計(jì)算機(jī)硬件虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

庾海濤

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西　晉中　030600）

計(jì)算機(jī)硬件虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

庾海濤

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西晉中030600）

摘要：計(jì)算機(jī)硬件在電子信息業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)業(yè)和信息技術(shù)教學(xué)中一直是行業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)注的重點(diǎn)。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以使用全景實(shí)時(shí)圖像，通過選擇全方位、放大、縮小或者旋轉(zhuǎn)等不同模式觀看硬件模型的整體、局部和細(xì)節(jié)。使用3DS MAX軟件建立了電子板卡模型并導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的程序中，還通過DirectX接口在虛擬現(xiàn)實(shí)程序中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重建各種所需硬件模型的目的。因?yàn)槟壳皬S家林立、型號(hào)繁雜導(dǎo)致板卡功能多樣，所以沒有一個(gè)企業(yè)可以收集所有的板卡實(shí)物。另外，改進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)情境、可以給用戶包括企業(yè)員工和學(xué)生提供實(shí)踐的平臺(tái)，從而幫助他們以最低的成本詳盡地了解和熟悉計(jì)算機(jī)硬件的組成、功能和作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；VB；DirectX；多媒體

0　引言

中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)天河一號(hào)采用CPU與GPU相結(jié)合的異構(gòu)融合計(jì)算體系結(jié)構(gòu)。GPU是顯卡大腦，可進(jìn)行3D圖形計(jì)算、浮點(diǎn)計(jì)算及并行計(jì)算。在Windows系統(tǒng)中對(duì)GPU功能調(diào)用主要依靠DirectX，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要手段。計(jì)算機(jī)硬件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用3DS MAX建模，以VB和DirectX SDK實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能為普及計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)，為用戶提供虛擬實(shí)踐機(jī)會(huì)，使用戶有更加直觀的感受。它為用戶對(duì)了解和熟悉計(jì)算機(jī)硬件的功能和作用提供快速與低成本的平臺(tái)。

本研究的目的是通過建立基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VB+DirectX SDK制作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)［1］，為電子信息業(yè)、計(jì)算機(jī)業(yè)以及教學(xué)提供更便捷的服務(wù)。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分析

1.1需求分析

目前在計(jì)算機(jī)硬件學(xué)習(xí)中，多媒體課件以PPT（幻燈片）為主。但目前對(duì)于PPT的部分特性還不是很了解，比如PPT的不當(dāng)使用與2003年的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事有一定關(guān)系。原因是一些至關(guān)重要的技術(shù)問題在PPT的提綱下被掩飾，缺少完整詳細(xì)的技術(shù)文件或整體方案，最終導(dǎo)致災(zāi)難。PPT的功能是有限的，想要得到更清晰或其他角度的完整視圖是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。任何人學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)如果只使用PPT，就是盲人摸象。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，則可以很好地補(bǔ)全這個(gè)漏洞，使PPT與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在演示中各取所長(zhǎng)，也是兩種現(xiàn)代教育技術(shù)的完美整合。

目前我國(guó)高等教育事業(yè)由專才教育向通才教育轉(zhuǎn)變。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高等教育勝任“T字”型課程體系提供了實(shí)用的教學(xué)技術(shù)，也為電子信息方面的企業(yè)提供了新的工具。在節(jié)約大量成本的同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件仿真系統(tǒng)的反復(fù)使用，并沒有硬件的折舊和損壞，任何高檔硬件都可以做出高仿真模型，使得用戶見識(shí)能更廣泛與深入。

1.2系統(tǒng)功能需求分析

為符合企業(yè)和學(xué)校教學(xué)要求，系統(tǒng)必需提供以下功能：登錄平臺(tái)、教學(xué)資訊、教學(xué)、管理和退出。

1）登錄平臺(tái)功能：為用戶提供MDI登錄界面。提供導(dǎo)航按鈕用于導(dǎo)航硬件信息。

2）文件：為系統(tǒng)提供文件操作功能。

3）教學(xué)資訊模塊：熟悉硬件的參數(shù)和性價(jià)比。為用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示、放大、縮小、還原、任意角度觀察、打印和退出功能。

4）教學(xué)功能模塊：熟悉硬件的發(fā)展歷史和各部分的物理結(jié)構(gòu)。為教學(xué)提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示、放大、縮小、還原、任意角度觀察、打印和退出功能。

5）管理功能：管理各種硬件模型和信息。為模型提供管理，如模型的導(dǎo)入、分類以及刪除，為模型介紹制作文本。

6）幫助功能：為用戶提供幫助。

1.3系統(tǒng)性能需求分析

軟件系統(tǒng)為電子信息、計(jì)算機(jī)業(yè)與大學(xué)相關(guān)專業(yè)提供計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（見圖1），設(shè)計(jì)功能主要是管理、播放和運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)模型，在制作模型和DirectX相關(guān)的問題上比較復(fù)雜。

圖1　系統(tǒng)整體用例圖Fig.1 Case diagram of the whole system

多功能管理需求：界面友好，各種功能在界面上都有導(dǎo)航按鈕，滿足系統(tǒng)需要。

課件管理需求：這個(gè)功能是最重要的，從指定目錄導(dǎo)出模型并控制模型。

更新軟件庫(kù)需求：軟件庫(kù)是一個(gè)目錄，里面用目錄管理。不同的硬件用不同的目錄，三級(jí)目錄即可基本滿足要求。

該系統(tǒng)的構(gòu)造主要由兩大部分組成：第一，虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造，包括了場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建、模型的建立以及整個(gè)場(chǎng)景模型的合理優(yōu)化［2］。第二，能夠達(dá)成交互效果的虛擬設(shè)計(jì)，其效果主要是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的三維顯示，在過程中能夠?qū)崿F(xiàn)放大、縮小、不同角度觀測(cè)交互控制等特效。

在該階段的首要任務(wù)是采集所需要的數(shù)據(jù)信息和圖片信息，以此作為制作三維模型的資料，在三維軟件中對(duì)建模工作進(jìn)行拆分，分為平臺(tái)制作，硬件建模。在建模型工作完成以后，需要對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行整合，在這之前需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)單位，并整體調(diào)整顏色以保證最終效果的統(tǒng)一性和完整性。然后根據(jù)實(shí)物完善模型，對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在虛擬攝像機(jī)特寫上可能還要增加相應(yīng)的細(xì)節(jié)，材質(zhì)貼圖、燈光、攝影機(jī)等要可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，可為硬件的表現(xiàn)達(dá)到理想效果。

1.4技術(shù)可行性分析

為解決教育走向大眾化、教育公平、通識(shí)教育等現(xiàn)代教育問題，在硬件技術(shù)學(xué)習(xí)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是有效的。特別是在VB中使用DirectX SDK技術(shù)提供的各種內(nèi)置服務(wù)［3］，與Windows協(xié)同工作是行之有效的。VB+DirectX SDK及3DS MAX VB和DirectX SDK都是微軟公司的軟件產(chǎn)品，3DS MAX用于建模十分快捷。DirectX SDK適合多媒體、娛樂、即時(shí)3D動(dòng)畫等廣泛和實(shí)用的3D圖形計(jì)算。VB之所以被廣泛使用，是因?yàn)橐子谧尵幊倘藛T掌握。VB的組件內(nèi)有被系統(tǒng)默認(rèn)賦值的一組屬性和方法，只要編寫所需要的一些代碼即可。DirectX SDK對(duì)硬件有良好的兼容性和編程方式在業(yè)界廣泛使用，現(xiàn)在的顯卡和新一代的顯卡都支持DirectX的三維圖形加速功能。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在VB中使用DirectX SDK技術(shù)提供的各種內(nèi)置服務(wù)［4］，與Windows協(xié)同工作。DirectX具有操作系統(tǒng)的低級(jí)硬件接口，為不使用GDI或操作系統(tǒng)的API的圖形圖像程序提供服務(wù)。

DirectX與Windows緊密聯(lián)系，并依賴于Windows操作系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的每一部分都十分簡(jiǎn)單，只要按照要求操作就可以完成演示。本研究將其分為3個(gè)階段。

1）初始化系統(tǒng)：負(fù)責(zé)初始化在界面被顯示之前，必須要加載一些駐留內(nèi)存的常量、變量以及一些初始化的默認(rèn)值，讓程序清楚地了解計(jì)算機(jī)的顯示配置內(nèi)容，如顯卡的參數(shù)、當(dāng)前系統(tǒng)DirectX的信息等。

2）MDI和應(yīng)用界面加載：初始化后MDI界面被加載，根據(jù)需求點(diǎn)相應(yīng)的菜單欄選項(xiàng)，運(yùn)行相應(yīng)的窗體，也就是功能模塊。

3）在功能模塊里可以完成的操作：定位、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小和打印等要求。

2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的2D體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2D體系結(jié)構(gòu)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)部分，如基本的2D貼圖會(huì)在3D貼圖中得到擴(kuò)展使用（見圖2），主要包括：基本2D貼圖、文本顯示處理、圖形的鏡面反射與旋轉(zhuǎn)、2D圖形背面剔除處理。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，所有幾何體的貼圖都是以2D中研究的三角形面作為基礎(chǔ)，給硬件加上貼圖是達(dá)到真實(shí)效果的一個(gè)重要環(huán)節(jié)（見圖3）。光影技術(shù)是真實(shí)性最有意義的核心與根本，通過其產(chǎn)生生動(dòng)的仿真效果。文本顯示處理，可以在動(dòng)畫中即時(shí)顯示硬件說明和其他要用語(yǔ)言文字完成的工作。圖形的鏡面反射與旋轉(zhuǎn)的作用，可以使硬件在表面、在光照下有反射效果，在操作時(shí)常常需要按3個(gè)軸向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，來(lái)觀察效果。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的3D體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D體系結(jié)構(gòu)主要是指三維空間中的多種3D模型，這些對(duì)象都有相對(duì)空間（0，0，0）點(diǎn)的縱向坐標(biāo)、橫向坐標(biāo)以及深度坐標(biāo)。硬件在空間中存在，有相對(duì)坐標(biāo)軸心的位置。

圖2　內(nèi)存貼圖Fig.2 Memory mapping

圖3　顯卡、主板、內(nèi)存條配置的材質(zhì)球Fig .3 The material ball of graphics card，mainboard and memory bank

3　虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)由“教學(xué)資訊”、“管理功能”、“教學(xué)功能”模塊組成。使用微軟出品的DirectX SDK For VB作為開發(fā)工具［5］、3DS MAX建模。為適應(yīng)復(fù)雜多樣的的情況，幫助用戶解決問題，節(jié)約后期維護(hù)成本，所運(yùn)行的硬件和軟件環(huán)境要求低，可視化的界面使得老少皆宜。能夠利用Windows資源自身的OLE技術(shù)把很多對(duì)象組合在一起，用于應(yīng)用程序，可以操作文字、聲音、圖片、圖像和影視等資源。系統(tǒng)組成見圖4。

圖4　登錄MDI界面Fig.4 Interface for MDI login

3.1“教學(xué)資訊”模塊

教學(xué)資訊功能是熟悉硬件的參數(shù)和性價(jià)比。教學(xué)中有許多硬件的資訊需要用戶了解，這樣有利于融入到真實(shí)情景中，更好地了解大量的硬件技術(shù)參數(shù)和性價(jià)比。通過教學(xué)資訊來(lái)發(fā)掘自身內(nèi)在潛力，有利于自主學(xué)習(xí)。要讓用戶學(xué)會(huì)利用資訊去選擇需要的部件，對(duì)于大量的硬件信息進(jìn)行分析對(duì)比。

正確地使用硬件的教學(xué)資訊是很重要的，硬件資訊分為以下幾個(gè)部分。

3.1.1最新硬件信息提供了廣泛的最新電腦硬件的信息，這部分知識(shí)可以用來(lái)了解目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的新趨勢(shì)，分析電腦配置的技術(shù)發(fā)展方向。最新硬件內(nèi)容主要是家用機(jī)的配置、商用機(jī)的配置、局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)的配置。適合用戶對(duì)電腦硬件性能的熟悉和對(duì)硬件技術(shù)指標(biāo)的整體把握?？梢苑譃橐韵聨撞糠郑孩貱PU最新資訊，包括新型CPU模型及其參數(shù)；②主板最新資訊，包括新型主板模型及其參數(shù)；③內(nèi)存最新資訊，包括新型內(nèi)存模型及其參數(shù)；④顯卡最新資訊，包括新型顯卡模型及其參數(shù)。

3.1.2最熱門硬件信息這個(gè)欄目提供了目前使用最多的硬件配置信息。主要是根據(jù)計(jì)算機(jī)用途以及物廉價(jià)美的目的配置的。主要包括以下幾個(gè)方面：①圖形設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的配置；②家用多媒體計(jì)算機(jī)的配置；③商務(wù)辦公、專業(yè)應(yīng)用和圖形設(shè)計(jì)的配置。

3.1.3硬件評(píng)論提供了硬件說明、與同類產(chǎn)品的比較、硬件鑒賞等功能。

1）硬件說明是對(duì)某款流行的硬件的指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)說明，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的介紹。本文以一款華碩主板為例進(jìn)行介紹。

2）同類產(chǎn)品的比較見表1。

表1　同類產(chǎn)品比較Tab.1 Comparison of the like products

3）硬件鑒賞。計(jì)算機(jī)硬件是科學(xué)技術(shù)高度密集的產(chǎn)品。在機(jī)箱的包裹下，主板（如圖5）、CPU等主要設(shè)備不為人所見；打開機(jī)箱后，內(nèi)部猶如現(xiàn)代化城市一樣，在主板平臺(tái)上一個(gè)個(gè)部件拔地而起，顯卡燈的照耀下熠熠生輝。

圖5　主板局部圖Fig.5 Mainboard local drawing

3.2“教學(xué)功能”模塊

教學(xué)功能模塊里主要熟悉硬件的發(fā)展歷史和各部分的物理結(jié)構(gòu)，可以了解計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從電子管到現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路技術(shù)。根據(jù)資料要可以做出這些計(jì)算機(jī)及其配件、板子的模型。

模型庫(kù)主要有CPU模型、主板模型、內(nèi)存模型、顯卡模型。

1）CPU模型：根據(jù)材料對(duì)CPU建立模型，導(dǎo)入到庫(kù)中，進(jìn)行編制和文檔解說，這樣的展示可以深入了解CPU的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和工作方式，對(duì)了解PC機(jī)的工作原理有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2）主板模型：根據(jù)材料對(duì)主板建立模型，導(dǎo)入到庫(kù)中，進(jìn)行編制和文檔解說，這樣的展示可以深入了解主板的組成結(jié)構(gòu)。這里可以看到早期的AT與Baby-AT舊主板和外國(guó)品牌機(jī)上的LPX、NLX、Flex ATX主板，這些主板就算是專業(yè)人員也很少能見到。庫(kù)中最多的是國(guó)內(nèi)普遍使用的ATX結(jié)構(gòu)的主板，而未來(lái)Intel將使用BTX主板。

3）內(nèi)存條模型：根據(jù)材料對(duì)內(nèi)存條建立模型，導(dǎo)入到庫(kù)中，進(jìn)行編制和文檔解說，這樣的展示可以深入了解內(nèi)存的組成結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)內(nèi)可以觀察和研究早期的SIMM內(nèi)存、SDRAM內(nèi)存、DDR、DDR2；目前是DDR3的天下，但DDR4已經(jīng)出現(xiàn)，這是內(nèi)存條發(fā)展的趨勢(shì)。通過觀察虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的模型可以很直觀地了解時(shí)代的特點(diǎn)和各個(gè)部分的作用。

4）顯卡模型：根據(jù)材料對(duì)顯卡建立模型，導(dǎo)入到庫(kù)中，進(jìn)行編制和文檔解說，這樣的展示可以深入了解顯卡的組成結(jié)構(gòu)。早期的NVIDIA和現(xiàn)在的ATI與NVIDIA。在主板上的插槽隨時(shí)代改變而改變，早期的PCI被AGP接口替代。AGP接口沿用了將近8年，它是一種顯卡與內(nèi)存的連接口。AGP之后是PCI-E接口，目前獨(dú)立顯卡基本采用這種技術(shù)。

3.3“管理功能”模塊

用于管理各種硬件模型和信息。3DS MAX制作的圖形中包含了模型、材質(zhì)貼圖、燈光以及一些腳本。如果沒有管理功能，在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)與模型無(wú)法完美結(jié)合。管理功能可以為模型提供貼圖、燈光等的路徑，幫助管理常用素材，科學(xué)地分類管理CPU模型庫(kù)、主板模型庫(kù)、內(nèi)存模型庫(kù)、顯卡模型庫(kù)。在界面里為模型提供圖示、模型文件、MAX版本、貼圖文件、模型分類、模型名稱和模型描述。

4　結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)硬件虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)使用3DS MAX軟件建立的電子板卡模型并導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的程序中，還通過DirectX接口在虛擬現(xiàn)實(shí)程序中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重建各種所需的硬件模型。在計(jì)算機(jī)硬件選擇、了解、分析方面起著模型庫(kù)作用，為計(jì)算機(jī)硬件在電子信息業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)業(yè)和信息技術(shù)教學(xué)科研服務(wù)，提供了計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)。電子工程師可以從中找到各種電子板卡，用于查看電子線路、原件組成和板卡結(jié)構(gòu)形狀等，解決了收集各種計(jì)算機(jī)硬件的資金不足和品種不全的問題以及觀察硬件板卡局部、整體和細(xì)節(jié)的要求。該虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)還為了解各種板卡的組成和結(jié)構(gòu)以及電子元件提供寶貴的信息庫(kù)，也為挖掘計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)提供了無(wú)窮的潛力。另外，改進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)情境、可以給用戶包括企業(yè)員工和學(xué)生提供實(shí)踐的平臺(tái)，從而幫助他們以最低的成本、詳盡地了解和熟悉廣泛的計(jì)算機(jī)硬件的組成、功能和作用。

參考文獻(xiàn)（References）

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（責(zé)任編輯：范建鳳）

Design and Realization of Virtual Reality System of Computer Hardware Teaching

YU Haitao
（Jinzhong Vocational College of Technology，Jinzhong 030600，Shanxi，China）

Abstract：Computer hardware is the basic and keynotes in teaching of computer science including electronic and information engineering，computer technology and information technology.With the ideal virtual reality system it can observe hardware model as a whole，or in part or in detail by employing real time panorama picture，zooming in and out or rotating the model.In this report，3DS MAX is utilized to establish electronic plank card which is then introduced into the virtual reality program；moreover，the DirectX interface is applied to the virtual reality program as well.In the improved virtual reality system，all types of hardware model could be re-built.Because of the diversities of plank card functions，and numerous types of plank card produced by many manufacturers，it is impossible for any business enterprise to obtain all types of plank cards.In addition，the improved virtual reality system can establish a situational scenario，which provides a platform for the customers including both technologists and students to understand and familiarize them with the hardware in terms of configurations，functions and applications at low cost.

Keywords：virtual reality technology；VB；DirectX；multimedia

作者簡(jiǎn)介：庾海濤（1974—），男，助教，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用。

收稿日期：2015 - 03 - 23

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.017

中圖分類號(hào)：TP391.98

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-0143（2015）03-0283-06