[精品论文]虚拟实验教学可视化场景构建工具及其应.doc

精品论文虚拟实验教学可视化场景构建工具及其应用示范贾国栋，李发明，金鑫，陈小武5（虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京航空航天大学计算机学院，北京 100191） 摘要：作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟实验教学体现了以现代教育理论为指导，以 虚拟现实技术、计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术等为支撑的实验教学新方式，有利 于优化教育资源、提高教学质量。本论文分析多学科虚拟实验教学环境及其典型示范的需求 和特点，针对虚拟实验教学可视化场景，介绍了虚拟实验教学构件可视化建模工具、虚拟实10验教学场景可视化设计工具、虚拟实验教学场景可视化运行工具等三个方面的软件工具及其 应用示范。 关键词：计算机应用技术；虚拟实验教学；可视化；构件建模；场景设计；场景运行 中图分类号：TP391.915Tools and Applications of Constructing Virtual ExperimentEducation Visualization SceneJIA Guodong, LI Faming, JIN Xin, Chen Xiaowu(State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and Systems,School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191)20Abstract: As an effective supplement of the traditional experiment education, virtual experiment education is guided by modern education theory and is a new way to experiment education supported by virtual reality, computer simulation, multimedia, and network technologies, which help to optimize education resources and improve the quality of education. This paper analyzes the requirements and features of multidisciplinary virtual experiment education environment and25typical application demonstrations. We introduce three scene constructing and visualizing tools and applications for virtual experiment education: experiment component visualization modeling tool for virtual experiment education, experiment scene visualization design tool for virtualexperiment education, experiment scene visualization running tool for virtual experiment education.30Key words: computer application technology; virtual experiment education; visualization;component modeling; scene design; scene running0引言传统的实验教学主要依赖实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，以及实验过程35受时间、地点、人力、物力、财力限制等问题，经常制约了实验教学的条件保障与有效开展。 作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟实验教学体现了以现代教育理论为指导、以虚拟现 实技术、计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术等为支撑的实验教学新方式，有利于优化 教育资源、提高教学质量。不断发展的虚拟实验教学环境1-6，正在瞄准“实验教学构件模型少”、“实验教学构40件建模难”、“用户交互性差”、“真实感不强”等方面涉及的技术瓶颈，重点开展虚拟实基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20091102110019）、国家 863 计划课题（2012AA02A606） 作者简介：贾国栋（1986-），男，博士研究生，主要研究方向：虚拟现实、增强现实、图形图像等 通信联系人：陈小武（1972-），男，教授，主要研究方向：虚拟现实、增强现实、图形图像、计算机视觉、 视频处理等. E-mail: chenbuaa.edu.cn- 2 -验教学的场景建模与可视化、开发平台及其工具的通用性与可重用性、应用系统的可扩展性和跨平台能力等核心任务的研究与开发。 本论文根据多学科虚拟实验教学环境及其典型示范的需求和特点，围绕虚拟实验教学可视化场景，研究开发并应用示范了三个方面的软件工具，主要包括：虚拟实验教学构件可视45化建模工具、虚拟实验教学场景可视化设计工具、虚拟实验教学场景可视化运行工具。1构建工具总体设计虚拟实验教学可视化场景构建工具的总体设计如图 1 所示。“数据接口”根据应用需求， 获取虚拟实验教学的典型实验素材，并且遴选出适合可视化建模的几何数据和图像数据。 “建模工具”主要利用几何数据与图像数据，建立虚拟实验教学构件模型。“设计工具”主50要根据虚拟实验教学构件的基本属性，利用虚拟实验教学构件模型进行场景设计。“运行工 具”主要结合虚拟实验教学的交互需求，实现实验场景与运行结果的可视化。“应用接口” 主要用于连接虚拟实验教学平台，提供虚拟实验教学构件检索、虚拟实验教学场景保存、实 验结果获取等功能。本论文介绍的部分研制工作，采用了课题参与单位的基于可缩放矢量图 形的构件可视化建模方法7-9，构建的虚拟实验教学构件模型保存于课题合作单位的虚拟实55验教学构件库10，虚拟实验教学场景可视化运行工具可以从课题合作单位的虚拟实验教学 平台10获得实验运行数据。建模工具设计工具运行工具数据虚拟实验教学构件接可视化建模口基于几何数据的构件建模基于图像数据的构件建模构件保存虚拟实验教学场景 可视化设计构件检索场景搭建场景保存应 虚拟实验教学场景用 可视化运行接实验结果获取口实验结果可视化用户交互响应图 1 总体设计602虚拟实验教学构件可视化建模工具虚拟实验教学构件分为静态实验教学构件和动态实验教学构件，如图 2 所示，静态实验 教学构件是指不支持用户交互的虚拟实验教学构件，其属性包括领域属性和外观属性；动态 实验教学构件是指外观可以随用户交互而动态变化的虚拟实验教学构件，不仅具有领域属性 和外观属性，并且具有交互属性。65静态实验教学构件领域属性z电压z内阻z外观属性交互属性 z旋转指针 z切换量程 z动态实验教学构件图 2 静态实验教学构件与动态实验教学构件根据相关领域专家知识，定义虚拟实验教学构件的领域属性。以中学物理实验的电池和70电压表为例：电池属于静态实验教学构件，其领域属性包括电压和内阻，外观属性如图 2所示，不需要显示实验结果和响应用户的交互；电压表属于动态实验教学构件，不但具有电压和量程等领域属性与外观属性，并且具有旋转指针、切换量程等交互属性，可以通过旋转指针展示实验结果，能够根据用户改变量程的交互，给出可视化响应。2.1静态实验教学构件建模及可视化75静态实验教学构件建模及可视化主要包括：根据可缩放矢量图形标准，制定虚拟实验教 学构件的数据模型，定义表示虚拟实验教学构件数据的基本标签，主要有直线、矩形、圆、 椭圆、折线、多边形、文本、图像等，并为每个基本标签赋予位置坐标、宽高尺寸、线条颜 色、填充颜色、变换矩阵等属性。在此基础上，结合标签属性，绘制基本标签，可视化虚拟 实验教学构件。如图 2 所示，电池实验教学构件包含：一个用于电池主体可视化的图像标签，80以及两个用于电池正负极接口可视化的圆标签。2.2动态实验教学构件建模及可视化动态实验教学构件建模主要包括：（1）图像数据获取，利用图像分割得到描述动态实 验教学构件的图像数据；（2）图形数据获取，利用交互式几何构形得到描述动态实验教学 构件的图形数据；（3）虚实融合处理，综合图像数据与图形数据及其之间的位置、大小、85遮挡等关系，构建虚实融合的动态实验教学构件外观属性；（4）显示方式建模，定义动态 实验教学构件的结果显示方式，通过添加脚本，将实验计算结果转化为动态实验教学构件的 外观属性；（5）交互功能建模，通过分析虚拟实验教学构件的实际功能和交互特点，通过 添加脚本，实现动态实验教学构件的交互功能，如图 3 所示。动态实验教学构件可视化主要包括：（1）构件外观可视化，解析虚拟实验教学场景中90的动态实验教学构件，确定描述动态实验教学构件的图像数据、图形数据，以及相关位置、 比例、遮挡等关系，绘制动态实验教学构件；（2）实验结果可视化，根据虚拟实验教学平 台提供的实验结果，更新构件外观属性，重新绘制动态实验教学构件；（3）用户交互响应 结果可视化，检测虚拟实验教学场景的用户行为，调用相应的交互属性，重新绘制动态实验 教学构件，如图 3 所示。95图 4 是电压表动态实验教学构件建模示例。首先，从真实实验教学构件的图像中提取电 压表的表盘等图像数据，通过手动交互建立电压表的指针等图形数据，包括定义电压值为零 的指针初始角度0 、当前测量量程（从Vmin 到Vmax ）对应的旋转范围（从min 到max ）等。 其次，融合图像数据和图形数据，调整表盘尺寸、指针位置、以及两者的遮挡关系，生成电压表的整体外观。然后添加脚本，定义测量电压V 和指针旋转角度 的转换关系：- 8 -100 = 0+ V (max min )Vmax Vmin105利用该公式将实验结果电压值转换为外观属性角度。最后编写脚本，响应用户切换电压量程的交互，即通过脚本更新上述公式的Vmax 、Vmin ，并重新计算指针的旋转角度。图 5 是电压表动态实验教学构件可视化示例。首先，提取电压表动态实验教学构件的图 像数据、图形数据，以及相关位置、比例、遮挡等关系，按照层次顺序，绘制表盘和指针， 指针初始位置指向0 （值为 0.0V）。虚拟实验教学场景开始运行后，在计算结果中筛选出 电压表的电压值，并根据已定义的公式转化为指针旋转角度，并重新绘制电压表指针。当接 收到用户交互行为要切换电压表的测量量程时，运行预先定义的脚本，根据新的Vmax 、Vmin ， 重新计算指针旋转角度，并重新绘制电压表指针。实验教学构件图像图像数据获取 3V 15V交互式几何构形 3V 15V图形数据获取虚实融合处理显示方式建模 及交互功能建模动态实验教学构件建模用户交互响应 及实验结果更新教学构件外观绘制 及实验结果绘制动态实验 教学构件动态实验教学构件可视化110图 3 动态实验构件建模及可视化示意图图 4 电压表动态实验教学构件建模示意图115120125图 5 电压表动态实验教学构件可视化示意图3虚拟实验教学场景可视化设计工具如图 6 所示，虚拟实验教学场景可视化设计工具的主要功能包括：虚拟实验教学场景管 理（新建、保存、打开、清空虚拟实验教学场景，查看实验所属学科、实验名称等）；视图 操作（场景视图的放大、缩小、还原）；虚拟实验教学构件管理（检索、添加、删除虚拟实 验教学构件，预览虚拟实验教学构件的详细信息，在虚拟实验教学场景中添加、删除构件）； 虚拟实验教学构件编辑（拖放、缩放、旋转、剪切、复制、粘贴）；虚拟实验教学构件约束 关系表示（虚拟实验教学构件逻辑属性值编辑与合法性检查，在虚拟实验教学构件之间添加、 删除连线等）；辅助功能（状态栏的实验设计信息辅助提示，实验区的背景色彩自定义与辅 助设计网格绘制，连线颜色更改，鼠标选取对象的信息提示）。其中，虚拟实验教学构件检索界面如图 7 所示。图 6 虚拟实验教学场景可视化设计工具（虚线框内）130135图 7 虚拟实验教学可视化设计的构件检索4虚拟实验教学场景可视化运行工具研制的虚拟实验教学场景可视化运行工具如图 8 所示。该工具提供了多领域虚拟实验可 视化编辑和实验教学场景可视化运行等功能，主要有：虚拟实验教学场景管理（保存、打开 等）；视图操作（场景视图的放大、缩小、还原等）；虚拟实验教学构件管理（构件预览、 添加、删除）；虚拟实验教学构件编辑（拖放、缩放、旋转）；虚拟实验教学构件约束关系 表示（构件的逻辑属性值编辑与合法性检查，添加、删除构件之间的连线等）；交互仿真子 模块（利用虚拟实验教学平台，定制实验结果，发送场景数据，接收并解析实验结果，实验 结果可视化）；动态实验教学构件可视化；辅助功能（状态栏的实验设计信息辅助提示，实 验区的背景色彩自定义与辅助设计网格绘制，连线颜色更改，鼠标选取对象的信息提示）。140图 8 虚拟实验教学场景可视化运行工具（虚线框内）1451501551605典型应用示范应用虚拟实验教学可视化场景构建工具，可视化设计与演示验证了 60 多个典型虚拟实 验教学构件、18 个典型虚拟实验教学场景，其中典型实验涵盖了 5 个学科，分别是电工电 子学科、控制学科、计算机学科、机械学科、中学科学。（a）炉温控制系统的虚拟实验教学场景可视化构建与运行（b）锅炉模型的动态实验教学构件可视化图 9 炉温控制系统的虚拟实验教学场景可视化构建与运行图 9 是炉温控制系统的虚拟实验教学场景可视化构建与运行示例。用户通过（a）的锅 炉模型实验教学构件，读出当前温度值；用户通过（b）的锅炉模型动态实验教学构件，获 取温度变化曲线，并且可以通过交互，设置升温比例系数。6结论本论文介绍了虚拟实验教学可视化场景构建的三个工具及其应用示范，主要包括：虚拟 实验教学构件可视化建模工具、虚拟实验教学场景可视化设计工具、虚拟实验教学场景可视 化运行工具。参考文献 (References)1651701751801 Gider F, Likar B, Kern T, Miklavcic D. Implementation of a multidisciplinary professional skills course at an electrical engineering schoolJ. IEEE Transactions on Education, 2012, 55(3): 332-340.2 Uran S, Jezernik K. Virtual laboratory for creative control design experimentsJ. IEEE Transactions onEducation , 2008, 51(1): 69-75.3 Heh J, Chang J, Li S, Chang M. Providing students hints and detecting mistakes made by students in a virtualexperiment environmentJ. IEEE Transactions on Education, 2008, 51(1): 61-68.4 Christou I, Efremidis S, Tiropanis T, Kalis A. Grid-based virtual laboratory experiments for a graduate course on sensor networksJ. IEEE Transactions on Education, 2007, 50(1): 17-26.5 Taczaa W, Grajner G, Zaremba M. Virtual laboratory with simulated nuclear physics experimentsJ. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2008, 57(8): 1766-1770.6 Benetazzo L, Bertocco M, Ferraris F, Ferrero A, Offelli C, Parvis M, Piuri V. A web-based distributed virtual educational laboratoryJ. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2000, 49(2): 349-356.7 于兴彬，潘荣江. 基于 SVG 的虚拟实验器件元数据模型OL.2010-09-29. 中国科技论文在线，http:/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201009-6388 刘凤云，潘荣江. 虚拟实验的场景建模和可视化技术研究OL.2010-10-12. 中国科技论文在线，http:/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201010-1499 刘丽，潘荣江 . 虚拟实验构件的建模方法 OL.2011-09-26. 中国科技论文在线 ，http:/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201109-33510 JIANG W, Li H, JIN H, ZhANG L, PENG Y. VESS: An unstructured data-oriented storage system for multi-disciplined virtual experiment platformA. The 4th International Conference on Human-centric ComputingC, 2011.