基于vrml的虚拟实验室研究

欢迎光临基于vrml的虚拟实验室研究梁海一、立项依据1.选题意义和应用前景1.1在现代教育中，实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工学科体系的一些学生，学生只有通过足够的实际动手实验和操作，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得足够的实验技能和动手能力，并初步具备完成实际测试、设计等工作能力。为保证完成必要的教学实验内容，传统的实验室一般也需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，随着测试技术的发展，仪器更新换代的步伐越来越快，功能也越来越复杂。投资大、技术更新快、维护困难，而且面临着增加实验教学课时的压力，使得相关教学实验室更新与改造已成为教学实验室领域改革的重要课题。虚拟仪器技术的出现和发展，为解决上述问题提供了一个新的思路。利用虚拟仪器技术可以建立一个虚拟实验室，替代了传统实验室，可以解决上述问题。从教学应用角度来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机技术来实现模块重组配置、异地实时操作、扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的适用性和实验内容的先进性。1.2本课题的核心概念界定，研究范围的限定，国内外研究现状述评虚拟实验：是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种遇到的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验室：是一个创造和引导模拟实验的交互环境即实验场所，它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具好参考资料组成。研究范围界定：本课题研究的是以地理学科的虚拟实验为主要目标，初步实现几个可以交互的实验环境。2.国内外研究现状分析2.1虚拟实验室的国外现状VR技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人JamnIJaIlier提出这一概念，后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展。虚拟实验室概念是由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)的教授威廉·沃尔夫(WilliamWolf)于1989年首先提出的，它描述了计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境，在这个环境里，用户可以非常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。它的提出至今20余年，各国均在大力开发，己经取得了一些进展。目前，虚拟实验室的建设在发达国家己十分普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术开发的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制订计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的院校和科研机构正投身于构筑一个覆盖美国的虚拟实验网络的工作中来。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究己处于领先地位。虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。国外的一些大学己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。2.2虚拟实验室的国内现状我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。虚拟实验室的建设也得到了应用上的重视。目前，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了航空电台二线综合测试仪，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研3.项目研究基础3.1经济可行性分析本研究主要采用的是桌面虚拟现实技术，而它实现主要依靠虚拟现实软件，相对于其它虚拟仪器来说，这个成本低。只需要考虑一台电脑和一些必须的软件以及一个熟练的编程人员。所以从经济方面来说完全没有问题。3.2技术可行性分析主要用桌面虚拟现实技术来完成虚拟实验室。VRML除了具有一般虚拟现实建模语言的特性外，还具有强大的网络功能，VRML对硬件与软件的环境要求都较低，一般计算机都可以运行，但配置较高时，运行速度较快[8]。一般推荐配置为：（1）硬件环境：建议采用pentium4以上的计算机，主频2G以上、内存128M以上、显存64M以上、硬盘10G以上。（2）软件环境：操作系统可采用Windows2000/XP等，要求安装VRML相关浏览插件。（3）网络环境：浏览VRML场景时可以采用宽带等网络接入方式，网络浏览器可采用Windows操作系统自带的IE浏览器。以上这些要求都不成问题。3.3操作可行性分析基于虚拟现实的虚拟实验室可以成为学生和教师实验教学的辅助工具。它面向的主要对象是学生、教师人群。尽管这些虚拟环境、虚拟器材只在计算机中存在，但学习者是可以操作的，学习者可以借助VR技术在虚拟世界中模拟完成难以操作的或具危险性的试验，一些抽象思维可以通过网络形象化。尽管当前虚拟实验室都是基于虚拟现实的，要在其中普及由视觉头盔和数据手套等设备构成的力反馈式交互式极其困难的（一是技术原因，二是资金原因）。但是以键盘、鼠标和显示器等常规输入输出设备在客户机浏览器中构成交互环境的VR技术却日趋成熟和完善，所以这些以虚拟现实为基础的虚拟实验室具有很强的可操作性。二、项目实施方案与计划1.主要研究内容、研究目标和关键问题在现代教育中，实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工学科体系的一些学生，学生只有通过足够的实际动手实验和操作，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得足够的实验技能和动手能力，并初步具备完成实际测试、设计等工作能力。为保证完成必要的教学实验内容，传统的实验室一般也需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，随着测试技术的发展，仪器更新换代的步伐越来越快，功能也越来越复杂。投资大、技术更新快、维护困难，而且面临着增加实验教学课时的压力，使得相关教学实验室更新与改造已成为教学实验室领域改革的重要课题。虚拟仪器技术的出现和发展，为解决上述问题提供了一个新的思路。从教学应用角度来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机技术来实现模块重组配置、异地实时操作、扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的适用性和实验内容的先进性。2.具体实施计划本课题研究的时间定为一年。第一阶段：设计申报阶段、研究准备阶段2012年6月至2012年08月，认真分析分校实验和实验室情况，确定针对哪一个学科进行虚拟实验室的开发，并进行多方面的材料组织并开展相关软件的培训工作为实施开发做好准备。第二阶段：研究实施阶段2012年09月至2013年02月，建立虚拟实验室模型，通过三维动画软件3DSMAX制作虚拟实验室场景模型并导出为vrml格式，为最后的集成做好准备。第三阶段：研究总结阶段2013年03月至2013年06月，最终测试及分析总结，深化研究，撰写报告、论文；邀请领导、专家对课题研究结果进行评审鉴定；成果推广。开观摩课、撰写结题报告。3.拟采取的研究途径与方法、主要保障条件研究方法(1)、文献资料法。课题提出的背景、课题相关研究的现状、课题提出的意义以及理论研究部分采用文献资料法，在借鉴前人的部分研究成果的基础上提出自己具有的新见解。(2)、问卷调查和访谈法。通过问卷调查和访谈对目前本校实验开出现状进行调查，并用统计法进行分析以确定虚拟实验。(3)、利用面向对象的软件系统（visualC++等）、三维动画软件（3dsmax等）对虚拟实验室进行建模。(4)、测试，最后形成研究报告。主要保障条件本课题主持人在教学直观化、虚拟实验研究方面有较为丰富的经验，在近几年发表相关方面的文章多篇，具有丰富的科研经验，参与多个课题的研究，课题组成员在计算机应用技术方面具有丰富的经验，参与多个课题的研究，研究成果显著；年龄结构合理，学识水平优良，其中具有硕士学位者两人，学士学位者三人，学科构成合理，完全胜任本课题的研究工作。预期成果形式及数量(1)虚拟实验室的可行性分析及需求分析报告分析报告(2)虚拟实验室建模文件压缩包文件(3)如何利用3dsmax和vrml进行虚拟实验室建模论文(4)浅谈地理虚拟实验室建模方法论文(5)基于vrml的虚拟实验室研究结题报告主要创新之处通过对地理学科实验内容分析，结合研究团队实际及高职高专院校的实验开出情况，确定具体的实验场景开发，（1）建立的虚拟模型要求能够很好的模拟现实中的场景。虚拟场景的模型是整个虚拟实验室的基础，建模的好坏将直接影响运行的效果和场景的逼真度。所以要求能够在节约空间的基础上尽可能完整的描绘细节。（2）在完成虚拟场景建模的基础上，能实现一定的交互功能。用户可以演示几个简单的实验结果，可以浏览整个实验室，了解相应的实验内容。