（计算数学专业论文）基于3d和virtools技术的虚拟实验室架构设计.pdf

基于3 d 和v i r t o o l s 技术的虚拟实验室架构 设计 计算数学专业 研究生李昌国指导教师杨春谭良 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v i r t o o l s 的概念、模组、特点和应用领域。然后结合课题“基 于w e b 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3 d 和v i r t o o l s 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- w e ，即用3 d m a x 构建3 d 实验 场景、制作3 d 动画，用v i r t o o l s 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v i r t o o l s 模块实现的数据处理，另一种使用j s p 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。 关键词：3 d v i r t o o l s 虚拟实验：虚拟实验室； d e s i g n o ft h ea r c h i t e c t u r eo fav i r t u a ll a b o r a t o r y s y s t e mb a s e do n3 da n dv i r t o o l st e c h n o l o g i e s c o m p u t i n gm a t h e m a t i c s p o s t g r a d u a t e ：l ic h a n g g u o t u t o r ：y a n gc h u n t a n l i a n g a b s t r a c t ：t h ee x p e r i m e n ti sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to ft h e p o p u l a r i z a t i o no fs c i e n c e ，t h eh i g h e re d u c a t i o na n dt h ed i s t a n c e e d u c a t i o n c u r r e n t l y , m o s te x p e r i m e n t s a r e o p e r a t e db y s t u d e n t si nt h er e a ll a b o r a t o r y , a n d 也i sm o d eh a ss o m e d i s a d v a i l t a g c ss u c ha sl a r g ei n v e s t m e n t , w a s t a g e ，l o we f f i c i e n c y , l o n gc y c l e ，m a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e sa n dd a n g e r s b yt h ev i r t u a l l a b o r a t o r yw a y , e x p e r i m e n t sc a n b ec o m p l e t e dt h es a n 2 et a s k sa s t h o s ei nar e a ll a b o r a t o r y , a n dt h ee f f e c t so fl e a r n i n go rt r a i n i n g a r es u b s t i t u t a b l eo re v e nb e t t e rt h a nt h o s eo b t a i n e di nar e a l e n v i r o n m e 址 i nt h i sp a p e r , t h er e l a t e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e so ft h e v i r t u a l e x p e r i m e n ta n dt h e v i r t u a l l a b o r a t o r ya r ef i r s t l y c o m p a r e da n di n t r o d u c e d an e wd e v e l o p m e n ta p p r o a c ho f v i r t u a ll a b o r a t o r yb a s e do n3 da n dv i r t o o l si sp r o p o s e d s u p p o r t e db y t h ep r o j e c 卜_ “r e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r i e so f t h e e x t e n s i b l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nb a s e do nw e bs e r v i c e t e c h n o l o g i e s ”，o fw h i c h ，t h em e t h o d so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n d a t aa n a l y s i s ，t h ed e s i g no fa r c h i t e c t u r e sa n dt h ef u n c t i o n m o d u l e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y , av i r t u a ll a bo ft h e h i g h s c h o o lp h y s i c se x p e r i m e n ti sd e v e l o p e d i ti ss h o w e db y p r a c t i c e t h a ti tc a nm a k et h ed e v e l o p m e n t so fv i r t u a ll a b o r a t o r i e sm o r e s i m p l i f i c a t i o n ，a n dc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y ，t h ef a c t i c i t ya n d t h e i n t e r a c t i o n ，e t c s o m em a i nc o n t e n t sf o rt h i sp r o j e c ta st h e 亩l o w s ：( 1 ) a n e wd e v e l o p m e n ta p p r o a c ho ft h ev i r t u a le x p e r i m e n tb a s e do n 3 da n dv i r t o o l st e c h n o l o g i e sn a m e dv v ei s p r o p o s e d n a m e l y 曲e 矿昭c o n s t r u c t st h e3 de x p e r i m e n ts c e n ea n d c r e a t e st h e3 da n i m a t i o nw i t h3 d m a x ，p r o c e s s e sa n di n t e r a c t s o nt h ee x p e r i m e n td a t aw i t hv i r t o o l s ；( 2 ) t w oa p p r o a c h e so f t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a t i o nd a t ad i s p o s a la r ed i s c u s s e db a s e do i l t h eo r d i n a r ye x p e r i m e n t n a m e l y , o n ei sp r o g r a m m e dw i t hb b s w i t h i nv i r t o o l s ，a n d 廿1 eo t h e ro i l ei se x p l o i t e db yt l l ej s p t e c h n o l o g i e s ；( 3 ) an e w a r c h i t e c t u r eo ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r yi s p r o p o s e d , a n di t s f u n c t i o nm o d u l e sa n dr e a l i z i n gw a y sa r e i l l u s t r a t e di nd e t a i l a tl a s t ，as u m m a r ya n dap r o s p e c to f t h i sp a p e ra r eg i v e n k e yw o r d s ：3 d ；v i r t o o l s ；v i r t u a le x p e r i m e n t s ；v i r t u a l l a b o r a t o r ys y s t e m 四川l | 币范大学学位论文独创性及 使用授权声明 彩静 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师扬鲞，谭基 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。 本人承诺；己提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。 如因不符而引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权 所在大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 己获学位的研究生 必须按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为教学和科研目 的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在 图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 论文作者签名：砻暂纱1 钌 诽月占日 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 当前，在广大的初高中学校，均设置了大量的实验课程实 验课程非常重要，因为它可以培养学生的形象思维能力，观察能 力、动手能力等。但是，部分实验，其实验设备( 特殊的玻璃器 具) 和药品昂贵，操作复杂、笨重、占地面积大在实验过程中， 如果操作不当，很容易发生危险，并有可能发生爆炸，危及学生 和教师的生命安全。这样的实验设备学校不可能大量购置。为 了不影响教学质量，这类实验可以通过实验仿真软件来替代，实 验仿真软件可以解决学生多而实验设备少的问题，为学校节省了 大量设备购置经费值得注意的是，实验仿真软件还可以对实验 设备进行仿真操作，在实验仿真软件上，学生的操作同样会产生 相应的结果，所以起到了真实设备的教学效果；它便于对具体实 验设备的结构，原理等相关知识进行形象说明，有利于在空间上 组织课程的教学；常规的原理课程的讲解一般分两部分，一部分 在教室讲解原理，另一部分在实验室讲解实际操作，这样必然增 加了课时，也使教学内容不连贯用实验仿真软件教学可以将两 部分内容有机结合，也为学生课前预习提供了条件 1 1 2 课题的来源 四川省教育厅重点项目“基于w e b 服务的可扩展建模与仿真 技术理论基础研究”( 2 0 0 5 a 0 9 9 ) 。 四川省计算机软件重点实验室项目“基于w e b 技术的中学化 学实验仿真基础理论与应用系统研究”( s c s l 5 0 1 4 ) 。 i , i 。3 课题目的及意义 实验是教学过程中的一个重要环节，很多学校都把实验教学和 实验室建设放在首要位置上，然而，由于受到经费、场地和设备等的 限制，实验教学并不能达到预期的效果，实验教学的质量令人担忧 一些耗资大的实验许多学校不能开设，学生只能通过课堂上老师的 讲述对实验仪器及实验操作进行想象，缺乏实际操作经验。另外随 着现在学生数量的增多，许多实验受到教室和课时的限制，在规定 的时间内学生无法真正完成实验，造成实验课走过场的现象随着 计算机技术，多媒体技术和网络技术的发展，网络教学日益成为普 及教育的有效手段。现在很多高校建立了校园网并通过中国教育 科研网与互联网相联，虚拟实验教学系统的建立可以充分利用校园 网的资源。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一 些实验现象它不仅仅能够提高远程教育的教学效果。更加重要的 是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”的 观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。因此。大力构建虚 拟实验系统是远程教育发展的必然趋势，具有很高的实用价值和重 要的现实意义： 1 ) 虚拟实验克服了实验在时问与空间上的限制学生可以在任何 有网络终端的地方，利用网络实验平台，进行设计性实验与实 验有关的活动 2 ) 虚拟实验促进了学生创新意识和创新能力的培养。学生可以在 网络环境下开展综合性的实验和创新型的实验，彻底摆脱了原 有设备条件的约束，在更深、更广的知识领域内探索。 3 ) 虚拟实验可降低科研成本和节省研究经费，并能够充分发挥现 有科学仪器的作用，提高使用效率，尤其是通过联网后能实现大 型科学仪器的资源共享。避免了大型仪器设备的重复添置、购 买和浪费 4 ) 虚拟实验的运用改变了传统的实验教学模式，推进实验教学向 科学化，现代化方向发展 2 5 1 虚拟实验与传统实验教学相结合能大大提高实验教学质量 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 美国u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a 的w i l l i a mw u l f 教授在1 9 8 9 年提出 了虚拟实验室m r t u a ll a b o r a t o r y ) ，也称为合作实验室 ( c o l l a b o 豫t o 叻的概念【l ，用来描述计算机网络环境下的虚拟实验 室环境这种虚拟实验室环境的新思想，致力于构筑一个综合不 同工具和技术的集成环境在这个环境里，科学家们可以有效地 利用地理上分布的各种资源( 数据、信息、设备、人员等) 从事科研 活动。w u l f 教授形象的把虚拟实验室称为“无墙的研究中心”1 2 ， 在这种环境下，各科研人员就某一科研项目进行交流，可以使用 仪器，共享数据和资源共同在数字图书馆中提取信息，存储信 息，撰写学术论文等 从上述定义可以看出，虚拟实验室是一种特别的、分布式的 解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教学、技 术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原 型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验 之外的第三种研究设计手段和形式。它具有的特点如下： i ) 成本低虚拟实验室基于虚拟原型技术，即利用v r 在可视化 方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能。对对象 进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析 2 ) 效率高虚拟实验室省去了大量的基于物理原型实验的简单劳 动，使用者集中精力研究实验对象本身台争特性和规律，还可充 分利用计算机优势，使虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习 功能，从而可帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研 究的具体目标和要求，大大提高了学习和研究效率 3 ) 功能全虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全，并易于升 级换代和增加新品种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪 表不全而影响实验的问题。 4 ) 协作性。在协同虚拟环境技术下，可实现合作实验、远程实验、 协同研究等。 1 2 2 虚拟实验室国内外发展现状 虚拟实验在国外开展的比较早。上世纪八十年代末，国外一 些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对 其加以控制：1 9 8 8 年麻省理工学院( m r r ) 开发并投入使用了 w e b l a b 在线实验型3 1 1 4 】异地学生只需点击“设备”菜单，就可以 选择合适的仪器设备，通过互联网，能获得来自m r r 实验室的实 验数据，从而学生可以把真实的数据与模拟的数据相比较。卡耐 基梅隆大学开发的虚拟实验室闭，链接到工程测试设备上的计算 机类似于示波器和函数发生器，当学生通过互联网链接到这些设 备时，他们能控制计算机和设备，使用视频器可以看到物质世界 中所发生的一切上世纪九十年以来，国内一些高校开始致力于计 算机仿真实验的开发与研制，已取得了可喜成绩：9 6 年中国科技大 学在国际上首创开发出第一套物理教学仿真实验教学软件 6 1 ；9 8 年升级为w i n d o w s 版本，在规模和虚拟技术水平上得到进一步提 高和完善，近年来又推出了大学物理虚拟实验的i n t c r n o t 网远 程教学系统，并且结合与现代科学技术相结合的物理实验内容和 实验技术发展了其规模和水平，对大面积提高物理实验的教学水 平，起了一定的作用南京金华科软件有限公司开发了金华科 仿真物理实验室、金华科仿真化学实验室等一系列教育软件 平台【7 l ，用户可以自己组装实验仪器，配置药品等，从而实现了物 理实验和化学实验的操作但是，w c b l a b 在线实验室，卡耐基梅 隆大学的虚拟实验室和金华科的一系列教育软件都是基于2 d 的， 二维虚拟实验缺乏真实性，沉浸性大学物理虚拟实验及其i n t e r a c t 网远程教学系统存在局限性，限于大学的物理实验而基于 v i r t o o l s 的三维仿真实验，除了具有沉浸性，想象性，交互性 外，还具有简单和易实现等特点。 1 3 研究目标、研究内容及创新点 1 3 1 研究目标及内容 本课题的研究目标是提出一个能够快速开发，具有交互功能的 三维仿真实验系统的全新技术方案，该方案开发的虚拟实验具备 虚拟实验3 i 特性，即沉浸性，交互性，想象性为了使研究和开 发的内容更加符合当前相关学科现状，以当前相关学科的新课标 等为依据，对其相关内容全面了解，主要的研究内容包括： 1 ) 研究虚拟实验开发方法 采用x 3 d v r m l 等技术制作的虚拟实验具有良好的真实性和 交互性等特点，但要使用它们进行实际开发，复杂、难度大、 不易实现。能够达到开发技术难度小，开发周期短的虚拟实验 开发方法需要研究探讨 2 ) 研究虚拟实验数据处理分析 常规实验的实验数据，一般是实验指导老师给与实时指导，或 者是指导老师对实验者提供的实验报告册进行指导。如何就虚 拟实验数据进行处理分析，以及常规实验中指导老师的作用怎 样在虚拟实验中体现出来等问题需要研究探讨 3 ) 研究虚拟实验室开发方法 针对我们要开发的实验仿真系统，架设合适的系统框架以及各 个功能模块，探寻一条开发实验仿真系统的方法从而能够快 速的开发出具有交互性的三维仿真实验系统，节省对昂贵实验 设备和药品的投入：提高实验教学质量；丰富实验教学手段； 减少实验风险：优化课堂教学与实验教学的组织 1 3 2 论文的创新点 该三维仿真实验系统是以实际的实验为依托，将实验过程信息 化的过程。这样的三维仿真实验，可以节省广大学校对昂贵实验 设备和药品的投入、提高实验教学质量、丰富实验教学手段、减 少实验风险、优化课堂教学与实验教学的组织。创新之处如下： 虚拟实验开发方法 提出了一种新的虚拟实验开发方法v v e ，采用此方法进行 虚拟实验的开发可以降低开发的技术难度，缩短项目开发周 期，并具有真实性、交互性、简单和易实现等特点 虚拟实验数据处理 提出了一种虚拟实验数据处理分析方法，即使用j s p 技术开 发w e b 数据库应用程序，提交实验报告给j s p 程序处理， 最后将分析结果以文本和图表形式返回给用户，同时与另一 种v i r t o o l s 内部b b s 编程数据分析方法进行比较分析。 虚拟实验室开发方法 提出了一种新的基于v i r t o o l s 技术的虚拟实验室架构， 并详细论述了其中的功能模块。采用该方法开发的虚拟实验 室除了具有上述虚拟实验开发方法的特点外，还具有实验器 械简介，以及实验数据分析等特点 t 4 论文组织结构 本论文分为七章： 第一章为绪论部分简单介绍了研究背景、课题来源、研究 内容、研究目的意义，虚拟实验室概念和特点、虚拟实验室国内 外现状以及论文的创新点。 第二章介绍了虚拟现实概念、特征及关键技术，相关虚拟现 实技术，重点介绍了v 】r t o o l s 概念、模组、特点及应用。 第三章介绍了相关数学基础及算法详细论述了基本变换、 6 碰撞检测、粒子系统、声音渲染和阴影绘制算法。 第四章介绍了虚拟实验室的架构，设计模型，论述了整个虚 拟实验室的组成模块，详细介绍了虚拟实验的开发方法 第五章介绍了虚拟实验数据处理分析的概念、功能，并着重 介绍了一种新的虚拟实验数据处理方法v e d a 并与b b s 实验数据 分析方法进行比较。 第六章列举了一个虚拟实验室实例冲学物理实验仿真系统， 并着重论述了其中一个电学实验伏安法测电阻虚拟实验的开发过 程 第七章对工作进行了总结，并在现有的基础上提出了新的展 望 7 第二章v i r t o o l s 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 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，又称临境技术，是最近 几年得到迅速发展的技术。“虚拟现实“词是由美国v p l r e s e a r c h i n c 公司的l l a n i e r 在1 9 8 9 年所创造的一个词，它通常是指用立体 眼镜的传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实， 人们通过这些设施以自然的方式( 如头的转动、身体的运动等) 向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施 使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。随着人们不同 的动作，这些感觉也随之改变目前，与虚拟现实相关的内容已 经扩大到了与之相关的许多方面，像。人工现实( a r t i f i c i a l r e a l i t y ) ”、“遥现”( t e l e p r e s e n c e ) 、“虚拟环境”( v i r t u a l e n v i r o n m e n t ) 、“赛伯空间”( c y b e r s p a c e ) 等，都可以认为是虚拟 现实的不同术语事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头 盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、 逼真体验的技术与方法它要创建一个酷似客观环境又超越客观 时空、能沉浸其中又能驾驭其一的和谐人机环境，也就是由多维 信息所构成的可操纵的空间它的最重要的目标就是真实的体验 和方便自然的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统 就称为虚拟现实系统 2 1 2 虚拟实现的特征 虚拟现实是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等 行为的高级人机交互技术，它以模拟方式为使用者创造了一个实时 反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视，听、触、嗅 等感知行为的逼真体验中。使参与者可直接参与和探索虚拟对象所 处环境的作用和变化，仿佛置身于现实世界中，产生多感知( m u l t i s 锄s o r y ) 、沉浸感( i m m e r s i v e ) 、实对感( r e a lt i m e ) 和交互感( i n t e r 宣c t i v e ) 这正是虚拟现实的最突出的特征例如，你进入一个虚拟飞机场，会 看到一排排飞机，也会看到有的飞机正准备起飞9 当你向这些飞机 走近时，你会看到这些飞机的体形在变大，甚至可以看到准备起飞 的飞机机舱内就坐的驾驶员的脸容，同时听到正要起飞的飞机的气 流声，这些都使你犹如身临其境。 _ 多感知性。是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外， 还有听觉感知、力觉感知、运动感知，甚至还包括味觉感知、 嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人类所具有的 感知功能。由于相关技术的限制，特别是传感技术的限制。目前 虚拟现实技术所具有的感知功能还仅限于视觉、昕觉，力觉、 触觉、运动等几种，无论从感知范围还是感知的精确程度都还 无法与人相比拟 沉浸感又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环 境中的真实程度v r 力求使用户在计算机所创建的三维虚拟 环境中产生身 临其境的感觉，处 于一种“全身心投入”的感觉状态，即所谓的“沉浸感”理想 的虚拟巧境应该达到使用户难以分辨真假的程度，要让用户觉 得自己是处于现实环境中。处于现实的生活中v r 的“沉浸感“ 特性使它与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同：用户 可沉浸于虚拟的现实环境数据空问，可从数据空间向外观察。 从而使用户能以更自然、更直接的方式与计算机进行人机数据 交互；利用v r 的沉浸功能，用户暂时与现实环境隔离，投入到虚 拟的现实环境中。从而能真实地观察数据、处理数据 - 实对性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度即物 体可按各自的模型和规则根据计算机作用者的要求实时进行 响应例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻 倒、或从桌面落到地面等。 9 _ 交互性。是指参与者通过使用专用设备用人类的自然技能实现 对模拟环境的考察和操作的程度以及从环境得到反馈的自然 程度，这和实时性是分不开的例如，用户可以用手去直接抓取 模拟环境中的物体，这时手会有握着东西的感觉，并可以感觉到 物体的质量。视场中被抓住的物体也会随着手的移动而移动。 2 1 3 虚拟现实关键技术 虚拟现实是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等 行为的高级人机交互技术。它依托于计算机科学、数学、力学、声 学、光学、机械学，生物学以及美学和社会学等多种学科，在计算 机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术， 多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和 高性能计算机系统等信息技术的基础上迅速发展起来，被专家学者 们认为是2 l 世纪可能促使社会发生巨大变化的几大技术之一其 涉及的关键技术和研究内容主要包括： 动态环境建模技术虚拟环境的建立是v r 技术的核心内容。 动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用 的需要，利用获取的三维数据建 立相应的虚拟环境模型三维数据的获取可采用c a d 技术( 有 规则的环境) ，丽更多的情况则需采用非接触式的视觉建模技术， 二者有机结合可有效地提高数据获取的效率 实时三维图形生成技术目前，三维图形的生成技术虽然已比 较成熟，但如何“实时生成”仍然是实现虚拟现实技术的重要 瓶颈。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于 1 5 帧8 ，最好高于3 0 帧s 。在不降低图形品质和复杂程度的前 提下，如何提高刷新频率是该技术的一项重要研究内容同时 计算机图形技术、仿真技术的提高对其发展也会产生重要影响， 尤其图形生成的硬件体系结构在虚拟现实的真实感以及图形 生成中用于加速的各种有效技术。 1 0 立体显示和传感器技术。v r 是在三维空间中完成人机交流， 为了准确及时地获取人的动作信息，需要各类精度高、可靠的 三维人机交互设备和传感设备。 即v r 的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有 的v r 设备还远不能满足系统的需要，例如头盔式三维立体显 示器存在过重0 5 2 0 k g ) 、分辨率低、刷新频率慢、跟踪精度 低、视场不够宽、眼睛易疲劳等缺点；同样，数据手套、数据衣 等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点因此，有必要开 发新的三维显示技术而各种传感器则是有效进行视、听、动 等高级人机交互技术的关键。比如人抓取物体时。机器应感应 其动作，并对虚拟环境作相应的变化。所以传感装置的研究以 及设备的跟踪精度和跟踪范围都有待进一步深入研究。 应用系统开发工具。v r 应用的关键是寻找合适的场合和对象。 即如何发挥想象力和创造力选择适当的应用对象可大幅度地 提高效率，减轻劳动强度，提高产品品质为了达到这一目的必 须研究v r 的开发工具例如，v r 系统开发平台，分布式v r 技术等，这些都直接与计算机技术多媒体技术的快速发展密切 相关。 多种系统集成技术。由于v r 系统中包含大量的感知信息和模 型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。系统集成技术 包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据 管理模型、模式识别与合成技术等 用户的适用性v r 技术的发展离不开对用户适应性的分析与 研究，即研究在现有硬件技术的条件下，如何通过不同性能设备 的组合来满足用户的要求这项研究不仅涉及到计算机硬件和 软件，还涉及心理学、医学等范畴，它对于设计实际的应用系统 具有重要意义 智能技术( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e , 简称a d 在v r 中，计算机是从人 的各种动作、语言等变化中获得信息。要正确理解这些信息。 需要借助于l i 技术来解决，如：语音识别、图像识别、自然语言 理解等，这些智能接口领域的研究课题是v r 技术的基础。 2 2 相关虚拟现实技术 2 2 1v r m l 技术 m l 虚拟现实建模语言是一种三维场景的描述性语言【s 】，是 在i n t e m e t 网上实现全新的虚拟世界空间关键性技术。其基本原理 是用文本信息描述三维场景，在i n t e r a c t 网上传输，利用三维图形 生成技术在本地机上利用多传感交互技术以及高分辨显示技术， 由v r m l 的浏览器解释生成逼真三维虚拟场景，使用者戴上特殊的 头盔、数据手套传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，进行 实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其 境的感受和体会。在教学领域应用虚拟现实技术时，能够为学生 提供生动逼真的学习环境，用l m i 实现与i n t e m e t 虚拟现实交互丰 富了媒体表现形式、实现了协同工作角色的可视化管理、改善； 协同环境的用户界面，增强了协同环境的交互性国内外一些高 等院校利用v r m l 2 o 语言，已成功开发了基予集成声音、图像及 其它多媒体技术的三维空间的虚拟实验中心使用v r m l 可视化编 辑软件制作三维的实验场景需要用到3 a v a s m p t 或e c m a s c r i p t 等语 言。但氆皿技术适宜构建虚拟实验中的所谓“硬件”部分，在实 验数据处理方面尚有不足，需要与其它语言结合才能完成数据处 理。而且，基于v r m l 虚拟现实的虚拟实验在制作上较复杂，门槛 较高；客户端需要有大量的专业的设备( 如头盔，触觉手套等) ，附 加成本较高；并且运行l m i 对客户端计算机的性能要求很高如 图l 所示是采用v r m l 开发的三维效果图【9 i 1 2 图1v r m l 开发的三维效果图 2 2 2o p e n g v s 技术 o p e n g v s t l 0 】是q u a n t u m 3 d 公司的产品，用于场景图形的视景 仿真的实时开发，易用性和重用性好。有良好的模块性、巨大的 编程灵活性和可移植特性o p e n g v s 提供了各种软件资源，利用 资源自身提供的a p i ，可以很好地以接近自然和面向对象的方式组 织视景诸元和进行编程，来模拟视景仿真的各个要素o p e n g v s 现已成为世界上最强大的3 d 应用开发工具之一目前，o p e n g v s 的最新版本为4 5 ，支持w m d o w s 和l i n u x 等操作系统o p e n g v s 包含了一组高层次的、面向对象的a 斗应用程序接口( a p i ) ，它 们直接架构于世界领先的三维图形引擎( 包括o p e n g l 、g l i d e 和 d i r e c t 3 d ) 上也就是说，o p e n g v s 既封装了繁杂的底层图形驱 动函数，又保持了良好的性能，它的一个功能函数调用，等同于 普通的上百或上千行图形编程代码。开发者只需用少量代码就可 以快速生成高质量的3 d 应用软件o p e n g v s 的a p l 分为相机、 通道、烟雾、帧缓冲、几何、光源、对象、场景、工具、特效等 各组资源，开发者可以按照应用的需要调用这些资源来驱动硬件 实时产生所需的图形和效果o p e n g v s 针对i n t e lp m 、p 4 处理器 迸行了高度优化，完全能让你的应用达到最佳运行性能。图2 所 示是o p e n g v s 开发的三维视景图【l l 】 2 2 3v e g a 技术 图2o p e n g v s 开发的三维视景图 v e g a 是在s g ip e r f o r m e r 基础上发展起来的仿真软件平台 1 2 1 ，主要用于虚拟现实技术中的实时场景生成、声音仿真及科学 计算可视化等领域。v e g a 可选功能模块用于创建特定的仿真应 用。 v e g a 由图形用户界面l y n x 和编程接n ( a t i ) 组成，拥有2 7 个 核心类，l y n x 提供其中2 0 个类的参数调整图形接口v e g a 还包 含一批可选功能模块，这些模块也嵌入l y n x 图形界面，同时提供 c 编程接口仿真应用程序中涉及的v e g a 类，在l y n x 中调整属 性，存为a d f 文件，作为主程序的入口参数a d f 文件是v e g a 应用程序定义文件，负责部署仿真程序中应用的v e g a 类及其参 数。l y n x 创建、修改a d f 文件，并且可以实时浏览该a d f 定义 的仿真程序执行结果图是v e g a 的体系结构图。 v c g a 类是一个特有的概念，不同于面向对象的类的概念后 者是对数据和操作的封装，应用方法是“对象+ 方法”，而每个v e g a 类都是一个完整的控制结构，提供给外界的是管理类本身的a p i ， 1 4 用户通过调用这些a p i 来应用类完成特定功能在v e 髓中，几 乎每一项功能都是通过类和类模块所提供的a p i 完成的。因此每 个v e g a 类都是一个模块，一个c 语言a p i 的集合，用户自定义 模块也是一个完整的v e g a 类，需要具备完整的编程接口。图3 所 示是采用v e g a 开发的小区漫游效果图。 图3v e 弘开发的小区漫游效果图 b hg r a p h 是一个面向视景仿真类应用系统开发、可支持实 时三维图形应用开发与系统运行的软件平台【，提供可扩展的软件 体系结构、标准化的场景管理机制、高效率的场景处理方法、方 便易用的应用程序接口，为三维图形应用系统的快速开发、高效运 行提供较为完整的技术支撑 b hg r a p h 图形平台由三维视景绘制引擎、三维对象建模工 具和三维场景布置工具组成三维视景绘制引擎是图形平台的核 心，包括一个实时三维图形的二次软件开发包和一个运行支持库， 完成图形平台的场景管理、逼真绘制和运行支撑等1 三维对象建 模工具基于人机交互方式刨建、修改、存储三维几何模型文件，生 成虚拟环境和虚拟对象的场景数据库l 三维场景布置工具提供可 视化的应用系统配置界面，设定对象初始位置、初始视点、环境状 态、绘制模式等，生成帆配置文件，供三维视景引擎调用图4 所 示是采用b hg r a p h 绘制的三维效果图 图4b h g r a p h 绘制的三维效果图 2 3v l r t 0 0 l s 2 3 1v i r t o o l s 概念 v l r t o o l s 在3 d 互动展示方面是一种强大的技术【5 】【i 6 j 【i 7 l 。 v l r t o o i s 有很完善的组成；一个创作应用程序、一个动作引擎、一 个渲染引擎、一个w e b 播放器、一个软件开发工具包( s d k ) 一一个创作应用程序v r t o o l sd e v 是一款允许你快速简单建立 3 d 内容的应用程序模型、动画、图象和声音等工业标准媒 体都能通过v l r t o o l s 的行为技术得以应用。不能在v i r t o o l sd e v 里创建模型；v i r t o o l sd c v 不是一款建模软件但是，象摄影 机、灯光、曲线、界面组件和3 d 结构( 在大多数3 d 软件中 叫虚拟助手) 等简单的媒体能通过点击一个图标建立 一一个动作引擎。v k t o o l s 是一个动作引擎，那是因为v i o r t o o l s 处理动作一个动作是某个元素怎样在场景中运动的一个简单 描述。v u t o o l s 在v l t o o i sd w 中提供一个强大的可以再度使用 的行为，它允许你通过简单的绘图界面型的示意编辑器来创建 任意类型的内容一除了写一个单一的线路代码。对于编码器和 编剧，新的v a - t o o l ss c r i p t i n gl a n g u a g e ( v s l ) 通过提供脚本级 别来访问开发工具包v i r t o o l s 还有一些管理器来帮助动作引 擎完成她的任务有些管理器( 例如时问管理器) 存在于动作 引擎的内部而另一些管理器( 例如声音管理器) 则存在于动作 1 6 引擎的外部 一一个渲染引擎v i r t o o l s 有一个渲染引擎来绘制你在 v l r t o o l sd e v3 d 设计中的图象v l t o o l s 的渲染引擎能被你自 己的渲染引擎所取代，或者通过软件开发包( s d k ) 定制出适 合你特殊的需要。注意：任何有权限使用的渲染引擎猿代码都 必须服从额外的专利使用权转让协定 一个w e b 播放器。好的技术在它成为被尊重的伟大的技术之 前必须是容易接近的v n t o o l s 提供一个免费的w e b 播放器， 它能够被任何人下载并且下载后不到i m b 的容量。w e b 播放 器包括动作引擎和全部的渲染引擎的一个录音重放的译本对 于w e b 播放器的更多了解可以通过在线参考 - 一个软件开发工具包v l r t o o l sd e v 包括个能访闯动作的某 个部分和渲染过程的软件开发工具包。用s d k ，你能：创建 一个新的动作、修改现有动作的运行、写新的文件给输入和输 出文件，来支持你选择的模型文件的格式、替换、修改、扩充 v l r t o o l sd e v 的渲染引擎、v a l 还提供一个接触面从d e v 的内 部给s d k ，所以你可以简单快速的测试新的主意并不用执行 自定义动态连接库来执行自定义代码 2 3 2v i r t o o l s 模组介绍 v i r t o l s 除了自身的3 d v r 开发平台v h t o o l sd e v 以外， 还有五个可选模块，分别是；物理属性模块( v l r t o o l sp h y s i c sp a c k f o rd e v ) 、沉浸式平台( v l r t o o l sv rp a c kf o rd e v ) 、人工智能模块 ( v i r t o o l sa ip a c kf o rd e v ) 、x b o x 开发模块( v 矾o o l sx b o x i d tf o r d e v ) 和网络服务器模块( v i r t o o l ss e r v e r ) 。 物理属性模块( v u - t o o l sp h y s i c sp a c kf o rd e v ) 。v l r t o o l sp h y s i c s p a c kf o rd e v 是完全整合在v h - t o o l sd e v 中的一个插件，提供 了对于由物理定律控制的现实世界的真实模拟整合了h a v o k 公司顶尖的物理属性引擎，使得v 1 r t o o l s 的使用者在制作3 d 互动场景的过程中更加便利。提供使用者多种物理属性的运 用，v i r t o o l sp h y s i c sp a c k 中的行为模块( b u i l d i n gb l o c k s ， 简称b b ) 可实现诸如重力、质量、摩擦力、弹力、物体问的 物理限制、浮力，力场与车辆的动态物理属性等功能，例如你 可以指定车辆的质量、车轮的摩擦系数，可以识别弹簧、铰接 的连接限制等。这些都是通过物理引擎来实现的，而不需要你 具备复杂的数学和物理知识这些功能大大缩短使用者制作的 时间，减少了美术设计师繁复冗长的物体动态制作过程与程序 设计师撰写算法的过程。 沉浸式平台( v h t o o l sv r p a c kf o rd e v ) 。为丛集式p c 提供完整 的虚拟实境解决方案使用者可以直接透过虚