三維虛擬實驗系統(tǒng)研究探討

馬本源　李占利　馬天　靳紅梅

【摘 要】虛擬實驗系統(tǒng)側(cè)重于實驗操作的規(guī)劃、判斷以及實驗數(shù)據(jù)的驗證，具有仿真性、開放性和交互性等特點，要在效果和操作上盡可能的接近實際操作，才能達到實驗訓練的目的。本文分析了三維虛擬實驗系統(tǒng)的典型類型，總結(jié)了其標準的實現(xiàn)流程，以及三維建模、實時仿真和實驗交互操作等關鍵技術。本文工作對于三維虛擬實驗系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有一定的指導意義。

【關鍵詞】虛擬實驗；三維仿真；交互操作；渲染引擎

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術[1]是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術，是能夠生成多種感官刺激的人機交互系統(tǒng)，具有想象性、交互性和沉浸感等特點。對于一些比較危險的課程實驗，稍微的操作不慎就可能會對操作人員構(gòu)成嚴重的傷害；受到實際教學空間和實驗儀器數(shù)量限制，也很難保證每個學生都能進行充分訓練。因此，迫切需要將虛擬現(xiàn)實技術引入到實驗教學過程中。三維虛擬實驗系統(tǒng)利用計算機仿真來模擬整個實驗環(huán)境和過程，對傳統(tǒng)的實驗方法進行了徹底改革，讓學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統(tǒng)的真實實驗[2]。其擴大了人們的認識領域，得到了普遍的應用。

三維虛擬實驗系統(tǒng)側(cè)重于實驗操作的規(guī)劃、判斷以及實驗數(shù)據(jù)的驗證，具有仿真性、開放性和交互性[3]等特點，要在效果和操作上盡可能的接近實際操作，才能達到實驗訓練的目的。本文從系統(tǒng)分類、實現(xiàn)流程和關鍵技術研究兩個層面對三維虛擬實驗系統(tǒng)進行探討，詳細分析了三維虛擬實驗系統(tǒng)的典型類型，總結(jié)了其標準的實現(xiàn)流程，以及三維建模、實時仿真和實驗交互操作等關鍵技術。

1 系統(tǒng)分類

目前，關于三維虛擬實驗的研究越來越多，被廣泛應用到從初中到大學的化學、物理、電氣工程、力學、計算機硬件等教學實驗，以及人體解剖、交通駕駛教學實驗等眾多領域。從實現(xiàn)平臺來看，大致可劃分為這樣兩類：

（1）以Virtools、Unity3D、VR-Platform等商業(yè)三維渲染引擎平臺為基礎實現(xiàn)。華中師范大學的朱柱[3]基于Unity3D平臺，開發(fā)了一套三維金屬燃燒實驗系統(tǒng)，可交互展示不同金屬的三維燃燒效果；北京理工大學的陳巖等[4]基于Virtools平臺，開發(fā)了一套三維虛擬液力變矩器性能試驗臺，可在三維虛擬場景中進行油路管道連接等交互操作；山東師范大學的冀巧玲[5]基于3dMax建立場景三維模型和實驗演示動畫，基于VR-Platform平臺的紋理烘培和腳本編輯等功能開發(fā)了一套中學物理實驗平臺，并對操作流程和使用效果進行了分析。該類系統(tǒng)的優(yōu)點是商業(yè)軟件一般都提供比較完善的功能模塊，開發(fā)周期短，不需要花費太多精力在技術細節(jié)，可以專注于實驗的設計和規(guī)劃。但是，由于商業(yè)軟件功能和接口限制，顯示效果和再開發(fā)自由度受到一定限制。

（2）以OpenGL、OpenSceneGraph、Orge等開源三維渲染引擎平臺為基礎實現(xiàn)。華中科技大學的馮清秀等[6]基于VisualC++和OpenGL平臺，建立了真實可控的三維虛擬PLC實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC運動過程的控制仿真。西安科技大學的馬天[7]等基于OpenSceneGraph平臺，開發(fā)了一套三維虛擬高壓實驗系統(tǒng)，設計了一種通用的實驗數(shù)據(jù)格式和操作處理方法。安徽工業(yè)大學的謝圣學[8]基于Orge平臺，開發(fā)了一套建筑鋼筋構(gòu)件仿真學習平臺，實現(xiàn)了三維建筑鋼筋模型的動態(tài)生成、三維立體文字生成等功能。該類系統(tǒng)的優(yōu)點是開發(fā)平臺完全免費和開放，開發(fā)自由度不受限制，可擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，推廣應用方便。但是，開源軟件功能模塊不完善，需花費很多精力在技術細節(jié)實現(xiàn)上。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，大致可劃分為這樣兩類：

（1）單機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。文獻[3-6]都是這種結(jié)構(gòu)，該類系統(tǒng)專注于個人的實驗訓練，只需設計獨立的三維實驗場景和交互操作，系統(tǒng)之間不存在數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)部署簡單，一般安裝在實驗室的電腦上。但是，這種封閉結(jié)構(gòu)切斷了師生之間的指導交流，使得教師不能實時掌握學生的練習情況；學生也只能在實驗室才能使用系統(tǒng)進行實驗練習。

（2）C/S或B/S網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。文獻[7]采用C/S模式的網(wǎng)絡架構(gòu)，實驗設備零件三維模型本機存儲，實驗操作數(shù)據(jù)文件和成績信息數(shù)據(jù)庫放在服務器端。西安電子科技大學的苗曉鋒[9]采用B/S模式的網(wǎng)絡架構(gòu)，基于HTML和VRML技術，構(gòu)建了三層體系結(jié)構(gòu)的遠程教育網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)，可進行電路分析課程二維連線實驗和三維實驗模型展示。該類系統(tǒng)部署和維護復雜，需要專門的服務器管理實驗數(shù)據(jù)。但是，其彌補了單機系統(tǒng)的不足，客戶端位置可不僅局限于實驗室，學生可通過網(wǎng)絡在任何電腦進入實驗系統(tǒng)進行練習，教師也可通過網(wǎng)絡實時掌握學生的練習情況。三維虛擬實驗系統(tǒng)開放性特點決定其更適合采用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

2 實現(xiàn)流程與關鍵技術

根據(jù)以上文獻的分析，三維虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)流程與關鍵技術總結(jié)如下：

（1）開發(fā)平臺選擇，根據(jù)開發(fā)周期和技術水平選擇合適的三維渲染引擎。為了系統(tǒng)后續(xù)升級、維護和推廣方便，推薦選擇開源引擎。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇與設計，根據(jù)系統(tǒng)部署情況進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。如果只是部署在實驗室電腦，可設計成單機結(jié)構(gòu)或者C/S結(jié)構(gòu)；如果希望能夠通過網(wǎng)絡開放使用，可設計成B/S結(jié)構(gòu)或者C/S結(jié)構(gòu)，需要配置專門的外網(wǎng)服務器支持。

（3）三維實驗場景建模與實時渲染管理，一般是通過3DMax、Maya等主流三維建模工具制作高品質(zhì)的設備模型，然后采用選擇的三維渲染引擎平臺進行場景模型導入、繪制和管理。為了保證系統(tǒng)實時交互的性能，模型的幾何復雜度可通關紋理映射的技術簡化；高級光照效果可通過紋理烘培的技術預先渲染成圖片，以避免實時渲染計算。如果場景對象多而復雜，可采用場景圖的技術來管理和繪制三維場景，即采用自頂向下的分層樹形結(jié)構(gòu)來組織場景對象，以提升渲染的效率。

（4）實驗步驟數(shù)據(jù)管理，為了實現(xiàn)控制實驗操作和判斷正誤的程序邏輯，需要設計合適的方式來管理操作步驟等信息。一種方式是直接將信息放在程序判斷邏輯或模型文件中，這可以滿足單一實驗的需求；對于實驗對象不同的多種復雜實驗，另一種方式是將這些信息寫在單獨的數(shù)據(jù)文件中，在程序中取出需要信息，然后采用通用邏輯進行操作控制判斷。

（5）實驗交互操作，首先需要分析歸納實驗操作類型，然后為每種類型設計交互方式。對于傳統(tǒng)的桌面式三維虛擬實驗系統(tǒng)，一般是通過鼠標和鍵盤來交互，需要細分鼠標的三個按鍵的每一種操作方式。對于沉浸式的系統(tǒng)，可配合立體眼鏡，通過數(shù)據(jù)手套等更直觀的方式進行交互，需要為每種操作類型設計合理的手勢動作。

3 結(jié)語

三維虛擬實驗系統(tǒng)利用計算機仿真來模擬整個實驗環(huán)境和過程，對傳統(tǒng)的實驗方法進行了徹底改革，讓學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統(tǒng)的真實實驗。其擴大了人們的認識領域，得到了普遍的應用。三維虛擬實驗系統(tǒng)側(cè)重于實驗操作的規(guī)劃、判斷以及實驗數(shù)據(jù)的驗證，具有仿真性、開放性和交互性等特點。本文從系統(tǒng)類型、實現(xiàn)流程和關鍵技術研究兩個層面對三維虛擬實驗系統(tǒng)進行探討，詳細分析了三維虛擬實驗系統(tǒng)的典型類型，總結(jié)了其標準的實現(xiàn)流程，以及三維建模、實時仿真和實驗交互操作等關鍵技術。本文工作對于三維虛擬實驗系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有一定的指導意義。

【參考文獻】

[1]苗志宏，馬金強.虛擬現(xiàn)實技術基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，2014.5.

[2]李耀麟，張呂彥.虛擬實驗的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].隴東學院學報，2009，2（20）：118-121.

[3]朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學，2012.

[4]陳巖，姚壽文，劉樹成，等.Virtools底層開發(fā)技術在虛擬實驗中的應用[J].機械設計與制造，2013，3：70-73.

[5]冀巧玲.基于VR_Platform的中學物理虛擬實驗的設計與開發(fā)[D].濟南：山東師范大學，2011.

[6]馮清秀，夏俊力.基于OpenGL的交互式PLC虛擬實驗系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2011，2（30）：47-50.

[7]Tian Ma， Hongmei Jin， Benyuan Ma， etc. Study on 3D virtual experiment teaching system[C].ICSPCC 2015，Ningbo，2015.9：1-5.

[8]謝圣學.基于OGRE的建筑鋼筋構(gòu)件仿真學習平臺技術研究[D].合肥：安徽工業(yè)大學，2014.

[9]苗曉鋒.遠程教育網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2008.

[責任編輯：王楠]