器件箱模块结构

6.4.2表盘读数模块

6.4.3流程控制模块

6.4.4功能按钮模块

6.4.5教学评估模块

6.4.6漫游模块

6.5伏安法测电阻虚拟实验阵列结构设计

6.6伏安法测电阻虚拟实验的实现

6.6.1器件箱设计实现

6.6.2安培表伏特表表盘读数设计实现

6.6.3流程控制菜单设计实现

6.6.4功能按钮设计实现

6.6.5教学评估设计实现

6.6.6漫游设计实现

6.6.7帮助设计实现

6.6.8实验状态检测和实验现象产生实现

第七章 结论及展望

7.1工作总结

7.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目