[精品論文]虛擬實驗教學(xué)可視化場景構(gòu)建工具及其應(yīng).doc

精品論文虛擬實驗教學(xué)可視化場景構(gòu)建工具及其應(yīng)用示范賈國棟，李發(fā)明，金鑫，陳小武5（虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100191） 摘要：作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效補充，虛擬實驗教學(xué)體現(xiàn)了以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以 虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為支撐的實驗教學(xué)新方式，有利 于優(yōu)化教育資源、提高教學(xué)質(zhì)量。本論文分析多學(xué)科虛擬實驗教學(xué)環(huán)境及其典型示范的需求 和特點，針對虛擬實驗教學(xué)可視化場景，介紹了虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件可視化建模工具、虛擬實10驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具、虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具等三個方面的軟件工具及其 應(yīng)用示范。 關(guān)鍵詞：計算機應(yīng)用技術(shù)；虛擬實驗教學(xué)；可視化；構(gòu)件建模；場景設(shè)計；場景運行 中圖分類號：tp391.915tools and applications of constructing virtual experimenteducation visualization scenejia guodong, li faming, jin xin, chen xiaowu(state key laboratory of virtual reality technology and systems,school of computer science and engineering, beihang university, beijing 100191)20abstract: as an effective supplement of the traditional experiment education, virtual experiment education is guided by modern education theory and is a new way to experiment education supported by virtual reality, computer simulation, multimedia, and network technologies, which help to optimize education resources and improve the quality of education. this paper analyzes the requirements and features of multidisciplinary virtual experiment education environment and25typical application demonstrations. we introduce three scene constructing and visualizing tools and applications for virtual experiment education: experiment component visualization modeling tool for virtual experiment education, experiment scene visualization design tool for virtualexperiment education, experiment scene visualization running tool for virtual experiment education.30key words: computer application technology; virtual experiment education; visualization;component modeling; scene design; scene running0引言傳統(tǒng)的實驗教學(xué)主要依賴實驗設(shè)備，存在前期投入大、后期維護費用高，以及實驗過程35受時間、地點、人力、物力、財力限制等問題，經(jīng)常制約了實驗教學(xué)的條件保障與有效開展。 作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效補充，虛擬實驗教學(xué)體現(xiàn)了以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)、以虛擬現(xiàn) 實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為支撐的實驗教學(xué)新方式，有利于優(yōu)化 教育資源、提高教學(xué)質(zhì)量。不斷發(fā)展的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境1-6，正在瞄準(zhǔn)“實驗教學(xué)構(gòu)件模型少”、“實驗教學(xué)構(gòu)40件建模難”、“用戶交互性差”、“真實感不強”等方面涉及的技術(shù)瓶頸，重點開展虛擬實基金項目：高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20091102110019）、國家 863 計劃課題（2012aa02a606） 作者簡介：賈國棟（1986-），男，博士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、圖形圖像等 通信聯(lián)系人：陳小武（1972-），男，教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、圖形圖像、計算機視覺、 視頻處理等. e-mail: - 2 -驗教學(xué)的場景建模與可視化、開發(fā)平臺及其工具的通用性與可重用性、應(yīng)用系統(tǒng)的可擴展性和跨平臺能力等核心任務(wù)的研究與開發(fā)。 本論文根據(jù)多學(xué)科虛擬實驗教學(xué)環(huán)境及其典型示范的需求和特點，圍繞虛擬實驗教學(xué)可視化場景，研究開發(fā)并應(yīng)用示范了三個方面的軟件工具，主要包括：虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件可視45化建模工具、虛擬實驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具、虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具。1構(gòu)建工具總體設(shè)計虛擬實驗教學(xué)可視化場景構(gòu)建工具的總體設(shè)計如圖 1 所示?！皵?shù)據(jù)接口”根據(jù)應(yīng)用需求， 獲取虛擬實驗教學(xué)的典型實驗素材，并且遴選出適合可視化建模的幾何數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。 “建模工具”主要利用幾何數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)，建立虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件模型?！霸O(shè)計工具”主50要根據(jù)虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件的基本屬性，利用虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件模型進行場景設(shè)計?！斑\行工 具”主要結(jié)合虛擬實驗教學(xué)的交互需求，實現(xiàn)實驗場景與運行結(jié)果的可視化?！皯?yīng)用接口” 主要用于連接虛擬實驗教學(xué)平臺，提供虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件檢索、虛擬實驗教學(xué)場景保存、實 驗結(jié)果獲取等功能。本論文介紹的部分研制工作，采用了課題參與單位的基于可縮放矢量圖 形的構(gòu)件可視化建模方法7-9，構(gòu)建的虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件模型保存于課題合作單位的虛擬實55驗教學(xué)構(gòu)件庫10，虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具可以從課題合作單位的虛擬實驗教學(xué) 平臺10獲得實驗運行數(shù)據(jù)。建模工具設(shè)計工具運行工具數(shù)據(jù)虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件接可視化建?？诨趲缀螖?shù)據(jù)的構(gòu)件建?；趫D像數(shù)據(jù)的構(gòu)件建模構(gòu)件保存虛擬實驗教學(xué)場景 可視化設(shè)計構(gòu)件檢索場景搭建場景保存應(yīng) 虛擬實驗教學(xué)場景用 可視化運行接實驗結(jié)果獲取口實驗結(jié)果可視化用戶交互響應(yīng)圖 1 總體設(shè)計602虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件可視化建模工具虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件分為靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件和動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件，如圖 2 所示，靜態(tài)實驗 教學(xué)構(gòu)件是指不支持用戶交互的虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件，其屬性包括領(lǐng)域?qū)傩院屯庥^屬性；動態(tài) 實驗教學(xué)構(gòu)件是指外觀可以隨用戶交互而動態(tài)變化的虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件，不僅具有領(lǐng)域?qū)傩?和外觀屬性，并且具有交互屬性。65靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件領(lǐng)域?qū)傩詚電壓z內(nèi)阻z外觀屬性交互屬性 z旋轉(zhuǎn)指針 z切換量程 z動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件圖 2 靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件與動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑R，定義虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件的領(lǐng)域?qū)傩?。以中學(xué)物理實驗的電池和70電壓表為例：電池屬于靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件，其領(lǐng)域?qū)傩园妷汉蛢?nèi)阻，外觀屬性如圖 2所示，不需要顯示實驗結(jié)果和響應(yīng)用戶的交互；電壓表屬于動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件，不但具有電壓和量程等領(lǐng)域?qū)傩耘c外觀屬性，并且具有旋轉(zhuǎn)指針、切換量程等交互屬性，可以通過旋轉(zhuǎn)指針展示實驗結(jié)果，能夠根據(jù)用戶改變量程的交互，給出可視化響應(yīng)。2.1靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模及可視化75靜態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模及可視化主要包括：根據(jù)可縮放矢量圖形標(biāo)準(zhǔn)，制定虛擬實驗教 學(xué)構(gòu)件的數(shù)據(jù)模型，定義表示虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件數(shù)據(jù)的基本標(biāo)簽，主要有直線、矩形、圓、 橢圓、折線、多邊形、文本、圖像等，并為每個基本標(biāo)簽賦予位置坐標(biāo)、寬高尺寸、線條顏 色、填充顏色、變換矩陣等屬性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合標(biāo)簽屬性，繪制基本標(biāo)簽，可視化虛擬 實驗教學(xué)構(gòu)件。如圖 2 所示，電池實驗教學(xué)構(gòu)件包含：一個用于電池主體可視化的圖像標(biāo)簽，80以及兩個用于電池正負(fù)極接口可視化的圓標(biāo)簽。2.2動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模及可視化動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模主要包括：（1）圖像數(shù)據(jù)獲取，利用圖像分割得到描述動態(tài)實 驗教學(xué)構(gòu)件的圖像數(shù)據(jù)；（2）圖形數(shù)據(jù)獲取，利用交互式幾何構(gòu)形得到描述動態(tài)實驗教學(xué) 構(gòu)件的圖形數(shù)據(jù)；（3）虛實融合處理，綜合圖像數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)及其之間的位置、大小、85遮擋等關(guān)系，構(gòu)建虛實融合的動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件外觀屬性；（4）顯示方式建模，定義動態(tài) 實驗教學(xué)構(gòu)件的結(jié)果顯示方式，通過添加腳本，將實驗計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件的 外觀屬性；（5）交互功能建模，通過分析虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件的實際功能和交互特點，通過 添加腳本，實現(xiàn)動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件的交互功能，如圖 3 所示。動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化主要包括：（1）構(gòu)件外觀可視化，解析虛擬實驗教學(xué)場景中90的動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件，確定描述動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件的圖像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)，以及相關(guān)位置、 比例、遮擋等關(guān)系，繪制動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件；（2）實驗結(jié)果可視化，根據(jù)虛擬實驗教學(xué)平 臺提供的實驗結(jié)果，更新構(gòu)件外觀屬性，重新繪制動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件；（3）用戶交互響應(yīng) 結(jié)果可視化，檢測虛擬實驗教學(xué)場景的用戶行為，調(diào)用相應(yīng)的交互屬性，重新繪制動態(tài)實驗 教學(xué)構(gòu)件，如圖 3 所示。95圖 4 是電壓表動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模示例。首先，從真實實驗教學(xué)構(gòu)件的圖像中提取電 壓表的表盤等圖像數(shù)據(jù)，通過手動交互建立電壓表的指針等圖形數(shù)據(jù)，包括定義電壓值為零 的指針初始角度0 、當(dāng)前測量量程（從vmin 到vmax ）對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)范圍（從min 到max ）等。 其次，融合圖像數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)，調(diào)整表盤尺寸、指針位置、以及兩者的遮擋關(guān)系，生成電壓表的整體外觀。然后添加腳本，定義測量電壓v 和指針旋轉(zhuǎn)角度 的轉(zhuǎn)換關(guān)系：- 8 -100 = 0+ v (max min )vmax vmin105利用該公式將實驗結(jié)果電壓值轉(zhuǎn)換為外觀屬性角度。最后編寫腳本，響應(yīng)用戶切換電壓量程的交互，即通過腳本更新上述公式的vmax 、vmin ，并重新計算指針的旋轉(zhuǎn)角度。圖 5 是電壓表動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化示例。首先，提取電壓表動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件的圖 像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)，以及相關(guān)位置、比例、遮擋等關(guān)系，按照層次順序，繪制表盤和指針， 指針初始位置指向0 （值為 0.0v）。虛擬實驗教學(xué)場景開始運行后，在計算結(jié)果中篩選出 電壓表的電壓值，并根據(jù)已定義的公式轉(zhuǎn)化為指針旋轉(zhuǎn)角度，并重新繪制電壓表指針。當(dāng)接 收到用戶交互行為要切換電壓表的測量量程時，運行預(yù)先定義的腳本，根據(jù)新的vmax 、vmin ， 重新計算指針旋轉(zhuǎn)角度，并重新繪制電壓表指針。實驗教學(xué)構(gòu)件圖像圖像數(shù)據(jù)獲取 3v 15v交互式幾何構(gòu)形 3v 15v圖形數(shù)據(jù)獲取虛實融合處理顯示方式建模 及交互功能建模動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模用戶交互響應(yīng) 及實驗結(jié)果更新教學(xué)構(gòu)件外觀繪制 及實驗結(jié)果繪制動態(tài)實驗 教學(xué)構(gòu)件動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化110圖 3 動態(tài)實驗構(gòu)件建模及可視化示意圖圖 4 電壓表動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件建模示意圖115120125圖 5 電壓表動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化示意圖3虛擬實驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具如圖 6 所示，虛擬實驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具的主要功能包括：虛擬實驗教學(xué)場景管 理（新建、保存、打開、清空虛擬實驗教學(xué)場景，查看實驗所屬學(xué)科、實驗名稱等）；視圖 操作（場景視圖的放大、縮小、還原）；虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件管理（檢索、添加、刪除虛擬實 驗教學(xué)構(gòu)件，預(yù)覽虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件的詳細(xì)信息，在虛擬實驗教學(xué)場景中添加、刪除構(gòu)件）； 虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件編輯（拖放、縮放、旋轉(zhuǎn)、剪切、復(fù)制、粘貼）；虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件約束 關(guān)系表示（虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件邏輯屬性值編輯與合法性檢查，在虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件之間添加、 刪除連線等）；輔助功能（狀態(tài)欄的實驗設(shè)計信息輔助提示，實驗區(qū)的背景色彩自定義與輔 助設(shè)計網(wǎng)格繪制，連線顏色更改，鼠標(biāo)選取對象的信息提示）。其中，虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件檢索界面如圖 7 所示。圖 6 虛擬實驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具（虛線框內(nèi)）130135圖 7 虛擬實驗教學(xué)可視化設(shè)計的構(gòu)件檢索4虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具研制的虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具如圖 8 所示。該工具提供了多領(lǐng)域虛擬實驗可 視化編輯和實驗教學(xué)場景可視化運行等功能，主要有：虛擬實驗教學(xué)場景管理（保存、打開 等）；視圖操作（場景視圖的放大、縮小、還原等）；虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件管理（構(gòu)件預(yù)覽、 添加、刪除）；虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件編輯（拖放、縮放、旋轉(zhuǎn)）；虛擬實驗教學(xué)構(gòu)件約束關(guān)系 表示（構(gòu)件的邏輯屬性值編輯與合法性檢查，添加、刪除構(gòu)件之間的連線等）；交互仿真子 模塊（利用虛擬實驗教學(xué)平臺，定制實驗結(jié)果，發(fā)送場景數(shù)據(jù)，接收并解析實驗結(jié)果，實驗 結(jié)果可視化）；動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化；輔助功能（狀態(tài)欄的實驗設(shè)計信息輔助提示，實 驗區(qū)的背景色彩自定義與輔助設(shè)計網(wǎng)格繪制，連線顏色更改，鼠標(biāo)選取對象的信息提示）。140圖 8 虛擬實驗教學(xué)場景可視化運行工具（虛線框內(nèi)）1451501551605典型應(yīng)用示范應(yīng)用虛擬實驗教學(xué)可視化場景構(gòu)建工具，可視化設(shè)計與演示驗證了 60 多個典型虛擬實 驗教學(xué)構(gòu)件、18 個典型虛擬實驗教學(xué)場景，其中典型實驗涵蓋了 5 個學(xué)科，分別是電工電 子學(xué)科、控制學(xué)科、計算機學(xué)科、機械學(xué)科、中學(xué)科學(xué)。（a）爐溫控制系統(tǒng)的虛擬實驗教學(xué)場景可視化構(gòu)建與運行（b）鍋爐模型的動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件可視化圖 9 爐溫控制系統(tǒng)的虛擬實驗教學(xué)場景可視化構(gòu)建與運行圖 9 是爐溫控制系統(tǒng)的虛擬實驗教學(xué)場景可視化構(gòu)建與運行示例。用戶通過（a）的鍋 爐模型實驗教學(xué)構(gòu)件，讀出當(dāng)前溫度值；用戶通過（b）的鍋爐模型動態(tài)實驗教學(xué)構(gòu)件，獲 取溫度變化曲線，并且可以通過交互，設(shè)置升溫比例系數(shù)。6結(jié)論本論文介紹了虛擬實驗教學(xué)可視化場景構(gòu)建的三個工具及其應(yīng)用示范，主要包括：虛擬 實驗教學(xué)構(gòu)件可視化建模工具、虛擬實驗教學(xué)場景可視化設(shè)計工具、虛擬實驗教學(xué)場景可視 化運行工具。參考文獻 (references)1651701751801 gider f, likar b, kern t, miklavcic d. implementation of a multidisciplinary professional skills course at an electrical engineering schoolj. ieee transactions on education, 2012, 55(3): 332-340.2 uran s, jezernik k. virtual laboratory for creative control design experimentsj. ieee transactions oneducation , 2008, 51(1): 69-75.3 heh j, chang j, li s, chang m. providing students hints and detecting mistakes made by students in a virtualexperiment environmentj. ieee transactions on education, 2008, 51(1): 61-68.4 christou i, efremidis s, tiropanis t, kalis a. grid-based virtual laboratory experiments for a graduate course on sensor networksj. ieee transactions on education, 2007, 50(1): 17-26.5 taczaa w, grajner g, zaremba m. virtual laboratory with simulated nuclear physics experimentsj. ieee transactions on instrumentation and measurement, 2008, 57(8)