基于虚拟现实的虚拟实验室的研究Word文档下载推荐.docx

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3DSMAX；

VrmlPad

ABSTRACT

Virtualrealityisasynthesistechniquethatincludescomputergraphics,human-computerinteractiontechnology,sensortechnologyandartificialintelligence.Itusescomputerstogeneraterealistic3Dperceptionandmakesthehumanityasaparticipantwithproperequipmentfreelyinteractwithandexperiencevirtualworld.Virtualrealitylaboratoryisanimportantcarrierofvirtualrealityapplicationtechnology.Asthevirtualexperimentaltechnologymatured,thehumanitybegantorealizetheapplicationvalueofvirtuallaboratoryinthefieldofeducation.Itcanassistthescientificeffortofuniversities.Besides,inexperimentalteaching,ithastheadvantagesofhighutilization,easymaintenance,etc.Inrecentyears,manyuniversitieshaveestablishedsomevirtuallaboratoryaccordingtotherequirementsforscientificeffortandteaching.

Thistaskistorealizethestudyofvirtuallaboratorybasedonvirtualreality.Thetaskismainlyincludingtwoaspects:

earlymodelingandlaterinteractiveeffectsofthebrake.Theearlymodelingisthebasisoftheentirevirtuallaboratoryusingacomplete3DSMAXsoftwaretomakeanentirelaboratorymodelandequipment;

Later,useExportfunctionof3DSMAXtoexportthemodelasaVRMLfileformatandimportitintotheVrmlPadsoftware.Then,editthegenerated.Wrlsourcefiles,modifyitandinteractwithit.

Theresultsoftheoperationhasshownthatthevirtuallaboratoryrealizesallthedetailsofthelaboratoryanditcanfinishasimplephysicalexperiment.

Keywords:

VR；

VirtualLab；

摘要

Abstract

第一章概论

在现代教育中，实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工学科体系的一些学生，学生只有通过足够的实际动手实验和操作，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得足够的实验技能和动手能力，并初步具备完成实际测试、设计等工作能力。

为保证完成必要的教学实验内容，传统的实验室一般也需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，随着测试技术的发展，仪器更新换代的步伐越来越快，功能也越来越复杂。

投资大、技术更新快、维护困难，而且面临着增加实验教学课时的压力，使得相关教学实验室更新与改造已成为教学实验室领域改革的重要课题。

虚拟仪器技术的出现和发展，为解决上述问题提供了一个新的思路。

利用虚拟仪器技术可以建立一个虚拟实验室，替代了传统实验室，可以解决上述问题[1]。

从教学应用角度来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机技术来实现模块重组配置、异地实时操作、扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的适用性和实验内容的先进性。

1.1虚拟实验室研究目的

虚拟实验室的起源应该从虚拟实验的出现谈起。

模拟实验是虚拟实验的最初形式，模拟实验是选取一个物理系统或抽象系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。

这种实验方式古已有之。

我国宋代著名思想家沈括就用半面涂粉的弹丸来模拟月亮，以探讨月亮、太阳的形态，以及日食、月食等现象，可以看出，模拟实验的思想初见端倪。

在西方从19世纪开始，模拟实验在工程领域得到了广泛的应用，到了20世纪，模拟实验成为一种用途广泛的新型实验方法。

随着数学方法、相似理论和工业技术的发展，仿真实验在数学、物理、天文等领域逐渐盛行。

仿真实验是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。

1966年，美国MIT（麻省理工学院）的林肯实验室开始了头盔显示器的研制，揭示了虚拟实验研究与应用的序幕。

虽然模仿实验、仿真实验和虚拟实验三者的技术支持和现实手段有所不同，又在基于思想上呈现相通和递进的关系。

虚拟实验室是虚拟现实技术在教学上的一项全新应用。

目前，对于实验课程教学来说，提高教学内容的先进性是帮助学生学习前沿科学知识的重要手段。

验证现有理论的正确性和探索未知领域的现象和规律是实验的两大首要任务[2]，但由于实验仪器的落后，阻碍了人类探索和认识世界的进程。

同样的，反映到实验课程教学上来说，要使得学生能够接触到前沿的科学知识，就必须提供先进的实验仪器帮助学生学习和理解，而由于实验仪器普遍存在性能落后等问题，如何提升实验仪器性能，在精确性、灵敏度、可测范围等方面有一个大的飞跃，让先进的实验内容走进实验教学课堂是摆在从事实验课程教学的教育者面前一个难题。

而虚拟实验室充分利用了最先进的计算机技术来提升和完善实验仪器的性能，具备精确性和科学性，这为前沿科学知识走进实验教学课堂提供了基本却是非常重要的条件。

学生可以不受空间和时间的限制来做课程实验。

虚拟实验室可以避免真实实验或操作带来的各种危险，可以节约教学成本，充分利用教学资源[3]。

虚拟实验室有助于培养学生的动手能力和创新精神，并推动了实验课程远程教育的发展。

1.2虚拟实验室现状

1.2.1虚拟实验室的国外现状

VR技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人JamnIJaIlier提出这一概念，后来美国宇航局（NASA）的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。

目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展[5]。

虚拟实验室概念是由美国弗吉尼亚大学（UniversityofVirginia）的教授威廉·

沃尔夫（WilliamWolf）于1989年首先提出的[4]，它描述了计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境，在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。

它的提出至今20余年，各国均在大力开发，己经取得了一些进展。

目前，虚拟实验室的建设在发达国家己十分普及。

美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。

在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国（科学）合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术开发的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。

此后，美国联邦政府投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。

美国一些政府部门，如能源部，正在制订计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。

目前，越来越多的院校和科研机构正投身于构筑一个覆盖美国的虚拟实验网络的工作中来。

作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究己处于领先地位。

虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。

国外的一些大学己组建了远程虚拟实验室。

德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台；

意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；

新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验[6]。

1.2.2虚拟实验室的国内现状

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。

九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。

虚拟实验室的建设也得到了应用上的重视。

目前，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。

例如:

清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；

华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；

四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了航空电台二线综合测试仪，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；

复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研[7]。

第二章虚拟实验室的研究要求及可行性分析

2.1虚拟实验室的研究要求

在这样的研究背景下，我们对基于虚拟现实的虚拟实验室的研究提出如下要求：

（1）建立的虚拟模型要求能够很好的模拟现实中的场景。

虚拟场景的模型是整个虚拟实验室的基础，建模的好坏将直接影响运行的效果和场景的逼真度。

所以要求能够在节约空间的基础上尽可能完整的描绘细节。

（2）在完成虚拟场景建模的基础上，能实现一定的交互功能。

用户可以演示一个简单的物理实验结果，可以浏览整个实验室，了解相应的实验内容。

2.2可行性分析

针对虚拟实验室的这两点要求，我们分别通过以下三方面的来进行可行性分析。

2.2.1经济可行性分析

本研究主要采用的是桌面虚拟现实技术，而它实现主要依靠虚拟现实软件，相对于其它虚拟仪器来说，这个成本低。

只需要考虑一台电脑和一些必须的软件以及一个熟练的编程人员。

所以从经济方面来说完全没有问题。

2.2.2技术可行性分析

主要用桌面虚拟现实技术来完成虚拟实验室。

VRML除了具有一般虚拟现实建模语言的特性外，还具有强大的网络功能，VRML对硬件与软件的环境要求都较低，一般计算机都可以运行，但配置较高时，运行速度较快[8]。

一般推荐配置为：

（1）硬件环境：

建议采用pentium4以上的计算机，主频2G以上、内存128M以上、显存64M以上、硬盘10G以上。

（2）软件环境：

操作系统可采用Windows2000/XP等，要求安装VRML相关浏览插件。

（3）网络环境：

浏览VRML场景时可以采用宽带等网络接入方式，网络浏览器可采用Windows操作系统自带的IE浏览器。

以上这些要求都不成问题。

2.2.3操作可行性分析

基于虚拟现实的虚拟实验室可以成为学生和教师实验教学的辅助工具。

它面向的主要对象是学生、教师人群。

尽管这些虚拟环境、虚拟器材只在计算机中存在，但学习者是可以操作的，学习者可以借助VR技术在虚拟世界中模拟完成难以操作的或具危险性的试验，一些抽象思维可以通过网络形象化。

尽管当前虚拟实验室都是基于虚拟现实的，要在其中普及由视觉头盔和数据手套等设备构成的力反馈式交互式极其困难的（一是技术原因，二是资金原因）。

但是以键盘、鼠标和显示器等常规输入输出设备在客户机浏览器中构成交互环境的VR技术却日趋成熟和完善，所以这些以虚拟现实为基础的虚拟实验室具有很强的可操作性。

第三章VRML及软件简介

3.1VRML概述

3.1.1VRML简介

VRML是VrtualRealityModelinglanguage的缩写，意为“虚拟现实建模语言”。

按照Web3D协会的定义，VRML是一种用于在Internet上构筑3D多媒体和共享虚拟世界的开放式语言标准。

本质上是一种面向WEB，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。

VRML的对象称为节点，子节点的集合可以构成复杂的景物。

节点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）[9]。

VRML不仅支持数据和过程的三维表示，而且能提供带有音响效果的节点，用户能走进视听效果十分逼真的虚拟世界（如简易迷宫、国际象棋）。

用户使用虚拟对象表达自己的观点，能与虚拟对象交互，为用户对具体对象的细节，整体结构和相互关系的描述带来的新的感受。

1994年5月，在瑞士日内瓦召开的因特网（www）会议上，MarkPesce和TonyParisi在会上介绍了他们开发的可在因特网上运行的虚拟现实界面。

这时，由一个情趣相投者联谊会BOF马上产生强烈的反响，决定开发一种场景描述语言，它可以连通Web网。

VRML这个词就是在BOF的会议上造出来的。

1995年秋，SGI进一步推出了WebSpaceAuthor（供创作的程序）。

这是一种Web创作工具，可在场景内交互地摆放物体，并改进了场景的功能，还可用于发表VRML文件。

此时，VRML设计工作组（VGA,VRMLArchitectureGroup）相聚在一起，讨论下一个版本的VRML。

1996年初，VRML委员会审阅并讨论了若干个VRML2.0版本的建议方案，其中有SGI的动态境界（MovingWorlds）提案、太阳微系统（SunMicrosystem）的全息网（HollWeb）、微软公司（Microsoft）的能动VRML（AictiveVRML）、苹果公司（Apple）的超世境界（Outoftheworld），以及其他多种提案。

委员会的很多成员参与修改和完善这种种方案，特别是MovingWorlds。

经过多方努力，最终在2月底以投票裁定。

结果，MovingWorlds以70%选票赢得了绝对多数。

1996年3月，VGA（VRML设计小组）决定将这个方案改造成为VRML2.0。

1996年8月，在新奥尔良（NewOrleans）的SIGGRAPH'

96会议上公布。

VRML的国际标准草案（DIS,DraftofInternationalStandard）就是以VRML2.0为基础制订的，于1997年4月提交国际标准化组织ISOJYCI/SC24委员会审议、依照惯例，定名VRML97（ISO/TEC14772-1:

1997），在1997年12月认定。

1998年发表中文国标标准。

熟悉因特网的人都知道，受HTML的限制，网页只能是平面的结构，就算JAVA语言能够为网页增色不少，但也仅仅停留在平面设计阶段，而且实现环境与浏览者的动态交互是非常繁琐的。

于是VRML应运而生。

尤其是VRML2.0标准，被称为第二代Web语言，它改变了因特网上单调、交互性差的弱点，将人的行为作为浏览的主题，所有的表现都随操作者行为的改变而改变。

VRML创造的是一个可进入、可参与的世界。

你可以在计算机网络上看到一幅幅生动、逼真的三维立体世界，你可以在里面自由的遨游；

你可以将网络上流行的MUD游戏转换为立体图形世界；

你可以将你公司的主页改编成三维主页，让浏览者领略到你公司的实貌，而不仅仅是简单的文本、表格。

VRML的表现与操作系统平台无关。

VRMLl.0只能创建静态的3D景物，你可以在它们之间移动，来测览三维世界。

VRMLl.0是基于SGI公司的OpenInventor的文件格式，也是它的一个子集，是一种流行的3D图形的格式，并可链接到一般的因特网网页。

VRMLl.0的立体链接，即构成了VRML的世界。

可以看出，用VRMLl.0很容易做出三维物体，这也正是VRMLl.0的基本目的所在。

另外，有些厂家将VRMLl.0进行了扩展，使其可以实现一些动画功能和交互性，但只能在Live3D的环境下运行。

由于VRMLl.0的种种限制，VRML2.0的产生也就是不可避免的。

VRMLl.0只能创建静态的3D景物。

因此虽然能用VRMLl.0来建立用户的虚拟代表，它们却不能做其他任何事情。

但是，VRML2.0能够改变这一点，它增加了行为，可以让物体旋转、行走、滚动、改变颜色和大小。

比较起来，VRML2.0比VRMLl.0有了长足的进步，其巨大的改变，正如当年MicroSoft公司的Window95比之Windows3.0的进步[10]。

VRML文件以.wrl为后缀，它是一种文本格式的文件。

可以用文本编辑器打开编辑。

在设计一些最简单的模型时，这种方法是最简单可行的。

但是当场景变得复杂后，就需要利用一些专用的模型设计软件，这种软件称为VRML编辑器，常用的有Paragraphinternational公司的Internet3Dspacebuilder（简称ISB）等。

这些VRML的创作工具是“所见即所得”式的，通过图形界面可以方便的创作虚拟境界，但VRML不仅仅是普通的三维设计，尽管这些工具很容易上手，却往往屏蔽掉了VRML的具体细节，如果想深入掌握VRML，还需要全面了解节点、域、检测器等技术细节，达到此目的的最好方法就是用编写文本文件的方式创作VRML境界。

3.1.2VRML的工作原理及基本特性

VRML的工作原理是用文本信息描述三维场景，在因特网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范，而把复杂的处理任务交给本地机从而减轻了网路的负荷。

VRML建模语言具有以下基本特性[11]：

基于C/S模式的访问方式。

其中服务器提供VRML文件，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台的浏览器（Viewer）对该文件描述的VR世界进行访问；

即VRML文件包含了VR世界的逻辑结构信息，浏览器根据这些信息实现许多VR功能。

由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了VR的平台无关性。

基于ASCII码的低带宽可行性：

VRML像HTML一样，用ASCII文本格式来描述世界和链接，保证在各种平台上通用，同时也降低了数据量，从而在低带宽的网络上也可以实现。

而且当VRML在本地运行时，由于不受网络带宽和传输的限制效果更佳。

实时3D着色引擎：

传统的VR中使用的实时3D着色引擎在VRML中得到了更好的体现。

这一特性把VR的建模与实时访问更明确的隔离开来，也是VR不同于三维建模和动画的地方。

后者预先着色，因而不能提供交互性。

VRML提供了6+1个自由度，即三个方向的移动和旋转，以及和其他3D空间的超链接（Anchor）。

可扩充性：

VRML作为一种标准，不可能满足所有应用的需要。

有的应用希望交互性更强，有的希望画面质量更高，有的希望VR世界更复杂。

这些要求往往是相互制约的，同时又受到用户平台硬件性能的制约，因而VRML是可扩充的，即可以根据需要定义自己的对象及其属性，并通过Java语言等方式使浏览器可以解释这种对象及其行为。

3.1.3VRML的主要内容

（1）VRML文件格式及MIME类型[12]。

VRML文件可以包括下列四个主要成份：

VRML文件头，造型和事件，脚本，路由，原型。

并不是所有的文件都包括这些要素，唯一必须的是VRML文件头。

VRML的立体场景与造型由节点构成，再通过路由实现动态的交互与感知，或是使用脚本文件或外部接口进行动态交互。

在VRML文件中，节点是核心，没有节点，VRML也就没有意义了。

VRML场景可以由一个或多个节点组成，VRML中还可以通过原型节点创建新的节点。

VRML2.0标准的文件头为#VRMLV2.0utf8。

这不同于1.0标准中的文件头,1.0标准中文件只支持ASCII字符集。

为了向下兼容，VRML2.0文件格式兼容1.0文件格式。

这个文件头有三个含义：

第一，表明这个文件是一个VRML文件；

第二，符合VRML2.0版本；

第三，文件使用的是utf8字符集。

VRML注释允许在不影响VRML空间外观情况下，在VRML中包括其他信息。

可以加入对文件内容，文件绘制的不同部分的注释。

注释以一个#符号开始，结束于该行的最后。

VRML中的场景由造型组成，而造型则由节点创建。

这些是VRML的构件。

单个节点描述造型、颜色、光照、视点、以及造型、动画定时器、传感器、内插器等的定位和朝向等等。

节点可以有零个域或多个域，VRML定义了20多种基本数据类型，主要有SF的单值类型及MF的多值类型。

节点除了域属性外，还具有事件属性，事件是VRML实现用户交互及场景动态变化的最主要内容。

在VRML中，每一个节点一般都有两种事件，“入事件”（eventIn）和“出事件”（eventOut），每个节点通过这些“入事件”和“出事件”来改变节点自己的域值。

如节点的颜色可以改变，可以表示为接收了这样一种事件：

set_color。

当节点被改变了，会对改变的状态有所反应，送出一些事件，比如发出信号，颜色改变了：

Color_changed。

事件相当于高级程序语言中的函数调用。

其中，“入事件”相当于函数调用的入口参数，而“出事件”相当于函数调用时返回的参数。

在VRML中的每一个节点内部有些域被定义为“暴露域”，即指它能够接收事件，也能输出事件。

事件的调用是临时的，事件的值不会被写入VRML中。

概况说来，节点由域和事件组成，其中域的取值决定了节点的取值，从而决定了当前虚拟环境的状态；

事件则为节点提供了接受外界信息以及向外界发送信息的能力。

路由的功能是连接一个节点的“入事件”eventIn和另外一个节点的“出事件”even