基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計研究①

劉 濤, 楊亞軍, 李廣鵬

(1.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蚌埠233060;2.北京智造易科技有限公司,北京102600;3.安徽寶信信息科技有限公司,安徽 合肥230091)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展為各行各業(yè)都帶來了發(fā)展的契機(jī),“互聯(lián)網(wǎng)+”便是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合到的產(chǎn)物,教育行業(yè)同樣如此,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育結(jié)合后成為了當(dāng)前火熱的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教學(xué)行業(yè)[1-3]。但是互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教學(xué)行業(yè)存在很大的弊端,即教學(xué)環(huán)境較為單一,一些需要特殊器具的教學(xué)環(huán)節(jié)不能開展,學(xué)生僅通過看教師示范并不能徹底理解[4]。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則為這個問題的解決提供了契機(jī),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)榻處熀蛯W(xué)生提供一個較為真實(shí)、多樣的教學(xué)環(huán)境,有利于學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識從掌握到運(yùn)用的跨越[5-6]。本次研究將在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究,希望通過研究,能夠?yàn)樾聲r代背景下的教育進(jìn)一步發(fā)展提供一定的參考。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)與本體理論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)指通過計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造世界,從而讓使用者能夠在其中獲得接近真實(shí)世界的體驗(yàn)[7]。而虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開軟件、硬件一體的系統(tǒng)平臺,其系統(tǒng)組成框架如圖1所示。通過組成框圖可以看出傳感陣列將用戶計算機(jī)系統(tǒng)連接起來,用戶則可對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行間接控制并實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí),這4個部分共同構(gòu)成了虛擬系統(tǒng)。

圖2 為虛擬實(shí)驗(yàn)碰撞分析的示意圖,其中網(wǎng)格碰撞體,是在進(jìn)行靜態(tài)干涉檢測時用以檢測各個區(qū)域是否存在重疊的檢測示意圖。碰撞體三維解剖示意圖,用以對動態(tài)碰撞的檢測。在本次研究中為了降低數(shù)據(jù)冗余,提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的效果引入的本體理論,即用以描述問題本質(zhì)的一種方法。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)碰撞分析示意圖

稀疏表征可以有效地減少元素的表達(dá),進(jìn)而對表達(dá)效率有極大的提升?？捎靡韵鹿綄趫D像的稀疏編碼模型進(jìn)行表示。

上述式子(1)中I(x,y)為三維模型中的灰度函數(shù),或者是已經(jīng)經(jīng)過白化處理的三維圖像信息字塊,φ(x,y)表示第i個基函數(shù),a Ti表示三維模型中的灰度函數(shù)I(x,y)在第i個基函數(shù)上的投影值,而對于圖像表征貢獻(xiàn)的大小則可以通過該數(shù)據(jù)看出。通過稀疏表征可以對圖像中的紋理、色彩、形狀等特征進(jìn)行聯(lián)系,進(jìn)而根據(jù)物體各個特征之間的關(guān)聯(lián)來對圖像進(jìn)行分類[8]。

2 基于本體的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

完整的三維模型元素復(fù)雜,建模過程困難,本次研究通過引入本體理論以期望能夠降低虛擬實(shí)驗(yàn)室本體關(guān)系建模難度,通過對表征元素、元素操作以及元素屬性之間進(jìn)行整體聚類,并利用3DMAX與Unity軟件進(jìn)行基于本體的虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建。設(shè)六元組o為虛擬實(shí)驗(yàn)室的本體結(jié)構(gòu),且,其中C表示在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的元素概念,實(shí)驗(yàn)室中的所有元素可表示為C1,C2,…,C n∈C,R表示元素間的關(guān)系算子,Rel表示元素間的非聚類關(guān)系,H c表示概念層次,A O代表本體公理,A tri表示各個元素的內(nèi)在屬性。

在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中,讓參與虛擬實(shí)驗(yàn)的用戶到達(dá)其本質(zhì)是帶有泊松特征的一種排隊(duì)進(jìn)程,而當(dāng)做出實(shí)驗(yàn)操作的用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時具備一定的平穩(wěn)性。設(shè)Sensitivetime為敏感性指數(shù),則可用屬性算子、作用算子以及時間相關(guān)的各個參數(shù)對其就進(jìn)行表示。

為了提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)確度以及時效性,將實(shí)驗(yàn)室中的元素進(jìn)行聚類分析,對表征元素及元素屬性之間的關(guān)系進(jìn)行模型構(gòu)建操作,并建立相應(yīng)的約束條件。設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的元素集合種類及敏感度如下表1所示。

表1 集合C元素分類及其敏感度分析

表1 為本次研究中實(shí)驗(yàn)室集合C元素分類及敏感度分析表,其中屬于聚類關(guān)系H c的元素可以分為H c1(從屬)類。屬于作用關(guān)系Rel的元素則可分為Rel1(控制)類與Rel2(影響)類。其中A tri(屬性)類為屬性關(guān)系A(chǔ) tri類元素中的一種。研究對上述元素進(jìn)行模型構(gòu)建并對模型進(jìn)行公式(3)收斂,最終便可得到顯性關(guān)聯(lián)關(guān)系。

將敏感性指數(shù)代入其中,便可得最終的顯現(xiàn)關(guān)聯(lián)表達(dá)式。

上述式子中Sensitivetime是由Threshold_Sensitive time決定,且通過對最大均方誤差的推導(dǎo)可以得出Threshold_Sensitive time=0.15。研究使用了相關(guān)度作為檢驗(yàn)算法正確度的指標(biāo),并在對其正確度進(jìn)行檢查之后使用時延性分析作為檢查模型的用戶體驗(yàn)程度。其中相關(guān)度具體是指兩個元素之間存在的一定程度的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如果元素之間的關(guān)聯(lián)度越大,則說明元素之間的關(guān)系還可以進(jìn)行進(jìn)一步的簡化運(yùn)算。在此次研究中將元素之間的距離作為了相關(guān)度的分析指標(biāo)。圖3為此次研究中以距離作為相關(guān)度分析指標(biāo)的示意圖,元素A和元素B之間的距離為SD(A,B)=1,而元素B與元素F之間的距離為SD(B,F)=2。將距離的概念代入到原始模型與基于本體的模型之后,可以得到原始模型平均距離和本體模型平均距離。

圖3 基于距離的相關(guān)度分析

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境及可行性測試

基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的作用對象是普通學(xué)生,因此其必須保證能夠滿足普通學(xué)生的實(shí)際需求,因此在本次研究中采用了配置較為一般的PC硬件平臺作為支撐,并以普通軟件進(jìn)行了配置,而為了提高研究的測試效率,研究選用了4臺PC進(jìn)行并行測試。本研究所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)軟、硬件配置情況如下表所示。

表2 為此次研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置參數(shù)。在此次研究的模擬實(shí)驗(yàn)中,主要通過兩個仿真實(shí)驗(yàn)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的可用性進(jìn)行了測試,這兩個實(shí)驗(yàn)分別為學(xué)生用例測試以及在線答疑測試。在進(jìn)行學(xué)生用例測試時主要是測試學(xué)生能否對老師的指令做出相應(yīng)操作的實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)流程和結(jié)果如表3所示。

表3 學(xué)生用例測試

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表3 為本次研究中對于虛擬系統(tǒng)學(xué)生端是否具有可操作性的測試及測試結(jié)果,通過表3可以認(rèn)為此次研究所提出的基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際虛擬教學(xué)過程中,學(xué)生端具有可操作性。綜上所述,此次研究提出的基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)工作中具有可行性。

3.2 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

在驗(yàn)證了虛擬系統(tǒng)對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性之后,研究為了對其性能進(jìn)行了更進(jìn)一步的測試,分別對虛擬系統(tǒng)到的元素丟失情況以及表征時延情況進(jìn)行了測試。研究設(shè)觀察時間間隔T abs=1h,記錄基于本體虛擬實(shí)驗(yàn)室的元素丟失情況,測試結(jié)果如圖4所示。在此次研究的50個時間間隔中,所有的元素丟失率均在5%以下,且丟失率位于1%在整個時間段中占了50%,而觀察間隔等于3%的有且僅有5個。因此可以計算得出本次實(shí)驗(yàn)的與元素平均丟失率為0.61%,且標(biāo)準(zhǔn)差為0.30%,其中最長的穩(wěn)定間隔為9。綜上所述,此次研究設(shè)計的基于虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的元素丟失率較低,能夠滿足通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬教學(xué)的需求。本次研究除了對虛擬實(shí)驗(yàn)室的元素丟失情況進(jìn)行測試之外,還對對實(shí)驗(yàn)教學(xué)有極大影響的表征時延進(jìn)行了測試。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室測試觀測時間內(nèi)元素丟失百分比

對于表征時延的測試同樣設(shè)觀察間隔T abs=1h,并將一周內(nèi)每個時間間隔的元素表征延時數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,其結(jié)果如圖5所示?；诒倔w模型的所有的元素表征時延都在5s以下,其平均時延為2.14s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.214s。而從基于原始模型的表征時延變化曲線可以看到其最大時延達(dá)到了8s,其平均時延為4.57s,標(biāo)準(zhǔn)差為0.521。因此可以看出相較于原始模型的建模時延,基于本體模型性能能高,更能夠滿足在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。通過對基于本次研究提出方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)測試,無論是元素丟失還是表征時延都能夠滿足虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行。

圖5 虛擬實(shí)驗(yàn)室測試觀察時間內(nèi)表征時延結(jié)果

4 結(jié) 論

互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教育具有不真實(shí)性、教學(xué)環(huán)境受到極大的約束等缺點(diǎn),為了解決這些問題,本次研究提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。研究以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ),建立了基于本體的虛擬實(shí)驗(yàn)室,以使教學(xué)工作在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,并通過實(shí)驗(yàn)仿真的方式對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明該方法具有較強(qiáng)的可操作性,且虛擬系統(tǒng)的元素丟失與表征時延控制較好的優(yōu)點(diǎn)。