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1、精选优质文档-倾情为你奉上本 科 生 毕 业 论 文论 文 题 目 基于VRML的实验室演示功能实现 学 生 姓 名 万 世 发 学 号 专 业 名 称 物 理 学 论文提交日期 2010年 4 月7 日 申请学位级别 理学学士学位 论文评审等级 指导教师姓名 倪 永 勤 职 称 教授 工 作 单 位 玉溪师范学院 学位授予单位 玉溪师范学院 玉溪师范学院物理系二一年四月基于VRML的实验室演示功能的实现万世发（玉溪师范学院物理系2006级物理学本科1班 云南 玉溪 ）指导教师：倪永勤摘要： 本论文利用VRMLPad创建虚拟物理实验室进而实现了物理演示功能实现。关键词:虚拟现实; VRML;演
2、示实验 1.引言1.1.虚拟现实概念及VRLM特征1.1.1. 虚拟现实的概念虚拟现实(VR-virtual Reality)是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual word)的计算机系统。它通常是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设备来实现的一种三维现实，人们可以通过这些设施以自然的技能向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们感受到三维的视觉、听觉及触觉等感官刺激。它创建一个既酷似客观环境又超越客观时空，既能沉浸在其中又能驾驭其上的和谐的人机环境，也就是一个由多维信息所构成的可操纵的空间。它的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互，能够达到或部分达到这样目标的
3、系统就统称为虚拟现实系统2。虚拟现实技术是一门直接来自于应用的、涉及众多学科的、新的实用技术，是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。VRML ( virtual reality modeling language)虚拟现实建模语言是一种三维造型和渲染的图形描述语言，通过创建一个虚拟场景以达到现实中的效果。它是第二代Web程序设计语言，可以在网页上实现三维动画效果及基于三维对象用户的交互，特别是可以改变当前网络与用户交互的局限性，使得人机交互更加方便、灵活，使虚拟世界的真实性、交互性和动态性得到充分的体现。1.1.2.虚拟现实的基本特征（1)沉浸感是指
4、用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化)，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。(2)交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。(3)想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。1.2.虚拟现实在教学中的作用及应用1.2.1.虚拟现实在教学中的作用(1) 弥补
5、教学条件的不足。在教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。(2)避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。(3)彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的
6、内部进行观察。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。(4)可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。1.2.2. 虚拟现实在教学中的应用虚拟现实在教学中的应用主要有以下二个方面。(1)知识学习。知识学习是指学生利用虚拟现实系统学习各种知识。它的应用有两个方面:一是再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。虚拟现实在知识
7、学习中的另一个应用是，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。(2)探索学习。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。通过资料查阅可知，国外的虚拟现实技术发展已经较为成熟，在很多领域有着广泛的应用，带来了可观的经济价值和社会价值。国内的虚拟现实技术的研究与开发尚处于初级阶段，有很多的领域及技术有待我们去开发和研究。通过相关的资料可知，VRML技术在物理教学上的应用有其独特的优势，它可以使抽象的概念和理论直观化形象化， VRML创建的动态环境直观性强，
8、形象逼真，易于学生学习掌握。基于以上原因，在本论文的选题上，重点选取典型和具有代表性的演示实验来研究。在物理教学的演示实验中，有很多实验可以由VRML 来实现，有些简单的演示实验(如抛物运动)比较容易实现，而类似于分子的布朗运动等物理现象的演示实验，需要投入较多的时间和精力，由于本论文研究的时间关系，综合考虑多方面因素，选取本论文的主要研究内容包括以下2个方面:借助于VRML语言构建实验室的三维场景的描述;借助于VRML语言建立动态仿真物理三维场景，完成实验的三维演示演示。1.3.1.VRML文件的具体使用条件浏览VRML文件的环境条件：硬件上,无需其他的设备，目前的PC机完全可以满足要求；软
9、件上，只需要安装VRML浏览器插件，目前最流行的两种VRML浏览器插件是Parallel Graphics公司的Cortona浏览器插件和blaxxun公司的blaxxun Contact浏览器插件，另外还有一款常见的浏览器插件Cosmo player，如果使用的浏览器是Netscape 4.0以上的浏览器，则不用再装Cosmo player，因为它已经内置了Cosmo player2.0浏览器插件。Cortona浏览器插件也称为Cortvrml插件，网络上称之为蝴蝶浏览器，现在流行的主要有4.1版本和5.0版本，二者在使用和视觉效果上无明显区别，不同的一点在于5.0版本的具有一个蓝色徽标。在
10、对VRML文件进行浏览的过程中，会因所用计算机安装的操作系统不同而决定使用的浏览器插件也不同： Cortvrml 插件,适用于Windows XP系统； Cosmo player 插件，适用于Windows 98/2000/2003系统。 1.3.2.VRML文件的编辑方法1.用文本编辑器，如记事本直接编写VRML文件；保存时，保存类型选择所有文件，保存文件名称后缀扩展名改为.wrl；2.用转换工具从3DMAX、AUTODESK 3DVIZ、White Dune、分子模型编辑器等转换。在设计中我使用编辑器来进行建模，模型创建好后直接输出.wrl格式的文件。，在使用解释器进行浏览时，在对其进行旋
11、转、缩放、平移时，会因刷新频率的原因而导致效果不明显，甚至出现模糊现象。1.4.用于创建基于VRML虚拟现实的可行性分析VRML是一种有着强大发展潜力的虚拟现实建模语言，它尤其适合创建桌面虚拟现实。VRML创建的活动场景具有沉浸性、交互性和多感知性等一般虚拟现实场景的特征。首先，学习者通过VRML浏览器进入VRML场景后，凭借简单的二维鼠标，只要选择VRML浏览器上不同的浏览方式(如Fly、Go、Rotate等)即可实现在场景中6+1个自由度的漫游，即三个方向的移动和旋转，以及和其它三维空间的超链接。因而学习者完全可以根据个人的意志选择场景中不同的视点方向和位置。虽然没有头戴式显示器所带来的完
12、全沉浸的感觉，但学习者在场景中自由遨游，能体味到相当的沉浸感。另外，通过编程控制VRML场景能实现一定的交互性。这种交互性可以允许学习者与场景中的3D实体进行一定的交互。 VRML能控制立体声音的播放，并能对声音的方位和强度进行控制。如雷电场景中，雷声的强度和方位就是根据代理人的实时位置来改变的。因而通过VRML境界学习者能体味到一种近乎自然界的声音。而将来，随着VRML技术的进一步发展和完善，冷热、质感等感知信息的体现必将变成完全可能的事情。VRML是一种实用化的虚拟现实建模语言。VRML文件是以扩展名.wrl或.wrz等结尾的，是一种用来描述几何形体的简单的ASCII文本文件，VRML的编
13、辑工具可以是任意一种文本编辑器。VRML文件不需要任何编译，直接由浏览器解释执行，可以方便的实现桌面虚拟现实。VRML浏览器一般是作为Web浏览器的插件使用的，因而又称为浏览器插件。当学习者通过Web浏览器请求一个VRML文件时，服务器端接收到请求，并将VRML文件代码传输到客户端，客户端浏览器通过VRML浏览插件对代码进行解释，将VRML语言中的信息解释成空间中目标的几何体描述，如长方体、球体、不规则的其它三维物体等等，同时它将提供实时显示，一秒显示多次，这样在学习者的计算机上就会有一个活动场景的感觉。而学习者只需用简单的2D鼠标，通过切换不同的浏览方式即可遨游于整个虚拟境界，与境界中的物体
14、进行交互。VRML文件能通过包含关系(Inline节点)把不同的文件组织在一起，能实现和管理较大规模的场景。另外，VRML,文件具有超链接功能，通过Anchor节点可以实现VRML文件与WINE文件，VRML文件与HTML文件之间的超链接。因而VRML文件用于Web课件中，可以实现课件中HTIVIL页面与虚拟现实页面的自然过渡，以及不同虚拟现实场景之间的随意跳转。与之相比，动画文件和图片文件因为是相互独立的，文件之间要建立链接只能通过HTML的超链接功能。如果用于展示较大的场景和进行复杂的交互性操作，需要有较多的文件通过HTIVIL的超链结进行链接，这种链接将使系统缺乏流畅性，场景展示的实时性
15、也会降低，而且过于复杂的使用HTML的超链在操作时容易出现混乱。基于以上分析，VRML是一种基于www的实用的、功能较完善的、具有强大发展潜力的虚拟现实建模语言。因为VRML具有强大的网络功能，所以它尤其适合创建Web上的虚拟现实。VRML对硬件设备要求不高(仅仅用最简单的台式显示器、2D鼠标、音箱就能实现)，能为教学中的大多数学习者所接受。VRML文件设计使用简单，能创建出简单的桌面虚拟现实，随着它的逐步发展和完善功能必将更强大。所以用VRML创建虚拟现实场景应用于教学具有相当的可行性。选取本论文的主要研究内容包括以下2个方面:一是借助于VRML语言构建实验室的三维场景的描述;二是借助于VRML语言完成演示实验功能实现。2系统的设计与实现2.1.1整个设计流程程序设计思路首先：选择要实现虚拟实验室场景的工具。有以下2种方法。第一是利用3DMAX、AUTODESK 3DVIZ、White Dune等工具建立模型在转换成
