（计算机应用技术专业论文）基于vrml的计算机原理虚拟实验室的研究与设计.pdf

摘要 虚拟实验室是现代教育实验改革的热点研究问题之一。本文针对v r m l 在 构建虚拟模型存在的真实性和多样性不足的问题，将细节层次算法和图像贴图 模式引入到v r m l 构建计算机组成原理虚拟实验室的模型中，并对v r m l 的 事件处理机制进行了改进。深入研究计算机组成原理虚拟模型的构建和交互方 法，从模型文件压缩和消减冗余字符两个方面对虚拟模型进行优化，完成组成 原理虚拟实验室系统的开发。为了检验虚拟系统的实验效果，本文用计算机组 成原理运算器组成、进位控制和移位运算三个具体实验对系统进行测试，并对 实验结果进行可靠性分析。论文的主要结论如下： 1 、将细节层次算法和图像贴图相结合的模式用于虚拟模型构建，有利于解 决v r m l 构建虚拟模型细节展示不足的问题。在实际的虚拟实验系统应用中表 明，把图像贴图模式应用到模型的高层次细节展示中，使得模型的真实度得到 了提高，保证了计算机组成原理虚拟实验室整体系统的沉浸性能取得好的效果。 2 、从文件压缩和消减冗余字符两方面对虚拟模型进行优化，设计承载模型 作为中介连接浏览器去显示，有利于解决v r m l 复杂模型渲染速度慢的问题， 对虚拟实验室系统的总体优化有比较好的效果。 3 、建立了基于v r m l 的计算机组成原理虚拟实验室系统，通过运算器组 成、进位控制和移位运算三个具体实验验证了虚拟系统的可操作性。实验结果 表明：通过虚拟实验系统，能准确得到预期的实验数据，构建基于v r m l 的组 成原理虚拟实验室系统能代替传统实验室进行实验，为计算机组成原理实验的 教学改革提供了新方法和途径。 关键字：细节层次算法，虚拟实验室，v r m l ，模型交互，模型优化 a b s t r a c t v i r t u a ll a b o r a t o r yi so n eo ft h eh o tr e s e a r c hp r o b l e m so fm o d e r ne d u c a t i o n e x p e r i m e n tr e f o r m a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so fv r m l o fi n s u 伍c i e n ta u t h e n t i c i t y a n dd i v e r s i t y , t h i sp a p e rb r i n g st h ed e t a i ll e v e la l g o r i t h ma n di m a g et e x t u r em o d e li n u s i n gv r m l t oc o n s t r u c tp r i n c i p l eo fc o m p u t e rf o r mv i r t u a ll a b o r a t o r ym o d e l a n d i m p r o v e st h ee v e n t h a n d l i n gm e c h a n i s mo fv r m l b a s e d o nt h er e s e a r c h i n go nt h e m e t h o d so fc o n s t r u c t i n ga n di n t e r a c t i n gt h ev i r t u a lm o d e lo fp r i n c i p l eo fc o m p u t e r , t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ev i r t u a lm o d e lt h r o u g hf i l ec o m p r e s s i o na n dr e d u c i n g r e d u n d a n tc h a r a c t e r s ，a c c o m p l i s h e st h ep r o t o t y p es y s t e md e v e l o p m e n t a sf o ri t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i sp a p e rm a k e su s eo fc o m p o s i t i o no fu n i to fp r i n c i p l eo f c o m p u t e r , c a r r yc o n t r o l ，a n ds h i f to p e r m i o nt o t e s tt h es y s t e m ，t h e na n a l y s e st h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e l i a b l y t h em a j o rs t r u c t u r eo f p r e s e n tp a d e l a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea p p l i c a t i o no fa s s o c i a t i o nd e t a i ll e v e la l g o r i t h ma n di m a g et e x t u r ei n c o n s t r u c t i n gv i r t u a lm o d e l t h e yf a c i l i t a t et h es t r a i g h t e n i n go u to fp r o b l e m sw h i c h s h o w 也ed e t a i l so fc o n s t r u c t i n gv i r t u a lm o d e l 、讹e l lw et a k et h ei m a g et e x t u r e m o d e li n t ot h es h o w i n go fh i g h 1 e v e ld e t a i l so ft h em o d e l ，a c t u a la p p l i c a t i o no f v i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m ss h o wt h a tt h eh e i g h t e n e ds e n s eo fr e a l i s mo fm o d e li s i m p r o v e d t h ei m m e r s i o no fs y s t e mh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t s 2 t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ev i r t u a lm o d e lt h r o u g hf i l ec o m p r e s s i o na n dr e d u c i n g r e d u n d a n tc h a r a c t e r s d e s i g nal o a dm o d e lt oc o n n e c t i n gt h em o n i t o r t h e yf a c i l i t a t e t h es t r a i g h t e n i n go u to fp r o b l e m sw h i c hr e n d e rc o m p l e xm o d e lw i t hs l o ws p e e d i t h a sag o o de f f e c tt oo p t i m i z et h ew h o l es y s t e m 3 t h i sp a p e l h a se s t a b l i s h e dt h ev i r t u a ll a b o r a t o r yo fp r i n c i p l eo fc o m p u t e r b a s e do nv i 蝴l a n di tm a k e su s eo ft h r e ee x p e r i m e n t sa b o u tc o m p o s i t i o no fu n i t c a r r yc o n t r o l ，a n ds h i f to p e r a t i o nt oc h e c km a n e u v e r a b i l i t yo ft h ev i r t u a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tw ec a ng e tt h ee x p e c t e dd a t aa c c u r a t e l y t h e v i n u a ll a b o r a t o r yo fp r i n c i p l eo fc o m p u t e rb a s e do nv r m lc a ns u b s t i t u t et h e 仃a d i t i o n a ll a b o r a t o r y , i ti su s e dt op r o v i d ean e wm e t h o df o rt e a c h i n gr e f o mo f e x p e r i m e n to fp r i n c i p l eo fc o m p u t e r k e yw o r d s ：l e v e lo fd e t a i la l g o r i t h m ，v l r t u a ll a b o r a t o r y , v r m l ，m o d e li n t e r a c t i o n ，m o d e l o p t i m i z a t i o n i i 目录 第一章前言一1 ll 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 虚拟实验室的应用现状1 l2 2 虚拟实验室构建模式分析2 1 3 计算机组成原理虚拟实验室构建存在的问题5 1 4 主要研究内容和方法6 1 4 1 主要研究内容6 1 4 2 主要研究方法6 1 5 论文结构。6 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进8 2 1v r m l 事件执行机制改进8 2 1 1v r m l 事件8 2 1 2v r 儿传统事件执行机制9 2 1 3v r 札事件执行机制改进9 2 2v r m l 细节层次算法改进1 0 2 2 1 细节层次算法的原理1 0 2 2 2 细节层次算法改进1 3 2 3v r m l 细节层次算法与图像贴图的结合一1 6 2 3 1v i g i l 细节层次节点语法结构1 6 2 3 2v r m l 细节层次的具体设置一1 7 2 4 算法改进前后结果对比1 7 2 5 本章小结一l8 第三章虚拟实验室模型构建与优化1 9 3 1 虚拟实验室总体需求与场景模型分类1 9 3 1 1 虚拟实验室总体需求1 9 3 1 2 虚拟实验室场景模型分类2 0 3 2 虚拟实验室模型构建2 0 3 2 1 虚拟设备建模2 1 3 2 2 虚拟环境建模2 2 3 3 虚拟实验室模型交互2 2 3 3 1 基于路由方式的交互2 3 3 3 2 基于脚本节点的交互2 3 3 4v r m l 模型的优化2 5 3 4 1 虚拟模型自身的优化2 5 3 4 2 虚拟模型文件的优化2 7 3 5 本章小结2 8 第四章虚拟实验室系统的实现。3 0 4 1 虚拟实验平台的实现3 0 4 1 1 芯片的实现3 0 4 1 2 导线的实现。3 7 4 1 - 3 面包板的实现3 8 4 1 4 承载模型的实现4 l 4 2 虚拟实验环境实现4 3 4 2 1 静态虚拟环境模型实现4 3 4 2 2 动态虚拟模型实现4 5 4 3 本章小结4 6 第五章虚拟实验室系统测试4 7 5 1 系统运行环境4 7 5 2 系统的操作流程4 7 5 3 系统更新和管理4 8 5 4 实验项目4 9 5 4 1 运算器组成实验4 9 5 4 2 进位控制实验5 4 5 4 3 移位运算实验5 6 5 5 与传统虚拟组成原理虚拟实验室比较5 8 5 6 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 论文总结5 9 6 2 论文展望5 9 参考文献一6l j 受 谢6 4 附录一虚拟芯片部分功能实现代码6 5 附录二作者简介6 9 基本信息6 9 攻读学位期间学习情况。6 9 攻读学位期间发表的学术论文和取得的成果6 9 i i ；：，：；i：- 第一章前言 第一章前言 自二十世纪六十年代开始，虚拟实验技术开始起步，研究的领域主要集中在科研机构， 到了八十年代，虚拟现实的研究进入到实用化阶断，但也主要局限在高端行业，如核爆炸 模拟、汽车碰撞模拟等【l 】。直到1 9 8 9 年，才由美国的w i l l i a mw b l f 教授首次提出虚拟实验 室的概念，并把它描述成一个“没有围墙的研究中心”【2 】。现在随着网络技术的发展，虚 拟实验室的研究逐步延伸到普通的教育研究领域，特别是在实验教学方面，虚拟实验室有 着诱人的应用前景，成为改革实验教学方式的研究热点。 本章主要介绍论文的研究目的和意义、国内外研究现状、主要的研究内容和研究方法。 1 1 研究的目的和意义 虚拟实验室相对于传统实验室，在实验方式上有很大的优点，传统的实验方式会受到 诸多因素如时间和空间的限制，特定的实验只能在规定的时间和地点来完成，并且这种实 验方式投入大、耗费人力和物力，同时实验设备更新换代较慢【3 】。如果采用多媒体课件演 示的方式来代替实验操作，将失去亲自动手做实验的机会，实验的互动性较差，效果不理 想【4 】。通过建立虚拟实验室，自主的控制实验时间和地点，在充分保证实验效果的基础上， 最大限度的降低了建立实验室的难度。 虽然虚拟实验室的研究已取得很多成果，但大部分还集中在比较高端的研究领域，并 且随着虚拟现实技术和计算机网络技术的快速发展，构建虚拟实验室的技术模式越来越多， 但这些模式并不是适合所有的实验室构建，目前针对计算机组成原理虚拟实验室的研究还 有很大的发展空间，找到一种适合的构建模式，对计算机组成原理虚拟实验室的发展有重 要的研究意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟实验室的应用现状 目前，对虚拟实验室的研究得到了很大的发展，已经出现了很多专业化、应用性强的 产品，特别是在教育领域，为数不少的一些大学均组建了与学科领域相关的远程虚拟实验 室，这些实验室已广泛地应用于教学中，实现了教学方法的改革和创新【5 】o 但由于虚拟实 南京信息工程大学硕士学位论文 验室专业性比较强，不同领域和行业的实验室对虚拟技术的要求不同，有的重在表现形式， 有的重在逻辑操作，因此，到目前还没有形成一个可以满足不同要求虚拟实验室的构建模 式【6 j0 1 。比如，国外的研究机构更多专注于设计专业化的虚拟实验系统：密歇根大学的v i c h e r 系统将虚拟现实技术应用在化学工程教育领，实现了催化剂钝化和非恒温反应等虚拟化学 实验用于化学工程教育和设计”1 3 】：麻省理工学院建立的w e b l a b 实验室，用于在线的设 备检测，并于1 9 9 8 年开始投入使用【1 4 】；意大利帕瓦多大学建立的远程虚拟教育实验室，用 于学生的远程教育，灵活了教学手段，促进了教学方式多样化的改革【l5 】；德国的汉诺威大 学建立了虚拟自动化实验室和澳大利亚r m i t 大学建立的热传递虚拟实验室都已经投入教 学使用1 6 , 1 7 1 。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了很多的重视，目前已有部分学校建立了虚拟实验 室。例如，华中科技大学机械学院建立的现代工程测试系统，学生可以通过互联网终端进 行虚拟实验 18 】；同济大学建筑学院建立了虚拟现实实验室，用于对建筑景观、结构进行相 关的仿真【l9 】；中国科技大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实 物理实验系统，该软件将计算机技术、虚拟现实技术与物理实验教学有机结合，给物理实 验教学提供了新的方法和途径【2 0 1 。 针对计算机组成原理虚拟实验室的研究最早出现在2 0 0 3 年，由浙江大学计算机科学与 技术学院构建完成，然后在2 0 0 4 年，吉林大学也成功建立了组成原理虚拟实验室 2 1 , 2 2 。到 目前为止，青岛大学、河北师范大学和山东理工大学等也都对组成原理虚拟实验室的建立 进行了深入的研究 2 3 - 2 5 】。 1 2 2 虚拟实验室构建模式分析 虚拟实验室的构建主要有两个关键因素的影响，一是所构建的虚拟实验室与所对应的 实体实验室是否匹配，二是在匹配实体实验室的基础上，所构建实验室模型交互的可控性、 可扩展性和简易性【2 6 1 。近年来，随着虚拟现实技术和计算机网络技术的快速发展，构建虚 拟实验室的虚拟实验技术模式越来越多，这些模式分别应用于社会的各个领域中，这些模 式在实验场景建模、模型交互、实时显示处理和虚拟实验模式上各有不同，并且有各自的 优劣 2 7 , 2 8 】。如何方便的、有效的构建用于教学的虚拟实验室系统是很重要的研究课题。 在虚拟实验系统发展的初期阶段，整体结构上注重各个实验对象间的耦合程度，特别 强调实验过程的真实性，虚拟系统在不同学科上的分类也比较细，注重系统的专业化，并 且系统要分别安装到每个设备中，有多少个设备，就需要安装多少个系统，这对系统的扩 展和更新都带来很大的困难，每次更新系统都会耗费很大的气力，虽然在一些重要的学科 中，已经成功的组建了这样的实验系统，但是实现的代价非常大，因此把这类系统推广到 2 第一章前言 普通学科中将十分困剌2 9 挪】。随着虚拟现实的快速发展，出现了很多新的技术，给虚拟实 验室系统的建设提供了丰富的途径，可以根据实验的特点选择合适的虚拟技术方案。下面 主要介绍一下目前比较成熟的虚拟现实处理技术。 ( 1 ) 虚拟现实技术方案比较 当前，在虚拟实验室的开发中，虚拟技术的选择是多种多样的，选择的依据就是所要 构建的虚拟实验室复杂度要求和功能性要求，有的虚拟实验室注重外观效果的展示，而有 的注重实验操作性和逻辑性，对外观的显示要求低等，根据这些条件可以选择不同的技术 方案，目前比较流行的虚拟技术有v r m l 、m a t l a b 、o p e n g l 、c u l t 3 d 和j a v a 3 d 等，这 些技术各有优缺点，分别适用于不同要求的虚拟实验室系统建设【3 1 。3 6 】。例如，使用c u l t 3 d 技术开发的虚拟现实系统具有逼真的三维质感，网络传输速度快，但是客户使用此技术需 要授权和支付相应的费用。j a v a 3 d 开发的系统可跨平台使用，但编写和调试程序相对复杂。 o p e n g l 是专业图形处理和科学计算应用领域的标准图形库，独立于窗1 2 1 系统，但是模型 容量比较大，若在网络上传输，会严重影响传输速度和客户端的模型渲染效果。m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具包可以轻松的开发虚拟现实系统，但缺点也是文件容量比较大，传输速 度慢，不适用于实时性交互要求高的系统。 虚拟现实建模语言v r m l 是一种三维造型和渲染的图形描述语言，具有分布性、多媒 体集成性、交互性、平台无关性和易扩展性等优点【3 丌。另外，v r m l 还可以通过s c r i p t 节 点引入j a v a 或j a v a s c r i p t 语言编写的脚本程序来扩展其功能，在与网络结合方面，v r m l 也具有明显的优势，它使用a s c i i 文本格式的三维场景式描述语言进行编程，这在保证各 种平台通用的同时，降低了数据通信量，从而提高了网络的传输速率。虽然v r m l 创建的 三维造型在视觉上不如专业的三维软件制作的造型真实，但是使用它制作模型形成的文件 容量小，模型灵活性高，也易于与网络结合，非常适合网络传输。 ( 2 ) 虚拟实验室实验实体建模技术比较 目前对于虚拟模型建模的方法和途径一般有两种方式：一是基于计算机图形学三维几 何绘制方法的建模( g e o m e t r y - b a s e dm o d e l i n g ) 技术，又被称为基于图形的建模 ( g r a p h i c s b a s e dm o d e l i n g ) 和绘制技术，主要方法就是用基本的数学模型( 三角形、矩形 和正方形等) 去构造虚拟对象的外观，然后再对模型进行三维属性设置【3 引。另一种建模方 式是基于图像的虚拟对象建模( i m a g e b a s e dm o d e l i n g ) 技术，这种技术建模的方法主要是 先采集真实模型的图像数据，然后把图像按照一定的方式进行整合，最后组成一个虚拟的 对象【3 9 1 。正由于这两种建模方式在构建原理上的不同，所以，它们既有优点有存在着缺点。 基于几何建模的方式因为是用数学模型构建模型外观，因此，在对象的外观上大小参 数和空间位置参数都比较精确，给模型的交互提供了方便，只要计算好模型的大小和比例， 3 南京信息工程大学硕士学位论文 就能比较容易的构建该模型了【4 0 1 。同时有很多基于几何建模的工具软件免费提供使用，给 模型的构建带来了便利。但是，以几何建模的方式也存在一些不足，如模型的材质渲染需 要通过几何图形来完成，当模型比较复杂时，在模型的渲染过程中的计算量将很大，对硬 件的要求也就比较高。 基于图像的三维建模主要是对模型的多视角图像进行整合而生成虚拟对象，不需要进 行复杂的外观设置，模型渲染也可以避免，所以这种建模方法能简单的完成模型构建，并 且对硬件的要求不如几何建模那样高。同时，它的优点也带来一些问题，使用图像虽然减 轻了模型属性的构建压力，但是提高了模型行为的控制难度，在三维空间里对二维图像的 控制存在困难，主要表现在降低了模型的交互性【4 1 1 。 根据计算机组成原理虚拟实验系统具有超强的交互操作的特点，选用基于几何图形的 建模方法：而该系统中的环境模型的交互性不强，采用基于图像的建模方法；这样将这两 种方式结合使用就能发挥各自的优点，最大限度的提高系统的构建速度。 ( 3 ) 虚拟实验室中人机交互技术现状 虚拟实验室中的人机交互有很多方式，早期有手写识别和语音识别，随着虚拟技术的 发展，在高端专业领域，产生了专门的交互装置，比如戴上特制的眼镜，通过跟踪眼球的 转动与虚拟环境进行交互，还可以通过数据头盔、数据手套和数据衣与虚拟对象进行交互 等方式【4 2 1 。但是这些交互装置目前都应用在比较专业的虚拟实验室里，对于像用于教学的 小型简易虚拟实验室，采用这样的交互方式有很多的条件限制，即没有大量的资金支持， 也没有相应的配套设施，所以采用一般桌面式系统的交互方式是必要的，途径就是通过鼠 标和键盘来完成交互工作【4 3 1 。首先，普通的计算机就提供了硬件方面的支持，其次在v r m l 中的传感器、事件和路由等节点提供了软件方面交互的可行性。 ( 4 ) 虚拟实验室中的实时显示处理技术 虚拟实验室中的实时显示主要取决于系统的应用范围及结构类型，对于单机式虚拟实 验室系统，一般采用头盔式显示器和大型全景屏幕等显示设备，这类显示器的沉浸效果比 较好m 】。如果是分布式系统，虚拟模型的显示需要通过网络传输达到显示端，就要考虑显 示的实时性，模型太大就会造成效果渲染延迟，严重时会出现交叉错位的视角效果。 这种情况出现时就需要设计模型的显示策略，当模型是基于图形构建时，可以把模型 进行分块处理，最大限度的降低每一块模型的容量，还可以利用v r m l 的消隐属性，在显 示端进行消隐判断，减少交互变化时的绘制动作【4 5 1 。当模型是基于图像构建时，对图像进 行必要的处理，降低单位空间内像素的个数，使用这样的显示策略会加快模型的渲染速度， 增强显示效果，进而提高用户在虚拟环境中的沉浸感。 ( 5 ) 虚拟实验室的实验模式比较 4 第一章前言 随着虚拟现实技术研究的快速发展，虚拟实验模式的种类也不断增多，目前虚拟实验 的类型按实验用途的不同可分为以下三类 4 6 1 ： 1 ) 演示型虚拟实验 演示型实验侧重于实验的过程描述，以让用户体会到实验的步骤及正确的实验结果为 目的，不需要用户进行交互操作，这样的方式比传统的p p t 演示效果要直观一些，能增强 用户对实验的感知度，比如己投入使用的物理虚拟实验室，当进行物体的运动力学实验时， 用户可以直观的感受到小球的自由落体运动，但是用户不能对小球进行交互操作，这也是 演示型实验的缺点【4 7 1 。 2 ) 交互式虚拟实验 交互式虚拟实验侧重于用户的操作性，允许用户根据具体情况进行不同的实验，同样 的实验不同的用户进行操作，也可能得到不同的实验结果，这样的实验方式更能提高用户 的感知度，也增强了实验过程的沉浸性4 8 1 。如果物理虚拟实验室是交互性的，用户就可以 直接操作小球进行不同高度的自由落体实验，也可根据施力角度进行抛物实验等。 交互式实验开发难度要高于演示型实验，主要的难点就是要把实验过程中的可能性都 考虑周全，对不同情况下的实验操作要进行合理判断。 3 ) 分布式虚拟实验 分布式虚拟实验是基于一种分布式系统架构平台，系统运行在不同位置空间上的多台 计算机设备上，实验方式不受地域和空间的限制，不同的用户之间可以进行实时的数据交 换，有实验平台统一处理大量的实验数据。这种虚拟实验环境具有的特点【4 9 】：分布式虚拟 实验环境允许一组分布在不同地理位置上的用户进行实时交互，用户的数量在千一级的范 围内对系统不会造成太大影响；分布式虚拟实验环境对用户的视觉和听觉来说都应该是三 维的；分布式虚拟实验的每个用户一般在虚拟环境中都有一个机器人代替，这个机器人标 识用户的身份和状态等信息。 1 3 计算机组成原理虚拟实验室构建存在的问题 目前，计算机组成原理虚拟实验室的构建还存在着一些问题，主要是构建上没有成熟 的模式，如浙江大学建立的实验室采用了软件和硬件开发相结合的方式，虽然在操作体验 上和真实实验方式接近，但没有体现“虚拟”这一概念的核心思想。山东理工大学建立的 虚拟实验室，采用了基于组件的a c t i v e x 技术，虽然实现了以“软”代“硬”的过程，但 实验感受不够强，其它已建立的虚拟实验室也都有类似的问题，开发语言都采用了主流的 面向对象语言，却没有将能够很好体现“虚拟”效果的一些三维建模语言应用到实验室的 5 南京信息工程大学硕十学位论文 开发中2 m 2 4 1 。鉴于以上这些问题，本文主要研究了使用v r m l 构建组成原理虚拟实验室的 方法。 1 4 主要研究内容和方法 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究v r m l 模型的细节层次算法，把图像贴图引入到算法的结构模式中，充分 展示v r m l 构建虚拟芯片的多样化。 ( 2 ) 深入研究v r m l 建模语言，结合组成原理实验的特点，对虚拟对象进行分类， 分别设计模型的构建方案。针对v r m l 所构建的模型存在的不易控制问题进行研究，在 v r m l 路由节点中嵌入j a v a s e r i p t 脚本语言，提高操作性。 ( 3 ) 对v r m l 虚拟模型进行优化，从模型文件压缩和代码冗余格式消减两个方面进 行研究，并对优化结果进行分析。 ( 4 ) 完成计算机组成原理虚拟实验室的构建，并通过具体实验对虚拟实验室的效果进 行测试。 1 4 2 主要研究方法 ( 1 ) 对于虚拟实验室中虚拟对象的构建采用软件工程的思想，由上到下逐层分解模型 类别，完成对模型进行构建和实现。 ( 2 ) 对于模型文件的维护管理，创建模型文件库，由承载平台对文件库中的文件进行 统一调用。 1 5 论文结构 第一章前言，介绍本研究领域的前言动态，研究目的、研究意义、研究方法和内容。 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进，改进v r m l 语言中的事件处理机制。 重点研究细节层次算法，并把它与图像贴图结合起来用于构建虚拟芯片模型。 第三章虚拟实验室模型的构建与优化，根据计算机组成原理虚拟实验室的总体要求把 虚拟模型进行分类，然后深入研究虚拟模型的建模方法，最后对虚拟模型进行优化。 第四章虚拟实验室系统的实现，详细介绍组成原理虚拟实验室中芯片等虚拟设备的构 6 第一章前言 建过程和虚拟环境对象的整合。 第五章虚拟实验室系统的测试，以三个具体的组成原理实验为例介绍虚拟实验室的操 作流程，并对实验结果进行测试和分析。 第六章总结与展望，主要包括论文的研究成果和对今后工作做出展望。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进 由于v r m l 构建的虚拟模型在多样性展示方面有劣势，为了降低此劣势带来的影响， 将对v r m l 语言中的细节层次算法进行改进，同时把图像贴图模式与细节层次算法相结合， 对改进模型多样性有效果。本章主要分为三部分，第一部分对v r m l 语言的事件执行机制 进行改进，以提高v r m l 模型的层次控制；第二部分是结合v r m l 理论对细节层次算法 进行改进；第三部分把图像引入到层次算法理论框架中，对展示虚拟实验室中虚拟芯片的 多样性提供了有效途径。 2 1v r m l 事件执行机制改进 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是虚拟现实造型语言的缩写形式，是一种 在网上建立3 d 虚拟场景的语言5 0 1 。在虚拟现实的历史发展进程中，v r m l 语言占有极其 重要的地位，它为虚拟现实的发展从单点孤立式到网络多样式的扩展提供了有效途径，下 面将对v r m l 语言的事件执行方式进行改进，以提高在网络传输中对虚拟模型控制性。 2 1 1v r m l 事件 事件是v r m l 语言中连接模型和处理响应动作最重要的桥梁【5 1 1 。在v r m l 中每一个 节点一般都有两种事件，即一个“入事件”( e v e n t i n ) 和一个“出事件”( e v e n t o u t ) 。事件一 般由用户( 或时间传感器) 触发产生，目的在改变某节点的域值。入事件是节点的输入接 口，是被动的，接收出事件提供的参数，相应地改变本节点的某个域值；而出事件则是节 点的输出接口，是主动的，提供一些参数给某节点，请求该节点改变它的某个域值，作用 相当于c 语言中可以提供参数的函数调用。一个节点可以由多个入事件和出事件，当节点 的出事件被传送到另一个节点的入事件时，则出事件提供的域值应与入事件要改变的域值 类型一致【5 2 】。 当模型( 或节点) 间通过事件发生交互时，要考虑模型所在层次的状态，同一时间段 上渲染的模型要具有统一的状态属性，如果层次状态不同，就会造成渲染延迟，影响视觉 效果，为了多层次模型进行统一控制，需要对传统的v r m l 事件执行方式进行改进。 8 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进 2 1 2v r m l 传统事件执行机制 v r m l 主要用在h l t 锄e t 和w e b 超链接上，它独立于计算机平台。基本的工作过程可 分成文本描述、远程传输和本地计算生成三部分【5 3 1 。文本描述指v r m l 像h t m l 一样， 是一种a s c i i 码描述语言，完成虚拟对象的建立，并能在浏览器中运行。远程传输是把建 立好的v r m l 文件模型发送到请求的客户端。本地计算生成是在客户端对文件进行解析显 示，生成虚拟环境。 v r m l 的访问方式是基于客户机n 务器模式【5 4 】，当客户端向服务器发出请求时，服务 器接到请求提供所需的模型文件，然后把这些文件通过i i l t 锄e t 发送到客户端，在客户端不 必进行像其它语言源程序文件所必须的编译连接处理，只需要通过客户端上的v r m l 浏览 器运行即可。 在传统的v r m l 程序运行过程中，浏览器直接与v r m l 文件库相连，也就是当需要 哪个虚拟模型时，就从文件库中调取。在模型交互触发事件操作时，模型状态的改变随着 从文件库中直接读取到得的状态而改变，调用的前提条件必须满足新模型的层次状态要与 当前场景中的层次状态一致。具体的执行过程和事件流程如图2 1 所示。 图2 1v r m l 传统事件执行机制 这种执行方式下，如果在某一时间段上调用一个新的模型时，而新模型在低一级层次 上，这是将会发生渲染延迟和重叠的危险。另外多次调用模型还加重了数据的传输任务， 当虚拟模型数量比较多，并且模型的交互事件比较复杂时，虚拟模型的渲染效果就会受很 大影响，不能达到实时控制的目的。 2 1 3v r m l 事件执行机制改进 解决v r m l 传统事件执行机制存在的问题，主要是考虑如何能保证每一时间段上模型 9 南京信息一i = 程大学硕士学位论文 的层次状态一致，未解决此问题，增加了一个承载文件，它的任务就是在浏览器首次向文 件库请求读取虚拟模型时，加载此文件，这时虚拟模型都包含在承载文件中，因此加载的 模型也都在同一层次中。当新事件发生时，模型层次状态的改变由承载文件进行处理，而 不是通过浏览器请求文件库，这样就避免了不同层次模型出现在同一场景中的可能。另外 在读取承载文件模型时，虽然一次加载时文件的读取量加大了，但是降低了频繁调取文件 库模型的频度，总体上效果还是比较理想的。改进后的v r m l 传输机制如图2 - 2 所示。 图2 2 改进后的v r m l 事件传输机制 以组成原理进位控制实验为例，实验中需要用到两片7 4 l s l 8 1 运算器、一个双向三态 门7 4 l s 2 4 5 以及两个寄存器7 4 l s 2 7 3 等些虚拟元器件。用户通过浏览器将从服务器下载 承载模型m a i n w r l 文件，文件中承载了预先设定好的虚拟器件，用户只需找到实验所需元 器件的所在位置，通过鼠标点击元器件管脚进行连线操作就可以了。 2 2v r b f l 细节层次算法改进 在v r m l 构建的虚拟场景系统中，几何构建的虚拟模型越逼真，相应构成模型的多边 形数目也就越大，造成的后果就是虚拟场景的渲染速度变慢，为了解决这个问题，需要对 模型进行层次算法的改进。 2 2 1 细节层次算法的原理 细节层次算法的原理是指通过空间距离的远近来展示空间模型的各个细节【5 5 】。这与现 实世界中人们的感官类似，当视点离物体比较远时，只能看到物体的大致轮廓、形状和大 小等，当视点离物体比较近时，就会清楚地看到整个物体的具体框架结构。 为了能清楚地描述算法原理，首先对要渲染的对象做一些规定：对象区域必须是一正 1 0 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进 方形区域，而且大小必须是( 2 力+ 1 ) ( 2 盯+ 1 ) ，同时采样间隔必须均匀。区域如图2 - 3 所示。 a 区域b 区域 丁 c 区 ， 4 两蚁 飞 八 7 图2 - 3 模型区域图 在图2 3 中，一个大的区域被分割成许多小块，为了把每个小块组合起来，找出其中 的规律，这里采用四叉树的概念，图中的每一个小方块作为四叉树的一个节点，节点不仅 表示了每一小块的位置信息，还包含了所在块的数据信息。首先把最大的正方形区域划分 成四个小的区域a 区域、b 区域、c 区域和d 区域，那么这四个区域相对于原来的区域来 说，信息的密度就变大，相应的分辨率也就变高。因此分割的深度越大，得到的分辨率就 会越高，即分割深度每提高一层，采样密度提高一倍。图2 - 4 表示了区域分割的过程。 原始区域 分割 - - - - - - - - - - - j 第一层 分割 - - - - - - - - - - - - - - - - - j 第二层 图2 4 区域分割过程 区域分割以后，对每一个小的区域要进行信息的判定，用九个点分别标注区域的边和 中心，如图2 5 所示，实心正方形表示中心点，实心圆形表示角，空心圆表示边。 南京信息工程大学硕士学位论文 角 i 中心， 、边 图2 5 四叉树节点信息图 采用四叉树的概念来表示多层次对象有很多优点，一个最大的好处就是方便裁剪，如 图2 3 所示，其中区域d 和区域c 的1 、2 和3 三个小区域块为观察者能看到的部分，所 以很容易就可以看出只有这些区域的节点能被看到，其它的节点就不需要考虑。因此，在 节点递归分割的开始只需要花费很少的代价就可以直接把那些看不到的区域删除掉。有了 这个区域逻辑表示后，还需要对节点做一个评估，评估节点是否需要继续分割，还是要被 删除，如果一个节点没有被删除，也不需要继续分割，那么这个节点就是有效节点，并最 终渲染出来。 鉴于模型的数据信息( 外观大小、范围、纹理等) 基本都存储在区域图里，在内存的 结构为一个二维数组，所以借鉴二叉树的存储结构，二叉树一般有顺序结构和链式结构两 种方式。同理，四又树也采用类似的存储结构，与二叉树不同的是在内存的结构是二维数 组形式而不是一维数组形式，所以把整个模型区域的数据都存储到一个二维数组中，通过 遍历这个二维数组就可以读取区域中所有节点的信息。另外再建立一个状态标志数组，数 组的大小与存储模型区域数据的数组大小要完全一致，用来标志区域节点的状态。例如， 如果一个节点所在的区域需要继续分割，则把节点对应状态数组中的位置标记为1 ，否则 标记为0 ，如果节点没有被访问到，那么这个地方的数值时不确定的，然后标记为问号， 存储结构如图2 - 6 所示。这也是为什么模型区域要满足( 2 刀+ 1 ) ( 2 咒+ 1 ) ，能方便构建二维 状态数组，对于不满足这个条件的区域，如本系统要构建的芯片模型，则需要对区域进行 拼接以满足所需条件。 1 2 第二章v r m l 中细节层次算法的研究与改进 2 2 2 细节层次算法改进 夕 夕 n 爪 歹歹 y 图2 _ 6 区