虚拟实验室的设计

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1、目录引言 (1)1 绪论 (2)1.1 虚拟实验室综述 (2)1.2 虚拟实验室在国内外发展现状 (2)1.3虚拟实验室的特点及应用前景 (2)1.4 本论文研究的关键问题 (3)2虚拟现实建模语言(VRML) (4)2.1VRML 的发展历史 (4)2.2 VRML 的定义 (4)2.3 VRML 的工作方式 (4)3 虚拟实验室的创建 ( 5 )3.1开发基于VRML的虚拟实验室的工具 (5)3.2 虚拟实验室总体设计思想 ( 5)3.2.1 虚拟实验室模型的构建 (5)3.2.2 功能要求 ( 6)4基于VRML与3DSMAX动态交换 (8)4.1 文件导出 ( 8)4.2 分离模型的组

2、合 (8)4.3对模型进行动态交换的编程控制 (11)5 交互式虚拟实验的实现 (15)5.1交互式虚拟实验的事件实现原理 (15)5.2欧姆表测电阻功能的实现 (15)6 总结 ( 15)参考文献 (16)英文翻译 (16)致谢 (17)虚拟实验室的设计摘要：设计虚拟实验室就是要在虚拟实验环境中进行虚拟实验，为此，首先基于VRML 编程语言构建虚拟环境，在虚拟环境中，根据所需要做的虚拟实验要求，运用三维模型构建 工具建立虚拟实验仪器模型和实验元件模型；然后进行虚拟实验，使实验仪器和元件在实验 人员的手中动起来，并获得相应的测量数据。从而完成学生动手实践操作的一切能力。对于 环境恶劣、耗资大的

3、、无法在实验室完成的试验可以通过建设虚拟实验室来解决；在网络上 创建虚拟实验室，使无实验条件的学生在网上操作实验，实现理论验证实验技能的锻炼和提 高。关键词：虚拟实验室 ; VRML; 3dsmax ；欧姆表测电阻试验引言随着时代的进步，网络的的快速发展，高等教育改革的不断深入，WWW模式 的实验教学是以 Internet 为桥梁，跨越教师和学生在时间和空间上的距离，突 破面对面的、传统的实验教学方式的限制，将授课课堂由教室和实验室延伸到 Internet 所覆盖的任何一个场所的一种新的教学模式。远程虚拟实验教学对改 善我国办学条件和提高教学水平具有很大的促进作用。目前，随着虚拟现实技术的发展

4、，在远程教育方面将得到越来越广泛的应用。 随着教学体制的改革，实践环节成为学生深刻理解理论知识的一个重要环节，实 验成为教学环节中不可缺少的重要组成部分。许多高校实验室存在教学设备陈 旧、教育资金不足,难以满足日益增长学生的需求和跟上技术日新月异发展的步 伐。近几年来，个人计算机的性能已迅速增强，虚拟现实技术发展迅速，已基本 能满足虚拟实验室的要求1。本课题介绍了运用虚拟现实建模语言 VRML 建立网络虚拟实验室的关键技 术，阐述了虚拟实验室研制的重要意义，然后以创建欧姆表使用测量实验为例介 绍了虚拟实验室的建立过程。提供了一个可以通过网络浏览的网络虚拟实验室的 设计实例，并对其中的模型建立及

5、交互控制进行了详细的论述。1 绪论1.1 虚拟实验室综述近年来，随着计算机技术与通信技术的飞速发展，教育现代化的步伐大大加 快，出现了以计算机为核心的多媒体教育，出现了多媒体远程教育，它能够交互 地同时处理和传输图像、语言、视频、动画等多种形式的信息。并发展基于因特 网的虚拟实验室，建立虚拟环境的实验体系，克服了传统的面对面教育模式实验 的不足。虚 拟 实 验 室 (VirtualLaboratory) 概 念 ， 是 由 美 国 弗 吉 尼 亚 大 学 (UniversityofVirgniai)的威廉沃尔夫(WillaimW01)f教授于1989年首次提出的， 它描述了一个计算机网络环境下

6、的虚拟实验室环境，其设计与运用有助于教学创 新与发展。在这个环境里，用户可以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。它的建立大大提高了实验教学的伸缩性和适应性2-3。1.2 虚拟实验室在国内外发展现状虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其应用前景非常的诱 人，各国均在大力开发，已经取得了相当大的进展。目前，虚拟实验室在发达国 家已十分普及。越来越多的科学家正投身于构筑虚拟实验室的工作中来。在美国， 虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及 程度相当的广泛。国外的一些大学也已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实验

7、室;西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台;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4-7。在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，中国也有两个虚拟 实验室的已有研发基地，分别在北京和杭州。而且部分高校初步建立了虚拟实验 室。1.3 虚拟实验室的特点及应用前景虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的特点，决定了它在科研、远程教育中 的良好应用前景。虚拟实验室具有三个特点:(1) 可有效地提高学生的动手能力。虚拟实验允许学生按自己的设想来动 手，允许学生失败、允许犯错误，允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发 生;并通过正、反两方面

8、增加和培养学生的想象力和创造力。(2) 实现了教育资源共享，从而大大节约设备投入。(3) 利用现实仿真和多媒体技术进行模拟实验，大大提高学生的学习兴趣， 更有利于培养学生分析和解决问题的能力。虚拟实验室在我国的应用前景有三个方面：(1) 计算机网络和通信技术的普及为远程教育提供了有利条件。目前我国上 网计算机已超过 6000 万台，而且还将以惊人的速度增长。这个庞大的网络为虚 拟实验室的普及和发展提供了便利条件。(2) 虚拟实验室的性能优势。组建虚拟实验室必须考虑到选用当今世界上性 能优秀的一流设备，这些设备并不是所有院校都能拥有的，而虚拟实验室却能够 提供给广大用户使用一流的设备。(3) 我

9、国国隋适合于发展网上远程教育。我国人口众多，国民平均知识水平 相对较低。由于客观条件的限制，能够进入高等院校接受教育的人数毕竟有限。 网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求，为网上虚拟实验室远程教育 的发展提供了广阔前景。1.4 本论文研究的关键问题 建立虚拟实验室的目的就是进行虚拟实验。而进行虚拟实验首先要有虚拟仪 器，因此制作虚拟仪器和虚拟实验是构建虚拟实验室的关键问题。(1) 虚拟仪器的制作 构建虚拟仪器有两种方法：一是通过编写源代码，生成文本文件，再转化 “wrl” 文件。二是采用 3DMax 和 VRML 相结合的办法，在 3Dmax 中分别建 立三维物体，以“VRML97”导

10、出，再将这些文件以“wrl”格式导入到VRML 中去，然后插入相应的节点，并编辑它们在虚拟现实世界的位置关系，使之成为 一个统一的世界。本论文采用的是第二种方法。(2) 虚拟实验的制作 虚拟实验的制作必须考虑到两个问题，一是制作的工具是什么，二是怎样设 计与制作的问题。网上实验包含两类 :一类是“演示型”实验，只对实验现象进 行演示;另一类是“操作型”实验，实验者是虚拟实验的主导者，亲自参与实验，。 设计演示型实验有多种方法。操作型实验的制作相对就要复杂得多，主要涉及到 两个问题。一是实验现象的演示。即在特定的事件发生时，如何调出相应的事件， 动画是如何触发、如何实现的。二是虚拟仪器操作的实现

11、。如虚拟仪器的移动、 转动、放置等。即如何实现用户与虚拟仪器之间的交互。交互的实现是虚拟实验 室实现的重点和难点。利用3DMax三维建模工具和VRML程序设计完成了对万用表测量电阻功能的测试实验，该虚拟实验要求用户亲自动手进行交互式操作实验室系统对实验现象进行了真实演示，达到了与真实实验相同的效果。2虚拟现实建模语言(VRML) 2.1VRML 的发展历史1994年5月开发出一个能在网络上显示三维物体的程序Labyrinth (迷宫), 这是WWW上3D浏览器的早期原型。同年10月提出了 VRML的国际标准草案 VRML1. 0,通过VRML1. 0程序可以编写网络三维图形，但这些三维图形实

12、际上是静止的，而且形体间不能产生相对运动，建模能力也非常简单。为了使 VRML 的运用领域更加广泛， 人们又提出了 VRML 新的国际标准草案 VRML2. 0,并于1997年底正式成为了国家标准(ISOIEC14772)。在VRML 发展的过程中，不断与相关技术进行融合，包括HTML、opnelnvnetor、面向对 象技术、Java技术和XML技术，显示了 VRML技术的包容性和创新性卩凶。2.2 VRML 的定义VRML(Virtal RealiytMdoelingLnauggae 虚拟现实建模语言)的定义是:一种用 来描述Internet上交互或构筑3D多媒体和共享虚拟世界的开放式标准

13、文件格式, 是 HTML 的模拟，既可以用来建立真实世界场景的模型，也可以用来建立虚拟 的三维世界。从 VRML 的定义可以看出， VRML 的设计初衷是想成为集成 3D 图形和多媒体的通用交换格式，而这一点已经成为现实7。2.3 VRML 的工作方式VRML 的工作方式如图 1网络客八端呈现与空WVRML内容创作丄具丁 如 I vrm Ipad自动生成轶杵T 3DS max枸建方怯VRML图1 VRML的工作方式程序员在服务器端构建VRML文件，当客户端的用户需要浏览时，点击相 应的文件，服务器端的 VRML 文件自动下载到客户机的浏览器上，这样用户就 可以实现远程的访问与交互1。3 虚拟实

14、验室的创建3.1 开发基于 VRML 的虚拟实验室的工具VRML 代码编辑器（VRMLPad2.0） ; VRML2.0 浏览器（cortoma 浏览器）；模型创建工具（3DSMAX）。3.2 虚拟实验室总体设计思想采用分离的模块设计，首先在3DSMAX中制作出各单个物体，并以“wrl” 为后缀保存，然后制作整个实验室的框架，使单个物体与实验室保持比例的协调， 并进行虚拟实验1。3.2.1 虚拟实验室模型的构建构建具有逼真三维效果的空间场景和实体，这些场景和实体与真实世界的几 何特征和物理特性基本相同，提供实验环境和实验者参与的虚拟空间。使用者进 行实验时，能够体验到具有基本真实感的三维视觉空

15、间。本虚拟实验室需要进行 建模的实验实体有实验室场景（包括墙壁、地面、顶棚、灯光、实验台），如图 2 所示3.2.2 功能要求结合虚拟现实系统、实验环境和网络教育的综合要求，欧姆表功能划分为三 大主要部分。（1）欧姆表模型的构建。分离建立表体、旋转按钮（ 2 个）、表针、表笔（ 2 个）， 如图 3 所示。IDr0(M ADJ.HIGH ”叫tanfsri. - 5 iarf图 3 万用表(2)电阻模型的构建，如图 4 所示。图 4 电阻(3) 导线模型的构建，如图 5 所示。图 5 导线(4) 虚拟实验。用欧姆表测量电阻的阻值。4 基于 VRML 与 3DSMAX 动态交换把建立好的欧姆表模型导入 VRMLpad 文本编辑器中、通过 VRML 编程实 现虚拟欧姆表的动态交换。4.1 文件导出选择file/export菜单，出现一个对话框，在“存为类型”下选择VRML97” (*wrl)文件类型，并取一个相应的名字，这里取名为“wyb.wrl”，单击保存， 这时又出现一个VRML97export的对话框，选其默认值，单击0K即可生成所需 的 wrl 文件1。4.2 分离模型的组合用 Inline 组节点把外部所有单个物体的 VRM