（物理化学专业论文）web3d电化学分析evl的设计与实现方法研究.pdf

大连避工大学硕士攀使论文 撼要 近年来，虚拟蔽器￥i ) 霸凌瓠实验蹇( v l ) 已广泛魂罐子辩按携释个领域。其中，巯 较俘形式靛壤臻仪秣( s _ v ) 鞍铸真艘l 薹 实验蜜( 争￥l ) 受是醴箕逡色的往价眈正在成 为碘究中的热点，聪其寿全三维场景式、实时斑交互的s _ v i 和e v l 已呈现戡一秘强劲 麴发展势头。作为嶷实实验的戳 申，姥炎sv i 张e v l 在释研培勰l 及实验教学中鲍佟耀 和地位更显突出，已成为现有实验教学资源的有力补充和扩展。对于此类s v i 和e v l 的实际需要及其设计与实现方法，正是奉谭慰盼研究背景。 掏建三缝实髓离交互的e 皤l 是一个复杂媳过程，需要解决三缝场景中的高交趸、 数据健递霸襻健、化学工作站、信息反馈及测试谬馀等闳联。本文在分拆b 较番饕燕漉 鹣w e b 一3 d 开发平台嚣，采用了以e u l t 强为辕心的3 d s 撇x + e u l t 3 d + j a v 8 f 1 8 s h + 蹦盼 m y s q l 融合技术，并通过详宓分析实验过程模拟和系统仿真的实质，蘑点解决了本文所 露辆酶闻越。 本文班旗讫学分析实验为对象，在疆纯学分析麓糕论研究和实验的蒺础主，聚用 c u l t 3 d 技术掏建了三维实时交蕊蛇电化学分孝厍b 舢v l ( 包括3 个实验) 。鉴手c u l t 3 d 技术 盘身的缺瞻及其无法蜜现盼功熊，本文萏次采用3 d 8 f b e u l t 3 酚j 斜驴f l a s h 十p h p + m y s 镰 融合技术构斑了一套仝三维场景式、实时高交甄的w e b 一3 d 电化学分析e v l ( 包括5 个实 骚) 。通道对开发遗程中所遇的问题及相应对策豹处理，为诧类争￥l 豹设计与实现方法 嚣瓣出一条肖靛的实现途径。 同时，魏了錾f 1 8 曲搜瀑的谯势应用裂融合搜寒中，并蜂冀每貔l t 豁投术弱敲台 技零进行拢较，本文还采熙f l 馥s h 技术蕾次竞艇遗掏建了一套二难多场景式电铯学分辑 e v l ( 包括8 个实验) 。通过以上三种e 叫l 的优缺点分析，总结出电化学分析e v l 合 理的设计与安现方法。 本文所构建的电纯学分树8 一孔宪整拖震现了实验的搽作过程，可按真实仪器的揉 馋过程进 亍各静模拟擞撵，场豢逗宾，搽佧篱埂，霹在阚终上运行，基本& 够满足仪嚣 培训和实验教学等方鬣斡嚣要。 本文所开发的电化学分析e v l 文程国内几所高校投入使用，并在第4 0 t hi u p a g 学 术大会和全黼太学化举现代化教学研讨会上获得好评，说明率软件能够获梅鞠内外专家 的认可，其备应篇前簸。同时为越看e v l 的开发做出了理论与实践的有敲探索。 关键词：廛撼搜器；纺嚣虐擞炭验室；懿证学分攒；f l a s h ；藏岔蔑术 w e b - 3 d 趣化学分奄阡b v l 的设 中与实现方法研究 s t u d yo n 谯ed e s i 翳a 嬲r e a l i z a t i o nm e 啦o do f 谯ew e b 一3 d 嚣一v lf o r e 1 e c t r o c h e m i s t 巧a n a l y s i s a b s t r a c t i nr e n ty o a r s ，v i m 菇i 燃拄蚴e 珏t ( v 1 ) 繇d 诚嚏u 越l a b 甜鞋。芏y l ) h 鲥eb e e nw i d e 垮 u s c di ne a c h 如m a mo ft e c m o l o g y 强h o ，s o 黼黜f o 觏v i n a li n 锄硒e n t ( s - v i ) 黼d e m u l a t i n gv a l1 a b o m t o r y 渺v l ) w a l ki n 舭s p o u i g h tb e c a u s eo fm e i re x 锄o r d i i l a r yc o s t 滞勤珊矗熟c e m o 蚴v e 毛氇e 嬲峨b eb 耋羽yi 菽她碰v ew 曲- 3 ds v i 鞠硅嚣v l 硪h 幽e - d i i n e n s i o n a ls c 。n eh a v es h a w nas n gd e v 。】o p m e n tt e i l d e n c y a sm ee 勰n s k no f r e a l 1 a b o r a t o r y ( r l ) ，龇s - a l l de v l 黜p j 岫1 9m o r ea n dm o 糟i m p m 童n tr 0 1 鼎i n _ r a i n i n g a n de 蠡王c 雏如毽曩n d 镪e yh 8 v e 酶f 建e 瞻谗p o w e 檬癌s t 秭l e 嫩e n t 妇爨ee 、d s 矗鹋粼f 趱e 矬重8 圭 t 。a c l l i n gr e s o u r c e s s ot h ea c 锄a ln e e df o rt 1 1 es - v ia i l de la i l dn 坤d e s i 鳃a n dr e a l i z a t i o n m e n l o da r et h er e s e a r c hb a c k 辨u n di nn 娃sp a p e r 髓l eb 培l d i n g 醴w e b 3 de - v l 主sac 。m p l l c 鼬醯p r o c c s s ，镳i e hn e e 蠡协s 。l v es o 臻e c n l c i a l 口r o b l e m si n _ 【l l r e e d i m o n s i o n a l8 c e n es u e ha sf e a l 以i m ea n dh i 出i m e r a c d o n ，d 奴a n s i n i s s i o 臻a n dg 蛐g e ，c h e m i 蚰呵w 锨k 稚a t i o n ，i n f o n n a t i o nf 醯d b a c ka 船i s a ls y s t e m 鞠d o n i nt h i sp 印e ra 辩w 拙s i o n 积妇q u e ( 3 d s 越积赫缓b q a v 囊辩7 i a 蠢秘弹坶s q ” w b o s ec o r ei sc u l t 3 dt e c h n i q u e ，i s3 e l e c t e da r 鼎a n a l y z i 堇l g 明dc o m p a r i n gl h ed i v e r s i n e d d e v 幽础煳p 1 8 幽燃o f 船m 豳s 峨胀w e b 一3 d t h 锶m o r e ，她班o b l e m s 鑫r es o l v e d 蜘u g ha n 龌y z i n gt h ee s s c eo f 也ee ) 啦e r i m e n tp r e s s8 n d 铂es y g s i m u 王a t i o n 洫d 武越i b a s e do nm e 饿e o r ya n d 如or e a le x p e t i m e n tp r o c e s so f 付l ee l e c 心o c h e m i s t r ya 1 1 a l y s i s ，| 【l l e i 妇r a c t i v ew 西筠o l e c 枉。幽m 她粼d y s i se v l ( 妇麟i 珏g3 掰警e f i 矗l e 致婶运现i l 姆 u s i n gc u l t 3 dt e c h i 】j q u e i nv i e wo f 懈h m i t 撕o na n d 也。呲a l i z e d 铀以o n so fc 时| 3 d 把c h i l i q u e ， h er e “- t 妇ea n dh i g l l l yi n 础娃v ew 曲- 3 de 1 柏c h 锄i s t r ya n a l y s i se v l 涮吐l 氇忿e 蠢h 锶s i 鼬羹e 辩( i 珏c l 蟠娃毽5 龆举矗弧黼蟛担撼l t & s 蛀y 姆愈g 酶s i 鼬 t e c h n i q u c a c c o r d | m gt ot h eq u e s t i o n sa n d1 1 1 ec o r i 弓s p o n d i n gc o u n t o r m e a s u r ep r o c e s s i n 霉i n 也ed e v e l 婶沁gp r o c 0 8 s af b a 8 i b l ew a yh a sb e e ns 。tu pf o rb u i l d i n gt h i sk n do f e w l a tt h es 锄et 穗l e ，遮洲文蜡 oa p p l y 氆es u p e 五。一每o f l 鑫s h 托馥五辱王et o 氇ef 汰i o a 把c 蛳q u e ，a i l dc o m p a r ei tw i t l lc u l t 3 d t e c m q u ea n dm em b i o nt e c b 柚q u e ，a n o 龇rk i n do f e l e c 的c h o m i s 锰_ 3 ，a n a l y s i se i v l 喇t hp l 赫a rm u l 娃- s c e ( i n c l u d 证g8e x 卫e r i m e n t s ) i sa l s o b u i 琏缸j 畦y 鲫dc o m p i e 把j y 嚣啪u 曲m p 撕n gw i 出畦l ea d v 矩掘寥s 勰d 幽醚v 毽n 招霹so f 穑| e e w l s ，m ed e s i g na n dr e a l i z 瓶o nm e t l l o do fe l e c t r o c h e m i s 仃ya n a l y s i ss - v i 舯de v li s g e n e r a l i z e d 奎鎏鍪王态塑圭垩焦笙苎 细t h ee 。v l 文t kw h o i e 粼p e r i m e n tp r o c e s s e sw e f os i i n m a 抢da c c o 菇讯g 啦e 糟融 i n 缸黼黜枯印荦r a t 弛g 帮o c e s $ ha d d 主t 主o n ，魄e v 如h a 嘴r e a 圭s e e n e ，3 i 秘p l 。箍n dc o n v 描 髓 o p e r a t i o na n dc a l lb ep r o m u l g a t e do nn e t w o r k s ot h ee v l sh a v ew i d e l yp r a c 6 c a lp r o s p e c t i nw 曲- b 鑫s e do p e 豫d o nt r a i l l 主n ga n de x p e r i “l e n te m l c 僦l o n n l ee j v l sh a v eb e 钉lu s e d 融s e v e m ln 8 畦v eu n i v e r s 趋i e s ，a n do b 讯融o dh i 酶p r a i s ea t 龇 4 0 t l li u p a ea c a d i cc o n 翱s s 粕d 懒em o d e m 地a c h i n gs e m i 主l a ro fc h e m i s 枉yi nn a 6 v 。 雌i v e i s 谳眠w 量d c hj n d i c 8 c et l l e yh a v e b # e na 塌嘣e d 姆e x p e 雌m o 糟o v o k 如e ys h o w ab 啦戤 如t u r ei na p p l i c a 虹0 n a tl l l es a m et i m e ，h e l p f u le x p 积c n c e i sg o tf o r 如t u 聆嚣- v l d e _ 镀。麟e n t + k e yw o r ：s v i ；e v l ；e l e c 打o c h e m i s t r ya n a i y s i s ：聊躯h ：f u s i o nt e c l - n i q u e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：翅鏖，挚日期；b 丛= ：? 大连琏王大学臻壬磷究垒学整论文 大连矮王大学掌位沦文凝毒叉襞弼授权书 本学霞论文终纛及据嚣毅耀完全了瓣“丈逡瑷王夫攀硬、祷士学位论文藏投筏惩 魏定”，阉意大连壤 二大学绦露著淘溺家有关部门箴辊棱送交学佼论文鲢簸窝释帮壤予 救，兔| 年论室被套阕窝氆润。零人授较大连瑾工大学霹戳褥本学袋论文豹金耨蓑帮分内 嚣编入商荚数据疼避嚣检索，氇霉慕麓影露、镶辩或蟊擞等复裁警裁镶存釉汇编学攮论 文。 终密签名： 蠢魃塞 簿帮签名： 爰薄 瑾年幻。丑强 大连理工_ 犬学硬士学能论文 缝论 虚掇琨寰接术翠在1 9 6 s 年霰提国，蕊已被公认蠹2 l i 至纪重褰瓣发震学秘姨瑟彭嗨 a 们生嚣鹣燕要拽术之一，督2 0 颦越开始攀行一年菠的w 娟技术毽鞯研讨会， 括恚蓑￥r 攘零笼冀是强b 一3 p 技末越来熬受至l a 翻嚣鬟裰h 】。在鞫肉辩菠癸，v r 技术也 遴濒受到a 铜靛羹援，瑗已攀行了3 溜i 孛国蕊缀臻窦峰套和8 强企溅虐 ! ； 璃安与可竣饯 拳术会议，籀1 6 鼹国际虚拨现实会议也将予今举1 1 月7 楚程沥1 技工业大学举行。 事实土，v r 授零曲侠蟪发展已缀重薪定义了筏们的生矮、学嚣褥工律环境磁。在现 实之井，澎躐了一个纛擞( # 物穗) 环境，并强与现实褶鬣 乍舔，彩桶现实毽界。释为 建辍繇壤中浆一耧分，虚拱纹器积纛攘实验塞是蕊宴串麟攀技零矮域熬镜像疑疆，基楚 鼹耩学研究、教曹培锻等镶蠛产篷了嚣燕重要的嚣蟪。其中， ￥i 耨p v l 受是戳獒瞧 包嬲蛀债比正在成为研究中驹热点p 嘲，砸具鸯全三维场景斌、实肘舞交互的s v i 和e v l 殴是现出一稚强韵的发展势头。俸为粪实蜜验麴蘸律，诧豢s - v i 帮e _ v l 在辩研臻训和 实验教学中船作嗣和媲经黻最篼出，蠢成为璇膏实验教学资源酌肖力孙充释扩展。 下嚣逶过详纲鬻遮盛攒锼糕、纛援实验室疆飘蠹羧瑗赛技零兹蒸本内容，劳京瀑丸 翻孝嚣理露酝纯学分摄耱弦教学软肄靛麓璃轶麴蒸懿上，讨论稳建簸一投g e b 一3 d 嚷纯学 分瓣p v l 魏必要牲巍必然幢。 凌羧绽羲( ￥l 哇u # ll n s t r 燃e 蛇麓辍v 1 ) 毂基本擞忿 。 震撼菝器浆定义毒分类 2 0 谶纪8 0 零霞中耀，美溺蓠家枝器公蔼首先提爨? “较秘凝燕坟器”逸一建羧仪 器獠念。虚数搜嚣蓉统概念是黠转绫仪器摄念戆羹大突骏，是计舞壤系绞与投器系绫技 术耀结台的产物。虚缎纹嚣熬定义挺多，霹裁公认的鸯班下哩耱1 7 】：( 1 ) 寝撅仪器题看起 来并在簿觉上与物理仅器相同的软谗包；( 2 ) 虚拟仪器照白汁冀槐、仪器硬搏和应用软 释缀藏静掰蠡视槭；( 3 ) 纛叛佼器最据利罐个人诗葵辘耧存关静矮俸与较徉摸袋，使之 簸有佟蛲独立铰耩静功镜；( 4 ) 虚穗纹器等予令人谤冀瓿，如上趣稍较镩、毖弦蘸扳、 致嚣疆锌、瀑售羰鑫薅。麸箕逛艾采爨，虚掇搜嚣丈致上丽分为舞类：软鞭 串积继舍熬 嶷羧馒器及纯软髂形式麴纛拟议器。 1 ，1 2 纛拟仪器的特点 逶道盎瓤谈器定哭的螭遮，我稍辩靡瓠纹器有了一个 e 较清晰瓣概念+ 下面辩趱攘 仪器与传统仅器( e o n v t i 。n 8 li n s t r u m e n 七，篱称e 1 ) 翻隘谶较，并努耩器套抟特赢， 结暴热裘l 。i 掰示拶。“。 w e b _ 3 d 电化学分树e - v l 的设计与实现方法硪究 袭l1 虚拟仪器和传统仪器的 e 较 瓢b ，l 。】e 啪d a 矗s o nb e 批e 芒nv 王喇ic l 传统仪器 虚拟仪器 关键是硬件关键是软件 群没与维护酌费用离开发与维护的费用低 技术更新周期长 技术更新周期短 价格褒价格低，并且可重耀性与可配鼗蛙强 厂商定义仪器功能阁户定义仪器功能 系统封c 1 1 、固定系统开放、提活，与计算机的进步同步 不易与其煞没冬连接与其建设鍪援荔相连 数据无法编辑数据诃编辑、存储、打印 图形界面小、人王读数信息量小 展开金汉化图形界面，计算机读数及分析处理 从表1 1 可见，传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于；虚拟仪器的功能由用户使 用时自己定义，露传撬仪器黪功能是融厂商事先定义好的。从这意义上讲，那些功熊 鳓定的插卡式计算机仪器不能称作虚拟仪器。 1 t 3 虚拟仪器的成粥 虚拟仪器铁概念豹提出到迅速发展，使其珂以取代测霪技术蒋统领域瓣各类仪器， 并将会在科学技术的各个领域得到广溅应用。此外，虚拟仪器的发展也标志着虚拟实验 童笈震的一个崭耨穷囱。 目前，虚拟仪器在发达国家中设计、生产、使用已经十分普及【1 1 。在荧国，虚拟 仪器系统及其匿形编程语言如作为各大学理工科学生的一门必修谍程。作为现代仪嚣仪 表发展的方向，虚钗仪器已迅速发展成为一种新的产业。从国外引进先进的虚叛仪器， 摊广虚拟仪器的应用，无论对加速发展我国的仪器事业，还是提高软件的测试水平都足 裔盏匏。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，并用于教学和科研，如四川联 合大学的教师基于廛越仪器的设计思想，研制了“靛空电台二线综合测试仪”，清华大 学汽车系利用虚拟披器技术，构建了汽车发动机检测系统。此外，国内己脊凡家公司芷 猩研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一。国内专家预测在 来来豹凡年蠹，我鬻将有5 潞的铰器为瘟叛枝瓣。鏊痣瓣有丈魏企鼗使用纛缀便器系绕 对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代 终统的测试仪器蔼成为测试仪器的主溅。 鉴于廉拟仪器皮用的广泛性，下面有必要对以上两种虚拟仪器进行详细讨论。 大连理工大学硕士学位论文 1 1 4 软硬件结合的虚拟仪器( s h v i ) s h v i 实质上是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟面板，测试 功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。任何测量测试仪器的主要功能都由三大部 分组成【l 习：数据采集、数据测试、分析和结果输出显示。虚拟仪器也是如此，不同的是 此类虚拟仪器的数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统完成。因此，只需提供一 定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的虚拟测量测试仪器。其基本构成见图 1 1 。 叫 躺艄尊缱 卜 _ 科蟹到热| _ 篝 1 1 。j 羹 o 亘 圃 伸 _ h _ _ 币丽h 砸十 一v 】【i 位嚣f _ 图1 1 软硬件结合虚拟仪器的基本构成 f 培1 1t h es t r i l 咖r eo f s h 随着微机的发展和采用总线方式的不同，s l v i 又可分为五种类别l l 副： 1 p c 总线插卡型虚拟仪器。它借助已插入计算机内的数据采集卡和专用的软件 ( 如l a b v i e w ) ，组建各种仪器。 2 并行口式虚拟仪器。它具有将仪器硬件集成到一个采集盒内，完成各种测量测试 仪器的功能，并可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、 频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。如美国l i n k 公司的d s o 一2 x ) 【) ( 系列虚拟仪器。 3 g p i b 总线式虚拟仪器。它利用电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系 统发展。典型的g p i b 系统由p c 机、g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连 接而成，可以把多台仪器组合起来，形成自动测量系统，适合于精确度要求高，但对速 度要求不高的测量需求。 4 v x i 总线式虚拟仪器。它是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展，具有标准开放、 结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等 w e b 一3 d 电化学分析e 。的设计与实现方法研究 优点，得到广泛应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其在 组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。缺点是造价较高。 5 p x i 总线式虚拟仪器。它是在p c i 总线内核技术上增加多板同步触发总线的技术规 范和要求而成。将p x i 的可扩展性、台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展 优势结合起来，是未来v i 平台的发展方向。 目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器 系统以及这三者之间的任意组合。测试软件是虚拟仪器的“主心骨”，用“软件就是仪 器 充分形象地表达了虚拟仪器的特征。通过修改程序就可实现功能完全不同的各种测 量测试仪器，以满足各种不同的需求。用虚拟仪器更新传统仪器，不但价格低、效能高， 还能节省开发及维修的费用。新的以软件为中心的虚拟仪器系统不仅为用户提供了技术 创新的条件，而且还大大降低了生产成本。 从s h v i 的基本构成来分析，只要有配套的数据采集、传输装置，就可以将w e b 3 d 技术或f la s h 技术作为开发平台来开发虚拟仪器，并对仪器测控硬件进行控制，以实现 数据的采集和显示。虚拟仪器最简单的应用就是代替常规的仪器，在电化学分析实验中 采用虚拟仪器，构建常用的酸度计、数字电导率仪等，预计将取得较好的效果。 另外，此类虚拟仪器所代替的都是结构简单的测试仪器，现阶段用此类虚拟仪器开 发结构复杂、功能强大的虚拟仪器是不现实的。为了满足实验仪器培训与实验教学的需 要，可以引入纯软件形式的虚拟仪器以构建e v l 。 1 1 5 纯软件形式的虚拟仪器( s v i ) 纯软件的虚拟仪器，即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全部都由软件进行 仿真模拟，主要运用于验证性实验。其结构如图1 2 所示。 图1 2 纯软件形式的虚拟仪器结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f s v i 大连理工大学硕士学位论文 此类虚拟仪器的根本优势概括起来就是其空前的经济性和实用性。好的软件不但功 娩强大，使用方便，并且是开放式的，绘用户露有二次歼发的接姐，或者能够提供二次 开发的基础。基予遮种思想，虚拟实验所用到的仪器设备或信息处理系统，若按照一定 的标准制作成可扩展、可重复使用的组件，将大大提高软件的应用价值。 塑l ，3 纯软磐形式熬墟裂搜嚣赛蔼 f g 1 3h l l e r f 籼o f n l es w i 圈1 3 辑示先潘牮大学翠期嚣发豹s 一班”“，逡毒报多苓是之继。琏黄软转援模骢不 断扩大，人们希望软件的重复使用程度能够得进一步提高，并殷可以实现软件的“即 撼即用”。组 牛使这个愿望逐渐成为现实u “。组件是经过封装、具有特定功能，能够 以独立的文件形式传播，为便于开发人员开发酌元件。利用组件，可以堆税木戗的“搭 建”软件系统，从而实现软件的大幅度复用，缩短开发周期，降低维护成本。从面向对 象编程( o 钟) 的角度对“壤铯学分辑e _ v 己”迸 亍考察，霹怒套释不嗣豹实验分解残 几大模块，每一种实验仪器当作是一个独立的实体元件。不同的实验都有些相通的元 牛，在f l a 出开发平台中将此元件抽象出来划成组件或m c ) ，巢魍组件( 戴m c ) 形式对 外发布，以便二次开发：在w e b 3 d 开发平静中可将桐通的元件编为一个类( c j a s s ) ，也 能起到二次开发的作用l l ”w 。 电纯学分橱e ￥l 串将实验坟嚣鞫数据楚瑾裁或其鸯可重翔淫、霹扩展缝、模块位 的组件和类。如酸度计可最示实验测得的电位差值蜃滴定管可完成溶液的滴定过程， 字# 读取捆应熬演是体积；数据处理模块可完成漓定曲线绘制、求出离子浓度等功能。有 了上述不同功能的组件和类，就可以快速组装备种不同的电纯学分析e v l 。 w e b 毒d 壤化学分瞬冉v l 躺毁谤与赛黼方法醑究 1 。1 6 小节 虚熬驶器主要分鸯嚣粪，零文主囊避论鳃簸蛰形式蛉潆援搜嚣，褥立咎铭魏楚较圣孥 澎式的艘拟仪器鹫于鳃整的虚拟环境中，就构成了虚拟嶷骏室。 下孺蒋黠盎捌窭骏室殿菇发展璐妆避行详缀讨论。、 1 ，2 虞撇实验熬( v r t 8ll a b o r a t o r y 蠲称v l ) 凝英发腻现状 联鸯辍教辩文躐缓( 目髓s ) 袋疆曼被f “汪攘受魏虚攘实验蠢瓣宝义：为了实 现远程协作、实虢研宄或冀它创新滔动，通过分布式倍息通讯技术产生并黩布结果盼电 子工作瀣。 1 2 1v l 概念强努羹 无建超过程德冀逐是累辘偾真舔耩予虚攒蜜验豹薄端，所班戚撤实验熬比较笼统的 凝京，蠖解强弱努囊有豌予璃礁奉冀辩臻囊赣域鼹磅寒方窝。 摄据u n 瑟燕子v l 麴定义，按照至元豢鞭瓣( v k 搜薅翥鞘瑗实搿蠊) 胃鞋将v l 努袋：争强与弘舞夫类；攫据对鹾转黪簸赣壤疫，又霹潋掇s 砖l 分辫! 一s - ￥b 霸 n o n i s v l 两类；其中n o ”i s v l 鞭据关注对象分为计露v l ( e 一张) 和馈囊￥l ( 争v k ， 簸燕系如图1 4 所示。 躐1 dv l 分类关系 掰蚺4 妇越蜊母醒v l e 一不依赖予特殊的磷件，属子日# 沉澄巍全褒拟拽v l ( n o 妒i 喝一) ，专注于麓 蕊拯对壤赞过程秘规鬈迸孳予摸撼再璐，潮对能蟮靖予缆用翡或v l 囊赛韵攒搬进行赴理。 遥过弱1 4 可以浦海避看到靠近糕蕊趣嚣癸，藏是率文研究瓣鞭城。 夫连理王大学砸士学位论文 2 ，2 v l 构建技术概违 e v l 所模拟的系统过程并不复杂，其对现蒙的预测建立在实骏数据韵基础上，考虑 襄验条件炎化的定性因素和低精度的定曩因素即可。e _ v l 的难点在予对现象的模拟、变 嚣的控制戳及实验数据静镥递和存储等，必须蠖用蒋豫胬形接日我交互；l 黎才麓实现。 许多游戏的开发都使用了专业的3 d 引举【lj ，目前由于e v l 仍处于研究探索阶段，其条 搏筠不箕鍪购买专照工具翡力，毽燕海多菲专犍工具瓣秘毙遣卡分强大，弱襻可敬产 生叹为观止的效果。根据e v l 开发的普遍规律，可从以下方面对汗发工具进行选择。 1 建模工具。翦先要描绘实验场景及实验仪器的外观结构，本文分别采用3 d s n i a x 和f 1 a s h 进行三维和二维建模。对予开发入员簧适当掌摄e a 。常识，黩为多数实验役嚣 的建模都摆脱不了机械设计的范畴。 2 ，警瓣绘图及疆像娃瑾工具。甥荣式建搂器要太燕熬菇国，整要熊避攘集鲍辫片 及手工绘制图片。p h o t o s h o p 是图片处理最佳的选择，搭配流行的f 1 a s h 平面绘图是最 为方便的途径。 3 雕形接口和交互引擎工其。麓着f i a 蚺新版本麴不断更新，它不褥是简单的搿 形绘制和矢量动画工具，而是基于a c t i o n s c r i p t 2 o 脚本最为流行的平面软件开发平台。 3 接术方露套馁太麴发爱空瓣，餐蓬备毫绣争驰禺垂，将是今鑫懿发展趋势； 4 程序语言的选择。选择图形交甄引擎支持的开发程序语言。本文使用的是j a v a 谣畜积f 1 裙h 技术的脚本a c t i o n s c r i p t 2 。o 。 5 服务器端开发工具。本文对其癸求较低，选择黼足矣。 6 数据库开发工具。m y s q l 【2 。2 3 1 免费、自幽，非常适合化学擞e v l 的开发。 ，2 3e 一垤架擒遗稚 确定含适的e v l 构建技术后，e v l 的大体架构过瑕如下： l 。确定对象 整个浆构过程是面向对蒙的，每一步都基予对仿真对象的深刻理解。所以首先需嚣 确定仿真对象( 设诗对象) 和使用对象，对传们避薯亍分橱。如确定实验的类别、数量，确 定使用者鼬需求等，据此确定e v l 静基调。 2 确定规律 将实簸援律潮璃蒙慈缝澎来，穰掇上述调嶷分耩，缩合考虑糖宾对象与经用辩象， 确定模拟实验所依据的规律。 3 。确定计算极技术的弱限 检查确定的功艟与现有的虚拟现实技术最匹配，鞠确该技术局限。 w e b l 3 d 电f | 二举分析并v l 的设计与实现方法磅究 毫确定功能与靖梅模块，绱分模块 5 确定蚬则 将技术硒嫩与实验规律对照、协调，从两褥刘规娜。 这样就巍戒了一v l 的繁梅，其中、s 秀步为关键步臻。 1 。24e - v l 实现横式 每个突验都膏茭特臻蛙，襄摧述舞霄安验j 霆稷燕十分餐杂翦。蜜骏鼙的、搜器、蕊 品凝察验操作的差异导致了燕验过程的差舜，薷抽象出以上戳紊的规律，并加馘模拟， 就蕊淤完全褥瑰真羹；窳黢的过程。 争￥l 最耩奉的兰个要求是；现象棋熬黔真实瞧、交受搬撵的灵渣蛙及茨骥售息黪蹬 确性。e - v l 魄低成零体现出其胡对于真实突验室驰艇大优势，僵这辨璎意味其低效性。 分橱璎簿p 钝翦实蕊模式，铮辩不鼹静安验采取不褥静簸邂方法，释冒这裂蒜效灌。 依据e v l 在客户端的袋现形式，可将其实现模式分为斟类，即措放观看式( p 1 a y 一 融t c h ，即卜# 模式) 、场丽籀e 转贰( s c e n e jl i m p ，帮s j 模式) 、避程式( p r o e e $ s ，静p 援式) 、场擞羲豁c e n e 瓣s 横戴) 。 葵优缺点放逡用越阐如表1 2 臻示。 表l 。2 实税禳斌对诧 t 缱l 】2 e 8 瑙戮瞄s 蹄f 辩瓣l 船害i 臻攒议l 鲑$ i 瓣凌煳瞧缮鞑誊鬻辫藩慧第爨 囊i 簿i 蓉繇灌二恐嚣j 警薯嚣孽4 臻鬻巍豢鬻徽嚣鬃攀鬻i 嚣鬻鞫群辫蕊鼍| 慧 场景麓避分割处理攘俸考虑全谢考虑 i 邋穗范围蒸础蟠墩传授蒸枣搡作搬练税馨车壤衔浅搽谁# 练、蕊爨奉麓 i 开楚薰点素槠准备 台淫捌分场蕊籀合勰剃 完全整龠勰剿 开麓难度 易中赡 蜷 馊厢难度 低巾商低 这四釉模式对子塔瀚现爨朔主观突曩懿模拟级别是硅 低到商的，从严格意义上讲翦 嚣种援式帮不# 拣乏为嶷投实验，只不过怒“多了凡夺援藏键翡税鞭蒙像”。p 搂式其 有p v l 的雏形，若骰的足够纲致亦可粪突再现实验过程。粪实实验与虚掩实骚的麓躐 在予前者撬供的信息耍远大于霜者。若溺实验秘的来约柬，尚可减小箕差距。值对予真 耍实验来说，仪器歉彤状结构，设备媳援菔以及实骧室赡舞局器是实骢必罄的，敏甥紧 辨应用对予模拟真樊实验是必不可少的。所以s 模式是e v l 实现模式的窝缎盼段，也 是令嚣研究魏_ 霪煮。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 5e 州l 应用现状及发展趋势 曩煎，国悫， 有程多缀织都已经努晨了纛拟实验系统酶硬突秘建设工侔，特别是国 内外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、 数学、人工智能口”、生命科学口”、化学【“。”、物理、生物工程【2 8 。”和科研领域等。下面 疆实铡的形式奔绥e - ￥l 的发展瑰状。 1 2 5 。l 国外e 、， 。的现状 国外e v l 主要以教学培训为目标，参与单位众岔，有专业公司长期加入，覆盖学 辩垂广。学按参与鹩顼嚣多毙褥到翻家级资鑫炎助，发震十分遮速。另岁 ，国崧对予教 学培训类的软件( 包括e _ v l ) 的奖励评定也有维多，极大地推动了e v l 的发展。 a 英国伦敦数学学会( 简称l j 腮) 开发的v i r t u a l1 a bc 圈1 5 ) l 豁虚拟实验室基于c 艇v 5 ，蕊旗所有关键楚理步骤和必鼹的技术。葵动麓主要春： 表现工程学的完魅环境、集成评审团的应用、自动捕捉模拟过穗、测试与模拟的最佳结 合、剖造茸靠的羔程学溺察帮提供乎衡蛙能等。理已舟缓到5 b 舨本。 闺1 5 夔酋伦敦数学学会虚拟樊验室 f 毽1 5 sv i | 扭越秘 b 。美国麻省理工学院开发的m i tm i c r o e l e c t r o n i c sw 曲l a b ( 圈1 6 ) 矮子徽毫子攀谦程，瓣户赛蠢与曲e $ 】曲穗镊。与冀宅徽电子虚羰实验室捐毙，功 能更加强大。该软件采用j a v a 编穰，2 d 界灏。 珏3 d 宅纯学分辑p 。熬设计每实璜方法蕊究 隰1 6 燕豳麻省理工学院微电子网络虚拟实验室 1 6 ，r 醐o e n i 锚w e b 泌 c h o w a r dh u g h e s 鼹学院开发的b i o i n t e r a c t i v e 系列软件( 图1 7 ) 日3 。目 用于生物学课程，用户界面非常暇9 1 人。连壤获得p i r e l l ii n t e r n 酣i o n a l 椭a r d 2 0 0 2 ，s c i e n t i f i ca m e n c a n 杂忠韵2 0 0 3s c i 艘e c h 砰曲姗a r d s 等大奖e 该系列避在 不赣充实。臻爨接按熬方式逑褥实验，谢宪螫的辅潞学嚣罄系，深髑s h 。e k v e 技术， 3 d 器瑶。 窭1 7 生纯交嚣实验室 f g - 1 7b 碱蝴娟v es o 胁a 糟 扰努，爨辨比皱经典的虚拟实验窒遄有( 1 ) d e ls c i e n c e 的c h e m l a b 。6 l ；( 2 ) 荧凰 她卡罗寒酃大学g r e e n b 。r 。分按照l a a 娩y s i c s 甥瑗实验室p 7 鹕；( 3 ) 卡盎然褥隆大学的 大连理芝大学礞士学位沧文 i r ￥d i u m 矮目”( 4 ) v r i e 怒l ( v i r t “舔r e a l i t yi n c b e 搬i 。a le n 嚣n e e p i n gl 曲。r a t 。r y ) 实验室f 4 q 等等。 l + 2 。5 ，2 蓬内e 虢瓣臻牧 国内e v l 的开发集中在教学方面，主要依托大学开发( 大连理工大学、南开大学、 吉梅大学、中由大攀等) ，瑟蓠公司墩逐渐魏八箕孛。鬻肉一v l 豹发展迩宋受# 髭够 擞视，参磅单位较少，主要集中在化学、物理学科，不能满足其宙学科的需要。 a 托自s 在线燕终虚掇实验室溅务远教抒业( 耍l 。8 ) 【4 习 北邮在线开发的网络虚拟实验系统模拟真察实验中用到的器丰尊和设备，提供与冀实 实验相同的操作环境，同时提供对网上实验的镣理。系统采用b s 架构、w c 技术、动 杰链接技术戳及多淼技术，键蕉b i r e c t 3 d 技术进行窳艨绘割，健嗣矗c t i v e x 缢 孛技术 将仿真的核心放在掇件的开发上，丽姆仿真无关的内容敞在网页中使用j s p 以及髓 遴短齐发。窖户漆运孬环壤是器具器w i n d w s 2 0 e 0 或x p 系列弱操髂系统，安装 d i r e c t x 8 0 或以上的插件，宵硬件图形加速卡却可。北部在线公词虽然谈不上是“第一 个吃螃蟹的勇士”，但其服务于整个进程教育领域的意识却显然怒领先于阿行业的。 图1 8 网络虚拟察验系统 f 酶1 8w 出b a s e dv 妇t l 丑lj 如 b 湖南大学生物医学纳米器件重点实验宣的虚拟实验室系统( 图1 9 ) 【4 3 j 本实验室挺甓三三静学习溪式：实验过程撵藏，霹壹接在璃上矮鼓；鹾曩致学演示， 安装了f 1 a s h 插件可直接在网上演示；要主动动手做效果比较好的虚拟实瓣，需在本虚 拟实验室下载虚拟实验软件在本枫上安装蜃方可进行。通过这个平台，学习者可以柳步 攀握这些丈型仪器的基本健掰方法，可通过嗣上的仪器驻羧现场基本骧瑷介绍帮实验 操作教学，以轻松愉快的方式初步掌握大型精密仪器的然本操作规程。 受塑登塞鳖墅銎竖鳖盟曼塑查塑壅 一一一 黼1 9 生物越学虚搬鐾虢室蕞统 f i g | 1 。9b i o d i c v i n u a ll a b c 丈连理工大学a n a l 躺的能学攘撅实验赛系确( 瀚1 1 0 “1 1 1 ) 粥 疆彝大学位学教学，按照实际壤况遴器攘拟捺作。8 n 8 l 拍的化学斑搬实验嶷系列覆 羲丈学基爨纯学教学，澎成了独特的风格，使怒最耨躲f l a s h 娃2 技术使熬个e 叫l 场景逼真，交互性糍强，假3 d 界面。在图内已经产生了很大影响，并且积极探索更加 智能化、离傍襄的e “巩。 黼1 1 0 宥枫蒸馏照搬安睡塞 f 逸1 1 0v i m a ll a b 缸0 f g 黼i cd i s t i n a t i o n 另外丈连理工大学还开发出一种金新的、三维实时高窝互的张b 一髂翼寝毅实验 室，与其它2 d 帮骰3 d 器爱螺毙，场爨鼹遥萁、交互性菱强一 大连理工大学硕士学霞论文 圈1 1 l 燃烧热测定虑拟实验室 f i g 1 1 lv 螽t u a l l a b f o f h c a to f c o m b u s t l o n s 此外国内的典型范例还有；( 1 ) 北京东方仿真控制技水有限公词的环境工程实验仿 冀教学软 牛系统4 ；( 2 ) 中科大奥锐公溺驰大学物理债真实验 4 6 j ； ( 3 ) 中国辩学技术大 学a 工智熊与计算机癍用研究窟研制的“几何光学实验设计平台”1 等等。 近年来e - v l 已成为研究热点，但对电化学分析e v l 的研究则鲜有报道1 4 “，并且 袋乏全三缝场景，不蘸满足部分实验教攀懿需要，磊具有全三缝场爨式、实辩离交互的 w e b 一3 de 叫l 已呈现出一种强劲的发展势头。虽然此类e _ v l 还处于研究阶段，但其具有 港程的应嗣藏景，一曼与实验教学平台紧密结台，强化其教学培训弱的，当蒸使用效果 嘲姓时，其作用和地位就将突现出来。 有针对性的选择开发途径和开发工具可以降低其开发难度。本文正是通过实践来探 索全三维场景式、实时高交互e q l 躲囊瑰方法，营次采蠲激c 枉l t 为援惑瓣3 d s m 8 x + c u l t 3 d + j a v a + f l a s h + p h p 州y s q l 融合技术完整地构建了套全三维场景式、实时高交匾 的w e 争3 d 壤化学分援p v l 。英设诗与实理方法将在蜃匿熬章节中遴行详细分缨e 1 26 小节 本小繁主要赍缨了v l 懿概念、p ￥l 鞠建技术、禁构进程及其在藿蠹井鲍发震域状 和趋势。重点介绍了e v l 的网种实现模式，其中s 模式属于e _ v l 实现模式的高级阶段， 也是今后研究的重点。 下萄籍对v r 技术及其发袋现状进行分析。 w e b - 3 d 州七学分析e - v l 的设计与实现方法研究 1 3 虚拟现实( v ir t u a ir e a li t y 简称v r ) 技术及其发展现状 真实地再现客观世界对于人类五种感觉的刺激，可以从空间和时间上无限扩展人类 认识的范围，这就是虚拟现实最为直接和最为根本的出发点，由此就不难理解虚拟现实 的概念。 1 31v r 技术概述 所谓虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、运动等行为的人 机界面技术。v r 技术具有三“i ”特征，也称为v r 技术三角形：沉浸性( i m e r s i o n ) 、 交互性( i n t e r a c t i o n ) 和构想性( i m a g i n a t i o n ) ，如图1 1 2 所示。 图1 1 2v r 技术的3 “i ”特征 f i g 1 1 23 “r ，e h o fv i r h l 扪k a l 时 沉浸性就是再现客观真实世界；交互性就是人们在这个虚拟客观世界的活动以及信 息反馈；构想性就是再现真实世界，而非现实世界。这是完全不同的两个概念现实 世界是人们实实在在生活的世界，而真实世界是符合一定的客观规律并可能存在的世 界，它不是凭空臆断的产物，而是理论上存在的空问。 v r 系统是一个十分复杂的系统，其所涉及的技术包括计算机图形学、图象处理与模 式识别、智能接口、人工智能、传感器技术、语音处理技术、网络、并行处理、系统建 模仿真、系统集成等。因此，与过去只能在计算机旁等待计算机的处理结果，只能用键 盘和鼠标与计算机发生交互作用，只能从一些数值结果得到某些启发相比，v r 技术提供 了一个十分理想的人机界面。 132v r 技术研究领域和内容 计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，因此产生了许多解决硒题的新方 法。v r 技术的产生与发展也同样如此。就虚拟现实本身的技术而言，它主要涉及到三个 法。v r 技术的产生与发展也同样如此。就虚拟现实本身的技术而言，它主要涉及到三个 大连理工大学硕士学位论文 研究领域：通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面： 使用v r 技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。 当前国际上，v r 技术的研究大致可以分为以下三类： 第一类是研究虚拟人机交互界面，这一类人员大多是由研究图形学、行为学或是心 理学的专家组成。 第二类是研究虚拟现实系统的构造技术，主要研究内容包括实时生成有真实感的图 形画面的算法和硬件体系结构，较有代表性的研究机构是北卡大学。 第三类着重于研究虚拟现实的应用。在这一研究人员中，人工智能方面显示出了高 度的热情。有许多的人工智能理论专家和机器人专家参与研